预制架空蒸汽保温管保温层优化设计探讨与应用

李德恒、潘存业、杨智丽、王海利

河北君业科技股份有限公司

摘要：现如今，预制架空蒸汽保温管道在供热行业中的应用越来越广泛，但在设计和施工过程中往往因为成本高不容易被业主接受，本文通过对实际设计热网案例进行管道保温层优化设计的分析和研究，详细说明预制架空蒸汽管道保温层设计在满足标准要求的前提下进行优化设计，以达到设计和实施最优化配比，并根据成功案例详细说明优化方案和优化过程，吗， 也从案例中提出了一些实施过程中的指导性技术，和在设计当中所使用一些相关技术措施。希望能够为预制架空蒸汽保温管道优化设计提供一定的借鉴。

关键词：预制架空蒸汽管道；保温层优化设计；热损失；界面温度；表面温度。

 

前言：在蒸汽管网中，设计是源头，尤为重要，如何实现管道保温层既满足国家标准要求又能做到最经济的实施方法是供热行业内研究的课题，本文通过案例详细介绍预制架空蒸汽保温管道保温层设计规范要求设计优化过程，通过控制表面温度、散热损失、复合保温界面温度、用户使用参数等指标对管道保温层进行优化设计计算，最终形成一个满足所有指标要求并最低成本的设计方案。

一、设计标准要求

1.保温外表面温度的要求

（1）对操作人员需要接近维修的地方，当维修时，设备及管道保温结构的表面温度不得超过60℃[1]。

（2）具有下列情况之一的设备、管道及其附件，应进行保温：

1）外表面温度高于50℃（环境温度为25℃时）且工艺需要减少散热损失者。

2）外表面温度低于或者等于50℃且工艺需要减少介质的温度降低或者延迟介质凝结者。

3）工艺不要求保温的设备及管道，当其表面温度超过60℃，对需要操作维护，又无法采取其他措施防止人身烫伤的部位，在距离地面或工作台面2.1米高度以下及工作面边缘与热表面间的距离小于0.75米范围内，必须设置防烫伤保温措施。[2]

（3）具有下列情况之一的设备、管道及其附件，应进行保温：

1）外表面温度高于323K（50℃）者；

2）工艺生产中需要减少介质的温度降或者延迟介质凝结的部位；

3)工艺生产中不需要保温的设备、管道及其附件，当其外表面温度超过333K（60℃）并需要经常操作维护，而又无法采取其他措施防止引起烫伤的部位。[3]

结合上述三项国家标准规定，在蒸汽管道设计过程中，架空蒸汽保温管道外表面温度小于等于50℃为最优的参数选择。

2. 热损失的要求

管道散热损失国家标准中做要求如下：[4]

2. 复合保温界面温度的要求

当采用复合保温结构时，保温层间的界面温度不应大于外侧保温材料安全使用温度的0.8倍。[5]

3. 满足用户使用参数的要求

架空蒸汽管道的保温厚度设计在满足国家标准要去的前提下还要满足管网中个用户的出口温度、出口压力等要求，当各用户在最小蒸汽流量的工况下，管道的散热损失最大，温降也就越大，出口温度为工况下最低值，即该工况下为满足用户温度要求最低值。所以在做管道优化设计时需要满足各用户在最小蒸汽流量的工况下的用户处的温度是否满足要求。

二、案例分析

以华北地区某项目为例说明，项目蒸汽的设计温度为260℃，环境温度12℃；年平均风速2.5m/s；蒸汽管网长度为6.5公里，其中中共有DN350、DN300、DN400三种型号蒸汽管道，项目为常年运行。

1.保温结构设计为：工作钢管+硅酸铝针丝毯+反射层+微孔硅酸钙瓦+反射层+硬质聚氨酯泡沫+镀锌钢板螺旋管。

图1架空蒸汽保温管结构示意图

2. 根据第一项各项要求进行初步设计所得保温结构和保温层厚度如下：

DN300硅酸铝针丝毯10mm+微孔硅酸钙瓦200mm+硬质聚氨酯泡沫36mm；

DN350硅酸铝针丝毯10mm+微孔硅酸钙瓦205mm+硬质聚氨酯泡沫35mm

DN400:硅酸铝针丝毯10mm+微孔硅酸钙瓦230mm+硬质聚氨酯泡沫35.5mm；

3. 保温层优化设计

为便于比较将前述条件进行梳理如下：

1）保温层外表面温度要求小于等于50℃；

2）散热损失的要求小于或等于52W/m2；

3）保温层间的界面温度小于等于外侧保温材料安全使用温度的0.8倍；

4）用户供热参数要求：用户A、B、C要求出口温度不低于165℃，用户D、E、F要求出口温度不低于170℃。

5) 各保温材料工况下导热系数按如下公式计算：（Tm为工况温度）

A. 硅酸铝针丝毯保护层的导热系数 λ1 =0.044+0.0002×(Tm-70)；

B. 微孔硅酸钙的导热系数 λ2 = 0.0456+0.0000889×Tm；

C. 聚氨酯的导热系数  λ3 = 0.033 W/m℃

6）假设管道保温结构和厚度如下：

DN300硅酸铝针丝毯20mm+微孔硅酸钙瓦140mm+硬质聚氨酯泡沫35mm；

DN350硅酸铝针丝毯20 mm+微孔硅酸钙瓦120mm+硬质聚氨酯泡沫45mm

DN400:硅酸铝针丝毯20mm+微孔硅酸钙瓦120mm+硬质聚氨酯泡沫45mm；

根据上述条件计算各型号最优化蒸汽管道保温层厚度，计算数据如下：

表1管道保温结构结构计算表

图2  第一片区蒸汽管道水力计算简图

经蒸汽管道水力计算后，得出第一片区用户（A、B、C）最小流量工况下蒸汽管道水力计算结果，见表2

表2  化工园蒸汽管道水力计算结果

根据表2数据可以看出，采用表1中的假设保温厚度进行计算，第一片区用户（A、B、C）小流量工况下，各用户的压力、温度都满足要求。

 

2）第二片区用户（D、E、F）蒸汽管道水力计算,水力计算简图见图3。

图3  第二片区蒸汽管道水力计算简图

经蒸汽管道水力计算后，得出第二片区用户（D、E、F）最小流量工况下蒸汽管道水力计算结果，见表3。

表3  冷轧园用户水力计算结果

根据表3数据可以看出，采用表1中的假设保温厚度进行计算，第二片区用户（D、E、F）最小流量工况下，各用户的压力、温度都满足要求。

5.总结：根据实际案列，通过以上分别对保温外表面温度的要求、散热损失的要求、复合保温界面温度的要求、满足各用户参数的要求将四个条进行计算和分析分析，得出了上述蒸汽管道保温层厚度假设方案可行的。

结论：

总而言之，通过实际当中的案例可以得知，在蒸汽管道保温层设计时要满足外表面温度的要求、散热损失的要求、复合保温界面温度的要求、满足各用户参数，各项指标需要控制在国家标准的范围之内，这也是进行管道设计所必要的基础条件；在满足要求的前提下进行的蒸汽保温管道保温层优化设计是降低实施成本和避免过度保温的有效途径。所以预制架空蒸汽保温管保温层优化设计有一定的可行性。

参考文献

[1]《城镇供热管网设计规范》CJJ34-2010

[2]《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264-2013第3.0.1条

[3]《设备及管道绝热技术通则》GB／T4272-2008

[4]《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264-2013附录B

[5]《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》CJJ T104-2014第6.1.5