高温管道保温层优化设计研究范文

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《管道技术与设备杂志》2016年第5期

摘要:

文中介绍了高温管道保温层优化设计的研究现状，分析了高温管道保温层厚度在不同约束条件下的数学模型以及计算方法，以及在保温材料和保温结构方面的研究结果。综合分析了当前存在的主要问题，提出应针对管道保温层材料、结构和经济厚度优化算法开展深入研究，以更好地解决保温管道设计和更换管道保温层等问题。

关键词:

高温管道;保温层;优化;经济厚度

0引言

管道保温层优化就是在管道裸管系统结构已经布置，外部自然环境等已知的情况下，选用合适的保温层材料，利用优化分析方法，确定系统中的可变参数，建立数学模型，选取最优方案。高温管道在进行油品输送时，会有较大的能量损失。为了提高热经济性，延长管道寿命，对高温管道的保温层厚度做经济性分析非常必要。对高温管道实施保温的措施一般包括2个方面:选择良好的保温材料，采用合理的保温结构;选择保温层的经济厚度，即在合理的保温层厚度下，减少管道油品输送时的散热损失，从而降低能源消耗和运行产生的费用。

1高温管道保温层研究现状

1．1保温层厚度的研究

1．1．1国外的相关研究

20世纪80年代，德国BruggRohrsystermeGmbh公司开发了PN64型耐400℃、管径DN20～1000高温保温管道，大幅度降低了成本;近些年，意大利的高、中温蒸汽热管直埋技术也有所发展，如ReggioEmilia热网区等蒸汽管网均采用复合保温管供热［1－5］。2010年，A．Bahadori等［6］提出了管道直径与保温层外表面温度相关性的函数，通过这个函数可以使用试算表很快求出保温层的厚度。与复杂的保温层厚度计算方法相比，该方法更加简单，计算更加便捷。2013年，VerdErgConnectorsLtd公司［7］设计出一个能减少法兰盘之间的管线热损失的方案，介绍了英国国家物理实验所对苏格兰地区的典型管道系统的评价。2014年，M．Kayfeci［8］运用寿命周期费用分析的方法对伊斯帕尔塔省的城市供热系统进行评价，就最优保温层厚度、能源节约、年度成本和投资回收期分析进行计算，并得出最优的管道直径和管道保温层经济厚度。

1．1．2国内的相关研究

我国从20世纪80年代初提出保温经济厚度设计方法，但由于其计算涉及因素很多，计算复杂，工程设计中应用遇到困难;目前还存在一些问题［9］。从整体而言，我国保温技术水平和应用技术还有很大提升空间［10－16］。2010年，秦晓博［17］等对地面热油管道经济保温层算法进行了推导，采用经济保温层厚度方法，应用EXECL中规划求解程序编制了完善的计算程序，对保温层厚度计算进行了优化。2011年，李少华［18］等通过采用控制外表面温度的计算方法，通过建立保温层厚度和架空热油管道单位长度热损失的数学模型，得出架空热油管道热损失与保温层厚度的关系，最后计算出保温层的经济厚度。2012年，于丽丽等［19］通过Origin8．0软件绘出保温层厚度分别与保温效率、管道总传热系数、保温层表面温度和沿程温降的关系图，不仅直观地体现了保温层厚度对管道传热的影响以及变化趋势，还可以从图中查出任意厚度下的保温情况，为求解热油管道保温层厚度提供一种新方法。杜义朋等［20］通过计算保温层的各项费用，并对其进行列表分析，找出了最小总费用所对应的保温层厚度，从而得到了保温层的经济厚度，计算结果与实际保温层厚度基本相符。2014年，何磊等［21］通过对高温蒸汽管道保温层厚度计算方法进行研究，从技术性和经济性两方面分析了影响保温层厚度的主要因素，并对计算中如何正确选取保温原始计算数据进行了探讨。2015年，施雯等［22］以保温层厚度为决策变量，外表面温度及保温效率为约束条件，建立了以年管道总费用最小为目标的管道保温层优化配置模型。

1．2保温结构的研究

保温结构的设计关系到保温效果、投资费用、使用年限等问题。通常保温结构要满足以下条件［23］:保证管线热损失不超过标准热损失，在标准热损失允许范围内，保温层越薄越好;保温结构需有足够的机械强度;有较好的防水保护层;保温结构要避免使管线受到腐蚀;保温结构所产生的应力不能传递到管线上;结构简单，尽量减少材料消耗量;保温结构所需材料应就地取材;施工操作简单，维护检修方便。

1．3保温材料的研究

在保温层的材料方面，目前国内外常用绝热材料主要是无机纤维状、粉末状、多孔状、膏状和发泡型保温材料［24］。表1为各类型保温材料的优缺点以及主要应用领域。

2结论

关于高温管道保温层优化问题的研究方法及内容，主要存在以下几个问题。

(1)在架空输油管道保温层厚度计算中，一般根据经验参考手册确定其厚度。一些经验公式没有及时更新，会对保温层经济厚度的计算结果产生误差。

(2)设计原则影响保温层厚度的设计。根据目的性和约束条件的不同采用不同的设计计算方法。为限定保温层外表面温度，采用表面温度法进行计算分析;为限定保温层表面散热热流流量，采用最大允许散热损失进行计算分析;为减少输油管道散热损失并获得最佳经济效果，采用经济厚度法计算。

(3)在保温层厚度优化研究中，为计算简便，会忽略次要影响因素，但增大了计算结果误差。

(4)在保温层材料和结构方面，我国保温材料制品和施工工艺还应提高，如保温材料生产工艺整体水平有待进一步提高与完善，提高保温材料性能。

3结语

综上所述，应从以下几个方面开展研究。

(1)保温层材料的选择。对现有保温材料进行全面的研究，分析不同材料的导热性能、力学性能等，筛选出优质保温材料，研制一种憎水性强、高强度的保温材料，为优化保温层厚度做好前期基础。

(2)通过实验对保温结构的稳定性及隔热性进行评价，对外护层材料进行力学分析，优选出结构稳定、热流密度低、隔热效果佳的保温结构。

(3)优化算法研究。根据目的性和约束条件的不同采用不同的设计方法，可以根据最优经济条件、外表面温度、温降值为约束条件，分别建立保温层厚度优化模型，根据实际情况选择最佳的保温层厚度求解方法。

(4)采用数学模型与计算机程序相结合的方法进行设计。列出保温层经济厚度算法的程序框图，将已经建立好的数学模型代入程序框图当中，进行计算机编程处理，输入已知条件便可以得出经济保温层厚度结果。

参考文献:

［9］程艳．直埋管道温度场计算与分析［D］．大连:大连理工大学，2005:1－3．

［10］王征宇．管道保温层厚度的计算［J］．化工设备设计，1980(6):52－53．

［11］刘先涛．考虑货币时间价值计算热输管道最优保温层厚度［J］．油气储运，1988，7(1):21－25．

［12］吴明，陈庆永，陈保东．伴热输送油管保温层最优经济厚度的探讨［J］．油气储运，1993(2):46－52．

［13］陈丰民．采油五厂埋地集输管道保温技术研究［D］．大庆:大庆石油学院，2003:45－46．

［14］刘晓燕，刘扬，郭敬红，等．埋地原油集输管道保温层厚度优化设计［J］．油气储运，2005，24(2):20－22．

［15］张树清，李庚昌，陈丰民，等．埋地集输管道保温层优化设计［J］．油气田地面工程，2006，25(4):32－34．

［16］董正远．计算埋地管道经济保温厚度的一个新模型［J］．油气储运，2007，26(11):30－34．

［17］秦晓博，陈保东，孙维，等．基于EXCEL在热油管道保温层经济厚度计算研究［J］．管道技术与设备，2010(6):16－18．

［18］李少华，刘宝玉，戚积功，等．架空高温输油管道保温层厚度设计［J］．当代化工，2011，40(1):97－99．

［19］于丽丽，王为民，张纯静，等．架空热油管道保温层厚度计算［J］．当代化工，2012，41(1):103－105．

［20］杜义朋，王为民，王亮，等．列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度［J］．辽宁石油化工大学学报，2012，32(4):48－50．

［21］何磊，汪志华．高温蒸汽管道保温层厚度计算影响因素的研究［J］．能源与节能，2014(10):59－60．

［22］施雯，童汉清，梁飞华，等．炼厂内高温管道保温层的优化设计［J］．油气储运，2015，34(1):104－106．

［23］杨嘉瑜．国外输油管道保温技术概况及发展［J］．国外油田工程，1997(5):42－45．

［24］刘承婷．蒸汽管道保温材料与保温结构优化研究［D］．大庆:东北石油大学，2013:1－6．

作者:邓志强 施雯 王琪 谢海彬 陈宏杰 单位:广东石油化工学院