高溫管道保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究范文

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《管道技術(shù)與設(shè)備雜志》2016年第5期

摘要:

文中介紹了高溫管道保溫層優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，分析了高溫管道保溫層厚度在不同約束條件下的數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算方法，以及在保溫材料和保溫結(jié)構(gòu)方面的研究結(jié)果。綜合分析了當(dāng)前存在的主要問題，提出應(yīng)針對管道保溫層材料、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)厚度優(yōu)化算法開展深入研究，以更好地解決保溫管道設(shè)計(jì)和更換管道保溫層等問題。

關(guān)鍵詞:

高溫管道;保溫層;優(yōu)化;經(jīng)濟(jì)厚度

0引言

管道保溫層優(yōu)化就是在管道裸管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)布置，外部自然環(huán)境等已知的情況下，選用合適的保溫層材料，利用優(yōu)化分析方法，確定系統(tǒng)中的可變參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，選取最優(yōu)方案。高溫管道在進(jìn)行油品輸送時(shí)，會有較大的能量損失。為了提高熱經(jīng)濟(jì)性，延長管道壽命，對高溫管道的保溫層厚度做經(jīng)濟(jì)性分析非常必要。對高溫管道實(shí)施保溫的措施一般包括2個方面:選擇良好的保溫材料，采用合理的保溫結(jié)構(gòu);選擇保溫層的經(jīng)濟(jì)厚度，即在合理的保溫層厚度下，減少管道油品輸送時(shí)的散熱損失，從而降低能源消耗和運(yùn)行產(chǎn)生的費(fèi)用。

1高溫管道保溫層研究現(xiàn)狀

1．1保溫層厚度的研究

1．1．1國外的相關(guān)研究

20世紀(jì)80年代，德國BruggRohrsystermeGmbh公司開發(fā)了PN64型耐400℃、管徑DN20～1000高溫保溫管道，大幅度降低了成本;近些年，意大利的高、中溫蒸汽熱管直埋技術(shù)也有所發(fā)展，如ReggioEmilia熱網(wǎng)區(qū)等蒸汽管網(wǎng)均采用復(fù)合保溫管供熱［1－5］。2010年，A．Bahadori等［6］提出了管道直徑與保溫層外表面溫度相關(guān)性的函數(shù)，通過這個函數(shù)可以使用試算表很快求出保溫層的厚度。與復(fù)雜的保溫層厚度計(jì)算方法相比，該方法更加簡單，計(jì)算更加便捷。2013年，VerdErgConnectorsLtd公司［7］設(shè)計(jì)出一個能減少法蘭盤之間的管線熱損失的方案，介紹了英國國家物理實(shí)驗(yàn)所對蘇格蘭地區(qū)的典型管道系統(tǒng)的評價(jià)。2014年，M．Kayfeci［8］運(yùn)用壽命周期費(fèi)用分析的方法對伊斯帕爾塔省的城市供熱系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，就最優(yōu)保溫層厚度、能源節(jié)約、年度成本和投資回收期分析進(jìn)行計(jì)算，并得出最優(yōu)的管道直徑和管道保溫層經(jīng)濟(jì)厚度。

1．1．2國內(nèi)的相關(guān)研究

我國從20世紀(jì)80年代初提出保溫經(jīng)濟(jì)厚度設(shè)計(jì)方法，但由于其計(jì)算涉及因素很多，計(jì)算復(fù)雜，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用遇到困難;目前還存在一些問題［9］。從整體而言，我國保溫技術(shù)水平和應(yīng)用技術(shù)還有很大提升空間［10－16］。2010年，秦曉博［17］等對地面熱油管道經(jīng)濟(jì)保溫層算法進(jìn)行了推導(dǎo)，采用經(jīng)濟(jì)保溫層厚度方法，應(yīng)用EXECL中規(guī)劃求解程序編制了完善的計(jì)算程序，對保溫層厚度計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化。2011年，李少華［18］等通過采用控制外表面溫度的計(jì)算方法，通過建立保溫層厚度和架空熱油管道單位長度熱損失的數(shù)學(xué)模型，得出架空熱油管道熱損失與保溫層厚度的關(guān)系，最后計(jì)算出保溫層的經(jīng)濟(jì)厚度。2012年，于麗麗等［19］通過Origin8．0軟件繪出保溫層厚度分別與保溫效率、管道總傳熱系數(shù)、保溫層表面溫度和沿程溫降的關(guān)系圖，不僅直觀地體現(xiàn)了保溫層厚度對管道傳熱的影響以及變化趨勢，還可以從圖中查出任意厚度下的保溫情況，為求解熱油管道保溫層厚度提供一種新方法。杜義朋等［20］通過計(jì)算保溫層的各項(xiàng)費(fèi)用，并對其進(jìn)行列表分析，找出了最小總費(fèi)用所對應(yīng)的保溫層厚度，從而得到了保溫層的經(jīng)濟(jì)厚度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際保溫層厚度基本相符。2014年，何磊等［21］通過對高溫蒸汽管道保溫層厚度計(jì)算方法進(jìn)行研究，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面分析了影響保溫層厚度的主要因素，并對計(jì)算中如何正確選取保溫原始計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討。2015年，施雯等［22］以保溫層厚度為決策變量，外表面溫度及保溫效率為約束條件，建立了以年管道總費(fèi)用最小為目標(biāo)的管道保溫層優(yōu)化配置模型。

1．2保溫結(jié)構(gòu)的研究

保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到保溫效果、投資費(fèi)用、使用年限等問題。通常保溫結(jié)構(gòu)要滿足以下條件［23］:保證管線熱損失不超過標(biāo)準(zhǔn)熱損失，在標(biāo)準(zhǔn)熱損失允許范圍內(nèi)，保溫層越薄越好;保溫結(jié)構(gòu)需有足夠的機(jī)械強(qiáng)度;有較好的防水保護(hù)層;保溫結(jié)構(gòu)要避免使管線受到腐蝕;保溫結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力不能傳遞到管線上;結(jié)構(gòu)簡單，盡量減少材料消耗量;保溫結(jié)構(gòu)所需材料應(yīng)就地取材;施工操作簡單，維護(hù)檢修方便。

1．3保溫材料的研究

在保溫層的材料方面，目前國內(nèi)外常用絕熱材料主要是無機(jī)纖維狀、粉末狀、多孔狀、膏狀和發(fā)泡型保溫材料［24］。表1為各類型保溫材料的優(yōu)缺點(diǎn)以及主要應(yīng)用領(lǐng)域。

2結(jié)論

關(guān)于高溫管道保溫層優(yōu)化問題的研究方法及內(nèi)容，主要存在以下幾個問題。

(1)在架空輸油管道保溫層厚度計(jì)算中，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參考手冊確定其厚度。一些經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)]有及時(shí)更新，會對保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

(2)設(shè)計(jì)原則影響保溫層厚度的設(shè)計(jì)。根據(jù)目的性和約束條件的不同采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。為限定保溫層外表面溫度，采用表面溫度法進(jìn)行計(jì)算分析;為限定保溫層表面散熱熱流流量，采用最大允許散熱損失進(jìn)行計(jì)算分析;為減少輸油管道散熱損失并獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果，采用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算。

(3)在保溫層厚度優(yōu)化研究中，為計(jì)算簡便，會忽略次要影響因素，但增大了計(jì)算結(jié)果誤差。

(4)在保溫層材料和結(jié)構(gòu)方面，我國保溫材料制品和施工工藝還應(yīng)提高，如保溫材料生產(chǎn)工藝整體水平有待進(jìn)一步提高與完善，提高保溫材料性能。

3結(jié)語

綜上所述，應(yīng)從以下幾個方面開展研究。

(1)保溫層材料的選擇。對現(xiàn)有保溫材料進(jìn)行全面的研究，分析不同材料的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能等，篩選出優(yōu)質(zhì)保溫材料，研制一種憎水性強(qiáng)、高強(qiáng)度的保溫材料，為優(yōu)化保溫層厚度做好前期基礎(chǔ)。

(2)通過實(shí)驗(yàn)對保溫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及隔熱性進(jìn)行評價(jià)，對外護(hù)層材料進(jìn)行力學(xué)分析，優(yōu)選出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熱流密度低、隔熱效果佳的保溫結(jié)構(gòu)。

(3)優(yōu)化算法研究。根據(jù)目的性和約束條件的不同采用不同的設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)條件、外表面溫度、溫降值為約束條件，分別建立保溫層厚度優(yōu)化模型，根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的保溫層厚度求解方法。

(4)采用數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)程序相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。列出保溫層經(jīng)濟(jì)厚度算法的程序框圖，將已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型代入程序框圖當(dāng)中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程處理，輸入已知條件便可以得出經(jīng)濟(jì)保溫層厚度結(jié)果。

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作者:鄧志強(qiáng) 施雯 王琪 謝海彬 陳宏杰 單位:廣東石油化工學(xué)院