列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度
第３２卷第４期
２０１２年１
辽宁石
油化
工
大学学报
Ｖ０１．３２Ｎｏ．４
２月
Ｊ（）ＵＲＮＡＩ，（）ＦＩＡＡ（）ＮＩＮＧ－ＳＨＩＨＵＡＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｄｅｃ．２０１２
文章编号：１６７２—６１）５２（２０１
２１０４…００１８
０４
列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度
杜义朋１，王为民¨，王
亮２，纪富强３，刘
杰１，代堪亮１，王秋莎１，张纯静１
（１．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺１１３００１；
２．中国石油辽河石油工程有限责任公司，辽宁盘锦１２４０１０；３．青岛大学数学科学学院，山东青岛２６６０７１）
摘要：
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，达到了节约能源的目的。算例分析结果表明，该方法能够科学地反映保温层厚度与年总费用的关系。该方法简单易懂，可大大提高设计效率和设计质量。
关键词：
经济厚度；保温层；
列表法
ｄｏｉ：１０．３６９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—６９５２．２０１２．０４．０１３
中图分类号：ＴＥ０８
文献标识码：Ａ
ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥｃｏｎｏｍｉｅＴｈｉｃｋｎｅｓｓ
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Ｙｉ—ｐｅｎ９１，ＷＡＮＧＷｅｉ—ｍｉｎ卜，ＷＡＮＧＬｉａｎ９２，ｊｉ
Ｆｕ—ｑｉａｎ９３，ＬＩＵＪｉｅｌ，
ＤＡＩＫａｎ—ｌｉａｎ９１，ＷＡＮＧＱｉｕ—ｓｈａｌ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－－ｊｉｎ９１
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＦｕｓｈｕｎＬｉａｏｎｉｎｇ
２．Ｌｉａｏｈｅ
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ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ，ＰａｎｊｉｎＬｉａｏｎｉｎｇ
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３．Ｃｏｌｌｅｇｅｏ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６０７１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ７
Ｍａｙ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
Ｅｃｏｎｏｍｉｃｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；Ｈｅａｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒ；Ｌｉｓｔｍｅｔｈｏｄ
＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ
ａｕｔｈｏｒ．Ｔｅｌ．：＋８６—２４—５６８６０９２９；ｅ－－ｍａｉｌ：ＷＭＷａｎｇ＠ｌｎｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
管线保温广泛应用于石油、化工、供暖等领域中，是节约能源的有效途径之一［卜２Ｉ。目前，在保温工程中大多采用单层保温技术，确定保温层的最佳厚度对生产实践具有重要意义。运用列表法，可简单准确地确定最佳保温层厚度。
ＰＴ，保温的年热损失费用为Ｐ。，全年的保温总费用为Ｐ，则存在如下关系式。
Ｐ—ＰＴ＋ＰＥ
（１）
保温年费用随保温层厚度的变化趋势如图１所示。
匪
１
经济厚度的定义及其计算原理
通过保温工程实施保温处理后，当年热损失费
椒
地
冉
温的年损失费用资的年分摊费用温的年总费用
用和投资的年分摊费用之和最小时，保温层的计算厚度即为经济厚度‘３｜。设保温投资的年分摊费用为
收稿日期：２０１２一０５一０７
作者简介：杜义朋（１９８６一），男，山东滨州市，在读硕士。＊通讯联系人。
Ｄ
经济厚度
图１
保温层厚度
保温年费用随保温层厚度的变化趋势
第４期
杜义朋等．列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度
４９
由图１可知：投资的年分摊费用Ｐ，随保温层厚度的增加而加大，保温的年热损失费用Ｐ。随保温层厚度的增加而减少，而两种费用之和即Ｐ存在最低点Ｐ曲，Ｐ。ｉ。即为最小年费用。Ｐ。。电所对应的保温层厚度ｄ即为保温的经济厚度。
２
数学模型及计算参数
２．１传热学模型
蒸汽管道及其保温层的横截面如图２所示。
图２
蒸汽管道及其保温层的横截面
根据传热学的基本公式，若忽略保护层的热阻影响，则管道的单一保温层的单位热损失可用下式进行计算Ｈ］。
ｑＬ一掣一工百Ｉ
Ａｊｔｌ丁
（２）
２７【２…Ｄｎ’７【Ｄ１
ｄ
式中，ｑ。为管道的单位热损失，Ｗ／ｍ；Ｒ。。为热阻，ｍ・Ｋ／Ｗ；Ｊ△￡ｌ为保温介质温度与环境温度之差，
Ｋ；Ａ为保温材料的导热系数卜６。，Ｗ／（ＩＴＩ・Ｋ）；ａ为
保温层表面换热系数，ｗ／（ｍ２・Ｋ）；Ｄ。、Ｄ。分别为保温层的内外直径，１ＴＩ。２．２经济计算参数
２．２．１
热价在实际保温过程中，很难准确确定生
产成本。在这种情况下，可以先进行估算。以燃料进价为基准，通过燃烧效率和经验系数推算热价。热价Ｐ。的推算公式见式（３）。
Ｐ。一！竖坐×１０—６
（３）
ｇＦ刁Ｂ
式中，Ｐ。为热价，元／ｋＪ；Ｐｒ为燃料的进厂价格，元／ｋｇ；ｑｒ为燃料的低发热值，ｋＪ／ｋｇ；７７Ｂ为锅炉的热效率，班一０．７０～０．９２，对大容量、高参数的锅炉取上限值，反之取下限值；Ｃ，为工况系数，Ｃ。一１．２～１．４，对大容量、高参数的锅炉取上限值，反之取下限值；Ｃ：为火用值系数（见表１Ｅ７３）。
表１失用值系数表
设备及管道种类
火月值系数
利用锅炉出口新蒸汽
１．ＯＯ
抽气管道，辅助蒸汽管道
０．７５
疏水管道
０．５０
通大气的放空管道
０
２．２．２保温结构的单位造价
保温结构的单位造
价ＰＴ是指每立方米保温工程量所消耗的投资费用，单位为元／ｍ３，其投资费用不仅包括保温材料及施工费，还包括保护层材料及施工费。保护层材料及施工费通常以单位展开面积厂进行计量，需要折算为单位体积ｙ的分摊费用，即（ｆ／Ｖ）Ｐ，才能计人保温结构的单位造价ＰＴ，运用于各经济厚度计算公式之中。为此，介绍有关公式及经验数据。
对管道保温而言：
ＰＴ＝（１－－ｋ
Ｄ）［ＦＰ。＋Ｆ。＋丢≠兰‰（Ｆ：Ｐ：＋Ｆ。）］
（４）
式中，Ｐ。为保温层材料的进厂单价，元／ｍ３；Ｐ。为保护层材料的进厂单价，元／ｍ３；Ｄ为固定资产投资方向调节税税率（根据１９９１年国务院第８２号文规定，可分为０％、５％、１０％、１５％、３０％等），％；Ｆ为保温
层材料损耗及费税系数，Ｆ＝１．１０～１．１８；Ｆ。为保温层每立方米人工、管理等附加费，元／ｍ３；Ｆ，为保护层费税系数，Ｆ。取１．０８；Ｆ：为保护层材料损耗、重叠系数，Ｆｚ一１．２０～１．３０；Ｆ。为管道保护层每立方米人工、管理等附加费，Ｆ。＝４～７元／ｍ３。２．２．３其它参数
（１）环境温度
环境温度ｔ。，是指运行期间的平均气温，Ｋ。若长年运行，则通常取历年年平均气温的平均值；若季节性运行，则取历年运行期平均温度的平均值。
（２）外表面换热系数
绝热结构外表面换热系数ａ¨］，在经济厚度运算中常采用一定值，ａ一１１．６３ｗ／（ｍ２・Ｋ）。
（３）年运行时间
若常年运行，则年运行时间ｒ一般取７０００ｈ；
若季节性运行，则取实际运行时间。
（４）投资的年分摊率
投资的年分摊率Ｓ按复利计息，见式（５）［９２。
ｓ一粉
（５）
式中，ｉ为年利率，％，一般取１０％；卵为计息年限，一般取１０～１５
ａ。
５０
辽宁石油化工大学学报第３２卷
２．３列表法求解的经济模型
列表法是利用管道保温年总费用，将其列表为年热损失费用、投资的年分摊费用和年总费用，并按由小到大的顺序拟定保温层厚度，依次将结果填入表中，当出现最小年总费用时，其所对应的保温层厚度即为所求的经济厚度。
管道的年保温总费用的基本关系式为：ＰＩ，一Ｐ，Ｉ竿（Ｄ；一Ｄｉ）Ｓ＋１０＿６×
Ａ
Ｔ１ＰＥｒⅡｌ
Ａｔｌ
７【ＤＩ口
（６）
２“Ａ１“Ｄｏ
其中，Ｐ。，为管道的年保温总费用，元／（ｍ・ａ）；ＰＴ为保温结构的单位造价，元／ｍ３，ＰＴ＝［ＦＰ。十Ｆｏ十
器（Ｆ２Ｐ。＋Ｆ３）］ｏ
计算保温层绎济厚摩所需参数唧．表２．
表２计算保温层经济厚度所需参数
④保温层厚度Ｄ。。计算保温层经济厚度时，首先需要根据进行保温的蒸汽温度的高低估计保温层厚度，然后在此基础上厚度的取值均比前一次增
加１０ｍｉｌｌ。
３
应用实例
辽河油田主要出产稠油，采油时需要向井下注
蒸汽［１“。辽河油田曙光采油区的注蒸汽管道其尺寸为西１０８
ｍｍ×８
ｍｍ，管内蒸汽温度为３００℃。
②保温层费用Ｐｔ。，为投资的年分摊费用中保温层部分的分摊费用。管道保温层费用的计算式为：
ＰＴｌ一ＰＴｄ７１ｊ＼一２１一Ｄｏｅ）Ｓ
已知曙光采油区的蒸汽管线常年运行，此区的年平均气温为１０。Ｃ，投资年利率为１０％，计算年数为
１０
ａ，锅炉烧天然气，热值为３．３４５×１０ｋＪ／ｍ３，价
４
格为１．２０元／ｍ３，保温层材料（岩棉）的导热系数Ａ
一０．０１６＋０．０００
１５ｔ。。其中，ｔ。为蒸汽温度与外界
一（ＦＰｌ＋Ｆｏ）车（Ｄ｝一Ｄ；）Ｓ
（７）
温度之和的二分之一。
根据文中所述，保温层经济厚度计算数据见表
３。
③保护层费用ＰＴ。，为投资的年分摊费用中保护层部分的分摊费用。管道保护层费用的计算式为：
在表３的计算列表中，每一行（咒≥２）的Ｄ。均比前一行增加１０ｍｍ，直到保温的年总费用从由大逐渐变小转变为由小变大，出现最小年费用为止，最小年费用所对应的保温层厚度即为所求经济厚度。
由表３可见：本例的最小年费用为１
０４．１２
ＰＴ：一ＰＴ孕（Ｄ；－－Ｄ０２）ｓ
一器（Ｆ。Ｐ。＋Ｆａ）百＂／Ｔ＼ｕ２，一。；）ｓ（８）
ＰＭ—ＰＴｌ＋ＰＴ２
（９）
④ＰＭ为Ｐ，。与ＰＴ：之和，即
元／（ｍ・ａ），其所对应的保温层厚度２５０ｍｍ即为所求的经济保温层厚度。
⑤管道热阻Ｒ的计算式为：
Ｒ一赤・ｎ甓＋击
⑥管道热损失ｑ。的计算式为：
（１０）４
结束语
运用列表法计算了经济厚度，计算结果与辽河
ｑ。一Ｌ会｝；其中，△￡一ｚ。～￡。
⑦管道热损失费用ＰＥＬ的计算式为：
ＰＥＬ—ＡＰＥｑＩ．ｒ×１０
６
（１１）
油田曙光采油厂蒸汽管道的保温层实际厚度（２４５ｍｍ）基本相符。可对表中保温层经济厚度附近数据范围进行更细的划分，从而确定出更准确的保温
（１２）
层厚度，达到节约能源、提高设计效率和质量的目
的。
式中，Ａ为热能单位转换系数，Ａ一３．６ｋＪ／（Ｗ・ｈ）。
⑧年总费用Ｐ为ＰＭ与Ｐ。。之和，即
Ｐ—ＰＭ＋ＰＥＬ
（１３）
第４期
杜义朋等．列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度
５１
表３保温层经济厚度计算数据
参
［１］Ｅ２］［３］［４］［５］
考
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列表法计算架空蒸汽管道保温层经济厚度
作者：作者单位：
杜义朋， 王为民， 王亮， 纪富强， 刘杰， 代堪亮， 王秋莎， 张纯静， DU Yi-peng， WANG Wei-min， WANG Liang， JI Fu-qiang， LIU Jie， DAI Kan-liang， WANG Qiu-sha， ZHANG Chun-jing
杜义朋,王为民,刘杰,代堪亮,王秋莎,张纯静,DU Yi-peng,WANG Wei-min,LIU Jie,DAI Kan-liang,WANG Qiu-sha,ZHANG Chun-jing(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺,113001)， 王亮,WANG Liang(中国石油辽河石油工程有限责任公司,辽宁盘锦,124010)， 纪富强,JI Fu-qiang(青岛大学数学科学学院,山东青岛,266071)
辽宁石油化工大学学报
Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology2012,32(4)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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