化工區長距離供熱管道熱損分析與研究

張漢賢 鐘 巍 蔡東平

1.上海漕涇熱電有限責任公司

2.浙江大學

0 背景

上海化學工業區是中國最具規模的化學工業園區。由于化工企業的特性，各家企業對蒸汽的需求和品質有著極高要求。本著節能、環保和資源循環利用的原則，上海化工區采用集中供熱的模式，以燃氣蒸汽聯合循環機組作為供熱點，供熱架構為網格化，整個管網供熱覆蓋面積20余km2，主干線管道總長度為60余km。所有供熱管道均為露天架空布置，管道保溫采用硅酸鋁加礦棉的復合保溫棉[1，2]。

由于園區內各家蒸汽用戶的生產工藝和裝置不盡相同，整個供熱管網運行呈現出多樣性、復雜性，并直接反映在管道內的蒸汽流量、溫度和流速的無序變化[3]。設備狀態和環境參數變化為供熱管道內蒸汽參數發生變化提供了客觀因素。這些因素導致管網運行的可靠性不受控，向用戶供熱參數（壓力、溫度）無法得到保證[4]。管網運行的經濟性不受控，各項經濟指標和運行參數偏離設計，這些現象最終反映在供熱的損失[5]。由于影響管道熱損的因素較多，為了能更真實精準反映管道熱損，本文以化工區熱源點至受熱點的一條專用管線作為研究對象，以傳熱分析作為理論基礎，結合長距離供熱管線壁溫測量試驗，建立保溫失效點的判據，并對管道的保溫有效系數進行分等級評價，研究內容對于降低長距離供熱管道的供熱風險，提高長距離供熱管道供熱的經濟性和供熱管理水平具有一定的指導意義。

1 長距離供熱管線熱損理論分析

1.1 管道壁溫測點選取

上海化工區的一條專用供熱管線全長7.9 km，管道外徑為530 mm，根據GB/T 17357-2008《設備及管道絕熱層表面熱損失現場測定熱流計法和表面溫度法》，選取表面溫度法為熱損診斷的試驗方法，即在管道表面進行溫度測點的安裝與架設。

對于7.9 km長的供熱管線，以熱源側廠界為起始點，在距離廠界250 m處設置第一個測量截面，爾后依照每間隔500 m一個測量截面的選取方式分布測量截面至長距離供熱管線末端，完成16個位置的表面壁溫測量。

考慮到上海化工區在我國東南沿海，地處亞熱帶季風性氣候，夏天從海上吹來的東南季風，而冬天是從蒙古高原吹來的西北季風，對于迎風面在不同的季節需要進行不同的方向規定。對于工作管道公稱直徑大于等于500 mm的蒸汽管道，測量截面選取6個測點，見圖1。為保證測量的有效性以及精確性，每個測量截面至少保證有3個測點可實現測量。同時還需要一套適用于室外溫度與風速的測量裝置，用于來確定環境溫度和風速。

圖1 測量截面測點布置

同一測量截面的表面溫度，由于取樣數量有限，單一保溫損壞點的溫度會嚴重影響整個測量截面的平均計算溫度。因此，將采樣中去掉測量截面的測量溫度最大值后，作為整個測量截面的有效測量點，按求算術平均值的方法處理，即按照式（1）計算：

式中：

n——有效測點數，個。

x1，x2，x3…xn-1，xn——截面各點的表面溫度值，℃。

管道外表面與大氣空間的傳熱過程包括對流傳熱和輻射傳熱，其中對流傳熱包括自然對流傳熱與強制對流傳熱，表面傳熱系數的計算根據GB/T 28638—2012《城鎮供熱管道保溫結構散熱損失測試與保溫效果評定方法》對蒸汽管道外表面總傳熱系數（包括表面傳熱系數、輻射傳熱系數）的計算方法的規定中對儀器誤差的限制，選取二、三級測試對應的計算方法。

蒸汽管道表面總傳熱系數K的計算式為：

式中：

α——蒸汽管道表面總傳熱系數，W/(m2·K)。

u——風速，m/s。

1.2 供熱管線傳熱計算模型

一般情況下，蒸汽管道的截面如圖2所示。

圖2 雙層保溫層的蒸汽管道截面圖

管內蒸汽與周圍環境的散熱過程通常包括：蒸汽與工作管的管壁對流傳熱（忽略冷凝傳熱）。工作管管壁、內層保溫層、外層保溫層的導熱、管道外表面與外部環境之間的傳熱[6，7]。則該管段的單位長度換熱量Φ的計算式為：

式中：

Tm，Ta——蒸汽溫度和環境溫度，℃。

R1，R2，R3，R4，R5——蒸汽與工作管內表面的單位長度傳熱熱阻、工作管管壁單位長度導熱熱阻、內層保溫層單位長度導熱熱阻、外層保溫層單位長度導熱熱阻、管道外表面單位長度傳熱熱阻，K·m/W。

Dm，δp，δisu1，δisu2——管道內徑，管壁厚度，內層保溫層厚度和外層保溫層厚度，m。

λp，λisu1，λisu2——金屬管壁，內層保溫層和外層保溫層的導熱系數，W/(m·K)。

hm，hα，hr——蒸汽與金屬管壁的對流傳熱表面傳熱系數，外保溫層與外界環境的對流傳熱表面傳熱系數，外保溫層與外界環境的輻射傳熱系數，W/(m2·K)。

其中蒸汽與金屬管壁的對流傳熱表面傳熱系數hm按下式（9）計算：

式中：

Re——管內蒸汽的雷諾數

Pr——管內蒸汽的普朗特數

ν——蒸汽的運動黏度，m2/s

蒸汽管道表面總傳熱系數K的計算依據測量精度標準，根據GB/T 28638—2012《城鎮供熱管道保溫結構散熱損失測試與保溫效果評定方法》對蒸汽管道外表面總傳熱系數（包括表面傳熱系數、輻射傳熱系數）的計算方法的規定，按照公式（2）進行計算。

1.3 保溫有效系數的定義

由于長時間的運行，蒸汽管線的保溫層存在塌陷變形、老化、進水等現象，導致其實際保溫性能與理想保溫性能之間存在差異。

本文根據傳熱學對熱阻的定義，長距離管線的各項基本參數包括保溫層信息等，結合長距離供熱管線壁溫測量試驗，可以得出理論蒸汽散熱等效熱阻。結合實際與理論的兩種不同的等效熱阻的計算，對保溫有效系數ω進行定義，如式（10）所示[8]：

式中：

Rt——理論蒸汽散熱等效熱阻，K·m/W。

Rp——實際蒸汽散熱等效熱阻，K·m/W。

ω——保溫有效系數。

結合上文所述換熱量計算公式和管道散熱的實際情況進行的描述，對式（3）中所述的內層保溫層單位長度導熱熱阻、外層保溫層單位長度導熱熱阻引入保溫有效系數如式（11）所示，可以得出應供熱管線運行過程中實際的單位長度換熱量。

通過引入保溫有效系數，獲得長距離供熱管線實際保溫層保溫性能與理論保溫性能之間的關系，可指導后續對長距離供熱管線的運維。

2 試驗測量數據與分析

在測量前，對供熱管線進行全線普測，掌握供熱管線的管徑、管長、支架類型以及支架、閥門和疏水器位置與工作狀態等，以及保溫材料的類型、性能、厚度、結構等狀況，記錄熱源出口蒸汽流量、溫度和壓力，記錄供熱管道出口的蒸汽流量、溫度、壓力。

長距離供熱管線的測量結果見表1，平均溫度是去掉測量數據中溫度最大值后的各個測點位置的溫度平均值。

表1 管線不同位置測點溫度數據

測試的長距離供熱管線為雙層保溫層結構的蒸汽管線，相關的保溫層結構數據和長距離供熱管線的相關工況的測量數據見表2。

在引入保溫有效系數后，將測量計算的測點1的平均壁面溫度、管線進口溫度、進口壓力、進口流量，測點1的對應管線長度作為輸入條件，獲得蒸汽的各項物性參數，代入蒸汽管線實際單位長度換熱量計算公式，獲得測點1對應管線的保溫有效系數，和出口溫度、壓力和流量。將獲得的測點1對應的管線的出口溫度、壓力和流量作為測點2對應管線的進口輸入條件之一。以此類推，獲得長距離供熱管線所有測點對應的管線保溫有效系數，以及各個測點的出口溫度、壓力和流量。計算結果見表3。

表2 計算所需數據

表3 長距離管線各個測點對應管線的計算結果

由表3可知，該供熱管線出口的計算蒸汽溫度為277.14℃，計算蒸汽壓力為4.324 MPa，與實測蒸汽溫度278.5℃、實測蒸汽壓力4.31 MPa的計算誤差見表4。計算誤差均小于5%，滿足工程精度要求，說明上述計算結果合理。

表4 長距離管線出口參數的仿真計算結果與誤差

通過壁溫測量和數值計算，分析了管線16個測點對應位置的計算保溫有效系數，如表3所示。通過對保溫有效系數進行分等級評價，從而對16個測點對應的管段進行保溫性能評估。

當計算保溫有效系數大于0.9時，說明整個管線的保溫性能良好，達到預期。當計算保溫有效系數大于0.75、小于0.9時，說明整個管線保溫性能較好，但存在可以改進的空間。當計算保溫有效系數大于0.6、小于0.75時，說明整個管線保溫性能較差，需要對相應的管段的保溫層進行加固、修繕。當計算保溫有效系數小于0.6時，說明整個管線保溫性能存在嚴重問題，需要及時處理。

通過上述標準可知，測點3、測點6和測點10對應管段的計算保溫有效系數小于0.75但大于0.6，說明這些測點對應管段的保溫性能較差，需要進行加固和修繕；而測點12與測點13的計算保溫有效系數大于0.9，說明這兩個測點對應管段的保溫性能良好；其余測點的計算保溫有效系數均在0.75至0.9之間，說明大部分管線的保溫性能較好。

3 總結

本文對長距離供熱管道散熱損失和保溫效能作了理論分析，以化工區一條專用蒸汽供熱管線作為研究對象，用傳熱分析作為理論基礎，結合長距離供熱管線壁溫測量試驗，建立保溫失效點的判據，并對管道的保溫有效系數進行分等級評價。

對于長距離供熱管線，依照間隔500 m一個測量截面的選取方式完成16個點的表面壁溫測量，測量截面選取6個溫度測點。根據傳熱學對熱阻的定義，將實際與理論蒸汽散熱等效熱阻比值定義為保溫有效系數，依據計算得到的長距離管道16個點的保溫有效系數，給出了各個點上保溫性能失效與否的判據。