顧景磊，鐘升楷

(1.寧波萬里管道有限公司，浙江 寧波 315800； 2.浙江大學 能源工程學院熱工與動力系統研究所，杭州 310027)

0 引言

在工業(yè)生產、生活采暖等領域中，需要從供熱系統中汲取并使用大量熱能。熱力發(fā)電廠作為供熱系統的“心臟”，源源不斷地提供熱能，而熱力管道則發(fā)揮著“血管”的作用，是輸送水、蒸汽等熱能承載介質的重要基礎設施。目前，集中供熱系統的熱水管網，即使有良好的保溫措施，其散熱損失仍占總輸入熱量的5%～8%[1]，而對于溫度更高的高溫蒸汽管道，散熱損失將會更大。在我國的電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃[2]中，推進集中供熱，逐步替代燃煤小鍋爐，減少燃煤污染成為重要的發(fā)展方向，而集中供熱規(guī)模的不斷擴大必然使得供熱管網的輸送距離不斷加長[3]。由于高溫熱能的品位高于低溫熱能[4]，因此熱力管道的保溫性能將直接影響熱網系統的能源利用效率與環(huán)境經濟效益。

本文介紹了一種新型預制架空保溫管，闡明了其相較于傳統架空保溫管(傳統管)的優(yōu)勢，并對比研究了分別使用預制架空管與傳統架空管的兩個項目，為往后類似項目的規(guī)劃建設提供借鑒。

1 新型預制架空保溫管技術及其優(yōu)勢

在供熱系統中，為了降低熱能在輸送過程中向環(huán)境耗散的量，同時防止管道表面溫度過高造成燙傷事故，保溫管成為長距離供熱系統中的關鍵設備。

傳統管常使用巖棉、玻璃棉等軟質保溫材料[5]，也使用硅酸鈣等硬質保溫材料。軟保溫材料的優(yōu)點是初始投資低，短期效果不錯，缺點是抗壓能力差，易受外力作用而變形，長時間使用后還易發(fā)生沉降，造成保溫層上薄下厚，保溫性能下降。硬保溫材料則解決了軟保溫材料易坍塌、不抗壓的問題[6]，使用壽命較長，但硬質材料與工作管間以及硬質材料相互之間均難以緊密貼合，易形成縫隙而發(fā)生對流換熱。不管是使用軟質還是硬質材料，傳統管的施工方法均是先安裝工作芯管，然后在現場進行保溫層及外防護層的施工。由于現場保溫施工的輔助機械設備少、地形復雜、工作環(huán)境惡劣，制作出的保溫管具有許多缺陷[7]。

(1)隔熱管托的支架形式使得工作管與支架間沒有完整的保溫材料，管托與保溫材料在管道軸線方向上有縫隙，散熱量較大。

(2)現場施工條件差，主要是手工作業(yè)，無機械輔助，施工工期長、質量可控性差、整體保溫性能較差。

(3)由于傳統管存在縫隙，施工中需采用軟質保溫材料進行嵌縫，現場嵌縫施工耗時費力，監(jiān)理困難，故通常嵌縫效果不佳，造成整體保溫性能下降。

文獻[8]中詳細介紹了各類預制直埋保溫管，可見預制保溫管技術在直埋管道項目中已經得到了廣泛的使用，而架空管使用預制方法進行建設的還較為少見。針對傳統架空保溫管的各種缺點，本文介紹一種新型預制架空保溫管技術[9]，與傳統管的技術特點對比如圖1所示。

與傳統管不同，新型管采用了工廠預制保溫管的模式，在工廠內制作保溫結構及外防護層并包裝后運輸至現場，然后采用機械設備輔助安裝?，F場安裝工作僅包括各節(jié)成品管道的架設連接及接口處的保溫施工，大大提高了現場施工效率。以直徑為600 mm、總長1 000 m的蒸汽保溫管道的施工過程為例，在不考慮天氣因素的影響下，2種保溫管保溫施工的周期對比見表1。

在保溫結構上，傳統管通常僅使用單種保溫材料——硅酸鈣，而塊狀硅酸鈣間常出現縫隙，需要進行現場嵌補，否則將發(fā)生嚴重的漏熱。新型管為了解決縫隙問題，采用了3層復合保溫結構。硅酸鈣和工作管間的縫隙由最內層的軟保溫材料填補，減少了對流換熱，提高了整體保溫性能；軟保溫層較薄，可使用比玻璃纖維氈導熱系數更低[10]的硅氣凝膠復合氈；同時，新型管硬質保溫層外層增加了聚氨酯泡沫保溫層。在工廠內，將敷設好硬保溫層的半成品管道放入模具中，注入聚氨酯原料液發(fā)泡成型，聚氨酯完整包裹住硬保溫層，使保溫管成為無縫整體，整體保溫性能大大提高。

圖1 傳統架空管與新型預制架空管技術特點對比

項目傳統架空管預制架空管管線長度/m10001000保溫施工長度/m100040保溫施工周期(6人)/d8010

傳統管采用冷態(tài)敷設的辦法，而工作芯管熱態(tài)下會發(fā)生膨脹，造成縫隙增大，12 m長的直管出現20條縫隙，整體保溫性能下降嚴重。新型管采用熱態(tài)敷設的方法，在架設連接好各節(jié)保溫管后，通氣使其達到熱態(tài)。得益于聚氨酯保溫層的包裹作用，保溫管內不會出現縫隙。工作芯管受熱膨脹而延伸的部分全部出現在芯管連接口處，此時縫隙縮減為各節(jié)管道頭尾2條，可對其進行集中保溫處理，效率提高的同時保溫性能也得到提高。

傳統管在架設工作管時使用隔熱管托將工作管與支架隔開，新型管由于在工廠已制成成品，支架與工作管間有完整的保溫材料，沒有導熱較好的熱橋存在，整體保溫性能進一步提高。

2 新型預制架空保溫管在供熱項目中的應用

表2為傳統架空管與新型預制架空管的投資成本對比分析，可以看出，在初始投資中，使用新型管的二期工程土建費用相同，材料費用相較于一期工程增加了28.9%，管道施工費用降低了36.9%，材料及管道施工費用總額增加了14.1%?？梢姡捎趯⒈厥┕まD移至工廠內進行且使用了優(yōu)化的保溫結構，新型管項目中的材料費用增加，但現場施工效率提高，管道施工費用降低?？傮w上看，二期工程的總投資增加了12.06%，但項目建設周期縮短了50%，提高了項目建設的工作效率。使用優(yōu)化的保溫結構雖然導致成本上升，但管道熱損明顯下降，下面分析熱損下降帶來的收益。

表2 明州北線一期、二期供熱管道項目初始投資對比

明州北線一、二期工程均已建設完畢，管道實際運行后，通過測量管道始端和末端的供熱蒸汽參數，可計算供熱蒸汽在管道內的散熱損失。兩期項目在管道始段與末端的供熱蒸汽參數見表3。

表3 明州北線一期、二期工程供熱參數對比

管道熱損計算公式為

(1)

式中：Q1為管道熱損，W/m；h2為管道末端比焓，kJ/kg；h1為管道初始端比焓，kJ/kg；qm為管道流量，t/h；L為管道長度，m。

經計算，一期工程的管道熱損為984 W/m，二期工程的管道熱損為255 W/m。由此可見，新型預制架空保溫管的使用大大降低了供熱管網中的散熱損失。為了更加直觀地展現新型管的節(jié)能效果，可對比兩期管道的年散熱損失。

Q=Q1×3.6×L×24×365 ，

(2)

式中：Q為管道全長每年熱損，kJ；L為管道長度，7 000 m。

經計算，使用新型管的二期工程每年可減少熱損失160 960 GJ，假設鍋熱效率為80%，管道效率為100%，相當于每年節(jié)約標準煤6 865 t[11]。按熱值為24.3 MJ/kg、單價為850 元/t的寧波動力煤計算，每年可節(jié)約704萬元。因此，盡管二期工程總投資為2 933.7萬元，但投資回報期僅為4.17 a，經濟效益顯著。同時，二期工程每年可減少排放二氧化碳約17 114 t，粉塵約4 668 t，二氧化硫約515 t，氮氧化物約103 t，環(huán)保效益顯著。新型預制架空保溫管的使用使項目在不提高投資費用的基礎上，有效縮短了建設周期，同時大大提高了管道的保溫性能，提高了熱能利用效率，環(huán)保與經濟效益良好。

3 結束語

傳統的架空保溫管存在支架熱損大、溫差縫隙大、保溫性能低、施工周期長、保溫施工質量難以保障等諸多不足之處。新型預制架空保溫管在施工流程、保溫結構、支架結構、敷設方法、縫隙處理工藝等方面上均做出了改進。實際應用表明，新型管的使用，不但縮短了項目現場施工周期，同時還大大降低了供熱管道的散熱損失，對于增大大型熱電機組的供熱半徑，減少小機組的使用，節(jié)約煤炭資源，減少環(huán)境污染具有重要意義。