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纳米气凝胶毡在蒸汽直埋保温管中的应用分析

发表时间:2018年12月30日 来源:www.jinshinami.com 浏览量:413
摘 要: 将纳米气凝胶毡应用到蒸汽直埋保温管中, 不仅可以减少热损失, 提高蒸汽管道传输效率, 而且还可以减少总投资成本。文中分析了纳米气凝胶毡使用量对总投资的影响, 为蒸汽直埋保温管的快速发展指明了方向。

蒸汽管道直埋敷设技术是在架空敷设与地沟敷设基础上发展起来的一种新的管道敷设方式。一般采用钢套钢结构中间敷设保温层, 将此高温蒸汽管道直埋敷设。该技术应用在热电联产、集中供热领域具有不影响市容、占地面积小和环境污染小等优点。但就目前而言, 该技术还不够完善, 原因是蒸汽管直埋技术投资费用高 (是同等条件下架空敷设的两倍) 、保温及防腐措施不够成熟。直埋管常用的保温材料为岩棉、硅酸钙、硅酸铝、玻璃棉等, 这些材料本身过于松软, 长期作用于管道会随着管道振动而滑落, 造成工作管顶部60o范围内保温层变薄, 大量热量从此处散失。另外, 在工程实际应用中外套管在温度应力作用下会发生开裂, 进水非常普遍, 致使内部保温材料吸水丧失保温性能[3]。因此, 寻找一种新型保温材料显得尤为重要。纳米气凝胶毡是一种整体疏水性保温材料, 长期可耐800℃高温, 常温下导热系数为0.018 W/ (m·k) (是同等温度条件下硅酸铝的一半) , 但由于其高额的成本, 仅在国内一些架空项目中有小范围应用。鉴于蒸汽直埋保温技术的特殊复杂性, 决定用纳米气凝胶毡代替传统硅酸铝针刺毯应用在蒸汽直埋保温管中, 研究其对节能量及工程总投资的影响。

1 节能分析

1.1 热损失计算原理

直埋保温管热损失计算原理:


式中, q为单位长度热损失, W/m;qi为通过第i层保温材料单位长度的热损失, W/m;λi为第i层保温材料在平均温度下的导热系数, W/ (m·k) ;λg为当量埋深处土壤的导热系数, W/ (m·k) ;ti为第i层材料外表面温度, ℃;ti-1为第i-1层材料外表面温度, ℃;tw为保温管外表面温度, ℃;ts为管中心深处土壤温度, ℃;Di为第i层材料保温外径, m;Di-1为第i-1层材料保温外径, m;Dw为最外层保温层外径, m;HL为管道当量埋深, m;当;H为管中心埋深, m;H=最小覆土深度+0.5 Dw。

1.2 热损失计算

计算的蒸汽温度为350℃, 管道选用DN250管, 满足管道表面温度小于50℃, 满足两种保温材料层间温度≤280℃ (规范规定[5]:玻璃棉最高温度为350℃, 这里取0.8的安全系数) 。根据CJJ/T104-2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》中对不同管径下最小覆土深度要求, 蒸汽管中心深处土壤温度取为10℃, 土壤导热系数为1.5 W/ (m·k) 。计算保温厚度及热损失量。方案1:硅酸铝+玻璃棉;方案2:纳米气凝胶毡+玻璃棉。保温厚度及热损失量见表1。

表1 保温厚度及热损失量


1.3 节能量分析

DN250的蒸汽管道常年运行, 若年运行时间按8 000 h计算, 则改造后每公里的节能量q为: (165.13-135.38) W/m·k×1 000×8 000 h×3 600=857 GJ/a, 即:每年可以节约857 GJ的能量。按照燃烧每公斤标煤可释放29 271 000 J能量计算, 每年可节约标煤8.57×1 011 J÷29 271 000 J÷1 000=29.26 t/a。


按照每吨标煤700元的价格, 每年可节约29.26 t/a×700/10 000=2.048万元。

根据国家发改委有关火力发电厂耗煤数据:每燃烧1kg标准煤, 产生CO2为2.62 kg, SO2为0.08 kg, 氮氧化物为0.042 kg, 烟尘为0.011 kg。


年减排SO2:29.26 tce/a×0.08 kg=2.34 t;


年减排NOX:29.26 tce/a×0.042 kg=1.23 t;


2 投资分析

2.1 总投资计算结果与分析

蒸汽直埋技术总投资包含保温材料费、土方开挖与填埋费、使用外套钢管所产生的费用以及其它防腐、施工等费用[6]。因此, 在计算过程中需要考虑各项目之间的关联性。以350℃下1 kmDN250的管道为例, 计算两个方案的材料用量及总投资额, 各方案的材料用量见表2。

根据江苏省安装工程和计价定额[7]可计算出:方案1的总投资为178.6万元, 方案2的总投资为149.2万元, 采用方案2比方案1可节约总造价29.4万元。

2.2 纳米气凝胶毡使用量对总投资额的影响

采用纳米气凝胶毡之后, 蒸汽直埋保温技术的总投资有所下降, 是不是就意味着越多的使用纳米气凝胶毡总投资就越低呢?因此, 对纳米气凝胶毡的使用量对总投资额的影响做进一步的研究。

由表3可知:


1) 0层采用纳米气凝胶毡毡材料时工程总投资为178.67万元, 1层采用纳米气凝胶毡毡材料时工程总投资为168.7万元, 2层采用纳米气凝胶毡毡材料时工程总投资为149.2万元, 初期工程总投资随着纳米气凝胶毡毡用量的增加而减少, 原因是纳米气凝胶毡毡用量增加, 所需外套钢管规格减小, 从而减少了钢材使用量、土方开挖和填埋的工作量、气泡膜的使用量及防腐面积, 这一系列的影响, 势必会使工程总投资下降。



2) 但是, 在3层采用纳米气凝胶毡毡材料时的工程总投资为159.6万元, 对比方案3和方案4不难发现, 纳米气凝胶毡毡使用量增加时外护钢管规格并没有发生改变, 钢材使用量、土方量、气泡膜使用量、防腐面积等均不变, 而反射层的使用量反而增加了, 造成工程总投资增加。



表2 各方案的材料用量



表3 纳米气凝胶毡使用量对总投资额的影响



3) 这就要求项目设计人员在进行前期设计时, 应当充分考虑纳米气凝胶毡毡材料的使用量对工程总投资的影响, 并根据不同管径、不同温度工况分别进行计算, 在满足保温要求的同时, 设计出最经济的保温方案。

2.3 敏感性分析

考虑到纳米气凝胶毡的价格和钢材价格是对蒸汽管直埋总投资影响较大的两个关键因素, 现分析这两种材料价格对总投资的敏感性, 敏感性分析见表4。


由表4可知:


1) 钢材价格每升高1%, 总投资额升高0.651%;纳米气凝胶毡价格每升高1%, 总投资额升高0.049%。由此可以看出, 钢材价格才是影响蒸汽直埋总投资的主要因素;

2) 现如今钢材价格日趋升高, 减少钢材使用量是控制投资总额的关键, 如果增加一层纳米气凝胶毡能够将外套管缩小一到两个规格, 对控制总投资额是有利的。

3 结语

1) 将纳米气凝胶毡应用在直埋蒸汽管保温技术中, 可减少保温层总厚度, 降低每公里的热传输损失, 并可实现每公里每年节约标煤30 t。同时, 还可减少硫化物及氮氧化物的排放, 在一定程度上保护了环境, 减少雾霾的发生;


2) 将纳米气凝胶毡应用在直埋蒸汽管保温技术中, 可以降低保温材料使用量, 缩小外套钢规格, 减少土方开挖与填埋相关工程量, 对减少总投资是有利的。随着环保节能政策的提出和市容规划要求的不断提高, 蒸汽管直埋技术将会成为今后区域集中供热的热介质输送的主要方式。


表4 敏感性分析