兰州地区管道绝热层经济厚度计算

三十年来随着我国经济的快速发展，造成能源约束矛盾突出，按照国家能源中长期发展规划，在充分考虑节能因素的情况下，到2020年我国能源消耗总量将达到30亿吨标准煤，要满足这一要求，无论是增加国内能源供应还是利用国外资源，都面临着巨大压力。我国解决能源问题的方针是“开发与节约并举，把节约放在首位”，节能工作是一种特定形式的“能源开发”，是解决我国能源供应紧张，保护能源资源，保护环境的有效途径。

绝热技术不仅是节能降耗最经济、收益最明显的重要措施，而且随着绝热工程的深入研究和推广应用，已发展成为节约能源，保障设备安全运行，提高经济效益，改善劳动条件，保护人员安全多功能的一项系统性防护工程。

随着能源供求关系的变化和工业结构的调整，能源、原材料等初级产品的价格增速明显快于其它工业产品，在新的价格体系下，有必要对管道保温层经济厚度进行核算。

1．1 绝热层经济厚度定义 《设备及管道保温技术通则》GB 4272-92和《工业设备及管道绝热工程设计规范》（以下称《规范》）GB 50264-97明确绝热层经济厚度为：绝热后，年散热损失所花费的费用和绝热工程投资的年摊销费用之和为最小值时的计算厚度。

   根据绝热层的经济厚度定义，可得：3.795×10^-3  -     (1)

式中：Dn、Do、D₁—分别为管道内径、管道外径、绝热层外径，〔m〕； —绝热材料导热系数，〔W/m·℃〕；

   To—管内流体温度，〔℃〕；   Ta—环境温度，〔℃〕；

 as—绝热层外表面对流换热系数，根据《规范》4.8.4条，在绝热设计中as按下式计算： (2)

t—年运行时间，〔h〕；  P_E—能量价格，〔元/GJ〕； P_T-管道绝热结构单位造价P_T。

需要指出的是：式（1）是根据管道在无限空间中自然对流换热的数学模型推导的。所谓无限空间，指换热面处于教大的空间中，换热面附近的空气自由运动不会受到其他表面的干扰。工程中各种热力设备、热力管道在空气中的放热，可近似看成是无限空间中自然对流换热现象。由于上式中包含室外风速修正，因此也适用室外布置的热力设备和热力管道的散热计算。对于直埋敷设的管道和不通行地沟（空间小）中敷设的管道，由于传热机理复杂，不满足上述理论模型，其绝热设计计算另有公式，不在本文研究范围之内。

《规范》对保温计算参数有明确规定，取值如下：

1.4.1 管道外表面温度To 

当无衬里时，取介质的正常运行温度；当有衬里时，按有外保温层存在的条件下进行传惹计算确定。

1.4.2 环境温度Ta 

1）当管道布置在室外时，若常年运行，Ta取历年的年平均温度的平均值（兰州9.1℃）；采暖季节运行时，Ta取历年运行期日平均温度的平均值(兰州-2.5℃ )。

2）设置在室内的管道， Ta=20℃ 。

3）设置在地沟中的管道， 当外表面温度To 为80℃时，Ta取20℃；当To 在81~110℃ 之间时，Ta取30℃；当To ≧110℃时，Ta取40℃。

1.4.3 绝热层外表面对流换热系数as

按式（2）计算，根据《规范》附录C，兰州冬季室外平均风速W=0.5( m/s)，as=16.56 (W/㎡·℃)；对设置在室内和地沟中的管道，W=0，as=11.63(W/㎡·℃)。

1.4.4 绝热材料导热系数，取在平均设计温度下的导热系数。根据《规范》附录A，兰州最常用的两种绝热材料导热系数参考方程分别为：

岩棉管    〔W/m·℃〕(3)

玻璃棉管  〔W/m·℃〕(4)。

由于绝热层外表面温度Ts是与绝热层外径D1的函数，因此存在按逐次逼近法进行试算，初算时暂定D₁=D₀+0.05(m)，Tm+10〔℃〕。绝热材料平均设计温度下导热系数λm按式-3、式-4计算。

1.4.5 圆筒型单层绝热结构热、冷损失量Q按下式计算：

1.4.6 对Q以W/㎡计的圆筒、平面，其绝热层外表面温度Ts按下式计算：Ts=+Ta(℃) (6)

1.4.7 热价P_E按下式计算 P_E=1000·C₁·C₂·P_F/ Q_net·ar·_B（元/GJ）            

式中 P_F—燃料到场价，（元/吨）；经咨询兰州市靖远煤矿产动力煤市场价500（元/吨）。

Q_net·ar—燃料收到级低位发热量，（KJ/Kg）；靖远产动力煤Q_net·ar =23450KJ/Kg(5600Kcal/Kg)。

_B—锅炉热效率，（_B=0.76~0.92），对大容量、高参数锅炉取值应靠上限，反之应靠下限。根据我国2010年燃煤工业锅炉（运行）能效指标0.70~0.80，结合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005第5.4.3条的要求，本文计算时取_B=0.80。

C₁—工况系数，（ C₁=1.2~1.4），本文计算时取C₁=1.3。

C₂—火用值系数，利用锅炉出口新蒸汽的设备及管道，C₂=1；抽汽管道、辅助蒸汽管道，C₂=0.75。考虑到兰州供热以热水锅炉为主，本文计算时取C₂=1。

兰州地区计算热价P_E=1000·1.3·1·500/23450·0.80=34.64（元/GJ）

1.4.8 管道绝热结构单位造价P_T按下式计算

P_T=（1+D_X）[F_iP_i+F_ia+4×F₁D₁/(D₁²-D₀²)×F₉×P₉+F₉₁] 〔元/m³〕（8）

式中 D_X—固定资产投资方向调节税，（%）；现已取消，取值为0。

F_i—绝热层材料损耗及税费系数，（ F_i =1.10~1.18）；本文计算时取F_i =1.15。

P_i—绝热层材料到场价，通过对兰州希瑞森耐火保温材料有限公司2009年四月报价单的计算、统计、整理，得到兰州地区平均价格为：岩棉管P_i=296.36〔元/m³〕；铝箔离心玻璃棉管P_i=451.25〔元/m³〕。

F_ia—绝热层每立方米人工、管理等附加费，经咨询得到岩棉管、玻璃棉管F_ia=62.7〔元/m³〕 (2004年兰州地区基价)。

F₁—保护层税费系数，F₁ =1.08。

F₉—保护层材料损耗、重叠系数税费系数，（ F₉ =1.20~1.30）；本文计算时取F₉ =1.25。

P₉—保护层材料单价，0.5㎜镀锌薄钢板P₉=22〔元/㎡〕；双层玻璃丝布P₉=4〔元/㎡〕。

F₉₁—管道保护层每立方米人工、管理等附加费，F₉₁=4~7〔元/㎡〕；本文计算时取F₉₁ =7〔元/㎡〕。

由于式（9）P_T是绝热层外径D1的函数，存在按逼近法进行试算，初算时暂定D₁=D₀+0.05(m)。管道绝热结构单位造价P_T计算详见附表-2、附表-5。

1.4.9 年运行时间 t，对常年运行的取8000h；对非常年运行的按实际运行时间计，兰州采暖天数132天，运行时间为3168h。

1.4.10 绝热工程资金回收系数S=i·(1+i)ⁿ/[((1+i)ⁿ)-1] （9）

式中 i—利率〔%〕，本文按银行现有长期贷款利率率7%取，

n-管道绝热结构寿命期，根据保护层材料不同确定，本文对于0.5㎜镀锌薄钢板取10年；双层玻璃丝布取6年。经计算得到0.5㎜镀锌薄钢板：S=14.24%；双层玻璃丝布S=20.98%。

4.1 本文管道绝热层经济厚度计算范围   由于绝热材料和保护层材料的种类繁多且在价格、性能、绝热结构寿命期上相差大；煤、天然气、轻柴油在价格与热值上的差异，热电联产锅炉与采暖热水锅炉在效率、工况系数、火用值系数上的不同，造成每个热源厂的热价难以一致；各地气候条件不同、管道规格多、各种管道输送介质的温度和年运行时间不同。使得管道绝热层经济厚度的计算极其繁琐，为简化计算工作量，本文按兰州地区普遍采用的两种绝热材料（岩棉管、铝箔离心玻璃棉管）、采暖燃煤热水锅炉计算热价、时间按采暖季运行、五档管道规格、管内介质温度三种参数、一次逼近法（计算误差小于5%）进行计算。

4.2.1 计算步骤：按式-3、式-4初算绝热材料平均设计温度下导热系数λm ；按式-8初算绝热材料单位造价P_T；按式-1初算隐函数，查《规范》4.3.3条文说明图1并取整，得到初算保温层厚度。根据初算保温层厚度，重复以上计算，得到经济保温层计算厚度。

4.2.2 由于《绝热用岩棉、矿渣棉及其制品》GB/T11835-1998规定管壳厚度按30、40、50、60、80、100㎜执行；《绝热玻璃棉及其制品》GB/T13350-2000规定管壳（或毡）厚度按25、30、40、50、75、100㎜执行。故设计厚度应符合产品标准。本文取整时以10㎜为单位进行分档。计算结果见表-1、表-2。

兰州地区岩棉制品经济保温厚度表   表1

安装 环境	室外						室内						地沟
保护层	0.5㎜ 镀锌薄钢板			二道玻璃布			0.5㎜ 镀锌薄钢板			二道玻璃布			0.5㎜ 镀锌薄钢板			二道玻璃布
介质 温度（℃）	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150
工程 直径	保温厚度（㎜）
25	30	40	50	40	50	60	30	40	50	30	40	60	30	40	50	30	40	50
50	40	50	60	50	60	70	30	50	60	40	60	70	30	40	60	40	50	70
100	50	60	80	50	70	90	40	60	80	40	60	80	40	50	70	40	60	80
150	50	70	90	60	70	100	40	60	90	50	70	90	40	60	80	50	70	90
200	60	80	100	60	80	100	50	70	100	50	70	100	50	60	90	50	70	90

兰州地区铝箔离心玻璃棉制品经济保温厚度表   表2

安装 环境	室外						室内						地沟
保护层	0.5㎜镀锌薄钢板			二道玻璃布			0.5㎜镀锌薄钢板			二道玻璃布			0.5㎜镀锌薄钢板			二道玻璃布
介质 温度（℃）	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150	60	100	150
工程 直径	保温厚度（㎜）
25	30	40	50	30	40	60	30	40	50	30	40	50	30	30	40	30	50	50
50	40	50	50	40	50	70	30	40	50	30	50	60	30	40	50	30	50	60
100	40	60	70	50	70	80	30	50	70	40	60	80	30	50	70	40	50	70
150	50	70	90	50	70	90	40	60	80	40	60	80	40	60	70	40	60	70
200	50	70	90	50	70	90	40	60	90	50	70	90	40	60	80	50	60	80

4.2.3  关于附加厚度。使用软质绝热材料时，绝热结构设计时应考虑：绝热层长期运行造成的顶部塌陷，下部堆积现象；合理的施工压缩量；绝热层拼缝、间隙和金属插入件形成的额外热损失。建议工程设计时将上述取整厚度再附加10㎜。

4.2.4 通过对表-1、表-2的计算结果对比。发现技术性能相近的岩棉管、铝箔离心玻璃棉管，取整厚度大多相差1~2个规格。这主要是由于管道绝热结构单位造价P_T不同造成的，并非铝箔离心玻璃棉管更经济。相同的绝热材料，当保护层材料不同时，计算结果也不尽相同，P_T值小者厚度较大。同样原因，由于大管P_T值相对较小，其逼近值≧初算值、小管逼近值≦初算值。

4.2.5 将计算结果与《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005附录C、甘肃省标准图集《管道及设备防腐保温》甘02N3 有关数据对比。发现本文的管道绝热层经济厚度计算取整值高于资料值0~3个分档，小管偏于下限，大管偏于上限。

5.1 绝热工程投资见效快、回收期短，是节能的一种有效途径。

5.2 管道绝热层经济厚度并不是一成不变的，在能源、绝热材料价格不断变化的情况下，重新核算并应用，对节约能源、保护环境、提高项目的经济效益有明显的现实意义。

5.3 呼吁我国在修改规范、图集时应重新核算管道绝热层经济厚度。