摘要：针对青岛地区架空蒸汽管道热损失较大的现状，从保温效果影响因素、保温材料选择、保温厚度计算及成本分析等方面进行了分析，根据青岛地区特殊气象条件对经济厚度进行了重新测算，并对不同保温材料进行了成本分析，可为同行业设计提供一定参考。
关键字：蒸汽管道；保温；青岛地区；成本分析
目前，国内能源形式紧张，保温节能在生产生活方面的意义逐渐凸显。蒸汽管道作为国民生产生活中重要的热能供给方式，其应用极为普遍，由于介质温度高，其热损更为显著，保温作为控制热损的主要方式，且管道保温占管道总投资的比例较大，需引起重视[1]。青岛地区现有蒸汽管道多为老旧管道，保温破损较为严重，新建蒸汽管道工程也往往存在保温材料生产能耗高、环境污染严重、蒸汽管道保温结构不合理、保温厚度不规范、管道隔热不重视、保温施工不到位等大量问题。另外，青岛地区气象条件、成本造价等有一定特殊性，不可单纯套用相关手册或使用厂家产品，需单独进行计算分析。考虑到青岛地区直埋蒸汽管道一般为钢套钢成品管道，一系列直埋蒸汽管道相关标准、规范等也对其进行了详细规定，本文只对保温结构形式差距较大的架空蒸汽管道进行分析。
1保温效果影响因素
1）保温结构遭到破坏。由于保温结构强度不够，加之人为踩踏、运行环境恶劣等因素，导致部分管道外护层变形或破损。现有管道外护层一旦遭到破坏，便会导致保护层接缝不严，雨水或湿气等外界因素通过接缝进入保温层，不断破坏内部保温结构，形成热工缺陷，使保温效果不断下降。
2）热桥效应造成热损过大。实际工程中，由于对阀门、支架及其土建基础、法兰等管道附件的保温隔热重视不足，未进行保温隔热设计，或施工过程中并未按照设计要求采取隔热措施，导致上述部位热桥效应明显，有些甚至裸露，既导致大量热损，有存在烫伤人员的风险。
3）保温材料布局不合理。施工时未按照设计要求布置和施工，部分管道采用软质保温材料时未采取固定措施等，均可能导致管道保温结构下沉，管道部分热损增大，外表面平均温度偏高，影响整体绝热效果。
4）管道超参数运行或保温材料耐温不合格，超过保温材料使用要求，长期导致内层保温材料严重粉化。
5）多层保温结构包裹不够严实，层与层间形成环空缝隙，此现象在外护层与保温层间更为突出。
6）管道工作环境及使用寿命。工程实际中保温厚度一般根据相关手册选取经济保温厚度，而实际工作环境温度与手册选取温度不一致，一般情况下，提高系统使用寿命、降低环境温度将导致保温厚度增加。
可见，影响保温效果的因素与管道保温设计有很大关系，应引起设计人员的足够重视[2]。
为更好的规范管道保温、工程安装及使用，提高管道保温效果，国家相关部门已陆续出台了相应规范。在工程实际中，蒸汽管道保温主要为电厂蒸汽管道、工业输配管线、城镇供热长输管线、不保温管线防烫伤部位、以及管道附近和附属设施等，可针对实际情况查阅相关规范标准。
2保温材料选择
根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》等国家规范标准，管道保温工程设计应按管道使用环境、被保温管道及设备的材质及表面温度来正确选择符合国家现行有关标准的材料，对于新材料，应通过国家法定的检测部门检测合格后方可使用。同时，该规范对各种保温材料的性能提出了详细而具体的规定，可查阅参考使用。
目前，青岛地区架空蒸汽管道所用保温材料一般为硅酸钙制品、岩棉制品、玻璃棉制品、憎水珍珠岩制品、硅酸盐制品、硅酸盐棉制品等，由于硅酸钙制品、憎水珍珠岩、硅酸盐等硬质保温材料容易粉化，导致渗水破坏保温层，近年来已较少使用。高温玻璃棉与硅酸铝、岩棉的比较如下：
表1 高温玻璃棉与硅酸铝、岩棉对比
可以看出，采用高温玻璃棉保温，其综合造价低于硅酸铝保温材料，略高于岩棉保温材料，而其长期保温性能远优于硅酸铝保温材料和岩棉保温材料，尤其是其轻巧张力大的优点，在振动较多的管道区域更为明显。故目前青岛地区新建蒸汽管线大部分使用保温玻璃棉制品。
3保温厚度计算
根据现行国家标准《工业设备及管道绝热工程设计规范》，保温厚度分为经济保温厚度、控制外表面温度厚度及最大热损保温厚度[3]。考虑到设计及建设单位一般按照经济保温厚度或控制保温结构外表面温度进行计算，本文青岛地区保温厚度采用此计算方法。
1）经济保温厚度
按照《工业设备及管道绝热工程设计规范》，经济厚度指增加绝热结构后散热损失所花费的费用和绝热工程投资的年摊销费用之和为最小值时的计算厚度。相关计算式如下：
D1ln
=3.795×10-3
-
（1）
PH=1000
（2）
PT=FiPi+Fia+
×(F9×P9+F91) （3）
αs=1.163×（10+6
） （4）
式中：
PH—热价（元/GJ）；
PT—保温结构造价（元/m3）；
λ—保温材料在平均温度下的导热系数（W/（m·K）），对于软质保温材料，取在使用密度下的导热系数；
αs—保温层外表面与周围空气的换热系数（W/（m·K））；
t—年运行时间（h）；
△T—管道外表面温度与环境温度差值；
S—保温工程投资年摊销率（%）；
PF—燃料到厂价（元/t）；
qF—燃料收到基低位发热量（KJ/kg）；
ηB—锅炉热效率；
C1—工况系数；C2—火用值系数；
Pi—保温材料到厂单价（元/m3）；
P9—保护层材料单价（元/㎡）；
Fi—保温层材料损耗及税费系数；
Fia—绝热层每立方施工费；
F1—税费系数；
F9—保护层材料损耗、重叠系数；
F91—保护层每平方米施工费；
W—环境风速（m/s）。
一般情况下，蒸汽管道对应热源形式主要为大型热电联产、小型热电联产、燃煤锅炉、蒸汽锅炉，本文以青岛地区常见的250元/t蒸汽价格、小型燃气锅炉成本价格进行计算。
燃气成本较高，蒸汽价格往往不足以弥补成本，且由于蒸汽用户多为工业企业或商业性建筑，无法享受《青岛市加快清洁能源供热发展的若干政策》中关于燃气锅炉运行的相关补贴，需按照成本进行取值。目前青岛天然气价格为3.257元/m3，以燃气锅炉效率95%，天然气热值8500大卡计算，蒸汽成本价格约115.6元/GJ，而青岛地区外售蒸汽价格多为190~280元/t，对应的蒸汽热价约为69~101元/GJ，可见，青岛地区小型燃气锅炉外售蒸汽多为亏损运行。
综上所述，架空蒸汽管道保温计算参数取值如下表所示（为方便查阅，已取整）。
表2 保温厚度计算参数
根据上述计算条件，本文计算整理了各管道规格不同热价、全年运行条件下的保温经济厚度，如下表所示，可供同行业参考。
表3 经济保温厚度（热价90元/GJ、300℃）单位：mm
表4 经济保温厚度（热价116元/GJ、300℃）单位：mm
其他条件，如采暖季运行、不同保温材料可按前述同样方法获得，不再赘述。需要指出的是，一般保温材料产品均为固定型号产品，需根据实际产品规格进行保温厚度向上圆整。
2）控制外表面温度保温厚度
ln
=
（5）
可以看出，控制外表面温度保温厚度与热价、运行时间并无关系。若控制外表面温度不超过50℃，带入前述参数同样可计算出不同管道规格保温厚度。
3）不同材料年保温费用
由前述可知，管道年保温总费用包括散热损失费用和保温结构工程投资年分摊费用[4]，容易求得：
PL=PT
(D12-D02)S+A
×10-6 （6）
上式中等式右边左半部保温结构年投资摊销费用，右半部为热损失费用。考虑到青岛小部分工程项目尚在使用其他保温形式，如憎水珍珠岩、岩棉制品、硅酸铝棉以及近几年出现的气凝胶产品，本文以DN200管径为例计算了不同材料经济厚度下的管道保温总费用，概述如下：
表5不同保温材料平均结构造价
不同热价下，DN200管道保温年总费用如下表所示。
表6 DN200蒸汽管道保温年总费用（热价：90元/GJ）
可以看出，对于温度较高的蒸汽管道的保温，投资最低的为憎水珍珠岩，其次是岩棉毡、高温玻璃棉、硅酸铝毡、气凝胶毡，且气凝胶毡的投资明显高于其他材料。散热损失费用低为高温玻璃棉，其次为岩棉毡、憎水珍珠岩、硅酸铝毡、气凝胶毡，从管道年总费用来看，高温玻璃棉为总费用最低材料，其次为岩棉毡、憎水珍珠岩、硅酸铝棉毡、气凝胶毡。
另外，容易看出，气凝胶产品在目前的价格下，无论投资费用还是总费用均较高，但其保温厚度较其他保温材料有显著优势，更适合使用在空间受限的部位。
图1 隔热管托
4隔热管托设计
按照现行行业标准《城镇供热管网设计规范》，计算管道总散热损失时，由支座、补偿器和其他附件产生的附加热损失可由附加系数计算，对于地上敷设管道，附加系数为0.15~0.20，可以看到支吊架等处的散热损失占整个管线的散热损失比例并不低，尤其是青岛地区热价较高，有必要就支吊架等处隔热进行单独设计。
目前，工程常用隔热管托代替传统支吊架，隔热管托为近几年出现的一种节能型产品[5]，如图1所示。一般为工厂预制、现场组装，并配合土建基础设计，也有工程为保证隔热效果而采用成型产品。需要指出的是，由于隔热支吊架非焊接在工作钢管上，连接强度较普通支吊架低，要求隔热材料具有优异的抗压及隔热性能。
5小结
1）总结了影响保温效果的因素，其基本都与保温设计相关，从而要求在进行管道保温设计时应予以重视。
2）由于高温玻璃棉保温材料性能优异，青岛地区一般使用玻璃棉产品作为架空蒸汽管道保温材料。本文根据青岛地区气象参数、不同热价，计算得出了青岛常用蒸汽管径的经济保温厚度，可供同行业相关单位参考。
3）以DN200架空蒸汽管线为例，计算了不同保温材料的工程造价及热损费用。计算结果显示，高温玻璃棉年总费用最低，推荐保温材料优先级为高温玻璃棉＞岩棉＞憎水珍珠岩＞硅酸铝毡＞气凝胶。其中，憎水珍珠岩易粉，近几年已较少使用，气凝胶产品保温厚度较其他保温材料有显著优势，更适合使用在空间受限的部位。
参考文献
[1]艾振宙.管道保温结构的优化设计研究[D];长沙理工大学,2010,10.
[2]郭帅.热力管道保温效果影响因素研究[D];东北石油大学,2012,3.
[3]GB50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2013.
[4]杜义朋,王为民.列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度[J].辽宁石油化工大学学报,2012.
[5]燃油燃气锅炉房设计手册.北京：机械工业出版社,2012.9:659.
论文作者:杨艳1,胡静洋2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
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