新型預制架空保溫管技術及其應用

顧景磊，鐘升楷

(1.寧波萬里管道有限公司，浙江 寧波 315800； 2.浙江大學 能源工程學院熱工與動力系統研究所，杭州 310027)

0 引言

在工業生產、生活采暖等領域中，需要從供熱系統中汲取并使用大量熱能。熱力發電廠作為供熱系統的“心臟”，源源不斷地提供熱能，而熱力管道則發揮著“血管”的作用，是輸送水、蒸汽等熱能承載介質的重要基礎設施。目前，集中供熱系統的熱水管網，即使有良好的保溫措施，其散熱損失仍占總輸入熱量的5%～8%[1]，而對于溫度更高的高溫蒸汽管道，散熱損失將會更大。在我國的電力發展“十三五”規劃[2]中，推進集中供熱，逐步替代燃煤小鍋爐，減少燃煤污染成為重要的發展方向，而集中供熱規模的不斷擴大必然使得供熱管網的輸送距離不斷加長[3]。由于高溫熱能的品位高于低溫熱能[4]，因此熱力管道的保溫性能將直接影響熱網系統的能源利用效率與環境經濟效益。

本文介紹了一種新型預制架空保溫管，闡明了其相較于傳統架空保溫管(傳統管)的優勢，并對比研究了分別使用預制架空管與傳統架空管的兩個項目，為往后類似項目的規劃建設提供借鑒。

1 新型預制架空保溫管技術及其優勢

在供熱系統中，為了降低熱能在輸送過程中向環境耗散的量，同時防止管道表面溫度過高造成燙傷事故，保溫管成為長距離供熱系統中的關鍵設備。

傳統管常使用巖棉、玻璃棉等軟質保溫材料[5]，也使用硅酸鈣等硬質保溫材料。軟保溫材料的優點是初始投資低，短期效果不錯，缺點是抗壓能力差，易受外力作用而變形，長時間使用后還易發生沉降，造成保溫層上薄下厚，保溫性能下降。硬保溫材料則解決了軟保溫材料易坍塌、不抗壓的問題[6]，使用壽命較長，但硬質材料與工作管間以及硬質材料相互之間均難以緊密貼合，易形成縫隙而發生對流換熱。不管是使用軟質還是硬質材料，傳統管的施工方法均是先安裝工作芯管，然后在現場進行保溫層及外防護層的施工。由于現場保溫施工的輔助機械設備少、地形復雜、工作環境惡劣，制作出的保溫管具有許多缺陷[7]。

(1)隔熱管托的支架形式使得工作管與支架間沒有完整的保溫材料，管托與保溫材料在管道軸線方向上有縫隙，散熱量較大。

(2)現場施工條件差，主要是手工作業，無機械輔助，施工工期長、質量可控性差、整體保溫性能較差。

(3)由于傳統管存在縫隙，施工中需采用軟質保溫材料進行嵌縫，現場嵌縫施工耗時費力，監理困難，故通常嵌縫效果不佳，造成整體保溫性能下降。

文獻[8]中詳細介紹了各類預制直埋保溫管，可見預制保溫管技術在直埋管道項目中已經得到了廣泛的使用，而架空管使用預制方法進行建設的還較為少見。針對傳統架空保溫管的各種缺點，本文介紹一種新型預制架空保溫管技術[9]，與傳統管的技術特點對比如圖1所示。

與傳統管不同，新型管采用了工廠預制保溫管的模式，在工廠內制作保溫結構及外防護層并包裝后運輸至現場，然后采用機械設備輔助安裝。現場安裝工作僅包括各節成品管道的架設連接及接口處的保溫施工，大大提高了現場施工效率。以直徑為600 mm、總長1 000 m的蒸汽保溫管道的施工過程為例，在不考慮天氣因素的影響下，2種保溫管保溫施工的周期對比見表1。

在保溫結構上，傳統管通常僅使用單種保溫材料——硅酸鈣，而塊狀硅酸鈣間常出現縫隙，需要進行現場嵌補，否則將發生嚴重的漏熱。新型管為了解決縫隙問題，采用了3層復合保溫結構。硅酸鈣和工作管間的縫隙由最內層的軟保溫材料填補，減少了對流換熱，提高了整體保溫性能；軟保溫層較薄，可使用比玻璃纖維氈導熱系數更低[10]的硅氣凝膠復合氈；同時，新型管硬質保溫層外層增加了聚氨酯泡沫保溫層。在工廠內，將敷設好硬保溫層的半成品管道放入模具中，注入聚氨酯原料液發泡成型，聚氨酯完整包裹住硬保溫層，使保溫管成為無縫整體，整體保溫性能大大提高。

圖1 傳統架空管與新型預制架空管技術特點對比

項目傳統架空管預制架空管管線長度/m10001000保溫施工長度/m100040保溫施工周期(6人)/d8010

傳統管采用冷態敷設的辦法，而工作芯管熱態下會發生膨脹，造成縫隙增大，12 m長的直管出現20條縫隙，整體保溫性能下降嚴重。新型管采用熱態敷設的方法，在架設連接好各節保溫管后，通氣使其達到熱態。得益于聚氨酯保溫層的包裹作用，保溫管內不會出現縫隙。工作芯管受熱膨脹而延伸的部分全部出現在芯管連接口處，此時縫隙縮減為各節管道頭尾2條，可對其進行集中保溫處理，效率提高的同時保溫性能也得到提高。

傳統管在架設工作管時使用隔熱管托將工作管與支架隔開，新型管由于在工廠已制成成品，支架與工作管間有完整的保溫材料，沒有導熱較好的熱橋存在，整體保溫性能進一步提高。

2 新型預制架空保溫管在供熱項目中的應用

表2為傳統架空管與新型預制架空管的投資成本對比分析，可以看出，在初始投資中，使用新型管的二期工程土建費用相同，材料費用相較于一期工程增加了28.9%，管道施工費用降低了36.9%，材料及管道施工費用總額增加了14.1%。可見，由于將保溫施工轉移至工廠內進行且使用了優化的保溫結構，新型管項目中的材料費用增加，但現場施工效率提高，管道施工費用降低。總體上看，二期工程的總投資增加了12.06%，但項目建設周期縮短了50%，提高了項目建設的工作效率。使用優化的保溫結構雖然導致成本上升，但管道熱損明顯下降，下面分析熱損下降帶來的收益。

表2 明州北線一期、二期供熱管道項目初始投資對比

明州北線一、二期工程均已建設完畢，管道實際運行后，通過測量管道始端和末端的供熱蒸汽參數，可計算供熱蒸汽在管道內的散熱損失。兩期項目在管道始段與末端的供熱蒸汽參數見表3。

表3 明州北線一期、二期工程供熱參數對比

管道熱損計算公式為

(1)

式中：Q1為管道熱損，W/m；h2為管道末端比焓，kJ/kg；h1為管道初始端比焓，kJ/kg；qm為管道流量，t/h；L為管道長度，m。

經計算，一期工程的管道熱損為984 W/m，二期工程的管道熱損為255 W/m。由此可見，新型預制架空保溫管的使用大大降低了供熱管網中的散熱損失。為了更加直觀地展現新型管的節能效果，可對比兩期管道的年散熱損失。

Q=Q1×3.6×L×24×365 ，

(2)

式中：Q為管道全長每年熱損，kJ；L為管道長度，7 000 m。

經計算，使用新型管的二期工程每年可減少熱損失160 960 GJ，假設鍋熱效率為80%，管道效率為100%，相當于每年節約標準煤6 865 t[11]。按熱值為24.3 MJ/kg、單價為850 元/t的寧波動力煤計算，每年可節約704萬元。因此，盡管二期工程總投資為2 933.7萬元，但投資回報期僅為4.17 a，經濟效益顯著。同時，二期工程每年可減少排放二氧化碳約17 114 t，粉塵約4 668 t，二氧化硫約515 t，氮氧化物約103 t，環保效益顯著。新型預制架空保溫管的使用使項目在不提高投資費用的基礎上，有效縮短了建設周期，同時大大提高了管道的保溫性能，提高了熱能利用效率，環保與經濟效益良好。

3 結束語

傳統的架空保溫管存在支架熱損大、溫差縫隙大、保溫性能低、施工周期長、保溫施工質量難以保障等諸多不足之處。新型預制架空保溫管在施工流程、保溫結構、支架結構、敷設方法、縫隙處理工藝等方面上均做出了改進。實際應用表明，新型管的使用，不但縮短了項目現場施工周期，同時還大大降低了供熱管道的散熱損失，對于增大大型熱電機組的供熱半徑，減少小機組的使用，節約煤炭資源，減少環境污染具有重要意義。