長距離輸送熱水直埋管道保溫層經(jīng)濟(jì)有效厚度

2020-10-23 07:57:58于雅澤趙惠中

煤氣與熱力 2020年10期

于雅澤，王淮，趙惠中

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第六設(shè)計研究院，天津300381；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津300381)

1 概述

隨著熱電廠上大壓小和大溫差技術(shù)的利用，長距離熱水輸送項目逐漸增多，管網(wǎng)逐漸向大管徑發(fā)展，熱損失也比常規(guī)熱網(wǎng)高。增大直埋管道聚氨酯保溫層厚度，是降低管網(wǎng)熱損失的有效途徑。但隨著保溫層厚度的增加，管網(wǎng)造價也相應(yīng)增加。因此，通過研究大管徑熱水直埋保溫管的傳熱特點，確定經(jīng)濟(jì)有效的保溫層厚度成為研究重點。本文模擬計算直埋管道布置方式(供回水管雙管布置、供水管單管布置、回水管單管布置)對單位長度熱損失的影響。綜合考慮直埋管道外表面控制溫度與綜合費用(保溫層造價及直埋管道散熱導(dǎo)致的熱費)，計算供回水管保溫性能與經(jīng)濟(jì)性均衡的保溫層厚度。

2 直埋管道傳熱分析

① 工況及物理模型

工況1：供回水管雙管布置，工作管規(guī)格均為D1620×20，保溫層厚度均為65 mm，熱水流速均為2.7 m/s，供水進(jìn)口溫度為130 ℃，回水進(jìn)口溫度為70 ℃。忽略PE外護(hù)管厚度，供回水管的外表面間距為200 mm，管頂埋深為1.5 m。工況2：供水管單管布置，工作管規(guī)格為D1620×20，保溫層厚度為65 mm，熱水流速為2.7 m/s，進(jìn)口溫度為130 ℃。管頂埋深為1.5 m。工況3：回水管單管布置，工作管規(guī)格為D1620×20，保溫層厚度為65 mm，熱水流速為2.7 m/s，進(jìn)口溫度70 ℃。管頂埋深為1.5 m。工況1的物理模型見圖1。Oz方向的管道長度為1 km，圖中數(shù)值對應(yīng)的單位為m。對于工況2、3，分別將供、回水管置于距地面1.5 m的水平中心位置。材料物性參數(shù)見表1。

圖1 工況1的物理模型

表1 材料物性參數(shù)

② 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

計算方程組包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量方程。導(dǎo)熱由傅里葉定律結(jié)合能量守恒定律建立導(dǎo)熱微分方程計算?？諝鉁囟葹?7 ℃，土壤初始溫度為11.7 ℃，地面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為16 W/(m2·K)。土壤為均勻介質(zhì)，傳熱過程沒有相變。各種材料的物性參數(shù)不隨溫度的變化而變化。管道進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口。忽略水的密度(水的密度由軟件根據(jù)供回水進(jìn)口溫度自動調(diào)用)變化及管子的沿程阻力。

③ 建模和網(wǎng)格生成

采用ANSYS Workbench自帶的DesignModeler進(jìn)行建模。在網(wǎng)格劃分時，對管道內(nèi)流體網(wǎng)格質(zhì)量要求高，對管道周邊土壤網(wǎng)格質(zhì)量要求較低。

④ 數(shù)值求解方法

在FLUENT計算模塊中輸入網(wǎng)格后，進(jìn)行流場計算，選擇k-epsilon湍流模型。算法選擇SIMPLE，迭代次數(shù)為1 000。設(shè)置Energy收斂殘差為10-10。

⑤ 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表2。由表2可知，工況1的供回水管單位長度熱損失分別小于工況2、3。與單管布置相比，供回水管雙管布置更利于回水管降低熱損失。

表2 計算結(jié)果

實際設(shè)計中，可通過增大保溫層厚度降低直埋管道熱損失。雖然保溫厚度的增大造成保溫層投資提高，但也應(yīng)考慮由此降低的熱損失所節(jié)省的熱費。因此，尋求保溫性能與經(jīng)濟(jì)性均衡的保溫層厚度(以下稱為經(jīng)濟(jì)有效厚度)成為重點工作。

3 經(jīng)濟(jì)有效厚度

3.1 計算條件

供回水管雙管布置，供水溫度為130 ℃，回水溫度為70 ℃。忽略PE外護(hù)管厚度，供回水管的外表面間距為200 mm。DN 450～1 600 mm管道管頂埋深為1.5 m，DN 300～400 mm管道管頂埋深為1.3 m，DN 150～250 mm管道管頂埋深為1.0 m。

3.2 計算方法

① 保溫層厚度計算方法

控制直埋管道外表面溫度不超過50 ℃，采用文獻(xiàn)[1]提供的計算方法計算保溫層厚度。

② 綜合費用

綜合費用綜合考慮了保溫層造價及直埋管道散熱導(dǎo)致的熱費，在一定保溫層厚度范圍內(nèi)，最小綜合費用對應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效的保溫層厚度(即經(jīng)濟(jì)有效厚度)。綜合費用F的計算式為：

P=δπ(do+δ)ρf

FH=3.6qδfHt

式中F——綜合費用，元/m

P——單位長度保溫層造價，元/m

i——貸款利率，本文取0.049

n——壽命，a，本文取30 a

FH——單位長度熱損失導(dǎo)致的熱費，元/m

δ——不同保溫管外表面控制溫度對應(yīng)的保溫層厚度，m

do——工作管外直徑，m

ρ——聚氨酯保溫層密度，kg/m3，本文取70 kg/m3

f——聚氨酯保溫層單位質(zhì)量價格，元/kg，本文取14 元/kg

qδ——該保溫層厚度對應(yīng)的單位長度熱損失，MW/m

fH——熱價，元/GJ，本文取30 元/GJ

t——最大熱負(fù)荷利用時間，h

3.3 計算結(jié)果

以天津地區(qū)為例(最大熱負(fù)荷利用時間取1 776 h)，在直埋管道外表面溫度15～50 ℃范圍內(nèi)，計算得到的各規(guī)格供回水管保溫層經(jīng)濟(jì)有效厚度(計算結(jié)果向上圓整為整數(shù))見表3。由表3可知，在直埋管道外表面溫度不超過50 ℃以及綜合費用最低的條件下，供回水管保溫層經(jīng)濟(jì)有效厚度不同(供水管大于回水管)，且基本隨著管徑的減小而減小。