水泥廠保溫層經(jīng)濟厚度影響因素探討

郭 濤

本文以圓筒與平面的保溫層經(jīng)濟厚度為研究對象，分析了影響層經(jīng)濟厚度的敏感度的10種因素，得出量化影響規(guī)律。研究表明，圓筒和平面保溫層經(jīng)濟厚度的計算結(jié)果誤差與管徑及保溫層經(jīng)濟厚度都有關(guān)系，當(dāng)管道外徑為1000mm（GB/T 8175-2008中之規(guī)定）時，二者的相對誤差范圍在5%～38.6%之間，保溫層經(jīng)濟厚度＜200mm時的相對誤差在20%以內(nèi)；熱能價格、運行時間、年利率、償還年限、風(fēng)速對保溫層經(jīng)濟厚度影響不大；但在進行水泥廠保溫層經(jīng)濟厚度設(shè)計時，必須考慮流體溫度、管道外徑、環(huán)境溫度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)以及保溫層單位投資價格的影響，進行優(yōu)化設(shè)計。

水泥；保溫；經(jīng)濟厚度；優(yōu)化

1 前言

水泥生產(chǎn)工藝歷經(jīng)立窯、干法中空窯、立波爾窯、濕法窯，發(fā)展到新型干法水泥生產(chǎn)工藝，在傳熱方式以及熱能利用方面有了重大變革。對于新型干法工藝，減少熱損失，不僅可以提高熱能的利用效率，實現(xiàn)國家“十二五”節(jié)能減排約束性目標，而且可以避免流體溫降過大出現(xiàn)露點腐蝕或不能滿足原料磨入口溫度要求，保證原料磨、收塵器以及煤磨的正常運行，還可降低操作環(huán)境溫度保證操作人員安全、寒冷地區(qū)防凍等。

管道及設(shè)備的保溫設(shè)計優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的正常運行以及能耗水平。保溫層厚度增大，相應(yīng)投資費用增加；保溫層厚度減小，熱損失加大，甚至?xí)绊懺O(shè)備的正常運行。所以，必須對保溫層厚度進行優(yōu)化設(shè)計，確定保溫層的經(jīng)濟厚度。

2 保溫層經(jīng)濟厚度

保溫層經(jīng)濟厚度就是使保溫層投資年分攤費用和年散熱損失費用之和最小的保溫層厚度，如圖1所示。保溫層經(jīng)濟厚度的計算方法綜合考慮了傳熱基本原理、

材料價格、氣象條件、熱能價格等因素。

平面及圓筒的保溫示意圖見圖2，式（1）～（5）給出了平面和圓筒保溫層經(jīng)濟厚度的計算公式。

2.1 平面保溫層經(jīng)濟厚度

式中：

qb——散熱量，W/m2

λb——保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

α——保溫層外壁換熱系數(shù)，W/（m2·℃）

tf——流體溫度，℃

tb——保溫層外表面溫度，℃

ta——環(huán)境溫度，℃

δ——保溫層厚度，m

綜合式（1）、式（2）得：

式中：

F1——單位面積平面年熱消耗總費用

b——熱能價格，元/GJ

h——運行時間，h

F2——保溫層年投資總費用

a——保溫層單位投資價格，元/m3

N——保溫工程投資償還年分攤率

2.2 圓筒保溫層經(jīng)濟厚度

圖1 保溫層經(jīng)濟厚度

式中：

qb——散熱量，W/m

D0——保溫后的管道外徑，m

Di——管道外徑，m

綜合式（7）、式（8）得：

其中，F(xiàn)1為單位管長年熱消耗總費用。

式中：

qb——圓筒單位面積散熱量，W/m2。

2.3 二者對比

圖2 保溫示意圖

根據(jù)GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計導(dǎo)則》[1]中的規(guī)定，“管道和圓筒設(shè)備外徑大于1000mm者，可按平面計算保溫層經(jīng)濟厚度”。其表達的含義是：當(dāng)管道

和圓筒設(shè)備外徑大于1000mm時，（1）保溫層經(jīng)濟厚度隨著外徑的增加趨勢變緩；（2）按式（13）、式（14）計算的保溫層經(jīng)濟厚度與按式（6）的計算結(jié)果誤差是在工程上可以接受的范圍內(nèi)。

圖3 不同δ下F（Ri）與1的相對誤差

圖4 圓筒與平面保溫層經(jīng)濟厚度對比

現(xiàn)假設(shè)當(dāng)管道和圓筒的外徑Ri趨近于某個值時，式（6）的計算結(jié)果與式（13）、式（14）計算結(jié)果相同。則式（6）與式（13）、式（14）聯(lián)立可變形為：

進一步變形為：

圖3給出了不同δ下，隨著Ri的變化曲線，相對誤差指F（Ri）與1的相對誤差；圖4給出了同等設(shè)定條件下，圓筒與平面保溫層經(jīng)濟厚度計算結(jié)果及其二者的相對誤差。

由圖4可知，管道保溫層經(jīng)濟厚度隨著管道外徑的增大而增大，但增長趨勢趨緩，并趨近于按照平面的計算結(jié)果。而由F（Ri）表達式可知，圓筒與平面保溫層經(jīng)濟厚度的計算結(jié)果誤差與管徑Ri及保溫層經(jīng)濟厚度δ都有關(guān)系，具體見圖3。由圖3可見，當(dāng)管道外徑為1000mm（GB/T 8175-2008中之規(guī)定）時，二者的相對誤差范圍在5%（δ=50mm）～38.6%（δ=500mm）之間，保溫層經(jīng)濟厚度＜200mm時的相對誤差在20%以內(nèi)。

3 不同因素對保溫層經(jīng)濟厚度影響的敏感度分析

由式（6）和式（13）、式（14）可知，保溫層經(jīng)濟厚度受到流體溫度、環(huán)境溫度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)、熱能價格、保溫層單位投資價格等多種因素的影響。在個性化的優(yōu)化設(shè)計中，各個因素在不同地區(qū)有不同的取值，其取值對保溫層經(jīng)濟厚度產(chǎn)生影響。

下面將考察不同因素對保溫層經(jīng)濟厚度的量化影響規(guī)律，作為不同因素取值得出計算結(jié)果的誤差估計基礎(chǔ)?？疾煲蛩丶叭≈捣秶约暗湫椭狄姳?，選取了6種不同的保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)見圖5，其中，特征溫度t=（tf+tb）/2。本文分別對平面和圓筒進行了考察，不同因素對保溫層經(jīng)濟厚度的影響結(jié)果見圖6～17。

由圖6可知，保溫層經(jīng)濟厚度隨熱能價格的增加而增大，而保溫層經(jīng)濟厚度變化率則隨著熱能價格的增大而減小，對平面影響較圓筒大。熱能價格5～15元/GJ范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為18～38mm/（元/10GJ）；15～35元/GJ范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為11～22mm/（元/10GJ）；35～60元/GJ范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為8～16mm/（元/10GJ）。而不同地區(qū)的熱能價格一般在36～60元/GJ[2]，故在熱能價格35～60元/GJ范圍內(nèi)，可認為熱能價格取值對保溫層經(jīng)濟厚度的確定影響不大。

表1 考察因素以及取值范圍

由圖7可知，保溫層經(jīng)濟厚度隨著材料單位投資價格的增加而減小，保溫層經(jīng)濟厚度變化率亦隨著材料單

位投資價格的增大而減小，對平面影響均較圓筒大。材料單位投資價格500～1500元/m3范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度減小率為30～115mm/（1000元/m3）；1500～3000元/m3范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度減小率為15～50mm/（1000元/ m3）；3000～6000元/m3范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度減小率為10～20mm/（1000元/m3）。而這里的保溫材料單位投資價格包含了材料費用、運輸費用、施工費用、施工管理費用和運行維護費用等，一般在1500元/m3以上。材料單位價格3000～6000元/m3范圍內(nèi)，可認為材料單位價格取值對保溫層經(jīng)濟厚度計算結(jié)果影響不大，但1500～3000元/ m3范圍內(nèi)，則必須考慮材料單位投資價格的影響。

熱能價格較低時，或者材料價格較高時，保溫層經(jīng)濟厚度較小，按此厚度下的散熱損失超出限定值（見圖8、圖9），實際采用時，可以在經(jīng)濟厚度的基礎(chǔ)上加大，按照最大允許散熱損失（見表2）的80%～90%計算保溫層厚度。

保溫層經(jīng)濟厚度隨著年運行時間的增加而增加，保溫層經(jīng)濟厚度變化率隨著材料單位價格的增大而減小，對平面影響均較圓筒大（見圖10）。年運行時間6500～7000h范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為6～10mm/（1000h）；7000～8000h范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為4～8mm/（1000h）?？梢姡赀\行時間對保溫層經(jīng)濟厚度的計算影響不大。

保溫層經(jīng)濟厚度隨著年利率的增加而減?。▓D11）。在年利率7%～15%范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率1～2mm（1%年利率），其對保溫層經(jīng)濟厚度的影響亦可忽略。

由圖12可見，保溫層經(jīng)濟厚度隨著償還年限的增加而增加，保溫層經(jīng)濟厚度變化率隨著償還年限的增大而減小。償還年限3～5年范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為6～13mm/yr；償還年限5～7年范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為5～8mm/年；償還年限7～9年范圍內(nèi)，保溫層經(jīng)濟厚度變化率為3～6mm/年?？傮w而言，償還年限＞5年時，對保溫層經(jīng)濟厚度影響不大。

風(fēng)速主要對保溫層外壁對流輻射綜合換熱系數(shù)（α）產(chǎn)生影響，風(fēng)速在1～10m/s范圍變化時，α變化范圍為18.6～33.7W/（m2·℃）。由圖13可見，保溫層經(jīng)濟厚度基本不變，變化范圍0～1mm/（m/s）。

圖5 不同保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線*

圖6 熱能價格的影響

圖7 材料單位價格的影響

表2 常年運行工況允許最大散熱損失值[3]

保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的不同對保溫層經(jīng)濟厚度有直

接的影響，由圖14可知，當(dāng)保溫層導(dǎo)熱系數(shù)從0.052W/（m·℃）變化到0.077W/（m·℃）時，保溫層經(jīng)濟厚度逐漸增大，對圓筒，從91mm變化到108mm；對平面，從110mm增加至133mm。故在工程應(yīng)用中，在材料價格可接受的情形下，盡可能選用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料。

圖8 單位面積熱損失隨熱能價格的變化

圖9 單位面積熱損失隨材料單位價格的變化

圖10 年運行時間的影響

圖11 年利率的影響

流體溫度是影響保溫層經(jīng)濟厚度的重要因素，由圖15可見，當(dāng)流體溫度從50℃增大至350℃，保溫層經(jīng)濟厚度從42mm（46mm）增加至140mm（181mm）。故必須優(yōu)化設(shè)計不同流體溫度對應(yīng)的不同保溫層經(jīng)濟厚度。

環(huán)境溫度亦對保溫層經(jīng)濟厚度的確定產(chǎn)生影響，見圖16。從考察的溫度范圍內(nèi)可知，當(dāng)環(huán)境溫度在-25～5℃以及5～30℃范圍內(nèi)時，保溫層經(jīng)濟厚度變化量在5mm以內(nèi)，故可認為，上述兩個溫度區(qū)間內(nèi)，環(huán)境溫度對保溫層經(jīng)濟厚度的影響不大。

圓筒外徑對保溫層經(jīng)濟厚度的影響（圖17），具體可見2.3中的論述。

綜上所述，熱能價格（在一定范圍內(nèi)）、運行時間、年利率、償還年限、風(fēng)速對保溫層經(jīng)濟厚度的確定影響不大，但在確定保溫層經(jīng)濟厚度時，則必須考慮流體溫度、管道外徑、環(huán)境溫度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)以及保溫層單位投資價格。此外，國家對節(jié)能減排的相關(guān)政策，比如碳排放稅，也會對保溫層經(jīng)濟厚度的確定產(chǎn)生一定影響。

4 水泥廠保溫層經(jīng)濟厚度

水泥廠的熱風(fēng)管道、選粉及收塵設(shè)備等都需要保溫，對常規(guī)5000t/d生產(chǎn)線，涉及保溫的熱風(fēng)管道直徑范圍在0.5～6m，內(nèi)部流體溫度100～350℃；收塵設(shè)備的操作溫度一般在50～200℃。將熱能價格、運行時間、年利率、償還年限、風(fēng)速、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)選定為表3中的基準值，分別考慮保溫材料單位投資價格1500元/m3和3000元/m3以及環(huán)境溫度-25℃和30℃，計算平面及不同直徑

熱風(fēng)管道在不同流體溫度下的保溫層經(jīng)濟厚度。圖18、圖19給出了水泥廠典型保溫設(shè)備的保溫層經(jīng)濟厚度分布。

圖12 償還年限的影響

圖13 全年平均風(fēng)速的影響

圖14 不同保溫材料的影響

圖15 不同流體溫度的影響

圖16 環(huán)境溫度的影響

圖17 圓筒外徑的影響

由圖18可知，流體溫度50～200℃范圍內(nèi)，平面保溫層厚度分布在35～94mm以及118～186mm范圍內(nèi)，端點最大值代表保溫材料單位投資價格1500元/m3以及環(huán)境溫度-25℃，端點最小值代表保溫材料單位投資價格3000元/m3以及環(huán)境溫度30℃。圖19同時考慮了熱風(fēng)管道直徑對保溫層經(jīng)濟厚度的影響，隨著管道直徑的增大保溫層經(jīng)濟厚度增加，并逐漸接近于同等條件下的平

面保溫層經(jīng)濟厚度。流體溫度100～350℃范圍內(nèi)，圓筒保溫層厚度分布在62～125mm以及173～254mm范圍內(nèi)。故對保溫層進行優(yōu)化設(shè)計，必須同時考慮流體溫度、管道直徑、環(huán)境溫度以及單位材料投資價格的影響。

圖18 平面保溫層經(jīng)濟厚度

圖19 圓筒保溫層經(jīng)濟厚度

5 結(jié)論

（1）圓筒與平面保溫層經(jīng)濟厚度的計算結(jié)果誤差與管徑及保溫層經(jīng)濟厚度都有關(guān)系，當(dāng)管道外徑為1000mm（GB/T 8175-2008中之規(guī)定）時，兩者的相對誤差范圍為5%～38.6%，保溫層經(jīng)濟厚度＜200mm時的相對誤差在20%以內(nèi)。

（2）保溫層經(jīng)濟厚度隨熱能價格、年運行時間、償還年限、流體溫度、保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)和管道直徑的增加而增大，隨著材料單位投資價格、年利率和環(huán)境溫度的增加而減小，風(fēng)速對保溫層經(jīng)濟厚度基本無影響。且管道保溫層經(jīng)濟厚度隨著管道外徑的增大，其增長趨勢趨緩，并趨近于按照平面的計算結(jié)果。

（3）熱能價格（在一定范圍內(nèi)）、運行時間、年利率、償還年限和風(fēng)速對保溫層經(jīng)濟厚度影響不大，但在進行水泥廠保溫層經(jīng)濟厚度設(shè)計時，必須考慮流體溫度、管道外徑、環(huán)境溫度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)以及保溫層單位投資價格的影響，進行優(yōu)化設(shè)計。

[1]GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計導(dǎo)則》[S].

[2]黃以明,楊小惠.供熱管網(wǎng)經(jīng)濟保溫層厚度的探討[J].暖通空調(diào),2007 (37增刊):411-413.

[3]GB/T 4272-2008《設(shè)備及管道絕熱技術(shù)通則》[S].

Study on Influence of Different Parameters upon Economical Thermal Insulation Thickness for Cement Plant

GUO Tao
(Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin,300400)

The sensitivity analysis on influence of 10 parameters upon economical thermal insulation thickness for cement plant has been carried out,based on the pipe and plane economical thermal insulation thickness mod?els,aiming for the quantified influencing characteristics.Results show that pipe diameters and economical ther?mal insulation thicknesses both have influences on results calculated by pipe and plane economical thermal insu?lation thickness models.The relative divergence of results ranges from 5%to 38.6%with the pipe diameter of 1000mm(required in GB/T 8175-2008)and within 20%while the economical thermal insulation thickness is less than 200mm.The heat price,yearly interest,paying back period and air velocity have little influence.How?ever,the fluid temperature,pipe diameter,ambient temperature,as well as the thermal conductivity and invest?ment price of thermal insulation layer should be paid more attention to while designing the economical thermal insulation thickness for cement plant.

cement;thermal insulation;economical thickness;optimization

TQ172.622.29

A

1001-6171（2013）06-0026-07

??津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400；

2013-07-16； 編輯：趙 蓮