劉 靜,修恒旭

(中國船舶重工集團新能源有限責任公司,北京 100095)

0 引 言

隔熱支架在化工領域應用較為廣泛,不僅可以有效避免管道與支架的直接接觸,還在減少散熱損失的同時起到保護鋼支架結構強度的作用。然而在電力領域,隔熱支架的應用卻較為罕見。某儲熱型太陽能熱發(fā)電項目的導熱油管道隔熱支架由某化工設計院依據(jù)化工領域中的常規(guī)設計方案進行設計。但設計院所選取的隔熱層厚度不盡合理,有必要對隔熱層厚度進行優(yōu)化。

由于選用的隔熱支架設計溫度較高(溫度大于550 ℃),而給定的散熱損失較小(散熱損失取80 W/m2),因此項目現(xiàn)場實際需要消耗大量的硅酸鈣。但是,項目現(xiàn)場的管道溫度限制并不會超過393 ℃,所使用的硅酸鈣厚度存在很大的余量,增加了投資成本,因此對保溫層進行重新計算很有必要。目前已有學者對隔熱支架的傳熱過程進行了研究[1-2],該文提出一種工程中較適用的一種計算方法。

1 隔熱層厚度優(yōu)化原則

1.1 隔熱管道支架形式

圖1為隔熱支架外形圖,其中剖面線部分是硅酸鈣保溫層,其余為Q235B制成的鋼制支架,支架與硅酸鈣保溫層接觸部分對應的圓心角為120°。每個支架包含兩個硅酸鈣保溫帶,即保溫帶A和B。管道支架的底板與混凝土基礎之間鋪設一層聚四氟乙烯板,可以起到隔熱和自潤滑作用,滿足管道受熱后軸向膨脹的要求。

圖1 隔熱支架外形圖

1.2 優(yōu)化原則

對管道支架的硅酸鈣隔熱層厚度進行計算,在不影響工藝要求的基礎上,獲取管道的最佳經(jīng)濟厚度。優(yōu)化原則如下:

1)給定管道的硅酸鈣隔熱層厚度,計算出每種支架的硅酸鈣體積和投資成本;

2)計算出不同硅酸鈣厚度條件下的表面散熱量,將散熱量轉化為電價,計算出電價損失;

3)找出壽命期內損失電價和硅酸鈣投資成本之間的平衡點,該值對應的硅酸鈣隔熱層厚度就是硅酸鈣的最佳經(jīng)濟厚度。

優(yōu)化方案以硅酸鈣保溫層厚度為0時的投資成本作為基準點,以硅酸鈣的厚度作為變量(每次遞增10 mm),計算出硅酸鈣不同厚度情況下所減少的凈現(xiàn)值。當凈現(xiàn)值最大時,則認為該凈現(xiàn)值對應的硅酸鈣厚度為最佳經(jīng)濟厚度。

2 隔熱層厚度優(yōu)化

2.1 優(yōu)化的邊界條件

導熱油管道支架保溫厚度計算參數(shù)選擇見表1。

表1 保溫厚度計算參數(shù)

管道外徑分別按1 219、1 118、1 016、965、914、864、762、711、660、610、508、457、406、357、325、273、219、168、114、89 mm考慮。

2.2 優(yōu)化過程

2.2.1 熱阻及傳熱量計算

管道支架保溫層導熱由三部分組成:硅酸鈣保溫層導熱、鋼制支架導熱、支架底座與空氣對流換熱。

1)硅酸鈣保溫層導熱[3]。保溫層包裹在管道上,因此該部分為圓筒導熱。其熱阻1/K1可以采用下式計算:

(1)

式中:D為管道外徑;D1為硅酸鈣外表面直徑;λ1為硅酸鈣導熱系數(shù)。

2)鋼制支架導熱[4]。鋼制支架上側和硅酸鈣通過圓弧面接觸,下側和混凝土基礎通過底板平面接觸,形狀不規(guī)則。由于鋼的導熱系數(shù)是硅酸鈣導熱系數(shù)的333倍,所以熱阻主要存在于硅酸鈣保溫層中,因此可以將底部的鋼制支架近似看做平板導熱,其導熱熱阻1/K2采用下式計算:

(2)

式中:δ為支架總厚度(硅酸鈣外表面和鋼制支架底板的距離);λ2為鋼導熱系數(shù)。

3)支架底座與空氣對流換熱。 空氣流速對于對流換熱產(chǎn)生很大影響,對流換熱熱阻1/K3采用下式計算:

(3)

式中:c為年均風速。

4)每平方米絕熱層的熱損失量Q

(4)

式中:T為管道外表面溫度;Ta為環(huán)境溫度。

2.2.2 費用計算[5]

1)硅酸鈣投資成本Cinv

Cinv=PV

(5)

(6)

式中:W為管道支架上的硅酸鈣總寬度;V為硅酸鈣體積;P為每立方米硅酸鈣價格。

2)年電價損失Le

年電價損失是管道每年損失的熱量所轉化成為潛在電能的價值。計算熱量損失中的面積為鋼制支架和硅酸鈣接觸的圓弧面面積,圓弧所對的圓心角為120°。

Le=φPeS

(7)

S=μπ(D+2δ)W

(8)

式中:φ為每平米絕熱層熱量損失轉化后的年損失電量;S為熱量損失表面積;Pe為上網(wǎng)電價;μ為散熱面在圓弧面的面積比例,即1/3。

3)壽命期凈現(xiàn)值Δ

(9)

式中:i為銀行年貸款利率,取0.05。

4)壽命期節(jié)約費用φ

(10)

式中:Cinv,0為硅酸鈣厚度為0時的硅酸鈣成本,文中該值為0;Le,0為硅酸鈣厚度為0時熱量損失量折合成的電價。

2.2.3 計算過程

控制硅酸鈣的厚度,每次遞增10 mm,通過計算25年節(jié)約費用,取最大值對應的硅酸鈣厚度為最優(yōu)厚度平衡點。

2.3 最優(yōu)隔熱層厚度的影響參數(shù)

最優(yōu)硅酸鈣厚度是硅酸鈣投資成本Ii和散熱損失Le的平衡點。

散熱損失只與散熱表面積S以及每平米絕熱層的熱損失量Q有關。由于每種支架對應的圓心角均為120°,所以散熱表面積S僅與管徑D、硅酸鈣厚度以及硅酸鈣寬度L有關,各部分與散熱損失的關系如下所示。

1)管徑D

管徑D對硅酸鈣保溫層的導熱熱阻有影響,當厚度一定時,管徑越小,熱阻越大;另一方面,當厚度一定時,大管徑管道的硅酸鈣體積比小管徑大。兩種關系中,前者是對數(shù)關系,而后者是平方關系,因此可以斷定管徑D對硅酸鈣的厚度有影響,且小管徑管道的最優(yōu)硅酸鈣厚度比大管徑管道小。

2)硅酸鈣寬度L

硅酸鈣寬度影響散熱損失,和散熱表面積S之間是線性關系,同時L也影響硅酸鈣的投資成本,和體積之間也是線性關系。在計算平衡點時,散熱損失和硅酸鈣投資成本分居等式兩側,因此硅酸鈣寬度L對硅酸鈣厚度無影響。

3)導熱系數(shù)λ1、λ2和風速c

導熱系數(shù)λ1、λ2和風速c分別影響三個熱阻。整個傳熱過程中存在三個熱阻,由于1/K1比1/K2和1/K3大得多,所以對Q的影響最大。盡管1/K2和c也有影響,但這兩個參數(shù)的影響效果很小。

4)硅酸鈣單價和上網(wǎng)電價

硅酸鈣單價直接影響硅酸鈣的投資成本,而上網(wǎng)電價影響電價損失,所以這兩者都會影響硅酸鈣最佳厚度。

同理,管道表面溫度與環(huán)境溫度的差值和每平方米的熱量損失成正比,這兩個參數(shù)也是影響硅酸鈣最佳厚度的參數(shù),因設計溫度為550 ℃,與現(xiàn)場實際不符,影響較大,進而提出該優(yōu)化方案的必要性。

綜上所述,影響硅酸鈣最佳厚度的參數(shù)有:導熱系數(shù)λ1、λ2、風速c、管徑D、硅酸鈣單價P以及上網(wǎng)電價Pe。由于上網(wǎng)電價Pe、風速c為定值,而鋼導熱系數(shù)對熱阻的影響又特別小,所以硅酸鈣導熱系數(shù)λ1及其價格P成為影響最優(yōu)厚度的重要因素。

3 優(yōu)化結果

通過對各管道規(guī)格進行技術經(jīng)濟比較,本項目的優(yōu)化結果見表2。

表2 技術經(jīng)濟對比結果

通過表2可以看出:優(yōu)化結果約為設計院設計厚度的三分之一,硅酸鈣的用量將比原來節(jié)約60%～70%,節(jié)約成本效果顯著。

4 結 語

以某儲熱型太陽能熱發(fā)電項目采用隔熱支架為例,利用傳熱學基本原理,對隔熱層厚度進行優(yōu)化,針對本項目,給出了各管徑隔熱層合理厚度的推薦值。

考慮到隔熱層費用在支吊架整體占比中較高,因此針對不同的設計溫度,導熱層厚度均需要進行相應的計算核算,避免造成不必要的浪費。優(yōu)化計算方法可以為同類型項目的隔熱層優(yōu)化提供參考。