新型復合保溫技術在工業園區集中供熱改造項目中的應用

曾 鑫

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

造紙、印染、食品和石油化工等行業需要大量的蒸汽來滿足工藝生產的需求。集中供熱作為一種高效、節能的能源利用方式具有節能減排雙重優勢，在國內外應用廣泛[1-3]。以蒸汽為輸送介質的集中供熱已呈現大型化發展趨勢，其輸送半徑已經由常規的8～10 km增加至50 km，甚至更遠。良好的蒸汽管道保溫性能是確保蒸汽實現長距離輸送的核心技術之一。目前，集中供熱管網的散熱損失仍占輸入總熱量的8%～15%左右[4]，也有文獻報道輸送過程中的散熱損失可達25%以上[5]。

做好蒸汽管道保溫工作，是控制蒸汽長距離輸送溫降性能指標的先決條件，同時也是落實行業節能降碳目標的現實需求。若管道保溫不利，會造成大量散熱損失，因此，研究管道保溫對于節能具有重要意義[6]。鐘升楷[7]等通過實地測量和數值模擬，對蒸汽管道保溫性能進行了研究，探究了蒸汽管道保溫性能惡化的影響機制，其研究結果顯示：保溫材料的導熱系數、鏤空結構和偏心對保溫性能惡化所占比重依次為67.7%、18.5%和13.8%。劉承婷[8]采用表面溫度法和熱流法相結合的方式，對保溫管線進行測試，發現保溫材料選擇不當、保溫結構設計不合理和保溫異形件裸露是導致蒸汽管道散熱量高的主要原因。工業案例表明，新建的蒸汽管道經過多年運行后，因設計、施工質量、保溫選材或管網運營存在不足，加之保溫材料受到熱膨脹、變形、雨水和老化等不利因素影響，導致保溫性能下降，進而出現蒸汽管道散熱量增加，甚至超過國家和行業規范要求的下限值。過高的蒸汽管道散熱量不但造成能源浪費，增加運行成本，而且不符合國家節能降碳政策需求[9]。

工業節能對于推動國家清潔低碳的能源消費方式至關重要[10]。開發綠色新能源的同時，還需做好節能減排，尤其在蒸汽管道領域存在巨大的節能潛力[11]。我國蒸汽管道系統的能源效率一般在30%～40%之間，比西方國家低約20%，節能降碳工作任重道遠，如果采取有效措施開展節能改造，有望實現節能30%[12]。王鐵民[13]等對某鋼鐵公司所屬蒸汽管道散熱損失進行調研，其散熱損失為1 044.1 W/m2，遠高于國家的標準允許值186 W/m2，經保溫改造后，蒸汽管道表面溫度由112 ℃下降至14 ℃，管道起點和終點的溫差由75 ℃降至17 ℃，節能效果良好。工程實踐表明，如果熱力設備及管道采取合理的保溫隔熱措施，其散熱損失可減少80%～90%[14]。

本研究針對某工業園區集中供熱蒸汽管網存在的管網損失高、散熱量大的問題，進行了問題剖析并提出了改造技術方案，在此基礎上依據國家行業規范開展改造前后效果測試工作，并進一步分析其節能減排情況，以期促進行業蒸汽管道節能降碳工作的開展，為國內類似蒸汽管道技術改造提供參考和借鑒。

1 某蒸汽管網項目概況

某工業園區集中供熱項目建成于2016年，工業蒸汽主管道長度近7 km，管徑包括DN 350、DN 250、DN 200和DN 150等，上網蒸汽參數壓力約1.35 MPa，溫度約230 ℃。該項目因保溫性能下降或無法達到設計指標，導致蒸汽管網散熱量大，增加輸送能耗，具體表現為蒸汽管網損失(輸送蒸汽量同銷售蒸汽量差值)偏大。經現場實地踏勘，發現主要存在如下幾個問題：(1)保溫設計存在不足，全部采用單一形式的管殼結構，以降低熱傳導方式散熱理念為主，設計上未考慮進一步降低保溫熱輻射和熱對流損失措施；(2)管殼之間在環向接觸區域存在較大縫隙，形成“熱橋”效應，較高溫度蒸汽管道從縫隙向外直接散熱；(3)保溫出現較為嚴重的偏心下沉現象，即蒸汽管道頂部區域的保溫厚度明顯低于其他區域，蒸汽管道保溫層在自身重力、管道振動和受潮等因素影響下會偏心沉降，使保溫層與管道外壁之間形成月牙形鏤空的空氣夾層，蒸汽管道保溫結構偏心下沉示意圖和現場實物圖見圖1；(4)蒸汽管網金屬保護層被踩踏變形，部分金屬層搭接部位拉開，加之保溫設計沒有防潮防水措施，造成雨水從金屬層拉開處進入保溫材料內部，導致局部保溫材料失效，部分現場保溫情況如圖2所示。

圖1 蒸汽管道保溫結構偏心下沉示意圖和現場照片Fig.1 Schematic diagram and scene photographs of eccentric sinking of steam pipeline insulation structure

圖2 現場管道保溫狀況Fig.2 Thermal insulation condition of on-site pipelines

對已運行的蒸汽管道散熱損失進行現場測試可以定量分析蒸汽管道的能效運行水平，為蒸汽管道保溫改造必要性和實施方案提供數據支撐。表面溫度法常用于城鎮供熱保溫管網系統散熱損失，其散熱量按式(1)計算：

Q=α×(TW-TF)

(1)

式(1)中：Q為管道散熱量，W/m2；α為綜合換熱系數，W/(m2·K)；TW為保溫管道外表面溫度，K；TF為環境溫度，K。

保溫管道外表面與周圍空氣的換熱系數按式(2)計算[16]，該公式計算的換熱系數為綜合換熱系數，已考慮蒸汽保溫管道外層與環境的對流換熱和輻射換。

(2)

式(2)中，ω為風速，m/s。

為評估管網散熱情況，按照《城鎮供熱保溫管網系統散熱損失現場檢測方法》(GB/T 38588—2020)，在無風和光照的條件下，對蒸汽管網的散熱損失情況進行測量，蒸汽管道每一個測試截面的測點分布如圖3所示。

圖3 蒸汽管道的測點分布Fig.3 Distribution of measuring points on the steam pipeline

管徑規格為DN 250和DN 150的部分測試數據結果分別如表1和表2所示，其中溫度差為3個測點的平均溫度與環境溫度之間的差值。

表1 DN 250蒸汽管道保溫測試結果

表2 DN 150蒸汽管道保溫測試結果

從表1和表2數據可以看出，DN 250和DN 150的蒸汽管道表面平均溫度較環境溫度分別高出15.3 ℃和11.3 ℃。根據公式(1)和(2)可以計算出，DN 250和DN 150管道的散熱量分別為177.9 W/m2和131.4 W/m2，其中DN 250的散熱量已經超過常年運行工況最大允許散熱損失值138.6 W/m2，DN 150的散熱量平均值雖然略低于最大允許散熱損失值，但截面1和截面5的散熱量(146.5 W/m2和155.8 W/m2)已超標。鑒于此，有必要對DN 250和DN 150蒸汽管道進行保溫改造，以實現節能降碳目的。

2 改造方案

目前新型復合保溫技術主要有兩類，其一是應用新型保溫材料，例如納米氣凝膠、鋁箔反射類材料、保溫涂料和UPVC等；其二是采用復合保溫結構，包括內層采用抗壓強度高的硬質保溫材料硅酸鈣瓦塊，而外層采用保溫性能更佳的軟質保溫材料或聚氨酯。此外，為解決保溫管道頂部散熱高問題，通常在管道頂部區域增設一層保溫層。該項目原保溫設計方案采用單一離心玻璃棉管殼和鍍鋅鐵皮。近年來隨著保溫設計理念的進步和新材料應用，管道絕熱保溫技術已取得了較大發展，鋁箔反射層和鋁箔氣泡復合材料的使用可以降低蒸汽保溫管道散熱損失，已逐漸應用于管道保溫[16]。王偉偉[17]指出利用鋁箔的發射特性可以減少輻射換熱。王士永[18]等研究成果表明，敷設鋁箔反射層可以使散熱量減少約5%。吳然[19]等研究了鋁箔反射層對保溫性能的影響，其研究結果表明，溫度為200 ℃時，DN 200的管道敷設3層鋁箔反射層后，其散熱損失降低了17.5%。圖4為鋁箔反射層和鋁箔氣泡復合材料的實物照片。

圖4 鋁箔反射層和鋁箔氣泡復合材料Fig.4 Aluminum foil reflector and aluminum foil/bubble composite

鋁箔反射層一般由鋁箔和玻纖布通過粘結劑復合而成，也叫鋁箔玻纖布。由于鋁箔對電磁波具有較強的反射效果，因此將鋁箔反射層敷設于保溫層之間，利用輻射傳熱學中的反射熱量原理，能減少輻射換熱，其熱量傳遞方式見圖5。鋁箔氣泡復合材料是一種新型蒸汽管道保溫復合材料，由中間聚的乙烯氣泡膜復合上下兩層鋁箔反射層而成。鋁箔氣泡復合材料的導熱系數達0.034 3 W/(m·K)，不但具有良好的隔熱保溫性能，而且防水防潮，逐漸應用于市政、電力和石化等領域[17]，圖6為鋁箔氣泡復合材料的熱量傳遞方式示意圖。

圖5 鋁箔反射層的熱量傳遞方式Fig.5 Heat transfer mode of aluminum foil reflector

圖6 鋁箔氣泡復合材料的熱量傳遞方式Fig.6 Heat transfer mode of aluminum foil/bubble composite

現有保溫雖然存在性能不達標的情況，但尚處于使用壽命期限內。加之蒸汽管道處于連續運行階段，如果在運行期間拆除全部原有保溫管殼后再保溫，改造過程中不但會急劇增加散熱損失，而且會增加保溫改造投資。因此，綜合考慮保溫現狀、散熱損失和投資等因素，擬采用在原有保溫管殼的基礎上增加敷設保溫材料的改造方案。具體改造方案如圖7所示，拆除現有保溫鍍鋅鐵皮，采用高溫離心玻璃棉填實原保溫管殼之間的縫隙，敷設耐中溫鋁箔玻纖布(耐溫250 ℃)，之后新增一層40 mm厚高溫離心玻璃棉氈，再敷設耐低溫鋁箔玻纖布(耐溫150 ℃)，然后在管道頂部120°區域加設一層40 mm厚高溫離心玻璃棉氈，再沿保溫管道圓周方向敷設鋁箔氣泡復合材料，最后再安裝高耐候彩鋼板(該材料主要起到保護保溫材料和美觀的作用，圖7中未標識)做外護結構。

圖7 改造后的保溫結構Fig.7 Insulation structure after transformation

為確保改造實施效果，需要嚴格甄選改造所用的保溫材料，其中高溫離心玻璃棉容重48 kg/m3，纖維直徑≤7 μm，憎水率≥98%，鋁箔玻纖布的鋁箔厚度≥7 μm，耐中溫鋁箔玻纖布重量≥170 g/m2，耐低溫鋁箔玻纖布重量≥140 g/m2，鋁箔氣泡復合材料重量≥250 g/m2，彩鋼板基材厚度≥0.42 mm。改造前后保溫結構對比如表3所示。

表3 改造前后保溫結構對比

3 改造效果

此次改造范圍涉及DN 250架空管道長度合計1 438 m，DN 150架空管道長度合計403 m。改造后按照測試規范要求，在無風和光照的條件下，分別對保溫改造后的DN 250和DN 150蒸汽管網表面溫度進行了測量，測試數據結果分別如表4和表5所示。

表4 改造后DN 250蒸汽管道保溫測試結果

表4和表5數據顯示，通過對原蒸汽管道進行保溫改造后，DN 250和DN 150蒸汽管道表面平均溫度和環境溫度的溫度差分別為4.5 ℃和3.0 ℃。對比表1和表2數據，可以看出DN 250和DN 150蒸汽管道經改造后，溫差值較改造前分別下降了10.8 ℃和8.3 ℃。按照公式(1)和(2)

表5 改造后DN 150蒸汽管道保溫測試結果

計算DN 250和DN 150蒸汽管道改造前后的散熱量，如圖8所示。

圖8 改造前后的散熱量對比Fig.8 Comparison of heat dissipation before and after transformation

由圖8可知，改造后DN 250的蒸汽管道散熱損失由177.9 W/m2降低至52.3 W/m2，DN 150的蒸汽管道散熱損失由131.4 W/m2降低至34.9 W/m2。根據改造前后的保溫管道周長、保溫管道長度和散熱損失，并按照項目年運行8 000 h計算，本項目可節約能源9 310.7 GJ，折合標準煤317.8 t。按照每燃燒1 t標準煤，排放CO22.769 t測算[20]，每年可減少CO2約880 t。通過對該園區工業蒸汽管道保溫提升改造后，經現場測量和理論測算，可取得較好的節能和減排效果，契合國家節能降碳的能源政策。改造后的蒸汽管道“積雪不化”的效果圖見圖9。

圖9 保溫改造后的蒸汽管道Fig.9 Steam pipelines after thermal insulation transformation

4 結論與展望

針對某工業園區集中供熱蒸汽管道散熱量大，導致管網損失偏大問題，詳細分析了其原因。在此基礎上，分別對長度為1 438 m的DN 250架空管道和403 m的DN 150架空管道進行保溫改造，通過現場測試和理論測算獲得主要結論如下：

(1)在不拆除蒸汽管道原有保溫材料的前提下，采用鋁箔玻纖布、高溫離心玻璃棉和鋁箔氣泡復合材料的非圓形復合結構保溫技術，可以降低保溫蒸汽管道外表面溫度，以實現降低散熱損失目的。

(2)保溫改造后，DN 250和DN 150蒸汽管道表面平均溫度和環境溫度的溫度差分別為4.5 ℃和3.0 ℃，較保溫改造前分別下降了10.8 ℃和8.3 ℃。

(3)保溫改造后，DN 250的蒸汽管道散熱損失由177.9 W/m2降低至52.3 W/m2，DN 150的蒸汽管道散熱損失由131.4 W/m2降低至34.9 W/m2。經過理論測算，經過保溫改造可節約能源9 310.7 GJ，折合標準煤317.8 t，具有較好的節能減排效果。