蒸汽管道保溫材料的優化探析

王建軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

供熱管道是石油化工企業的基礎設施，也是主要的熱媒渠道之一，承擔著為各生產裝置輸送熱能的重要作用。供熱管道的保溫層破損或者失效則會引起熱能損失，不僅浪費了大量的生產資源，還污染了環境。供熱管道的保溫失效導致主蒸汽管線溫度和壓力下降，引起生產裝置的停產停工，污染環境，甚至造成火災、爆炸等重大事故，其損失比管道本身的熱損嚴重得多。做好供熱管道的保溫管理，不僅是建設資源節約型社會的要求，也是延長管道使用壽命、保證企業安全生產、提高企業經濟效益的有效途徑。

1 供熱管道保溫材料的現狀

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)蒸汽管網系統大部分建成投用較早，當時供熱管道采用的內保溫材料大多是微孔硅酸鈣或硅酸鋁軟氈，外保溫材料則大多采用巖棉或超細玻璃棉，總厚度為120～130 mm。隨著裝置運行時間的延長，部分保溫材料使用時間已超過期限，保溫效果不理想。蒸汽管網系統保溫效果不好，致使管道保溫表面溫度升高，一方面導致散熱損失增加、蒸汽耗量增加、裝置燃動能耗上升；另一方面，管網中存在的眾多局部高溫點增加了發生燙傷事故的可能性，存在安全隱患。隨著企業對安全生產節能降耗工作的重視，迫切需要對熱力蒸汽管道外保溫進行全面更換。在更換管道保溫以前，需要了解熱力蒸汽管網系統運行狀況和效果，根據國家相關技術標準和規范對熱力蒸汽管網進行評價，找出不符合保溫標準要求的管段。在此基礎上優選保溫材料，優化保溫結構，制定可行的改造方案并適時實施，確保蒸汽管道保溫效果滿足國家和相關行業的標準要求。

2 氣凝膠與傳統保溫材料

2.1 選擇氣凝膠的依據

二氧化硅氣凝膠保溫材料是迄今為止保溫性能最好的材料之一，導熱系數低至0.017 W/(m·K)，保溫厚度只需傳統材料的1/4～1/5即可達到相同的表面溫度，因此可大幅減少管道散熱面積，從而減少熱損耗。經權威部門檢測，對于Φ114 mm、400 ℃的蒸汽管線，30 mm厚的二氧化硅氣凝膠即可達到120 mm厚的巖棉保溫能達到的表面溫度，節能率可達48%。對于長距離輸送的主蒸汽管線，散熱損失的減小可使管道終端蒸汽溫度提高，含水率下降，從而使終端用戶的生產效率和產品質量得到有效提高。此外，二氧化硅氣凝膠保溫材料還具有較好的抗拉、抗壓性能，憎水率高達99%以上，使用過程中，振動和日曬雨淋對其導熱系數均不會有任何影響。通過阿倫尼烏斯加速老化試驗測試可知，二氧化硅氣凝膠的使用壽命高達20年以上。管線檢修時，拆下來的二氧化硅氣凝膠仍可重復利用，避免了傳統保溫材料需要頻繁更換和不能二次利用等問題，減少管線保溫維護、降低成本的同時，也減少了工業垃圾，對于環境保護和可持續發展都是十分有利的。

2.2 二氧化硅氣凝膠與傳統保溫材料的比較

2.2.1 常規保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈對比

常規保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈的性能對比情況如表1所示。由表1可知：與傳統保溫材料復合硅酸鹽、高溫玻璃棉以及巖棉相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的導熱系數更低，防水性更好，保溫厚度更是大大減小，使用壽命更長，使用過程中性能也更為穩定，結合性能更佳。

表1 常規保溫材料與二氧化硅氣凝膠絕熱氈對比

2.2.2 二氧化硅氣凝膠與傳統保溫材料的現場比較

選取上海石化公用界區的化中管(Φ377 mm×17 mm)作為實驗載體，根據《設備及管道絕熱技術通則》(GB/T 4272—2008)，對二氧化硅氣凝膠與傳統保溫材料進行現場比較。為確保實驗的有序進行，本次實驗依據化中管的現場運行實際狀況，結合公用界區熱網系統的共性常溫下得出的測點數據進行比較。

保溫管道外徑為617 mm，保溫材料及厚度均為120 mm，年平均環境溫度Tm=273.15+15.7=288.85 K。

(1)管道保溫層外表年平均溫度T1比較

T1計算公式為：

T1=Tm+【(Tf-Tm)∕(T,f-T,m)】(T,1-T,m)

式中：T1——管道保溫層外表年平均溫度，K；

T,1——管道保溫層外表面平均溫度，K；

Tm——年平均環境溫度，K；

T,m——環境溫度，K；

Tf——年平均管內介質溫度，K；

T,f——管內介質溫度，K。

氣凝膠：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-299)】(306-299)=296.09 K

傳統保溫：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-300.5)】(318.2-300.5)=307.253 K

(2)年平均保溫管散熱損失值q比較

q計算公式為：

q=q,×(T1-Tm)/(T,1-T,m)

式中：q——年平均保溫管散熱損失值，W/m2；

q,——保溫管散熱損失值,W/m2；

T1——管道保溫層外表年平均溫度，K；

T,1——管道保溫層外表面平均溫度，K；

在本研究中，我們將PCK更多地看成是個人知識，強調教師的教學建構及在這一過程中的反思.因此，本研究采用質性研究的方法，采取個案研究策略，對具有一定代表性的某教師在新課程背景下的PCK發展現狀進行深描，旨在深度地描寫現狀和全面地發現問題，而不是定量研究所追求的推廣性.

Tm——年平均環境溫度，K；

T,m——環境溫度，K。

氣凝膠：q=40.672×(296.09-288.85)/(306-299)=42.071 W/m2

傳統保溫：q=98.5557×(307.253-288.85)/(318.2-300.5)=102.468 W/m2

經過對管道保溫層試驗數據分析可知，使用氣凝膠節能優勢十分明顯，節能率達到了58.7%，對蒸汽管網的散熱損耗有較大幅度的改善。

3 使用二氧化硅氣凝膠取得的效果

表2 氣凝膠與傳統保溫效能比較

(1)與傳統保溫相比較，采用氣凝膠進行保溫改造后，1 km管線每年可節約能源3 231.4 GJ，折合17.8萬元；蒸汽流量為60 t/h時，1 km管線溫降可降低2.6 K，終端蒸汽熱值可提高3 264 GJ，折合18.0萬元。

(2)蒸汽流量為60 t/h時，1年可提供的總熱值為1.46×106GJ，氣凝膠與傳統保溫每1 km的散熱損失分別占總熱值的0.156%，0.378%。因此在蒸汽流量不變的情況下，采用氣凝膠進行保溫改造后，1 km管線即可使生產效率和總產值提高0.22%以上，可帶來的平均經濟效益折合14.8萬元。

(3)采用氣凝膠進行保溫改造，1 km管線的總造價約為150.2萬元。通過以上經濟效益分析可知，實際成本回收時間小于3年，之后1 km管線每年的經濟效益將高于50.5萬元，具有較為可觀的經濟效益。

4 結語

蒸汽管網的熱量損失會降低蒸汽熱能的利用效率，使企業不能達到節能降耗的目標。因此采用有效的保溫材料是減少熱量損失的重要手段。對于需更新的保溫層或者新管敷設時的保溫層可以考慮使用新型保溫材料，例如納米孔絕熱材料，復合絕熱材料石棉代用品、玻璃棉等都具有更好的保溫性能。通過合理配置達到節約和優化能源的利用，從而實現盈利，這也是企業實現低成本戰略的一個途徑。實踐證明，采取有效的保溫措施后，供熱管道的熱損失可減少90%以上，而良好保溫的關鍵是選擇合適的保溫材料和經濟(最佳)厚度。保溫層由保溫材料構成，是實現保溫、隔熱的主要組成部分和保溫結構的主體，因此選擇二氧化硅氣凝膠保溫材料是供熱系統節能降耗的關鍵。