蒸汽热网散热损失计算及其影响因素分析

蒸汽热网散热损失计算及其影响因素分析

杨铭

中铝矿业有限公司河南分公司生产指挥保障中心设备保障 工作部 河南郑州 450041

摘要：热力管道作为热量输运的主要载体，保温散热性能直接决定了热网经济性和安全可靠性，是发展大机组、长距离区域供热所必须面临的挑战.准确评价热网保温管道的散热损失特性，研究热网管损的主要影响因素和机理，对于完善保温管道的设计优化、降低管损、改善热网的经济性和安全可靠性，具有重要的工程意义和广阔的应用前景.

关键词:集中供热;蒸汽热网;散热损失;影响因素分析

引言

热网体系随城市规模的扩大而扩展、换热站的分块管理与管网设施的数据监督使城市热网的发展迎来新的挑战。迫切需要一款热网监督管理平台，将各个换热站、各管网通道以及用户站点数据进行综合分析处理，可实现热网系统运行的远程管理，有效实现对热网供热温度控制。因此，应用组态王KingView软件设计电脑端监控界面，硬件采用PLC可编程逻辑控制器，通过流量、温度传感器测量各管网底层信息，上传至PLC完成对供热系统的控制，连接至组态王完成对数据的采集分析。便于远程操作热网系统与热网信息采集，降低热网系统人力投入，对热网系统检修提供便捷，保障热网系统安全稳定运行。

1城市热网工艺分析

城市集中供热系统由热源、热网和用户三部分组成。划分为温控区和供热区，涉及到供热站、换热站、供水站、监控站和热网用户等站点。其中供热站为热源，集中热源主要为热电站和区域性锅炉房，或采用热电联合集中供热，为一次管网提供热源以满足二次管网供暖所需。热源将载热介质输送至一次管网，载热介质可以为高温热蒸汽或高温热水，管网网道设置有传感器组，包括压力变送器、流量传感器和温度检测器等测量检测元件，通过供热阀调节管网内载热介质流量，载热介质经过供热阀后流入换热器。换热器位于换热站内用于载热介质与二次工艺介质的热量交换，经加热后的工艺介质进入二次管网，经高压泵加压后送入千家万户。供水站对换热站进行工艺介质的补充与泄流，维持管内压力恒定与供热稳定。监控站负责整个热网系统信息采集和实时监控，实现较好的热供应温度控制。该供热工艺中所用阀门均设有人工操作开关，在断电或系统故障时可人工调节热网供热，避免故障的发生，提升供热安全性。

2保温散热计算模型

所研究的蒸汽管道由工作管道、多层保温层和金属外护层组成。蒸汽管道的散热计算是蒸汽热网设计的重要内容，其包含有不同的传热方式，其从内到外依次为:蒸汽与管道内壁的对流换热、管道材料的热传导、保温层保温材料的热传导、管道保温外层与环境的对流换热和辐射换热。其散热模型如式1所示。 式中，q为每平米管道长度的热损失量，W/m;T0为管道的外表面温度，℃;Ta为环境温度，℃;Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4分别为蒸汽与管道内表面换热的热阻，管壁热阻、保温层热阻和管道保温金属外护层表面热阻，K·m/W。管道本身导热性极好，其热阻远小于其他热阻，本文忽略了管内的表面热阻与工作管壁的导热热阻，假定管道外壁面温即等于蒸汽温度。在稳态情况下，通过蒸汽管道管壁和保温层的热流量是相同的，其数值等同于保温外层的散热量。根据式稳态导热的原理，可写出该蒸汽保温管道的导热热流量公式如2和3所示 式中，Q为每平方米保温层表面积的热损失量，W/m2;λ为保温材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K);αs为保温层外表面与周围空气的换热系数，W/(m2·K)。

3散热计算和结果分析

3.1保温材料

保温材料的选择在设计上应重点考虑导热系数小、密度较轻、性价比高、施工简便的材料。膨胀珍珠岩曾在蒸汽管道保温领域占据较高使用比例，但目前行业内已极少使用。现阶段蒸汽管道保温常用的材料主要有传统的保温材料如岩棉、离心玻璃棉和硅酸铝，新型保温材料纳米气凝胶。保温材料导热系数是保温设计的核心参数之一，关系到保温厚度、保温性能和保温投资等，因此精准地了解材料的导热系数是准确合理开展保温设计的基本条件。

3.2环境温度对管道保温的影响

环境温度是保温设计的基础数据，在管网日常运营中会对蒸汽热网损失产生影响。DN300管道当保温厚度分别为80mm和180mm，在蒸汽管道温度为300℃、无风的情况下，环境温度变化。境温度升高会减少散热损失量，其中保温厚度为80mm，环境由－20℃升高至30℃时，散热量从166．6W/m2降低至151．3W/m2，降幅9．2%。对比保温厚度为180mm，散热量从65．1W/m2降低至59．3W/m2，降幅8．9%。计算结果表明，环境温度升高保温厚度为80mm和180mm的管道的散热损失量降幅相当。

3.3保温结构

蒸汽热网运行数年后，管道保温层在重力、管道振动和受潮等因素影响下会偏心沉降，使保温层与管道外壁之间形成月牙形镂空的空气夹层。夹层内伴随着复杂的对流辐射传热机制，使保温层的整体保温性能恶化。偏心沉降后的蒸汽保温层呈现上薄下厚的特征，加之热量升腾因素，导致保温层顶部的温度明显高于其他区域。从保温设计和现场施工角度，可以采取内层分两次捆扎施工、每层保温层均用铝箔玻纤布裹紧和保温层顶部增设120°－150°披肩的方案，解决偏心下沉导致的散热量增大问题。

3.4水泵运行性能分析

运行时电机线圈的发热量主要受电机电流影响。根据前文所列举的运行电流数据，改造后的运行电流明显低于改造前。根据运行数据，夏季工况时，改造前电机线圈温度在82℃左右，改造后电机线圈温度在60℃左右。冬季工况时，改造前电机线圈的温度在68℃左右，改造后电机线圈的温度在46℃左右。由数据可知，电机线圈温度下降非常明显，较低的电机线圈温度可延长电机使用寿命，从而降低了运行维护费用。

结束语

蒸汽热网的日常维护和节能降耗管理工作相对复杂。如何通过热网数据的实时监测、采集、共享、分析和诊断，为热网运行状态评估、能耗分析、节能优化、蒸汽调度、操作指令下达和事故预警提供支持，该项工作非常有意义。建立热网仿真模型，通过蒸汽热网的蒸汽流量、压力和温度等参数的实时采集，实现运行状态监测的同时开展数据分析和挖掘工作，提供热网运行优化决策和故障预判，给出确保系统安全、稳定、高效运行的最优方案。在“双碳”目标引领和能源“双控”的要求下，节能降耗工作是必由之路，热网智慧化是必然选择。热网智慧化将促使蒸汽热网运营管理，从传统的粗放型向精细化方向转变。持续加强蒸汽热网节能降耗工作，势必成为供热企业实现高质量发展的内在动力，也为热网智慧化的快速发展提供了契机。因此，蒸汽热网的智慧化是发展的重要方向，需要重点突破

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