張漢賢 鐘 巍 蔡?hào)|平

1.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司

2.浙江大學(xué)

0 背景

上海化學(xué)工業(yè)區(qū)是中國最具規(guī)模的化學(xué)工業(yè)園區(qū)。由于化工企業(yè)的特性，各家企業(yè)對(duì)蒸汽的需求和品質(zhì)有著極高要求。本著節(jié)能、環(huán)保和資源循環(huán)利用的原則，上?；^(qū)采用集中供熱的模式，以燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組作為供熱點(diǎn)，供熱架構(gòu)為網(wǎng)格化，整個(gè)管網(wǎng)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(fù)合保溫棉[1，2]。

由于園區(qū)內(nèi)各家蒸汽用戶的生產(chǎn)工藝和裝置不盡相同，整個(gè)供熱管網(wǎng)運(yùn)行呈現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性，并直接反映在管道內(nèi)的蒸汽流量、溫度和流速的無序變化[3]。設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)變化為供熱管道內(nèi)蒸汽參數(shù)發(fā)生變化提供了客觀因素。這些因素導(dǎo)致管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性不受控，向用戶供熱參數(shù)（壓力、溫度）無法得到保證[4]。管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不受控，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)，這些現(xiàn)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(shí)精準(zhǔn)反映管道熱損，本文以化工區(qū)熱源點(diǎn)至受熱點(diǎn)的一條專用管線作為研究對(duì)象，以傳熱分析作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合長距離供熱管線壁溫測(cè)量試驗(yàn)，建立保溫失效點(diǎn)的判據(jù)，并對(duì)管道的保溫有效系數(shù)進(jìn)行分等級(jí)評(píng)價(jià)，研究?jī)?nèi)容對(duì)于降低長距離供熱管道的供熱風(fēng)險(xiǎn)，提高長距離供熱管道供熱的經(jīng)濟(jì)性和供熱管理水平具有一定的指導(dǎo)意義。

1 長距離供熱管線熱損理論分析

1.1 管道壁溫測(cè)點(diǎn)選取

上?；^(qū)的一條專用供熱管線全長7.9 km，管道外徑為530 mm，根據(jù)GB/T 17357-2008《設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定熱流計(jì)法和表面溫度法》，選取表面溫度法為熱損診斷的試驗(yàn)方法，即在管道表面進(jìn)行溫度測(cè)點(diǎn)的安裝與架設(shè)。

對(duì)于7.9 km長的供熱管線，以熱源側(cè)廠界為起始點(diǎn)，在距離廠界250 m處設(shè)置第一個(gè)測(cè)量截面，爾后依照每間隔500 m一個(gè)測(cè)量截面的選取方式分布測(cè)量截面至長距離供熱管線末端，完成16個(gè)位置的表面壁溫測(cè)量。

考慮到上?；^(qū)在我國東南沿海，地處亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏天從海上吹來的東南季風(fēng)，而冬天是從蒙古高原吹來的西北季風(fēng)，對(duì)于迎風(fēng)面在不同的季節(jié)需要進(jìn)行不同的方向規(guī)定。對(duì)于工作管道公稱直徑大于等于500 mm的蒸汽管道，測(cè)量截面選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖1。為保證測(cè)量的有效性以及精確性，每個(gè)測(cè)量截面至少保證有3個(gè)測(cè)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。同時(shí)還需要一套適用于室外溫度與風(fēng)速的測(cè)量裝置，用于來確定環(huán)境溫度和風(fēng)速。

圖1 測(cè)量截面測(cè)點(diǎn)布置

同一測(cè)量截面的表面溫度，由于取樣數(shù)量有限，單一保溫?fù)p壞點(diǎn)的溫度會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)測(cè)量截面的平均計(jì)算溫度。因此，將采樣中去掉測(cè)量截面的測(cè)量溫度最大值后，作為整個(gè)測(cè)量截面的有效測(cè)量點(diǎn)，按求算術(shù)平均值的方法處理，即按照式（1）計(jì)算：

式中：

n——有效測(cè)點(diǎn)數(shù)，個(gè)。

x1，x2，x3…xn-1，xn——截面各點(diǎn)的表面溫度值，℃。

管道外表面與大氣空間的傳熱過程包括對(duì)流傳熱和輻射傳熱，其中對(duì)流傳熱包括自然對(duì)流傳熱與強(qiáng)制對(duì)流傳熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算根據(jù)GB/T 28638—2012《城鎮(zhèn)供熱管道保溫結(jié)構(gòu)散熱損失測(cè)試與保溫效果評(píng)定方法》對(duì)蒸汽管道外表面總傳熱系數(shù)（包括表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、輻射傳熱系數(shù)）的計(jì)算方法的規(guī)定中對(duì)儀器誤差的限制，選取二、三級(jí)測(cè)試對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。

蒸汽管道表面總傳熱系數(shù)K的計(jì)算式為：

式中：

α——蒸汽管道表面總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

u——風(fēng)速，m/s。

1.2 供熱管線傳熱計(jì)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(nèi)蒸汽與周圍環(huán)境的散熱過程通常包括：蒸汽與工作管的管壁對(duì)流傳熱（忽略冷凝傳熱）。工作管管壁、內(nèi)層保溫層、外層保溫層的導(dǎo)熱、管道外表面與外部環(huán)境之間的傳熱[6，7]。則該管段的單位長度換熱量Φ的計(jì)算式為：

式中：

Tm，Ta——蒸汽溫度和環(huán)境溫度，℃。

R1，R2，R3，R4，R5——蒸汽與工作管內(nèi)表面的單位長度傳熱熱阻、工作管管壁單位長度導(dǎo)熱熱阻、內(nèi)層保溫層單位長度導(dǎo)熱熱阻、外層保溫層單位長度導(dǎo)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(nèi)徑，管壁厚度，內(nèi)層保溫層厚度和外層保溫層厚度，m。

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

hm，hα，hr——蒸汽與金屬管壁的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，外保溫層與外界環(huán)境的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，外保溫層與外界環(huán)境的輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

其中蒸汽與金屬管壁的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hm按下式（9）計(jì)算：

式中：

Re——管內(nèi)蒸汽的雷諾數(shù)

Pr——管內(nèi)蒸汽的普朗特?cái)?shù)

ν——蒸汽的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s

蒸汽管道表面總傳熱系數(shù)K的計(jì)算依據(jù)測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)GB/T 28638—2012《城鎮(zhèn)供熱管道保溫結(jié)構(gòu)散熱損失測(cè)試與保溫效果評(píng)定方法》對(duì)蒸汽管道外表面總傳熱系數(shù)（包括表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、輻射傳熱系數(shù)）的計(jì)算方法的規(guī)定，按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

1.3 保溫有效系數(shù)的定義

由于長時(shí)間的運(yùn)行，蒸汽管線的保溫層存在塌陷變形、老化、進(jìn)水等現(xiàn)象，導(dǎo)致其實(shí)際保溫性能與理想保溫性能之間存在差異。

本文根據(jù)傳熱學(xué)對(duì)熱阻的定義，長距離管線的各項(xiàng)基本參數(shù)包括保溫層信息等，結(jié)合長距離供熱管線壁溫測(cè)量試驗(yàn)，可以得出理論蒸汽散熱等效熱阻。結(jié)合實(shí)際與理論的兩種不同的等效熱阻的計(jì)算，對(duì)保溫有效系數(shù)ω進(jìn)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(shí)際蒸汽散熱等效熱阻，K·m/W。

ω——保溫有效系數(shù)。

結(jié)合上文所述換熱量計(jì)算公式和管道散熱的實(shí)際情況進(jìn)行的描述，對(duì)式（3）中所述的內(nèi)層保溫層單位長度導(dǎo)熱熱阻、外層保溫層單位長度導(dǎo)熱熱阻引入保溫有效系數(shù)如式（11）所示，可以得出應(yīng)供熱管線運(yùn)行過程中實(shí)際的單位長度換熱量。

通過引入保溫有效系數(shù)，獲得長距離供熱管線實(shí)際保溫層保溫性能與理論保溫性能之間的關(guān)系，可指導(dǎo)后續(xù)對(duì)長距離供熱管線的運(yùn)維。

2 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與分析

在測(cè)量前，對(duì)供熱管線進(jìn)行全線普測(cè)，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(tài)等，以及保溫材料的類型、性能、厚度、結(jié)構(gòu)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(cè)量結(jié)果見表1，平均溫度是去掉測(cè)量數(shù)據(jù)中溫度最大值后的各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的溫度平均值。

表1 管線不同位置測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

測(cè)試的長距離供熱管線為雙層保溫層結(jié)構(gòu)的蒸汽管線，相關(guān)的保溫層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和長距離供熱管線的相關(guān)工況的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

在引入保溫有效系數(shù)后，將測(cè)量計(jì)算的測(cè)點(diǎn)1的平均壁面溫度、管線進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量，測(cè)點(diǎn)1的對(duì)應(yīng)管線長度作為輸入條件，獲得蒸汽的各項(xiàng)物性參數(shù)，代入蒸汽管線實(shí)際單位長度換熱量計(jì)算公式，獲得測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)管線的保溫有效系數(shù)，和出口溫度、壓力和流量。將獲得的測(cè)點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的管線的出口溫度、壓力和流量作為測(cè)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)管線的進(jìn)口輸入條件之一。以此類推，獲得長距離供熱管線所有測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管線保溫有效系數(shù)，以及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的出口溫度、壓力和流量。計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 計(jì)算所需數(shù)據(jù)

表3 長距離管線各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)管線的計(jì)算結(jié)果

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

表4 長距離管線出口參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果與誤差

通過壁溫測(cè)量和數(shù)值計(jì)算，分析了管線16個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的計(jì)算保溫有效系數(shù)，如表3所示。通過對(duì)保溫有效系數(shù)進(jìn)行分等級(jí)評(píng)價(jià)，從而對(duì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管段進(jìn)行保溫性能評(píng)估。

當(dāng)計(jì)算保溫有效系數(shù)大于0.9時(shí)，說明整個(gè)管線的保溫性能良好，達(dá)到預(yù)期。當(dāng)計(jì)算保溫有效系數(shù)大于0.75、小于0.9時(shí)，說明整個(gè)管線保溫性能較好，但存在可以改進(jìn)的空間。當(dāng)計(jì)算保溫有效系數(shù)大于0.6、小于0.75時(shí)，說明整個(gè)管線保溫性能較差，需要對(duì)相應(yīng)的管段的保溫層進(jìn)行加固、修繕。當(dāng)計(jì)算保溫有效系數(shù)小于0.6時(shí)，說明整個(gè)管線保溫性能存在嚴(yán)重問題，需要及時(shí)處理。

通過上述標(biāo)準(zhǔn)可知，測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)10對(duì)應(yīng)管段的計(jì)算保溫有效系數(shù)小于0.75但大于0.6，說明這些測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)管段的保溫性能較差，需要進(jìn)行加固和修繕；而測(cè)點(diǎn)12與測(cè)點(diǎn)13的計(jì)算保溫有效系數(shù)大于0.9，說明這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)管段的保溫性能良好；其余測(cè)點(diǎn)的計(jì)算保溫有效系數(shù)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(jié)

本文對(duì)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(qū)一條專用蒸汽供熱管線作為研究對(duì)象，用傳熱分析作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合長距離供熱管線壁溫測(cè)量試驗(yàn)，建立保溫失效點(diǎn)的判據(jù)，并對(duì)管道的保溫有效系數(shù)進(jìn)行分等級(jí)評(píng)價(jià)。

對(duì)于長距離供熱管線，依照間隔500 m一個(gè)測(cè)量截面的選取方式完成16個(gè)點(diǎn)的表面壁溫測(cè)量，測(cè)量截面選取6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。根據(jù)傳熱學(xué)對(duì)熱阻的定義，將實(shí)際與理論蒸汽散熱等效熱阻比值定義為保溫有效系數(shù)，依據(jù)計(jì)算得到的長距離管道16個(gè)點(diǎn)的保溫有效系數(shù)，給出了各個(gè)點(diǎn)上保溫性能失效與否的判據(jù)。