劉 靜,修恒旭

(中國船舶重工集團(tuán)新能源有限責(zé)任公司,北京 100095)

0 引 言

隔熱支架在化工領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,不僅可以有效避免管道與支架的直接接觸,還在減少散熱損失的同時(shí)起到保護(hù)鋼支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。然而在電力領(lǐng)域,隔熱支架的應(yīng)用卻較為罕見。某儲(chǔ)熱型太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的導(dǎo)熱油管道隔熱支架由某化工設(shè)計(jì)院依據(jù)化工領(lǐng)域中的常規(guī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。但設(shè)計(jì)院所選取的隔熱層厚度不盡合理,有必要對(duì)隔熱層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

由于選用的隔熱支架設(shè)計(jì)溫度較高(溫度大于550 ℃),而給定的散熱損失較小(散熱損失取80 W/m2),因此項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要消耗大量的硅酸鈣。但是,項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的管道溫度限制并不會(huì)超過393 ℃,所使用的硅酸鈣厚度存在很大的余量,增加了投資成本,因此對(duì)保溫層進(jìn)行重新計(jì)算很有必要。目前已有學(xué)者對(duì)隔熱支架的傳熱過程進(jìn)行了研究[1-2],該文提出一種工程中較適用的一種計(jì)算方法。

1 隔熱層厚度優(yōu)化原則

1.1 隔熱管道支架形式

圖1為隔熱支架外形圖,其中剖面線部分是硅酸鈣保溫層,其余為Q235B制成的鋼制支架,支架與硅酸鈣保溫層接觸部分對(duì)應(yīng)的圓心角為120°。每個(gè)支架包含兩個(gè)硅酸鈣保溫帶,即保溫帶A和B。管道支架的底板與混凝土基礎(chǔ)之間鋪設(shè)一層聚四氟乙烯板,可以起到隔熱和自潤滑作用,滿足管道受熱后軸向膨脹的要求。

圖1 隔熱支架外形圖

1.2 優(yōu)化原則

對(duì)管道支架的硅酸鈣隔熱層厚度進(jìn)行計(jì)算,在不影響工藝要求的基礎(chǔ)上,獲取管道的最佳經(jīng)濟(jì)厚度。優(yōu)化原則如下:

1)給定管道的硅酸鈣隔熱層厚度,計(jì)算出每種支架的硅酸鈣體積和投資成本;

2)計(jì)算出不同硅酸鈣厚度條件下的表面散熱量,將散熱量轉(zhuǎn)化為電價(jià),計(jì)算出電價(jià)損失;

3)找出壽命期內(nèi)損失電價(jià)和硅酸鈣投資成本之間的平衡點(diǎn),該值對(duì)應(yīng)的硅酸鈣隔熱層厚度就是硅酸鈣的最佳經(jīng)濟(jì)厚度。

優(yōu)化方案以硅酸鈣保溫層厚度為0時(shí)的投資成本作為基準(zhǔn)點(diǎn),以硅酸鈣的厚度作為變量(每次遞增10 mm),計(jì)算出硅酸鈣不同厚度情況下所減少的凈現(xiàn)值。當(dāng)凈現(xiàn)值最大時(shí),則認(rèn)為該凈現(xiàn)值對(duì)應(yīng)的硅酸鈣厚度為最佳經(jīng)濟(jì)厚度。

2 隔熱層厚度優(yōu)化

2.1 優(yōu)化的邊界條件

導(dǎo)熱油管道支架保溫厚度計(jì)算參數(shù)選擇見表1。

表1 保溫厚度計(jì)算參數(shù)

管道外徑分別按1 219、1 118、1 016、965、914、864、762、711、660、610、508、457、406、357、325、273、219、168、114、89 mm考慮。

2.2 優(yōu)化過程

2.2.1 熱阻及傳熱量計(jì)算

管道支架保溫層導(dǎo)熱由三部分組成:硅酸鈣保溫層導(dǎo)熱、鋼制支架導(dǎo)熱、支架底座與空氣對(duì)流換熱。

1)硅酸鈣保溫層導(dǎo)熱[3]。保溫層包裹在管道上,因此該部分為圓筒導(dǎo)熱。其熱阻1/K1可以采用下式計(jì)算:

(1)

式中:D為管道外徑;D1為硅酸鈣外表面直徑;λ1為硅酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)。

2)鋼制支架導(dǎo)熱[4]。鋼制支架上側(cè)和硅酸鈣通過圓弧面接觸,下側(cè)和混凝土基礎(chǔ)通過底板平面接觸,形狀不規(guī)則。由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)是硅酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)的333倍,所以熱阻主要存在于硅酸鈣保溫層中,因此可以將底部的鋼制支架近似看做平板導(dǎo)熱,其導(dǎo)熱熱阻1/K2采用下式計(jì)算:

(2)

式中:δ為支架總厚度(硅酸鈣外表面和鋼制支架底板的距離);λ2為鋼導(dǎo)熱系數(shù)。

3)支架底座與空氣對(duì)流換熱。 空氣流速對(duì)于對(duì)流換熱產(chǎn)生很大影響,對(duì)流換熱熱阻1/K3采用下式計(jì)算:

(3)

式中:c為年均風(fēng)速。

4)每平方米絕熱層的熱損失量Q

(4)

式中:T為管道外表面溫度;Ta為環(huán)境溫度。

2.2.2 費(fèi)用計(jì)算[5]

1)硅酸鈣投資成本Cinv

Cinv=PV

(5)

(6)

式中:W為管道支架上的硅酸鈣總寬度;V為硅酸鈣體積;P為每立方米硅酸鈣價(jià)格。

2)年電價(jià)損失Le

年電價(jià)損失是管道每年損失的熱量所轉(zhuǎn)化成為潛在電能的價(jià)值。計(jì)算熱量損失中的面積為鋼制支架和硅酸鈣接觸的圓弧面面積,圓弧所對(duì)的圓心角為120°。

Le=φPeS

(7)

S=μπ(D+2δ)W

(8)

式中:φ為每平米絕熱層熱量損失轉(zhuǎn)化后的年損失電量;S為熱量損失表面積;Pe為上網(wǎng)電價(jià);μ為散熱面在圓弧面的面積比例,即1/3。

3)壽命期凈現(xiàn)值Δ

(9)

式中:i為銀行年貸款利率,取0.05。

4)壽命期節(jié)約費(fèi)用φ

(10)

式中:Cinv,0為硅酸鈣厚度為0時(shí)的硅酸鈣成本,文中該值為0;Le,0為硅酸鈣厚度為0時(shí)熱量損失量折合成的電價(jià)。

2.2.3 計(jì)算過程

控制硅酸鈣的厚度,每次遞增10 mm,通過計(jì)算25年節(jié)約費(fèi)用,取最大值對(duì)應(yīng)的硅酸鈣厚度為最優(yōu)厚度平衡點(diǎn)。

2.3 最優(yōu)隔熱層厚度的影響參數(shù)

最優(yōu)硅酸鈣厚度是硅酸鈣投資成本Ii和散熱損失Le的平衡點(diǎn)。

散熱損失只與散熱表面積S以及每平米絕熱層的熱損失量Q有關(guān)。由于每種支架對(duì)應(yīng)的圓心角均為120°,所以散熱表面積S僅與管徑D、硅酸鈣厚度以及硅酸鈣寬度L有關(guān),各部分與散熱損失的關(guān)系如下所示。

1)管徑D

管徑D對(duì)硅酸鈣保溫層的導(dǎo)熱熱阻有影響,當(dāng)厚度一定時(shí),管徑越小,熱阻越大;另一方面,當(dāng)厚度一定時(shí),大管徑管道的硅酸鈣體積比小管徑大。兩種關(guān)系中,前者是對(duì)數(shù)關(guān)系,而后者是平方關(guān)系,因此可以斷定管徑D對(duì)硅酸鈣的厚度有影響,且小管徑管道的最優(yōu)硅酸鈣厚度比大管徑管道小。

2)硅酸鈣寬度L

硅酸鈣寬度影響散熱損失,和散熱表面積S之間是線性關(guān)系,同時(shí)L也影響硅酸鈣的投資成本,和體積之間也是線性關(guān)系。在計(jì)算平衡點(diǎn)時(shí),散熱損失和硅酸鈣投資成本分居等式兩側(cè),因此硅酸鈣寬度L對(duì)硅酸鈣厚度無影響。

3)導(dǎo)熱系數(shù)λ1、λ2和風(fēng)速c

導(dǎo)熱系數(shù)λ1、λ2和風(fēng)速c分別影響三個(gè)熱阻。整個(gè)傳熱過程中存在三個(gè)熱阻,由于1/K1比1/K2和1/K3大得多,所以對(duì)Q的影響最大。盡管1/K2和c也有影響,但這兩個(gè)參數(shù)的影響效果很小。

4)硅酸鈣單價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)

硅酸鈣單價(jià)直接影響硅酸鈣的投資成本,而上網(wǎng)電價(jià)影響電價(jià)損失,所以這兩者都會(huì)影響硅酸鈣最佳厚度。

同理,管道表面溫度與環(huán)境溫度的差值和每平方米的熱量損失成正比,這兩個(gè)參數(shù)也是影響硅酸鈣最佳厚度的參數(shù),因設(shè)計(jì)溫度為550 ℃,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符,影響較大,進(jìn)而提出該優(yōu)化方案的必要性。

綜上所述,影響硅酸鈣最佳厚度的參數(shù)有:導(dǎo)熱系數(shù)λ1、λ2、風(fēng)速c、管徑D、硅酸鈣單價(jià)P以及上網(wǎng)電價(jià)Pe。由于上網(wǎng)電價(jià)Pe、風(fēng)速c為定值,而鋼導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱阻的影響又特別小,所以硅酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)λ1及其價(jià)格P成為影響最優(yōu)厚度的重要因素。

3 優(yōu)化結(jié)果

通過對(duì)各管道規(guī)格進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,本項(xiàng)目的優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比結(jié)果

通過表2可以看出:優(yōu)化結(jié)果約為設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)厚度的三分之一,硅酸鈣的用量將比原來節(jié)約60%～70%,節(jié)約成本效果顯著。

4 結(jié) 語

以某儲(chǔ)熱型太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目采用隔熱支架為例,利用傳熱學(xué)基本原理,對(duì)隔熱層厚度進(jìn)行優(yōu)化,針對(duì)本項(xiàng)目,給出了各管徑隔熱層合理厚度的推薦值。

考慮到隔熱層費(fèi)用在支吊架整體占比中較高,因此針對(duì)不同的設(shè)計(jì)溫度,導(dǎo)熱層厚度均需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算核算,避免造成不必要的浪費(fèi)。優(yōu)化計(jì)算方法可以為同類型項(xiàng)目的隔熱層優(yōu)化提供參考。