蒸汽熱網散熱損失計算及其影響因素分析

曾 鑫

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引言

做好工業領域節能減排工作是落實“碳達峰、碳中和”的重要舉措之一，同時對于推動我國清潔低碳能源消費方式具有積極意義[1-2]。集中供熱是一種高效、節能的能源環保技術，與傳統分散獨立式的自建鍋爐供熱相比，可以顯著提高能源利用效率，減少污染物排放總量，且具有良好的經濟效益，已在國內外廣泛推廣應用[3-5]。

隨著經濟的快速發展，工業生產對于熱能的需求逐漸增大，集中供熱呈現集中化和大型化發展趨勢。熱用戶通過蒸汽熱網同熱源(大型電廠或區域集中供熱中心)連接以實現供熱。熱用戶和熱源往往相距較遠，通常大于10 km，甚至可以超過30 km，已經遠高于傳統以蒸汽作為介質的8～10 km供熱半徑[6]。長輸蒸汽熱網輸送技術近十年獲得了快速推廣和應用，已經實現輸送距離由常規的8～10 km延長至30 km，甚至可以輸送更遠。長輸熱網技術在蒸汽輸送過程中溫降可控制在每公里降低5～7 ℃(設計負荷40%以上)，壓降能做到每公里降低0.02～0.03 MPa[7]。在現有技術條件下，集中供熱管網的散熱損失仍占輸入總熱量的8%～15%左右[8]，也有文獻報道輸送過程中的散熱損失可達25%以上[9]。蒸汽管道保溫研究是蒸汽熱網設計的基礎，同時有利于實現降低散熱損失目的。

在蒸汽輸送過程中應采取必要措施降低溫降，減少能量損失、防止蒸汽凝結而影響管道的運行安全。目前，采用常規保溫方法后管道每公里溫降約為15 ℃，已無法滿足長輸要求，需要采用更為高效的保溫措施以進一步降低管道溫降[8]。一直以來，研究者重點關注絕熱材料和保溫層厚度的研究，很少開展針對外部條件對保溫性能的研究。鄭彥淵[10]研究表明，選擇合理的蒸汽管道保溫材料對于減少管道熱損失，具有重要的意義。王士永[11]等通過實體模型、計算機數值模和工程應用，建議在保溫結構中增加敷設鋁箔反射層，可以使散熱量減少5%左右。保溫厚度和導熱系數對保溫熱阻影響較大，當管道內保溫層的導熱系數大于外層保溫層時，保溫總熱阻將出現一個極值點，該點對應的內保溫層厚度為臨界絕緣厚度[12]。高建強等[13]總結了蒸汽熱網管損及其影響因素，蒸汽溫度、壓力和環境溫度會影響蒸汽熱網管損。王娟[14]從蒸汽過熱度的角度分析了其對熱網管損的影響，為降低管損提供了理論基礎和指導。

長輸蒸汽熱網技術是行業發展趨勢，其對蒸汽管道保溫設計和保溫效果提出了更高的要求。精準了解保溫材料性能和導熱系數是科學合理開展長輸蒸汽熱網設計的基本條件。材料保溫厚度、蒸汽溫度、環境溫度、風速會影響蒸汽熱網管損，亟需開展上述因素的影響分析以優化保溫設計，進而降低熱網管損。本文根據長輸蒸汽熱網設計和運營需求，綜合比較不同保溫材料性能和導熱系數，進一步細化研究保溫厚度、蒸汽溫度和環境溫度等因素對管道散熱損失的研究，以期對蒸汽熱網設計和節能運行提供指導。

1 保溫散熱計算模型

所研究的蒸汽管道由工作管道、多層保溫層和金屬外護層組成。蒸汽管道的散熱計算是蒸汽熱網設計的重要內容，其包含有不同的傳熱方式，其從內到外依次為：蒸汽與管道內壁的對流換熱、管道材料的熱傳導、保溫層保溫材料的熱傳導、管道保溫外層與環境的對流換熱和輻射換熱。其散熱模型如式1所示。

(1)

式中，q為每平米管道長度的熱損失量，W/m；T0為管道的外表面溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；R1、R2、R3、R4分別為蒸汽與管道內表面換熱的熱阻，管壁熱阻、保溫層熱阻和管道保溫金屬外護層表面熱阻，K·m/W。

管道本身導熱性極好，其熱阻遠小于其他熱阻，本文忽略了管內的表面熱阻與工作管壁的導熱熱阻，假定管道外壁面溫即等于蒸汽溫度。在穩態情況下，通過蒸汽管道管壁和保溫層的熱流量是相同的，其數值等同于保溫外層的散熱量。根據式穩態導熱的原理，可寫出該蒸汽保溫管道的導熱熱流量公式如2和3所示[15]。

q=πD1Q

(2)

(3)

式中，Q為每平方米保溫層表面積的熱損失量，W/m2；λ為保溫材料在平均溫度下的導熱系數，W/(m·K)；αs為保溫層外表面與周圍空氣的換熱系數，W/(m2·K)。

通常在管道保溫經濟厚度、最大允許散熱損失量下的厚度、外表面散熱損失量、管道外表面溫度和現場保溫外表面溫度校核計算中，涉及到的保溫層外表面與周圍空氣的換熱系數按式4計算[16]。需要特別指出的是，該式為綜合換熱系數，已考慮管道外層與環境的對流換熱和輻射換。

(4)

式中，ω為風速，m/s。

2 散熱計算和結果分析

2.1 保溫材料性能分析

長距離蒸汽熱網輸送技術的發展，對于蒸汽管道保溫設計和保溫效果提出了更高的要求。保溫材料導熱系數是保溫設計的核心參數之一，關系到保溫厚度、保溫性能和保溫投資等，因此，精準了解材料的導熱系數是準確合理開展保溫設計的基本條件。目前，蒸汽管道保溫常用的材料主要有傳統的保溫材料，如巖棉、離心玻璃棉和硅酸鋁，新型保溫材料中納米氣凝膠應用較多。圖1是上述4種保溫材料在平均溫度100～200 ℃下的導熱系數分布曲線。從曲線走勢來看，導熱系數均隨溫度的升高而增大。從導熱系數數值來看，硅酸鋁導熱系數最大，其次是巖棉，然后是離心玻璃棉，納米氣凝膠最小。隨著溫度的升高，納米氣凝膠的導熱系數變化幅度相對較小。

圖1 四種保溫材料的導熱系數隨溫度的變化[16-17]Fig.1 Variation of thermal conductivity of four insulation materials with temperature[16-17]

對于蒸汽管道保溫設計，國家規范對常年運行設備管道最大允許散熱損失量有著嚴格的規定[15]，當溫度為300 ℃時，對應的每平方米保溫層表面積散熱損失為167 W/m2。經計算，DN 300(外徑325 mm)管道在蒸汽溫度為300 ℃、環境溫度20 ℃、無風條件下，巖棉、離心玻璃棉和硅酸鋁達到最大允許散熱損失量保溫要求的厚度分別為78.7 mm、74.6 mm和81.1 mm，而納米氣凝膠只需29.6 mm即可滿足保溫要求，厚度不到傳統保溫材料的一半。因此，在節省保溫材料用量上，納米氣凝膠較其他三種保溫材料具有顯著優勢。但是，納米氣凝膠的市場價格遠貴于傳統的保溫材料，因此，納米氣凝膠更適合用于對保溫空間有嚴格要求的場景，也可以和傳統保溫材料復合使用并敷設于內層。綜合考慮價格和導熱系數，離心玻璃棉更適合用于蒸汽管道保溫。

2.2 保溫厚度對管道保溫的影響

蒸汽管道保溫材料厚度是保溫設計的關鍵參數，其基本要求是設計選擇的保溫厚度滿足散熱量符合國家規范對管道最大允許散熱損失量要求。以蒸汽熱網常見的DN 300和DN 400蒸汽管道為例，采用離心玻璃棉作為保溫材料，計算蒸汽溫度300 ℃、環境溫度6 ℃、風速為0時管道散熱量，結果如圖2所示。厚度變化對散熱量影響較大，當保溫厚度為80 mm，DN 300和DN 400的每平方米保溫層表面積的熱損失量分別為159.1 W/m2和165 W/m2，保溫厚度增加至300 mm，DN 300和DN 400散熱量分別減少至33.2 W/m2和35.6 W/m2，下降幅度分別為79.1%和78.4%。隨著保溫厚度的增加，DN 300和DN 400散熱量的降幅逐漸變小，因此，保溫厚度的選取應綜合考慮經濟因素。此外，在相同的保溫厚度下，管徑越小，散熱量越低。

圖2 散熱量隨保溫厚度的變化Fig.2 Variation of heat dissipation with the insulation thickness of pipes

2.3 蒸汽溫度對管道保溫的影響

一方面，蒸汽在輸送過程中因對外散熱，其溫度逐漸降低，另一方面從按需供熱的角度，可以選擇性的調整供應蒸汽的溫度，蒸汽溫度的變化勢必會影響管道散熱。圖3為DN 300管道保溫厚度分別為80 mm和180 mm、環境溫度6 ℃時，不同蒸汽溫度對蒸汽熱網散熱的影響。圖中數據顯示，兩種保溫厚度下的蒸汽管道散熱量均隨蒸汽溫度的降低而減小，其中保溫厚度180 mm時散熱量由300 ℃的62.3 W/m2減小至140 ℃的21.5 W/m2，降低約65.5%；保溫厚度80 mm時散熱量由300 ℃的159.1 W/m2減小至140 ℃的55.2 W/m2，降低約65.3%。蒸汽熱網輸送過程中，隨著輸送長度的延伸蒸汽溫度會逐漸降低，因此，從節約投資角度，保溫厚度不宜保持不變，建議根據詳細計算結果分段選取并適當減小保溫厚度，以實現投資和節能綜合收益最優。

圖3 散熱量隨蒸汽溫度的變化Fig.3 Variation of heat dissipation with steam temperature

2.4 環境溫度對管道保溫的影響

環境溫度是保溫設計的基礎數據，在管網日常運營中會對蒸汽熱網損失產生影響。DN 300管道當保溫厚度分別為80 mm和180 mm，在蒸汽管道溫度為300 ℃、無風的情況下，環境溫度變化對蒸汽熱網散熱的影響見圖4。圖中數據顯示，環境溫度升高會減少散熱損失量，其中保溫厚度為80 mm，環境由-20 ℃升高至30 ℃時，散熱量從166.6 W/m2降低至151.3 W/m2，降幅9.2%。對比保溫厚度為180 mm，散熱量從65.1 W/m2降低至59.3 W/m2，降幅8.9%。計算結果表明，環境溫度升高保溫厚度為80 mm和180 mm的管道的散熱損失量降幅相當。

圖4 散熱量隨環境溫度的變化Fig.4 Variation of heat dissipation with ambient temperature

2.5 風速對管道保溫的影響

風速的變化會直接影響保溫層外表面與周圍空氣的換熱系數，最終對管道散熱量產生影響。圖5為DN 300管道當保溫厚度分別為80 mm和180 mm，蒸汽溫度300 ℃，環境溫度6 ℃時，不同風速條件下蒸汽熱網散熱的計算結果。從圖中可以看出，隨著風速增加，散熱損失量逐漸增大，當風速由0增大到8 m/s時，保溫厚度為80 mm的管道的散熱量由159.1 W/m2升高至163.9 W/m2，而保溫厚度為180 mm的管道的散熱量由62.3 W/m2升高至63.0 W/m2。計算結果顯示，保溫厚度為80 mm和180 mm的管道因風速增大散熱量增幅差異相對較大，其中保溫厚度80 mm增幅3%，保溫180 mm增幅1.2%，說明增加保溫厚度可降低因風速增加引起的散熱損失增幅，從而減小環境因素對保溫效果的影響。

圖5 散熱量隨風速的變化Fig.5 Variation of heat dissipation with wind speed

3 結論與展望

3.1 結論

研究了不同保溫材料的散熱性能，并采用蒸汽熱網散熱計算模型，基于離心玻璃棉保溫材料，研究了保溫厚度、蒸汽溫度、環境溫度和風速對管道保溫的影響，主要結論如下。

(1)在節省保溫材料用量上，納米氣凝膠較巖棉、離心玻璃棉和硅酸鋁三種保溫材料具有顯著優勢。綜合考慮價格和導熱系數，離心玻璃棉更適合用于蒸汽管道保溫。

(2)保溫厚度增加，散熱損失下降較為明顯。采用離心玻璃棉保溫，DN 300和DN 400管道保溫厚度由80 mm增加至300 mm時，散熱量下降幅度分別為79.1%和78.4%。保溫厚度增加過程中，散熱損失量的降低幅度逐漸減小，因此，保溫厚度的增加量應綜合考慮經濟因素。

(3)蒸汽溫度對管道散熱量影響顯著，且溫度降低會減少散熱損失量。DN 300管道保溫厚度分別為80 mm和180 mm，蒸汽溫度由300 ℃降低至140 ℃，散熱量分別減少65.3%和65.5%。從節約投資角度，管道設計保溫厚度宜分段選取并適當減小保溫厚度，以實現投資和節能綜合收益最優。

(4)環境溫度升高會減少散熱損失量，DN 300管道保溫厚度為80 mm和180 mm的管道散熱損失量降幅相當，分別為9.2%和8.9%。風速提高會增加散熱損失量，DN 300管道保溫厚度為80 mm的管道的散熱損失量增幅大于保溫厚度為180 mm，其中保溫厚度80 mm增幅3%，保溫180 mm增幅1.2%，說明增加保溫厚度可降低風速增加對散熱損失的影響。

3.2 展望

(1)加強新型保溫材料保溫效果研究。近年來，鋁箔玻纖布和鋁箔氣泡復合材料等新型保溫材料已廣泛應用于蒸汽熱網保溫，并取得了一定節能效果，但效果評估多集中于定性分析。從設計角度來看，目前尚缺乏定量的試驗數據或修正計算公式，以相對精準的計算新型材料應用后的散熱損失減少量，便于更加科學的設計蒸汽熱網保溫。

(2)豐富蒸汽熱網空間散熱量分布研究。傳統的設計一般假設蒸汽熱網管道在圓周方向的溫度是一致的。從實際現場測量來看，新建的蒸汽熱網在圓周方向的溫度分布是不均勻的，例如整體呈現頂部溫度較高，底部溫度較低。實際溫度分布同理論上的差異，對管道整體保溫設計是有影響的。通過對蒸汽熱網空間散熱量分布的研究，未來可對局部散熱量高的區域做適當保溫加強設計。

(3)開展吸熱外護層材料的研發工作。在相同的外部環境條件下，具有良好太陽能吸熱性能的外護層材料，有望降低蒸汽管網的散熱量。開展吸熱外護層材料研發工作，將其成果應用于室外架空蒸汽熱網保溫，從節能角度具有一定前景。