水泥厂保温层经济厚度影响因素探讨

水泥厂保温层经济厚度影响因素探讨

郭 涛

本文以圆筒与平面的保温层经济厚度为研究对象，分析了影响层经济厚度的敏感度的10种因素，得出量化影响规律。研究表明，圆筒和平面保温层经济厚度的计算结果误差与管径及保温层经济厚度都有关系，当管道外径为1000mm（GB/T 8175-2008中之规定）时，二者的相对误差范围在5%～38.6%之间，保温层经济厚度＜200mm时的相对误差在20%以内；热能价格、运行时间、年利率、偿还年限、风速对保温层经济厚度影响不大；但在进行水泥厂保温层经济厚度设计时，必须考虑流体温度、管道外径、环境温度、保温层导热系数以及保温层单位投资价格的影响，进行优化设计。

水泥；保温；经济厚度；优化

1 前言

水泥生产工艺历经立窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法窑，发展到新型干法水泥生产工艺，在传热方式以及热能利用方面有了重大变革。对于新型干法工艺，减少热损失，不仅可以提高热能的利用效率，实现国家“十二五”节能减排约束性目标，而且可以避免流体温降过大出现露点腐蚀或不能满足原料磨入口温度要求，保证原料磨、收尘器以及煤磨的正常运行，还可降低操作环境温度保证操作人员安全、寒冷地区防冻等。

管道及设备的保温设计优劣直接影响到系统的正常运行以及能耗水平。保温层厚度增大，相应投资费用增加；保温层厚度减小，热损失加大，甚至会影响设备的正常运行。所以，必须对保温层厚度进行优化设计，确定保温层的经济厚度。

2 保温层经济厚度

保温层经济厚度就是使保温层投资年分摊费用和年散热损失费用之和最小的保温层厚度，如图1所示。保温层经济厚度的计算方法综合考虑了传热基本原理、

材料价格、气象条件、热能价格等因素。

平面及圆筒的保温示意图见图2，式（1）～（5）给出了平面和圆筒保温层经济厚度的计算公式。

2.1 平面保温层经济厚度

式中：

qb——散热量，W/m2

λb——保温层导热系数，W/（m·℃）

α——保温层外壁换热系数，W/（m2·℃）

tf——流体温度，℃

tb——保温层外表面温度，℃

ta——环境温度，℃

δ——保温层厚度，m

综合式（1）、式（2）得：

式中：

F1——单位面积平面年热消耗总费用

b——热能价格，元/GJ

h——运行时间，h

F2——保温层年投资总费用

a——保温层单位投资价格，元/m3

N——保温工程投资偿还年分摊率

2.2 圆筒保温层经济厚度

图1 保温层经济厚度

式中：

qb——散热量，W/m

D0——保温后的管道外径，m

Di——管道外径，m

综合式（7）、式（8）得：

其中，F1为单位管长年热消耗总费用。

式中：

qb——圆筒单位面积散热量，W/m2。

2.3 二者对比

图2 保温示意图

根据GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计导则》[1]中的规定，“管道和圆筒设备外径大于1000mm者，可按平面计算保温层经济厚度”。其表达的含义是：当管道

和圆筒设备外径大于1000mm时，（1）保温层经济厚度随着外径的增加趋势变缓；（2）按式（13）、式（14）计算的保温层经济厚度与按式（6）的计算结果误差是在工程上可以接受的范围内。

图3 不同δ下F（Ri）与1的相对误差

图4 圆筒与平面保温层经济厚度对比

现假设当管道和圆筒的外径Ri趋近于某个值时，式（6）的计算结果与式（13）、式（14）计算结果相同。则式（6）与式（13）、式（14）联立可变形为：

进一步变形为：

图3给出了不同δ下，随着Ri的变化曲线，相对误差指F（Ri）与1的相对误差；图4给出了同等设定条件下，圆筒与平面保温层经济厚度计算结果及其二者的相对误差。

由图4可知，管道保温层经济厚度随着管道外径的增大而增大，但增长趋势趋缓，并趋近于按照平面的计算结果。而由F（Ri）表达式可知，圆筒与平面保温层经济厚度的计算结果误差与管径Ri及保温层经济厚度δ都有关系，具体见图3。由图3可见，当管道外径为1000mm（GB/T 8175-2008中之规定）时，二者的相对误差范围在5%（δ=50mm）～38.6%（δ=500mm）之间，保温层经济厚度＜200mm时的相对误差在20%以内。

3 不同因素对保温层经济厚度影响的敏感度分析

由式（6）和式（13）、式（14）可知，保温层经济厚度受到流体温度、环境温度、保温层导热系数、热能价格、保温层单位投资价格等多种因素的影响。在个性化的优化设计中，各个因素在不同地区有不同的取值，其取值对保温层经济厚度产生影响。

下面将考察不同因素对保温层经济厚度的量化影响规律，作为不同因素取值得出计算结果的误差估计基础。考察因素及取值范围以及典型值见表1，选取了6种不同的保温材料，其导热系数见图5，其中，特征温度t=（tf+tb）/2。本文分别对平面和圆筒进行了考察，不同因素对保温层经济厚度的影响结果见图6～17。

由图6可知，保温层经济厚度随热能价格的增加而增大，而保温层经济厚度变化率则随着热能价格的增大而减小，对平面影响较圆筒大。热能价格5～15元/GJ范围内，保温层经济厚度变化率为18～38mm/（元/10GJ）；15～35元/GJ范围内，保温层经济厚度变化率为11～22mm/（元/10GJ）；35～60元/GJ范围内，保温层经济厚度变化率为8～16mm/（元/10GJ）。而不同地区的热能价格一般在36～60元/GJ[2]，故在热能价格35～60元/GJ范围内，可认为热能价格取值对保温层经济厚度的确定影响不大。

表1 考察因素以及取值范围

由图7可知，保温层经济厚度随着材料单位投资价格的增加而减小，保温层经济厚度变化率亦随着材料单

位投资价格的增大而减小，对平面影响均较圆筒大。材料单位投资价格500～1500元/m3范围内，保温层经济厚度减小率为30～115mm/（1000元/m3）；1500～3000元/m3范围内，保温层经济厚度减小率为15～50mm/（1000元/ m3）；3000～6000元/m3范围内，保温层经济厚度减小率为10～20mm/（1000元/m3）。而这里的保温材料单位投资价格包含了材料费用、运输费用、施工费用、施工管理费用和运行维护费用等，一般在1500元/m3以上。材料单位价格3000～6000元/m3范围内，可认为材料单位价格取值对保温层经济厚度计算结果影响不大，但1500～3000元/ m3范围内，则必须考虑材料单位投资价格的影响。

热能价格较低时，或者材料价格较高时，保温层经济厚度较小，按此厚度下的散热损失超出限定值（见图8、图9），实际采用时，可以在经济厚度的基础上加大，按照最大允许散热损失（见表2）的80%～90%计算保温层厚度。

保温层经济厚度随着年运行时间的增加而增加，保温层经济厚度变化率随着材料单位价格的增大而减小，对平面影响均较圆筒大（见图10）。年运行时间6500～7000h范围内，保温层经济厚度变化率为6～10mm/（1000h）；7000～8000h范围内，保温层经济厚度变化率为4～8mm/（1000h）。可见，年运行时间对保温层经济厚度的计算影响不大。

保温层经济厚度随着年利率的增加而减小（图11）。在年利率7%～15%范围内，保温层经济厚度变化率1～2mm（1%年利率），其对保温层经济厚度的影响亦可忽略。

由图12可见，保温层经济厚度随着偿还年限的增加而增加，保温层经济厚度变化率随着偿还年限的增大而减小。偿还年限3～5年范围内，保温层经济厚度变化率为6～13mm/yr；偿还年限5～7年范围内，保温层经济厚度变化率为5～8mm/年；偿还年限7～9年范围内，保温层经济厚度变化率为3～6mm/年。总体而言，偿还年限＞5年时，对保温层经济厚度影响不大。

风速主要对保温层外壁对流辐射综合换热系数（α）产生影响，风速在1～10m/s范围变化时，α变化范围为18.6～33.7W/（m2·℃）。由图13可见，保温层经济厚度基本不变，变化范围0～1mm/（m/s）。

图5 不同保温材料的导热系数随温度变化曲线*

图6 热能价格的影响

图7 材料单位价格的影响

表2 常年运行工况允许最大散热损失值[3]

保温材料导热系数的不同对保温层经济厚度有直

接的影响，由图14可知，当保温层导热系数从0.052W/（m·℃）变化到0.077W/（m·℃）时，保温层经济厚度逐渐增大，对圆筒，从91mm变化到108mm；对平面，从110mm增加至133mm。故在工程应用中，在材料价格可接受的情形下，尽可能选用导热系数低的材料。

图8 单位面积热损失随热能价格的变化

图9 单位面积热损失随材料单位价格的变化

图10 年运行时间的影响

图11 年利率的影响

流体温度是影响保温层经济厚度的重要因素，由图15可见，当流体温度从50℃增大至350℃，保温层经济厚度从42mm（46mm）增加至140mm（181mm）。故必须优化设计不同流体温度对应的不同保温层经济厚度。

环境温度亦对保温层经济厚度的确定产生影响，见图16。从考察的温度范围内可知，当环境温度在-25～5℃以及5～30℃范围内时，保温层经济厚度变化量在5mm以内，故可认为，上述两个温度区间内，环境温度对保温层经济厚度的影响不大。

圆筒外径对保温层经济厚度的影响（图17），具体可见2.3中的论述。

综上所述，热能价格（在一定范围内）、运行时间、年利率、偿还年限、风速对保温层经济厚度的确定影响不大，但在确定保温层经济厚度时，则必须考虑流体温度、管道外径、环境温度、保温层导热系数以及保温层单位投资价格。此外，国家对节能减排的相关政策，比如碳排放税，也会对保温层经济厚度的确定产生一定影响。

4 水泥厂保温层经济厚度

水泥厂的热风管道、选粉及收尘设备等都需要保温，对常规5000t/d生产线，涉及保温的热风管道直径范围在0.5～6m，内部流体温度100～350℃；收尘设备的操作温度一般在50～200℃。将热能价格、运行时间、年利率、偿还年限、风速、保温层导热系数选定为表3中的基准值，分别考虑保温材料单位投资价格1500元/m3和3000元/m3以及环境温度-25℃和30℃，计算平面及不同直径

热风管道在不同流体温度下的保温层经济厚度。图18、图19给出了水泥厂典型保温设备的保温层经济厚度分布。

图12 偿还年限的影响

图13 全年平均风速的影响

图14 不同保温材料的影响

图15 不同流体温度的影响

图16 环境温度的影响

图17 圆筒外径的影响

由图18可知，流体温度50～200℃范围内，平面保温层厚度分布在35～94mm以及118～186mm范围内，端点最大值代表保温材料单位投资价格1500元/m3以及环境温度-25℃，端点最小值代表保温材料单位投资价格3000元/m3以及环境温度30℃。图19同时考虑了热风管道直径对保温层经济厚度的影响，随着管道直径的增大保温层经济厚度增加，并逐渐接近于同等条件下的平

面保温层经济厚度。流体温度100～350℃范围内，圆筒保温层厚度分布在62～125mm以及173～254mm范围内。故对保温层进行优化设计，必须同时考虑流体温度、管道直径、环境温度以及单位材料投资价格的影响。

图18 平面保温层经济厚度

图19 圆筒保温层经济厚度

5 结论

（1）圆筒与平面保温层经济厚度的计算结果误差与管径及保温层经济厚度都有关系，当管道外径为1000mm（GB/T 8175-2008中之规定）时，两者的相对误差范围为5%～38.6%，保温层经济厚度＜200mm时的相对误差在20%以内。

（2）保温层经济厚度随热能价格、年运行时间、偿还年限、流体温度、保温材料导热系数和管道直径的增加而增大，随着材料单位投资价格、年利率和环境温度的增加而减小，风速对保温层经济厚度基本无影响。且管道保温层经济厚度随着管道外径的增大，其增长趋势趋缓，并趋近于按照平面的计算结果。

（3）热能价格（在一定范围内）、运行时间、年利率、偿还年限和风速对保温层经济厚度影响不大，但在进行水泥厂保温层经济厚度设计时，必须考虑流体温度、管道外径、环境温度、保温层导热系数以及保温层单位投资价格的影响，进行优化设计。

[1]GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计导则》[S].

[2]黄以明,杨小惠.供热管网经济保温层厚度的探讨[J].暖通空调,2007 (37增刊):411-413.

[3]GB/T 4272-2008《设备及管道绝热技术通则》[S].

Study on Influence of Different Parameters upon Economical Thermal Insulation Thickness for Cement Plant

GUO Tao
(Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin,300400)

The sensitivity analysis on influence of 10 parameters upon economical thermal insulation thickness for cement plant has been carried out,based on the pipe and plane economical thermal insulation thickness mod⁃els,aiming for the quantified influencing characteristics.Results show that pipe diameters and economical ther⁃mal insulation thicknesses both have influences on results calculated by pipe and plane economical thermal insu⁃lation thickness models.The relative divergence of results ranges from 5%to 38.6%with the pipe diameter of 1000mm(required in GB/T 8175-2008)and within 20%while the economical thermal insulation thickness is less than 200mm.The heat price,yearly interest,paying back period and air velocity have little influence.How⁃ever,the fluid temperature,pipe diameter,ambient temperature,as well as the thermal conductivity and invest⁃ment price of thermal insulation layer should be paid more attention to while designing the economical thermal insulation thickness for cement plant.

cement;thermal insulation;economical thickness;optimization

TQ172.622.29

A

1001-6171（2013）06-0026-07

��津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400；

2013-07-16； 编辑：赵 莲