【摘要】：本文采用溫差法和熱平衡法對已投入滿負荷運行的直埋蒸汽供熱管道進行散熱損失和管網熱輸送效率測試，試驗選取了兩個直管段測試截面、兩內固定端測試截面和兩個補償器測試截面。試驗結果表明在選定的六個測試截面中散熱損失最大處出現在內固定端，提出工程現場測試時應注意問題。

　　【關鍵詞】：蒸汽直埋管道,散熱損失,管網熱輸送效率

　　前言

　　隨著我國經濟持續發展，人民生活水平日益提高，集中供熱作為一種高效節能供熱方式，得到飛速發展。到2005年，全國集中供熱面積達到達25.21×108m2，蒸汽管道長度為1.48×104km，熱水管道長度為7.13×104km，在供熱量上，熱電廠的供熱量占47.0%[1]，占供熱量的比例相當高，因而蒸汽供熱系統能源利用率提高對我國節約能源、減少環境污染方面會產生重大的經濟效益和社會效益。蒸汽供熱系統由產生蒸汽的熱源、蒸汽輸配管網、和蒸汽熱用戶三部分組成。直埋蒸汽管道是蒸汽輸配管網設計的一種主要鋪設方式，其散熱損失及管網熱輸送效率也成為建筑節能工程施工質量驗收的重要強制性指標[2]，在行業內越來越重視其工程現場測試是否滿足設計要求。本文對已建成的一段直埋蒸汽供熱管道，用溫差法進行工程現場散熱損失測試，得出其直管道、管道補償器、管道內固定端等多處測試段的散熱損失;依據直埋蒸汽管道起始段和各測試截面蒸汽介質參數，用熱平衡法得出各測試截面距蒸汽出口處的管網熱輸送效率。

　　一 工程概述

　　本工程為2008年4月底投入運行的自青島熱電公司至開源供熱廠入口直埋蒸汽管網工程，測試時該工程接近滿負荷運行狀態。選用測試管道的設計工作管管徑為φ630*10，設計外護管管徑為φ1020*12，補償器和內固定管段管徑為φ1120*12。直埋管采用鋼套鋼結構，保溫結構從內到外依次為工作鋼管、離心玻璃棉保溫層、15mm真空層、外護鋼管、聚乙烯三層結構防腐層。抽檢部分管段真空表顯示真空度約為60 mbar。

　　二 實驗方案

　　為全面反映測試管段散熱損失和管網熱輸送效率，本實驗選取了蒸汽供熱管道直管段截面、內固定端截面、補償器截面等6個截面進行現場測試，各測試截面位置見表1。采用溫

　　差法測試各截面的散熱損失，同一截面均勻布置測點如圖1所示[3]。測試截面測試傳感器已于2008年4月20 ~ 22日進行了敷設，并按要求進行了土壤回填，測試截面位置均設置測試井，排列各傳感器接線端子。地溫在距熱流密度測定位置10m遠處，且在相同埋深的自然土壤中測得。環境溫度在無其他熱源影響距熱流密度測定位置1m遠處測得。土壤導熱系數在測試截面周邊1m遠處測得。主要測試儀器設為鉑電阻溫度傳感器、三芯屏蔽電纜、硅酯、溫度測點采集裝置。

　　三 管道散熱損失及管網熱輸送效率計算

　　溫差法測量直埋管道的保溫結構，熱流密度按下式計算：

　　式中：q ¾ 熱流密度，W/m2;

　　ql,E— 單位長度線熱流密度，W/m;

　　D ¾ 保溫結構外徑，m;

　　單位長度線熱流密度散熱損失按下式計算：

　　式中：ti 工作鋼管外表面溫度(視為介質溫度)，℃;

　　teO 地表面溫度，℃;

　　Rl 管道保溫結構熱阻，m·K/W;

　　土壤熱阻，m·K/W。

　　玻璃棉產品技術指標中導熱系數：

　　0.027 + 0.00022 t W/(m·K); (3)

　　式中：λm 材料在溫度t時 導熱系數W/ m·K;

　　tp 保溫層平均工作溫度, ℃;

　　保溫材料熱阻 (4)

　　式中：Rml 保溫材料熱阻, m·K/W;

　　Dai 保溫材料外徑(真空層內徑)，mm;

　　Di 工作鋼管外徑(保溫材料內徑), mm;

　　保溫材料導熱系數 和保溫層尺寸Dai 、Di不能現場測定，按工作鋼管溫度和保溫材料外表面溫度，以及管道產品規格計算求取保溫材料熱阻。

　　空氣層熱阻 (5)

　　式中：Ral 空氣層熱阻, m·K/W;

　　對流放熱系數， W/(m2·K); (6)

　　輻射放熱系數， W/(m2ּK) (7)。

　　式中：λc 空氣的當量導熱系數，取為0.023 W/(m·K);

　　Dao 空氣層外徑 mm。

　　C 黑體輻射系數，取值5.768 W/(m2×K4);

　　εai 真空層內側玻璃棉表面黑度，取值0.96;

　　εao 真空層外側鋼管壁表面黑度，取值0.82;

　　t ai 真空層內側表面溫度平均值 ℃;

　　t ao 真空層外側表面溫度平均值 ℃。

　　土壤熱阻 按下式計算：

　　當HE / D≤2時，計算式為：

　　當HE / D>2時，公式簡化為：

　　式中：HE 管道中心到地表的距離 m;

　　λE 土壤導熱系數W /m·K

　　管道熱傳輸的全程散熱損失Q = 0.278·G·(h1 - h2) (10)

　　熱輸送效率η= 1 – [Q / (0.278ּGּh1)] (11)。

　　式中 Q管段的全程散熱損失，W;

　　G蒸汽質量流量，kg/h;

　　h1,h2據蒸汽參數查得的被測管段進出口蒸汽比焓，kJ/kg;

　　四 測試結果與分析

　　在管道投入運行一段時間后，基本達到設計滿負荷時，2008 年12月5日對6個測試截面進行散熱損失和管網熱輸送效率進行現場測試。截面至蒸汽出口處管段管網熱輸送效率測試結果見表2。6個測試截面散熱損失測試結果見表3，散熱損失現場測試如圖2所示。

　　由表3看出本次試驗管道運行工況比較穩定，蒸汽介質工作溫度最大為286℃，最小為250℃。經管道輸至開源端測試管道流量約為50t / h ~ 61t / h之間，接近設計滿負荷運行狀態。檢測結果數據表明，熱平衡法計算的熱輸送效率大97 %，達到了優等水平。

　　散熱損失測定結果表明兩個直管段測試截面散熱損失分別為42 W/m2、39 W/m2，平均值為40.5 W/m2;兩個內固定端截面散熱損失分別達到78 W/m2、75 W/m2，平均值為76.5 W/m2;兩個補償器測試截面散熱損失測定值較低，分別為13 W/m2、32W/m2，平均值為22.5 W/m2，達到國家相關小于90 W/m2要求。由此可見，內固定端散熱損失最大，補償器散熱損失最小，工程現場測試時，相比直管段和補償器測試截面而言，選用內固定端作為測試截面得出最不利蒸汽直埋管道散熱損失，在管道設計時應多注意內固定端的保溫問題。

　　由表3看出外護管表面溫度測試結果：管道直管段測試截面處分別是56.9℃、52.4℃、，平均為54.7℃;內固定測試截面上外護管表面平均溫度分別是65.6℃、55.3℃，平均為60.5℃;補償器測試截面上的表面平均溫度分別為51.1℃、48.7℃，平均為49.9℃。內固定端測試截面表面溫度高于50℃，對防腐層不利。

　　結論

　　直埋蒸汽供熱管道不同測試截面散熱損失存在明顯差別，為能真實反映工程實際的保溫效果，應選取有代表性的測試截面進行測試。

　　本次試驗測試截面散熱損失達到國家標準要求，但直埋蒸汽供熱管道外護管表面溫度較高，因而對工程現場測試時既要測試截面處散熱損失也要測試其外表面溫度，只有同時達到要求才能對工程實際管道保溫效果真實質量有更好把握。

　　管網熱輸送效率的測試非常重要，為達到對管道長期運行時的監督，在設計時應有測試的壓力、流量、溫度等計量裝置。

　　【參考文獻】：

　　1. 城市集中供熱系統現狀和問題分析，張曉松，郭旭，煤氣與熱力，2009年11月，第29卷第11期

　　2. GB 50411-2007建筑節能工程施工質量驗收規范

　　3. GB/T 28638-2012 城鎮供熱管道保溫結構散熱損失測試與保溫并行果評定方法