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关于蒸汽直埋管道保温层厚度计算的探讨
依据直埋管道的传热机理，对蒸汽直埋管道的保温层厚度计算进行了新的思考，并提出新的计算方法。
1 前言
当前，蒸汽直埋管道发展迅猛，各地投资相应增大，这就使得优化保温结构设计成为迫切问题。但优化保温结构设计不能仅着眼于管体本身，合理的保温结构设计与计算应综合考虑内
外两方面因素。既要考虑蒸汽的流量、流速等，又要考虑直埋管道的传热机理，鉴于目前的保温层厚度计算方法并不适合于蒸汽直埋管道，下面仅就此谈一些看法，只为研
究提供一个新的思路。
2 蒸汽直埋管道传热机理分析
蒸汽直埋管道的传热机理有别于架空及地沟敷设方式。沿保温层方向的传热要经历如下几个过程。
2.1蒸汽介质与工作钢管内壁之间的对流换热
工作钢管与保温层的绝热材料传热可近似看作一维稳态传热。蒸汽直埋管道沿轴向的温度降相对于沿径向的温度降很小，可以忽略不计。因此沿保温层方向由工作管外壁至外护层外壁之间可视作一维稳态传热。
2.2外护层外壁对土壤传热作二维稳态传热考虑
土壤对直埋管道保温结构的设计影响很大，国内有不少这方面的调研资料都表明，在保温结构设计中，土壤热阻的影响是不可忽视的。因此，把土壤作为保温层的热阻来进行计算是合理的，在计算中，外护层外壁对土壤传热，可作二维稳态传热考虑。土壤表层与外界环境之间传热属于非稳态传热范畴。
3蒸汽直埋管道保温层厚度计算方法
为了进行合理的保温层厚度计算，应对蒸汽直埋管道的实际运行情况进行深入思考。蒸汽直埋管道的实际运行情况表明，蒸汽的整个运行过程是动态变化的。介质蒸汽的温度、压力、流量、蒸汽密度等随着管道输送距离而不断变化。这一动态过程与蒸汽管道各管段的散热损失有密切关系。因此，在综合考虑蒸汽的动态情况后，对蒸汽直埋管道逐管段进行分析计算以确定经济、合理的保温层厚度。
3.1蒸汽直埋管道各管段散热损失的确定
在蒸汽直埋管道保温层厚度计算过程中，一个关键点就是蒸汽管道散热损失的确定。“通则 ”中规定的“允许最大散热损失”值是针对架空、地沟的，同时也是实施节能50%目标以前提出的，对目前蒸汽直埋管道并不适合。因此，有必要探讨适合蒸汽直埋管道的新的思路。
根据国家在节能50%基础上要求热网输送效率达90%以上的规定并结合用户实际要求确定经济合理的散热损失，这是进行保温层厚度计算的出发点。
3.1.1逐管段确定温度降
蒸汽在实际运行过程中，介质蒸汽的温度沿输送线路是逐管段降低的。因此，合理的保温结构设计应逐管段进行设计计算，充分考虑介质蒸汽逐管段的温降值。
整体管线设计前，一般均要考虑用户的实际要求，以确定管网输入、输出端的蒸汽参数。我们可以根据用户的实际要求并结合管网输送效率进行逐管段温度降的计算。
首先，在选定蒸汽直埋管道主干线后，依用户要求，可确定输入、输出端温度差，即主干管线温度降。则主干管线各管段温度降之和已知。我们可以依据管段温度降分配原则将主干管线温度降分配到各管段上。各计算管段温度降的分配原则如下：在满足用户要求的基础上，使整体管网造价趋于最低；符合国家节能法规定，满足管网输送效率达90%以上。
上述原则简单讲就是，大管径管段的温度降值取的稍小一点，而小管径管段的温度降值则可稍大一些。目的就是使整体管网的造价趋于最低。在求得各管段的散热损失后，进行整体管网输送效率计算。如不满足热网输送效率达90%以上的，要进行管段温度降的修正。
由介质蒸汽的输入端开始计算，结合水力计算数据确定最大允许热损失下的管段温度降。以没有分支的管段为单位(即具有固定蒸汽质量流量的管段)按下式进行计算： 式中Q′-计算管段过热蒸汽最大
允许热损失，kJ/h，依据《通则》逐管段按计算温度查得；G-计算管段的蒸汽质量流量，t/h，由水力计算得出； 计算管段蒸汽的平均比定压热容，kJ/kg·℃，由水力计
算得出；△t′-计算管段的过热蒸汽温度降，℃。
各管段在最大允许热损失下的温度降求得后，主干管线在最大允许热损失下输入，输出端的温度差∑△t′也就可得。依据用户要求的主干管线输入、输出端温度差∑△t应为设计参
考值 ，以此为准。显然，∑△t′要大于∑△t。因此，要对最大允许热损失下的温度降进行折减，使其小于等于用户要求的温度降。即选择合理的n值(n值一般都小于1)，使各计算管段
满足n△t′=△t。称n值为管段温度降折减系数。n值的选取因管径而宜，符合如下折减原则：考虑整体管网的经济性；依据国家节能规定，热网输送效率达90%以上。
3.1.2管段散热损失的计算
依用户要求确定各管段温度降后，可按下述公式进行各管段散热损失的计算。
式中Q-计算管段过热蒸汽热损失；G-计算管段的蒸汽质量流量，t/h;CP-计算管段蒸汽 的平均比定压热容，kJ/kg·℃；△t-计算管段的过热蒸汽温度降，℃；q1-计算管段单位管长热损失，W/m；Le-管段的计算长度。
在计算得整体管网各管段散热损失后要进行整体管网的输送效率验算，不满足节能法规定的 热网输送效率达90%以上规定的，要进行管段温度降的修正。
3.2保温结构各保温层热阻值的调整
蒸汽直埋管道保温结构中，对绝热设计起主要作用的热阻为绝热材料热阻与土壤热阻，而工作钢管、保护层、蒸汽介质与钢管内壁换热的当量热阻以及土壤表面与外界环境换热当量热
阻对计算影响甚小，因此可忽略。下面以三层保温结构为例进行阐述。
由传热学原理可推导得下述公式： 式中：q1-管段单位管长热流量，W
/m ；∑Ri-单位管长总热阻，m℃/W；tW-工作钢管外表面温度，℃；tF-地表温度， ℃。
依据前述蒸汽直埋管道传热机理分析，在前述稳态导热情况下，单位管长热流量q1为常数 ，三层保温结构图解如图1。
图中：斜率-q1,单位管长热流量，W/m；R1，R2，R3-各保温层单位管长热阻值， m℃/W； 各保温层单位管长热阻与土壤热阻之和，m℃/W；t-管道沿保温层方向的温度值；t0-工作钢管外表面温度，近似取为介质温度；t1，t
2，t3-分别为各保温层间界面温度；tg-土壤多年平均地温，计算时按当地实际气象、地质资料确定。
管段散热损失Q确定后 ，则图1中斜度q1值已知。那么
，由指定的保温层温度界面可确定该保温层的热阻值。为简化计算引入《工程传热传质学》 下面的近似公式即可逐层求得各保温层厚度及管道中心埋深。
式中：Ri-计算保温层单位管长热阻值，m℃/W；ri-计算保温层外表面半径，m,(i≥1 )；ri-1-计算保温层内表面半径，m；λi-计算保温层在内外壁平均温度下的导
热系数，W/m℃；δi-计算保温层厚度m。 在考虑绝热材料工艺性能后，可用上式计算不同导热系数绝热材料在指定温度界面下的厚度，进行经济技术比较后，即可选定绝热材料。
经上述过程确定保温层厚度及管道埋深后，若与绝热工艺有悖，则在前述图解中进行热阻值适当调整，以确定合理的保温层厚度及对应的温度界面。
3.3蒸汽直埋管道保温层厚度验算
经保温层热阻合理调整后，可用下述公式对热阻图解进行验算。同时，该验算可作为规范计算书。
由传热学原理推导得如下公式：
经查阅资料及多次实际运算，公式(4)与(5)结果相差不大。所以在实际上大多使用(4)式进行计算。
式中：q1，t0，t1，t2，t3，tg符号意义同前。
D0-工作钢管直径，m；D1，D2，D3-各保温层直径，m；λ1，λ2，λ3- 各保温材料的导热系数，W/mK；λg-土壤导热系数，W/mK；H-管道埋设深度，计算时采
用管道中心线至地表的距离，m。
由上述公式可得D1，D2，D3，H值，进而可求得各保温层厚度。
4工程实例计算
工程设计条件，本直埋蒸汽管道热网布置如图2，内部介质为过热蒸汽，输入端蒸汽参数：1.2MPa，300℃，蒸汽流量100t/h。土壤导热系热1.2W/mK。要求：末端用户介质蒸汽输出参数满足0.8MPa，260℃。
本文因篇幅所限，蒸汽管道水力计算表不附，文中所引用水力计算数据均可由工程设计条件 推得。
4.1各管段温度降的确定
由于整个管网始末端温差已定，现就蒸汽管道水力计算数据确定 各管段温度降。
由输入端开始计算，逐管段依据管段管径，管段介质温度查表可得该管 段最大允许散热损 失。根据公式可计算得管段温度降。
计算过程如下：
则∑△t′=88℃，而按用户要求：∑△t=300-260=40℃。因此各管段温度降应按管段最大 允许热损失下的温度降值进行折减，即选择合理的n值，使n
△t′=△t。
本例中：AB段，BC段，CD段，DE段，取n=0.6，EF段，FG段，取n=0.5。
4.2各计算管段热损失值的确定
各管段温度降与该管段热损失近似于正比关系(蒸汽参数确定)。
因此，各管段最大允许热损失乘以各管段温度降折减系数即为各管段热损失值。
本例计算如下：
4.3设计保温层
本例按内滑动复合结构设计，见图3。根据需要亦可设计为外滑动复合结构。
4.4AB管段保温层厚度计算
4.4.1各层间温度界面确定
首先对绝热材料热阻值进行调整，以确定经济合理的保温层厚度。可按图1进行热阻调整。 经技术、经济比较后，本例确定各层间温度界面如下：
硅酸钙与玻璃棉间温度界面控制在180℃，玻璃棉与聚氨酯间温度界面控制在100℃，外护层 (玻璃钢)与土壤界面控制在55℃。
4.4.2各层保温材料导热系数计算
硅酸钙导热系数：λ1=0.055+0.00011(Tm-To)=0.074W/mK；
玻璃棉导热系数：λ2=0.044+0.00017(Tm-To)=0.056W/mK；
聚氨酯导热系数：λ3=0.0275+0.00014(Tm-25)=0.035W/mK。
4.4.3各保温层厚度计算
根据由传热学原理推得公式(1)～(5)计算得：
4.5校核极高地温
当地面受太阳辐射及环境气温影响而升温，直埋管道保温结构的温度场将发生变化，单位管长热损失值降低，各界面温度值升高。这样可能对一些有温度要求的控制界面造成破坏(如有机与无机接触处的温度界面要保证有机保温层不破坏)，因此要校核极高地温下的保温结
构设计计算。
因为地面受外界影响升温属非稳态导热，在地面达到极高地温后，继续向下传热需要较长一段时间，也就是说，采取极高地温进行校核只是考虑传热状态的最不利情况，实际是达不到该情况的。
极高地温时，埋地管温度场分布如下式： 极高地温，本例中，由当地气象资料查得为40℃；q1′-极高地温下，单位管长热流量； 均为极高地温下，各保温层导热系数，该
数值与多年平均地温下各保温层导热系数值相差不大。可由热阻图解
以上计算的各界温度虽然较要求升高，但考虑到极高地温状态是短期表现，各层保温材料及 外护层可以承受，故本例不再调整厚度。
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