摘 要： 將納米氣凝膠氈應(yīng)用到蒸汽直埋保溫管中, 不僅可以減少熱損失, 提高蒸汽管道傳輸效率, 而且還可以減少總投資成本。文中分析了納米氣凝膠氈使用量對(duì)總投資的影響, 為蒸汽直埋保溫管的快速發(fā)展指明了方向。

蒸汽管道直埋敷設(shè)技術(shù)是在架空敷設(shè)與地溝敷設(shè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的管道敷設(shè)方式。一般采用鋼套鋼結(jié)構(gòu)中間敷設(shè)保溫層, 將此高溫蒸汽管道直埋敷設(shè)。該技術(shù)應(yīng)用在熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱領(lǐng)域具有不影響市容、占地面積小和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。但就目前而言, 該技術(shù)還不夠完善, 原因是蒸汽管直埋技術(shù)投資費(fèi)用高 (是同等條件下架空敷設(shè)的兩倍) 、保溫及防腐措施不夠成熟。直埋管常用的保溫材料為巖棉、硅酸鈣、硅酸鋁、玻璃棉等, 這些材料本身過(guò)于松軟, 長(zhǎng)期作用于管道會(huì)隨著管道振動(dòng)而滑落, 造成工作管頂部60o范圍內(nèi)保溫層變薄, 大量熱量從此處散失。另外, 在工程實(shí)際應(yīng)用中外套管在溫度應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生開(kāi)裂, 進(jìn)水非常普遍, 致使內(nèi)部保溫材料吸水喪失保溫性能[3]。因此, 尋找一種新型保溫材料顯得尤為重要。納米氣凝膠氈是一種整體疏水性保溫材料, 長(zhǎng)期可耐800℃高溫, 常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/ (m·k) (是同等溫度條件下硅酸鋁的一半) , 但由于其高額的成本, 僅在國(guó)內(nèi)一些架空項(xiàng)目中有小范圍應(yīng)用。鑒于蒸汽直埋保溫技術(shù)的特殊復(fù)雜性, 決定用納米氣凝膠氈代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鋁針刺毯應(yīng)用在蒸汽直埋保溫管中, 研究其對(duì)節(jié)能量及工程總投資的影響。

1 節(jié)能分析

1.1 熱損失計(jì)算原理

直埋保溫管熱損失計(jì)算原理:


式中, q為單位長(zhǎng)度熱損失, W/m;qi為通過(guò)第i層保溫材料單位長(zhǎng)度的熱損失, W/m;λi為第i層保溫材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù), W/ (m·k) ;λg為當(dāng)量埋深處土壤的導(dǎo)熱系數(shù), W/ (m·k) ;ti為第i層材料外表面溫度, ℃;ti-1為第i-1層材料外表面溫度, ℃;tw為保溫管外表面溫度, ℃;ts為管中心深處土壤溫度, ℃;Di為第i層材料保溫外徑, m;Di-1為第i-1層材料保溫外徑, m;Dw為較外層保溫層外徑, m;HL為管道當(dāng)量埋深, m;當(dāng);H為管中心埋深, m;H=較小覆土深度+0.5 Dw。

1.2 熱損失計(jì)算

計(jì)算的蒸汽溫度為350℃, 管道選用DN250管, 滿足管道表面溫度小于50℃, 滿足兩種保溫材料層間溫度≤280℃ (規(guī)范規(guī)定[5]:玻璃棉較高溫度為350℃, 這里取0.8的安全系數(shù)) 。根據(jù)CJJ/T104-2014《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》中對(duì)不同管徑下較小覆土深度要求, 蒸汽管中心深處土壤溫度取為10℃, 土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/ (m·k) 。計(jì)算保溫厚度及熱損失量。方案1:硅酸鋁+玻璃棉;方案2:納米氣凝膠氈+玻璃棉。保溫厚度及熱損失量見(jiàn)表1。

表1 保溫厚度及熱損失量


1.3 節(jié)能量分析

DN250的蒸汽管道常年運(yùn)行, 若年運(yùn)行時(shí)間按8 000 h計(jì)算, 則改造后每公里的節(jié)能量q為: (165.13-135.38) W/m·k×1 000×8 000 h×3 600=857 GJ/a, 即:每年可以節(jié)約857 GJ的能量。按照燃燒每公斤標(biāo)煤可釋放29 271 000 J能量計(jì)算, 每年可節(jié)約標(biāo)煤8.57×1 011 J÷29 271 000 J÷1 000=29.26 t/a。


按照每噸標(biāo)煤700元的價(jià)格, 每年可節(jié)約29.26 t/a×700/10 000=2.048萬(wàn)元。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委有關(guān)火力發(fā)電廠耗煤數(shù)據(jù):每燃燒1kg標(biāo)準(zhǔn)煤, 產(chǎn)生CO2為2.62 kg, SO2為0.08 kg, 氮氧化物為0.042 kg, 煙塵為0.011 kg。


年減排SO2:29.26 tce/a×0.08 kg=2.34 t;


年減排NOX:29.26 tce/a×0.042 kg=1.23 t;


2 投資分析

2.1 總投資計(jì)算結(jié)果與分析

蒸汽直埋技術(shù)總投資包含保溫材料費(fèi)、土方開(kāi)挖與填埋費(fèi)、使用外套鋼管所產(chǎn)生的費(fèi)用以及其它防腐、施工等費(fèi)用[6]。因此, 在計(jì)算過(guò)程中需要考慮各項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)性。以350℃下1 kmDN250的管道為例, 計(jì)算兩個(gè)方案的材料用量及總投資額, 各方案的材料用量見(jiàn)表2。

根據(jù)江蘇省安裝工程和計(jì)價(jià)定額[7]可計(jì)算出:方案1的總投資為178.6萬(wàn)元, 方案2的總投資為149.2萬(wàn)元, 采用方案2比方案1可節(jié)約總造價(jià)29.4萬(wàn)元。

2.2 納米氣凝膠氈使用量對(duì)總投資額的影響

采用納米氣凝膠氈之后, 蒸汽直埋保溫技術(shù)的總投資有所下降, 是不是就意味著越多的使用納米氣凝膠氈總投資就越低呢?因此, 對(duì)納米氣凝膠氈的使用量對(duì)總投資額的影響做進(jìn)一步的研究。

由表3可知:


1) 0層采用納米氣凝膠氈氈材料時(shí)工程總投資為178.67萬(wàn)元, 1層采用納米氣凝膠氈氈材料時(shí)工程總投資為168.7萬(wàn)元, 2層采用納米氣凝膠氈氈材料時(shí)工程總投資為149.2萬(wàn)元, 初期工程總投資隨著納米氣凝膠氈氈用量的增加而減少, 原因是納米氣凝膠氈氈用量增加, 所需外套鋼管規(guī)格減小, 從而減少了鋼材使用量、土方開(kāi)挖和填埋的工作量、氣泡膜的使用量及防腐面積, 這一系列的影響, 勢(shì)必會(huì)使工程總投資下降。



2) 但是, 在3層采用納米氣凝膠氈氈材料時(shí)的工程總投資為159.6萬(wàn)元, 對(duì)比方案3和方案4不難發(fā)現(xiàn), 納米氣凝膠氈氈使用量增加時(shí)外護(hù)鋼管規(guī)格并沒(méi)有發(fā)生改變, 鋼材使用量、土方量、氣泡膜使用量、防腐面積等均不變, 而反射層的使用量反而增加了, 造成工程總投資增加。



表2 各方案的材料用量



表3 納米氣凝膠氈使用量對(duì)總投資額的影響



3) 這就要求項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行前期設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)當(dāng)充分考慮納米氣凝膠氈氈材料的使用量對(duì)工程總投資的影響, 并根據(jù)不同管徑、不同溫度工況分別進(jìn)行計(jì)算, 在滿足保溫要求的同時(shí), 設(shè)計(jì)出較經(jīng)濟(jì)的保溫方案。

2.3 敏感性分析

考慮到納米氣凝膠氈的價(jià)格和鋼材價(jià)格是對(duì)蒸汽管直埋總投資影響較大的兩個(gè)關(guān)鍵因素, 現(xiàn)分析這兩種材料價(jià)格對(duì)總投資的敏感性, 敏感性分析見(jiàn)表4。


由表4可知:


1) 鋼材價(jià)格每升高1%, 總投資額升高0.651%;納米氣凝膠氈價(jià)格每升高1%, 總投資額升高0.049%。由此可以看出, 鋼材價(jià)格才是影響蒸汽直埋總投資的主要因素;

2) 現(xiàn)如今鋼材價(jià)格日趨升高, 減少鋼材使用量是控制投資總額的關(guān)鍵, 如果增加一層納米氣凝膠氈能夠?qū)⑼馓坠芸s小一到兩個(gè)規(guī)格, 對(duì)控制總投資額是有利的。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 將納米氣凝膠氈應(yīng)用在直埋蒸汽管保溫技術(shù)中, 可減少保溫層總厚度, 降低每公里的熱傳輸損失, 并可實(shí)現(xiàn)每公里每年節(jié)約標(biāo)煤30 t。同時(shí), 還可減少硫化物及氮氧化物的排放, 在一定程度上保護(hù)了環(huán)境, 減少霧霾的發(fā)生;


2) 將納米氣凝膠氈應(yīng)用在直埋蒸汽管保溫技術(shù)中, 可以降低保溫材料使用量, 縮小外套鋼規(guī)格, 減少土方開(kāi)挖與填埋相關(guān)工程量, 對(duì)減少總投資是有利的。隨著環(huán)保節(jié)能政策的提出和市容規(guī)劃要求的不斷提高, 蒸汽管直埋技術(shù)將會(huì)成為今后區(qū)域集中供熱的熱介質(zhì)輸送的主要方式。


表4 敏感性分析