引言《热电联产管理办法》明确规定：建设热电联产机组时，应合理确定热电联产机组的供热范围，鼓励热电联产机组在技术经济合理的前提下扩大供热范围。针对以热水为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按照20 km考虑，供热范围内一般不再另行规划建设抽凝热电联产机组；针对以蒸汽为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按照10 km考虑，供热范围内一般不再另行规划其他热源点[1]。集中供热成为供热行业发展的重要方向，而蒸汽热网设计工作成为集中供热系统研究的重点。设计传统蒸汽管道时，输送压降为0.1 MPa/km，温降为15~20 ℃/km[2]。工程师根据设计手册和图集等资料选择流速和保温材料厚度，使相关参数满足设计要求。长输蒸汽管道输送技术发展迅速，输送距离由8~10 km提高至30 km以上[3]。周传锦[4]结合现有工程运行经验以及实际检测数据发现，长输蒸汽管网的较理想压降、温降分别为0.02~0.03 MPa/km、5~7 ℃/km。如果不进行理论计算，仅套用设计手册上的数据进行长输蒸汽管网的设计，很难满足热用户参数的要求[5]。结合设计工程案例，从蒸汽流速、保温结构与隔热管托材质等3个方面解决长输蒸汽管网压降、温降过大的问题，为长输蒸汽管网的设计和施工提供参考。1工程案例概况某工程的建设规模为4台150 t/h高温超高压循环流化床锅炉配两台25 MW抽背式汽轮发电机组，以背压排气作为中压蒸汽供热气源，额定背压排气压力为2.45 MPa，温度为325 ℃，蒸汽管网的设计额定流量为200 t/h，蒸汽母管长8 km，供热半径为11 km。环境常年平均温度（Ta）为12.5 ℃，室外常年平均风速（wf）为3.5 m/s。2管道参数优化控制2.1管道压降控制根据流体力学，管道压降的计算公式如下：△p=λ(L+Lz)Di×ρv22 (1)式中：△p——管道的压降，Pa；λ——管道的摩擦阻力系数，W/(m·K)；L——管道的长度，m；Lz——管道局部阻力当量长度，m；Di——管道内径，m；ρ——蒸汽密度，kg/m3；v——蒸汽流速，m/s。v=QπDi24 (2)式中：Q——蒸汽流量，m3/s。λ=1(1.14+2lgdk)2 (3)式中：k——管壁的当量绝对粗糙度，蒸汽管网取0.000 2 m。传统设计过程中，假定蒸汽密度恒定、布置方式确定，能够计算管道的长度、管道局部阻力当量长度，管道的压降主要受摩擦阻力系数和内径影响[2]。目前，改变管道摩擦阻力系数的条件较苛刻，为了降低管道压降，一般采取增加管径、降低流速的方式。传统设计过程中，过热蒸汽管网设计的推荐流速为35~60 m/s[2]。使用推荐流速时，工程蒸汽母管的压降为200~600 Pa/m，不满足工程要求。针对长输蒸汽管网压降过大的问题，刘金平[6]等建立了以管道年度总费用为目标函数，考虑蒸汽密度变化的蒸汽流速和保温层厚度优化模型，发现低压蒸汽的最优流速与管径相关。公称直径为0.10~0.20 m时，过热蒸汽的推荐流速为15~25 m/s；公称直径大于0.20 m时，推荐流速为25~35 m/s。利用文献[3]中的函数模型进行计算，公称直径为0.50~0.90 m时，长输中压蒸汽管道的最佳蒸汽流速仅为10~25 m/s。因此，该工程的蒸汽管道设计流速按此范围选取。2.2管道温降控制蒸汽管道温降主要由管道散热带来的蒸汽焓降造成，为了解决温降过大的问题，必须减少蒸汽管道的热损失。管道的热损失主要包括两部分，分别为管道保温外表面由对流及辐射造成的热损失、管道支架处导热造成的热损失。3管道热损失控制3.1降低管道的对流及辐射热损失目前，常规的保温材料主要有岩棉、硅酸铝、复合硅酸盐、高温玻璃棉等。但常规保温材料的结构松散、抗拉抗压性能较差，纤维短导致附着力不高，受蒸汽管道震动和材料自重等影响，容易发生材料沉降现象。进水时，非完全防水型保温材料的沉降现象更明显，导致保温材料塌陷，上方出现空洞，水平管与垂直管段交接的弯头处极易出现脱节现象，使管道的保温效果逐年下降，实际投入使用几年后，表面温度容易超过50 ℃，局部甚至达到100 ℃。保温材料的技术经济性能对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.T001表1保温材料的技术经济性能对比项目岩棉硅酸铝高温玻璃棉纳米气凝胶毡密度/(kg/m3)≤150≤20048200导热系数（300 ℃）/[W/(m·K)]0.1080.1010.1050.030抗震性能强震96 h损毁易碎强震96 h无损不易碎使用寿命/a3~53~510~1520单位体积吸湿率/%2.01.02.00.5强度低低较高较高最高使用温度/℃4001 000450800安全使用温度/℃350800400800纤维均匀度不均匀不均匀均匀均匀耐水性不耐不耐煮沸96 h无损整体憎水施工难度极不易不易易切割易切割施工损耗（以体积计）/%1515微微对人体健康影响舒适性差舒适性差无无对环境影响有害有害无害无害价格/(元/m3)1 0001 50060015 000纳米气凝胶毡作为新兴保温材料，其保温性能优异、抗压抗拉能力强度高、使用寿命长、防火防水好、施工方便、导热系数低，常温时低于0.02 W/(m·K)[7]。保温材料的导热系数与温度的关系[8]如图1所示。随着蒸汽温度升高，气凝胶毡的导热系数变化幅度较小，导热系数的最大值仅为0.04 W/(m·K)，与其他材料相比，气凝胶毡的保温效果更好。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.F001图1保温材料的导热系数与温度的关系纳米气凝胶毡保温性能的优势显著，但成本过高，文中工程并未完全采用纳米气凝胶毡作为长输管道的保温材料。工程采用由纳米气凝胶毡、铝箔非织造布、高温玻璃棉构成的复合保温结构进行长输蒸汽管网保温。紧贴蒸汽管道内侧的部位采用少量的纳米气凝胶毡，外侧采用常规保温材料（高温玻璃棉），并在保温材料外逐层包裹铝箔非织造布，铝箔面朝向高温侧。蒸汽管道保温结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.F002图2蒸汽管道保温结构铝箔材料的反射率高，可以有效阻隔热辐射，在保温层厚度相同的情况下，将铝箔非织造布逐层包裹在保温材料外能够明显降低保温结构的外表面温度，减小散热损失[9]。同等试验条件下，与传统复合保温结构相比，使用增加铝箔非织造布的复合保温材料能够节能40%[10]。采用新型复合保温结构能够达到较好的保温效果，降低纳米气凝胶保温材料的使用量，减少成本。采用复合保温结构，以中压蒸汽管网主管道8 km进行理论计算。模拟复合保温结构的计算输入数据如表2所示。不同工况下模拟复合保温结构的计算输出数据如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.T002表2模拟复合保温结构的计算输入数据项目符号数值管道始端压力/MPaP12.450管道始端温度/℃T1325.000蒸汽流量/(t/h)G200.000始端蒸汽比容/(m3/kg)ν10.107始端蒸汽焓值/(kJ/kg)h13 071.600末端允许压力（假定）/MPaP22.050末端允许温度（假定）/℃T2285.000末端蒸汽比容（假定）/(m3/kg)ν20.118末端蒸汽密度（假定）/(kg/m3)ρ28.455末端蒸汽焓值（假定）/(kJ/kg)h22 987.958钢管外径/mmD0820.000钢管壁厚/mmδ18.000内保温层厚度/mmδ120.000外保温层厚度/mmδ2100.000内保温材料导热系数/[W/(m·K)]λ10.025外保温材料导热系数/[W/(m·K)]λ20.046保温外表面黑度ε0.250假设保温外表面温度/℃Ts20.000管道长度/mL8 000.000管道局部阻力当量长度/mLz8 000.00010.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.T003表3不同工况下模拟复合保温结构系统的计算输出数据名称符号计算方法100%工况值50%工况值30%工况值蒸汽流速/(m/s)vv=353 857.041 8×G×νpj/Di212.9516.4753.885管道设计温度/℃TT=0.5×(T1+T2)305.000305.000305.000管道保温层平均温度/℃tmtm=0.5×(T+Ta)158.750158.750158.750保温外表面对流换热系数/[W/(m2·K)]ac按照GB 50264—2013的5.8.4计算12.27812.27812.278保温外表面辐射换热系数/[W/(m2·K)]anan=[5.669×ε/(Ts-Ta)]×{[(273+Ts)/100]4-[(273+Ta)/100]4}1.3721.3721.372保温外表面换热系数/[W/(m2·K)]asas=ac+an13.65013.65013.650每米管道热损/(W/m)qq=S×Q277.978277.978277.978保温外表面温度/℃Ts'Ts'=Q/as+Ta18.61518.61518.615两材料夹缝温度/℃Tj'Tj'=[λ1Tln(Dw/Dn)+λ2Tsln(Dn/D0)]/[λ1ln(Dw/Dn)+λ2ln(Dn/D0)]220.715220.715220.715蒸汽运动黏度/(m2/s)γγ=η×νpj2.3×10-62.3×10-62.3×10-6雷诺数ReRe=v×Di/γ4.4×1061.3×1062.2×107管道相对粗糙度ε1ε1=K/Di2.55×10-42.55×10-42.55×10-4管道摩擦系数/[W/(m·K)]λλ=1/（2lgDi/2K+1.74）20.0140.0140.014管道蒸汽平均密度/(kg/m3)ρpjρpj=（ρ1+ρ2）/28.9148.9148.914管道压降/Pa△P1△P1=λ（L+Lz）/Di×ρpj×v2/22.2×1055.5×1042.0×104考虑余量的管道压降/MPa△P2△P2=1.1×△P1/1 000 0000.2420.0610.022末端管道实际压力/MPaP2sP2s=P1-△P22.2082.3892.428管道总的散热损失/kWQLQL=q×L/1 0002 223.8252 223.8252 223.825蒸汽焓降/(kJ/kg)△Hs△Hs=QL/G40.02980.058133.430末端实际焓值/(kJ/kg)h2sh2s=h1-△Hs3 031.5702 991.5422 938.170末端实际温度/℃T2s查焓熵图305.660291.160270.340实际温降/℃△Ts△Ts=T1-T2s19.34033.84054.660满负荷工况运行时，蒸汽管道压降为0.03 MPa/km，温降为2.42 ℃/km；50%负荷工况运行时，蒸汽管道压降为0.008 MPa/km，温降为4.23 ℃/km；30%负荷工况运行时，蒸汽管道压降为0.003 MPa/km，温降为6.83 ℃/km。随着负荷率降低，压降变小，温降增大。因为蒸汽流量减小但管径相同时，蒸汽流速降低，阻力损失变小，导致压降变小；流速降低导致蒸汽在管道内的输送时间变长，散热损失升高，导致温降值增大。50%以上负荷均能够保证业主要求的压降和温降（压降0.05 MPa/km、温降5 ℃/km）；负荷低于50%工况时，温降略超出业主的要求，能够保证末端用户的用气要求。低于50%的负荷工况不经常出现，管径选取以及保温做法具有可行性。3.2降低管道支架处因导热带来的热损失国内的热力管道一般采用设计手册推荐的常规管托，将金属件直接与管道焊接在一起，平落于管架埋件上，形成“热桥”，大量的蒸汽热量被散至大气中[11]。长输蒸汽管网如果使用常规管托，需要的管托数量多、导热系数高，裸露在空气中的直接热损失大，最高可达30%[12]。在隔热管托中的加装隔热块可以避免钢结构和管道直接接触，实现有效隔热。长输蒸汽管网专用隔热管托结构主要由隔热部、支撑部和滑动摩擦部组成。管托隔热部的主要组件为上下管箍、上下隔热瓦块、上下软质隔热层，采用螺栓紧固，主要起隔断热桥、降低管托热损、承载管道荷载的作用。管托支撑部的主要组件为底板、立板、肋板，主要起承受管道荷载的作用。管托滑动摩擦部的主要组件为不锈钢板、聚四氟乙烯塑料板、下底钢板。目前，常见隔热块多采用硅酸盐水泥浇注料，并掺以珍珠岩、膨胀蛭石和粉煤灰等物质，但强度较低，在实际应用中容易破裂从而产生热漏[13]，引起热量损失。为了解决普通浇注料强度低、重量大等问题，工程硬质隔热层的主要材料为新型硅酸钙，是在氧化钙和二氧化硅中添加增强纤维复合材料并在高温下煅烧熔融而成的化合物，主要特点包括：（1）强度高：容重相近时，新型硅酸钙是无机硬质绝热材料中强度最高的保温材料。（2）耐热性好：最高使用温度为1 050 ℃，在使用温度范围内不变形。（3）保温隔热性：导热系数比其他硬质块状绝热材料低。（4）重量轻：容重仅为浇注料的1/3，能够减少支撑物载荷。（5）为无石棉产品，具有防火阻燃的效果，不会产生有毒气体。（6）抗菌、防霉、耐老化、抗腐蚀，保证健康环境。经测试，采用新型硅酸钙作为硬质隔热层的隔热管托的整体导热系数最大值不超过0.12 W/(m·K)，隔热效果良好[14]。管托保温形式的发展过程如图3所示。图3管托保温形式的发展过程10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.F3a1（a）常规管托保温10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.F3a2（b）带隔热材料的管托保温10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.007.F3a3（c）新型管托保温3.3其他减少热损失的方法（1）合理布置和启动疏水和连续疏水装置。启动疏水装置可以保证管道启停时的安全性，正常运行时关闭疏水装置；依据蒸汽过热度的情况合理设置连续疏水装置，保证管道内疏水及时排出，不产生水击等影响管道安全的问题。管道常用的疏水器包括热动力型疏水器、倒吊桶式疏水器等。采用倒吊桶式疏水器能够及时排尽管道内疏水，疏水器内的水封能够有效控制蒸汽排出，减少蒸汽损耗。（2）长输蒸汽管网的保温结构比普通蒸汽管道复杂，且施工质量会严重影响保温结构的性能。长输蒸汽管网的管径较大，可以参照设备保温，在管道外表面设置保温钉，增加软质保温结构的抗松散、抗拉、抗压等特性，从而提高保温寿命，在长期运行中降低管道的热损失。4结语（1）设计长输蒸汽管网时，不宜完全参照过热蒸汽管网设计规范进行参数选择，考虑管系长、压降温降大等特点，参考以管道年度总费用为目标函数的优化模型，建议设置管道公称直径为0.50~0.90 m时的蒸汽流速为10~25 m/s，为长输蒸汽管网设计选型提供参考。（2）结合工程设计案例，供热参数为2.45 MPa、325 ℃、200 t/h且母管长8 km、母管公称直径为0.80 m时，采用纳米气凝胶毡、保温铝箔非织造布、高温玻璃棉构成的复合保温结构进行管道保温的情况下，管道压降为0.03 MPa/km，温降为2.42 ℃/km，为长输蒸汽管网保温结构的选择提供参考 。（3）目前，管托处的散热损失占管道总热损失的比例未统一，但是从改善管道和支架之间的“热桥”效应的角度出发，介绍了以新型硅酸钙为硬质隔热材料的隔热管托，能够阻断“热桥”，降低能耗，从而减小长输管道温降，满足末端用户的需求。