作者：陈斌，张劲松，林小杰，蔡东平，李岚，赵琼
第一作者单位：上海漕泾热电有限责任公司
摘自《煤气与热力》年6月刊
1概述
随着供热企业生产规模的扩大，蒸汽管网（本文研究的对象为架空蒸汽管道）越来越复杂，管理难度也随之增大［1］。统计资料表明，在蒸汽输送过程中，管网热损失率为5%~20%［2-3］，因此降低管网散热量是提高企业经济效益的有效途径之一。
国内外大多采用散热模型计算蒸汽管道散热量，葛彦昭等人［4］采用蒸汽管道散热模型进行地面蒸汽管道热力计算，考虑了通常被忽略的由气体膨胀引起的加速压降，提高了计算结果的可靠性。阿拉木斯等人［5］根据稳态流动、稳态导热和热流量方程建立了架空蒸汽管道计算模型，用IAPWS公式获得较为精确的蒸汽状态参数。张增刚［6］建立了管道内蒸汽的连续性方程、运动方程和能量守恒方程，对蒸汽管道进行热力、水力耦合计算。然而，现有的计算模型忽略了长时间使用后架空蒸汽管道的外护镀锌钢板与保温层之间出现空气层的影响，往往导致蒸汽管道外壁面计算温度过高的问题。
本文以上海某工业园区蒸汽管网（架空敷设）为研究对象，选取其中一段作为测试管段，结合调研与测试结果进行分析。考虑外保温层与外护管之间出现空气层（由保温棉塌陷及在竖直方向发生下垂导致），以及外护管（镀锌钢板）实际发射率的影响，对蒸汽管道散热量传统计算模型进行修正。
2实测方法
①测试对象
上海某园区是以石油化工、精细化工为主的专业园区，园区内的20多家化工企业为蒸汽用户。管网总长超过60km。测试管段所在蒸汽管网平面布置见图1。图1仅为测试管段（以红色线段表示）所在蒸汽管网，其他蒸汽管网未在图1中表示。测试管段仅存在一条支路，在测量工况（不影响用户用汽）下该支路被截断，即测量管段在测量工况下没有分支，可视为一条无支路管段，近而认为在近似稳态运行条件下获取测试参数。
图1园区蒸汽管网平面布置
借鉴GB/T—《设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法》推荐的蒸汽管道散热量实测方法中的表面温度法，通过对测试管段表面进行测试截面选取，对同一测试截面选取不同测点，采用测量仪表直接对测试管段外护管外表面温度进行测量。测试时避开雨雪天气，并选择傍晚时分进行测量，以降低太阳辐射对测量结果的影响。根据测量结果，计算测试管段外护管外表面实测平均温度。
在测量前，对测试管段进行调研，掌握外护管及工作管的管径、壁厚、管长，支架类型以及支架、阀门和疏水器位置与工作状态等，查明保温材料的类型、性能、厚度、结构等状况。在测试期间，记录测试管段进出口蒸汽流量、温度、压力。
测试管段全长7.9km，工作管外直径为mm，壁厚为14mm。双保温层设计（设计保温结构见图2），保温材料均为硅酸铝保温棉，内外保温层厚度分别为80、60mm。调研中发现，由于硅酸铝保温棉塌陷以及在竖直方向发生下垂（受重力作用），外保温层与外护管之间出现了空气层。
图2蒸汽管道设计保温结构
②测点布置
GB/T—《城镇供热管道保温结构散热损失测试与保温效果评定方法》第6.2.2条第4款规定，对于工作管公称直径大于或等于mm的蒸汽管道，在每个测试截面上选取6个测点（见图3），每个测试截面至少保证有3个测点可实现测量，每个测点保证至少获取2个稳定数据（两次测量结果的温差小于0.5℃）。
图3测试截面的测点布置
测试截面位置见图4，图中数值单位为m。测试截面1位于测试管段末端的三通前，测试截面2~10分别紧邻支架位置，测试截面11位于测试段进口。由于测试截面10与11之间的蒸汽管道架空高度过高，不易测量，因而没有选取测试截面。每个测试截面的测试时间小于15min，以避免整个测试时间过长。
图4测试截面
1~11.测试截面
③测量仪表
采用Fluke型接触式测温仪测量外护管外表面温度，采用Testo-2风速仪测量风速及空气温度（空气温度采用风速仪自带的热敏温度探头测量）。两种测量仪表的性能参数见表1。
表1测量仪表的性能参数
④测量结果
测试管段的相关数据测量结果见表2，表2中数据均为实测结果的算术平均值。
表2测试管段的相关数据测量结果
3散热量计算模型
3.1传统计算模型
①散热量
采用传统计算模型计算的蒸汽管道单位长度散热量qc的计算式为：
3.2修正计算模型
①散热量
调研结果显示，由于硅酸铝保温棉塌陷以及在竖直方向发生下垂（受重力作用），外保温层与外护管之间出现了空气层。考虑到空气为热的不良导体，因此需要对传统计算模型进行修正。虽然，外保温层与外护管之间的空气层沿周向为非均匀分布，但为了简化计算，在计算模型中将空气层沿周向视为均匀分布。根据调研结果，测试管段出现的空气层厚度取3mm，并将空气层视为导热传热。为了提高计算精度，在修正计算模型中考虑了外护管的热阻。
传统计算模型中的镀锌钢板发射率取0.05，这既与一般文献不符，也与实际不符。因此，根据实际情况，在修正计算模型中将镀锌钢板发射率取0.35。
采用修正计算模型计算的蒸汽管道单位长度散热量qcor的计算式为：
③与实测结果比较
由修正计算模型得到的测试管段出口蒸汽温度为℃，与实测值（.5℃）相比，相对误差为3.4%，在合理的工程误差范围内。采用修正计算模型计算得到的外护管外表面平均温度（35.5℃），与实测值（38.2℃）的相对误差为-7.1%，满足工程精度要求，说明修正计算模型的计算结果合理。
4结论
以上海某工业园区蒸汽管网（架空敷设）为研究对象，选取其中一段作为测试管段，进行调研与测试。考虑外保温层与外护管之间出现空气层（由保温棉塌陷及在竖直方向发生下垂导致），以及外护管（镀锌钢板）实际发射率的影响，对蒸汽管道散热量传统计算模型进行修正。以测试管段出口蒸汽实测平均温度（.5℃）、外护管外表面实测平均温度（38.2℃）作为考核指标，对传统计算模型、修正计算模型的计算结果进行评价。由传统计算模型计算得到的测试管段出口蒸汽温度为.0℃，与实测值（.5℃）相比，相对误差为2.7%，在合理的工程误差范围内。由传统计算模型计算得到的外护管外表面平均温度（55.9℃），远高于实测值（38.2℃）。由修正计算模型得到的测试管段出口蒸汽温度为℃，与实测值相比，相对误差为3.4%，在合理的工程误差范围内。由修正计算模型计算得到的外护管外表面平均温度（35.5℃），与实测值的相对误差为-7.1%，满足工程精度要求，说明修正计算模型的计算结果合理。
参考文献：
［1］宋徐辉.我国蒸汽系统现状及节能潜力［J］.节能与环保，（1）：52-54.
［2］成伟，胡足.蒸汽管线热损失的测试及分析［J］.甘肃科技，，26（10）：63-64.
［3］陈晓波，郭赉佳，钟崴，等.考虑环境效益的多源供热系统负荷分配优化模型与方法［J］.能源工程，（3）：8-14.
［4］葛彦昭，岳永胜，李煜，等.地面蒸汽管道热力计算模型及影响因素分析［J］.石油工程建设，，38（4）：5-7.
［5］阿拉木斯，范世东.架空蒸汽管道水力热力联合计算模型研究及应用［J］.北京石油化工学院学报，（2）：69-74.
［6］张增刚.蒸汽管网水力热力耦合计算理论及应用研究（博士学位论文）［D］.青岛：中国石油大学（华东），：13-60.
［7］王旭光.大型工业供热蒸汽管网运行状态分析及操作优化（硕士学位论文）［D］.杭州：浙江大学，：16-17.
［8］《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册［M］.北京：机械工业出版社，：.
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