摘要：通過對石油化工企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，以蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)模擬優(yōu)化軟件（Smartsteam）為平臺完成蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的整體建模，真實地模擬出蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)運行過程和各部分之間相互影響關(guān)系，預(yù)測絕熱工程實施后的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)運行情況，并在絕熱工程完成后回溯工程實施前的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)運行情況。通過將管線的起點溫度、末端溫度、表面溫度與模擬結(jié)果對比，得到實際熱流、設(shè)計熱流和合格熱流等參數(shù)，從而對管線的表面熱損失做全面評估。

關(guān)鍵詞：蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)；絕熱工程；熱損失

引言

石油化工企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)在傳輸蒸汽過程中的熱量散失，不僅會造成能源流失，還會影響蒸汽用戶端的蒸汽品質(zhì)，故而亟需對蒸汽管網(wǎng)的絕熱工程進行合理規(guī)劃，以在確保熱損滿足要求的同時，保證絕熱工程的投資回報率。因此，精確評估當(dāng)前管網(wǎng)絕熱工程的保溫效能及預(yù)測絕熱工程實施后可能實現(xiàn)的保溫效果，尤為重要。

選擇絕熱材料是絕熱工程規(guī)劃中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，在其物理性能和化學(xué)性能符合國家現(xiàn)行有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的同時，還要在絕熱性能與經(jīng)濟性之間尋求平衡。截至目前，發(fā)展成熟的SiO2氣凝膠是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最低、保溫性能最為優(yōu)異的材料[1]。但是，氣凝膠在價格上要遠高于傳統(tǒng)的保溫材料。因此，如何精確評估絕熱工程的效益與投資，尤為關(guān)鍵。

1管網(wǎng)模擬技術(shù)簡介

1.1系統(tǒng)模型

原則性熱力系統(tǒng)包括主蒸汽系統(tǒng)、鍋爐給水系統(tǒng)、鍋爐排污利用系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和對外供熱系統(tǒng)[2]。由于在系統(tǒng)表面熱損失模擬計算中并不涉及完整的熱力系統(tǒng)，因此只需建立熱力管網(wǎng)系統(tǒng)，即鍋爐、汽輪機、減溫減壓器、蒸汽加熱器等產(chǎn)汽和用汽設(shè)備，以及蒸汽管線和表達這些設(shè)備實際連接關(guān)系的管網(wǎng)系統(tǒng)。

利用蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)模擬優(yōu)化軟件建立上述熱力管網(wǎng)系統(tǒng)模型，不僅能夠更加直觀地了解石油化工企業(yè)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)熱力管道的熱損分布情況，還能夠在后續(xù)的絕熱工程規(guī)劃中做出針對性的措施。同時，通過計算機計算，可以有效減少人工手動計算的時間和計算中產(chǎn)生的差錯，提高工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

1.2模擬技術(shù)原理

1.2.1流程模擬

完整的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)涵蓋眾多核心設(shè)備，如鍋爐、汽輪機、除氧器和減溫減壓器等，同時包括用于輸送蒸汽的蒸汽管網(wǎng)，以及變徑、閥門等管道附件。Smartsteam軟件通過構(gòu)建數(shù)字模型來模擬蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)，并根據(jù)各組件在蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)中的功能將其劃分為設(shè)備、管線、節(jié)點3類。同時，依據(jù)實際流程選擇相應(yīng)的設(shè)備模型，構(gòu)建蒸汽管網(wǎng)并將設(shè)備接入相應(yīng)節(jié)點，從而構(gòu)建與目標(biāo)對象一致的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)流程。

1.2.2物理方程

Smartsteam軟件構(gòu)建的蒸汽系統(tǒng)模型，除具備直觀的圖形展示外，還賦予了其特定的參數(shù)，使其具備實質(zhì)性的物理特性。這些參數(shù)可分為2類，一是模型固有屬性參數(shù)，不受運行工況的影響，如管線長度、管徑、壁厚等；二是設(shè)備運行參數(shù)，根據(jù)不同工況，模型會有相應(yīng)的運行參數(shù)，如汽輪機的內(nèi)效率、進汽量、排汽溫度等。各類運行參數(shù)之間相互影響，揭示了蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的整體特性。

軟件能夠自動聯(lián)立模型中3元素之間的連接關(guān)系，形成方程組。在設(shè)定模擬目標(biāo)工況及其相應(yīng)已知條件后，模型將自動進行模擬計算，輸出該工況下所有運行參數(shù)。整個蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)中的各個節(jié)點均可查詢其具體參數(shù)，以反映整個蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

對于石油化工企業(yè)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的每個設(shè)備和節(jié)點，建立如式（1）所示的質(zhì)量守恒方程和如式（2）所示的熱量衡算公式。

式中 F—物料的質(zhì)量流量，kg/s；r—流入節(jié)點時r為1，流出節(jié)點時r為0；h—物料的比焓，kJ/kg；n—設(shè)備和節(jié)點數(shù)。

1.2.3物性和傳熱計算

1.2.3.1蒸汽主要熱力學(xué)物性的計算方法

國際公式化委員會（IFC）制定的水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、科學(xué)研究等領(lǐng)域，其可靠性得到了公認(rèn)。因此，在熱力學(xué)物性計算中擬采用IFC提供的公式。

1.2.3.2管網(wǎng)熱損失計算

一段有保溫層的蒸汽管道，以外側(cè)表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)k按式（3）計算、熱損失Q按式（4）計算。

2絕熱工程評估方法的建立

2.1環(huán)境參數(shù)的選定

在運行工況穩(wěn)定的情況下，環(huán)境溫度對保溫層散熱損失及外表面溫度的影響是不容忽視的[3]，因此僅憑單一工況的絕熱效果來衡量整個管網(wǎng)全年運行的絕熱效果，顯然不夠合理。

為了確保評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，在評估計算中將全年的運行環(huán)境劃分為具有代表性的春、夏、秋、冬4個季節(jié)工況。鑒于降雨天氣對保溫層散熱損失及外表面溫度產(chǎn)生顯著影響，因此在原有4個工況的基礎(chǔ)上，增加降雨工況的計算，并根據(jù)各地實際降雨天數(shù)，對所有工況進行加權(quán)平均，使評估結(jié)果更貼近全年運行實際情況。利用Smartsteam軟件構(gòu)建的蒸汽系統(tǒng)模型，只需要采集1組穩(wěn)定工況的數(shù)據(jù)就能模擬出所有工況的參數(shù)。

2.2通過模擬技術(shù)進行絕熱工程效益預(yù)測

在開展絕熱工程之前，需對現(xiàn)有狀況進行全面審視，因此為確保蒸汽系統(tǒng)熱損失的分析和評估更為精確，運用Smartsteam軟件協(xié)助構(gòu)建蒸汽系統(tǒng)模型，計算出管網(wǎng)的加權(quán)平均熱損失，有助于在實施絕熱工程前清晰了解系統(tǒng)現(xiàn)狀并確立優(yōu)化目標(biāo)。

依據(jù)絕熱工程設(shè)計方案，在模型中相應(yīng)地調(diào)整保溫材料及保溫厚度等相關(guān)參數(shù)，并在調(diào)整完參數(shù)后，利用模型模擬絕熱工程實施后蒸汽系統(tǒng)的運行狀況，預(yù)測工程實施后的效果，為后續(xù)的工程調(diào)整提供參考。根據(jù)模擬結(jié)果計算實施絕熱工程后管網(wǎng)的加權(quán)平均熱損失。在模擬結(jié)果滿意的情況下，可以繼續(xù)推進絕熱工程。但在施工過程中，需要密切關(guān)注各項指標(biāo)，以確保工程質(zhì)量和預(yù)期效果。工程完成后，再次利用Smartsteam軟件計算實施絕熱工程后的管網(wǎng)加權(quán)平均熱損失，以驗證工程效果。

2.3通過模擬技術(shù)進行絕熱工程效果檢測

在絕熱工程竣工后，須重新收集1組穩(wěn)定工況的運行數(shù)據(jù)，并結(jié)合最新運行參數(shù)和施工方案，調(diào)整得出與絕熱工程竣工后實際狀況相符的模型，計算出管網(wǎng)的加權(quán)平均熱損失。隨后，將同一組運行數(shù)據(jù)輸入至絕熱工程實施前的模型中，以模擬在未實施絕熱工程情況下，原管網(wǎng)的散熱損失。同時，對管網(wǎng)進行加權(quán)平均熱損失計算，并對比分析2個模型的熱損失情況，從而評估工程效果。因此，通過對比預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果數(shù)據(jù)，可有效評估工程質(zhì)量及施工材料的優(yōu)劣，進而判斷絕熱工程是否滿足預(yù)期性能要求，針對局部與預(yù)期存在較大差距的工程，也可進行二次施工以防止遺漏。

3絕熱工程實際案例分析

以某石油化工企業(yè)蒸汽管道絕熱工程為例，詳細闡述使用不同的保溫材料時，蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)蒸汽管道的熱損失效益預(yù)測結(jié)果和成果檢測。

3.1 氣凝膠材料

為滿足生產(chǎn)工藝及節(jié)能需求，工業(yè)設(shè)備及管道所選用的絕熱材料對抗壓強度、防腐蝕性等物理性能和化學(xué)性能有一系列的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)上傳統(tǒng)的絕熱材料一般為巖棉、礦渣棉、玻璃棉、硅酸鋁棉、硅酸鎂纖維毯、硅酸鈣制品、復(fù)合硅酸鹽、泡沫玻璃制品、聚異氰脲酸脂（PIR）泡沫制品、聚氨酯（PUR）泡沫制品、柔性泡沫橡膠制品、高密度聚異氰脲酸脂（HDPIR）[4]。為了使絕熱工程達到更好的保溫效果，案例項目在絕熱材料使用上選擇了SiO2氣凝膠。

凝膠是一種由納米級粒子聚集并以空氣為分散介質(zhì)的非晶固態(tài)材料，其成分98%為空氣，是一類具有獨特光學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能的輕質(zhì)納米多孔三維結(jié)構(gòu)材料[1]。

案例項目絕熱工程對于9.8MPa的蒸汽管線使用的氣凝膠保溫材料厚度為80mm；4.5MPa蒸汽管線管徑DN400及以上管線使用的氣凝膠保溫材料厚度為70mm，其他4.5MPa蒸汽管線氣凝膠保溫材料厚度為60mm。

本文用Smartsteam軟件模擬了用硅酸鎂鋁作為保溫材料的情況，模擬出的硅酸鎂鋁為保溫材料的蒸汽管道熱損失數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。為了達到與實際絕熱工程基本一致的保溫效果，本次等效模擬選用了實際氣凝膠保溫材料3倍厚度的硅酸鎂鋁，對于9.8MPa的蒸汽管線選用的硅酸鎂鋁保溫材料厚度為240mm；4.5MPa蒸汽管線選用的硅酸鎂鋁保溫材料厚度為210mm。相同條件下，為達到同樣的保溫效果，SiO2氣凝膠保溫厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料厚度的1/3，在大幅減少外部防護層（鋁皮）使用量的同時，也很好地解決了布局緊湊的裝置中經(jīng)常出現(xiàn)的保溫間距不足問題，給工程后期管道保溫工作創(chuàng)造出良好的作業(yè)條件[1]。

3.2允許熱損

單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量（heat transfer rate），單位為W。通過單位面積的熱流量稱為熱流密度（heat flux），單位為W/m2 [5]。按《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50264-2013）的規(guī)定，管道的散熱損失量不能超過表2中最大允許熱損失量[6]。在等同的絕熱需求條件下，氣凝膠相較于傳統(tǒng)保溫材料能夠包得更薄，這一特點在給工程建設(shè)帶來效益和便利的同時，亦對驗收審核環(huán)節(jié)帶來相應(yīng)問題。在鍋爐的產(chǎn)汽出口，有一段位于室外的9.8MPa的蒸汽管線，管線管徑DN350，管線長76.4m。利用Smartsteam軟件對這段管線施工后（厚度80mm的氣凝膠保溫）的熱損失情況進行計算，同時對其做了以厚度為240mm的硅酸鎂鋁為保溫材料的蒸汽管道熱損失模擬。

表3為使用smartsteam軟件分別對用厚度80mm氣凝膠作為保溫層和厚度240mm硅酸鎂鋁作為保溫層的模擬計算結(jié)果的對比數(shù)據(jù)。根據(jù)GB 50264-2013規(guī)定，保溫結(jié)構(gòu)外表面環(huán)境溫度低于或等于25℃時，設(shè)備及管道保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不應(yīng)超過50℃；環(huán)境溫度高于25℃時，設(shè)備及管道保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不應(yīng)高于環(huán)境溫度25℃。2組數(shù)據(jù)均采自環(huán)境溫度15℃時的同一運行工況，從表3的數(shù)據(jù)來看，2種保溫方案均符合“管道保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不得超過50℃”的規(guī)定要求。

依據(jù)表2，當(dāng)設(shè)備管道外表面溫度為500℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為236 W/m2；當(dāng)設(shè)備管道外表面溫度為550℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為251W/m2。通過插值法計算可得，當(dāng)設(shè)備管道外表面溫度為513.8℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為240.1 W/m2。對比計算數(shù)據(jù)，以氣凝膠為保溫材料的管線熱流密度超出規(guī)定最大熱流密度1.5%，以硅酸鎂鋁為保溫材料的管線熱流密度比規(guī)定最大熱流密度小31.5%，因此按照GB 50264-2013的規(guī)定，采用氣凝膠作為保溫材料的管線不合規(guī)范，而選用硅酸鎂鋁作為保溫材料的管線則符合規(guī)范。在該項絕熱工程中，所有管線都有同樣的情況。在表面溫度滿足要求的情況下，采用氣凝膠材料的管線散熱量和溫降均小于應(yīng)用硅酸鎂鋁材料的管線。然而，將整根管線的總熱損失量（熱流）轉(zhuǎn)化為單位面積的熱損失量（熱流密度），氣凝膠材料管線由于覆蓋較薄，其外表面積遠小于硅酸鎂鋁材料管線的外表面積，從而導(dǎo)致前者的熱流密度較后者大，部分管線的熱量損失不符合GB 50264-2013的規(guī)定。

為了防止偶然性，本研究對其他幾種工業(yè)領(lǐng)域常見的傳統(tǒng)保溫材料進行了相同條件（環(huán)境參數(shù)相同、運行工況相同、同一根管線、材料厚度240mm）下模擬保溫性能的探討，模擬結(jié)果如表4所示。同一根管線在鋪設(shè)240mm厚度的情況下，各類傳統(tǒng)保溫材料的散熱量仍大于80mm厚度的氣凝膠材料。然而，這些傳統(tǒng)保溫材料的熱流密度卻遠小于氣凝膠，均符合GB 50264-2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，假設(shè)在氣凝膠材料的外側(cè)再覆蓋1層不具備保溫效果的材料，使其整體厚度達到240mm，可以計算出其整體的熱流密度只有152.65 W/m2，也符合GB 50264-2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)語

綜上所述，絕熱工程可按照現(xiàn)狀分析、模型構(gòu)建與計算、提出方案、模擬運行、工程實施及驗收步驟來實施，能提升絕熱工程的有效性和可行性。而通過降低管網(wǎng)的熱損失，石油化工企業(yè)可以實現(xiàn)降低能源成本、提高平穩(wěn)運行的目的。同時，案例絕熱工程項目中體現(xiàn)了氣凝膠材料在保溫性能上的優(yōu)越性，氣凝膠可以鋪設(shè)得比傳統(tǒng)材料更薄，可為布局緊湊的管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)約空間。因此，建議在絕熱工程建設(shè)中推廣應(yīng)用氣凝膠為保溫材料，同時建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也要與時俱進，根據(jù)科技發(fā)展不斷更新完善。

參考文獻

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[6] GB 50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介

趙淑芳（1973—），女，漢族，天津人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事設(shè)備管理工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-03-25