土壤含水率對蒸汽直埋供熱管道熱損失的影響*

郭嘉偉，王為術(shù)**，易祖耀，商永強(qiáng)，鄭毫楠，葛學(xué)文

(1. 華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南鄭州 450045；2. 華電鄭州機(jī)械研究院有限公司，河南鄭州 450046)

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)可以大幅度提高煤轉(zhuǎn)化熱效率，2016年國家出臺熱電聯(lián)產(chǎn)長距集中供熱管理辦法，長距離集中供熱可有效防范化解煤電產(chǎn)能過剩風(fēng)險，實現(xiàn)供熱污染物集中超低排放，提高城鎮(zhèn)供熱質(zhì)量和城鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量，大力發(fā)展燃煤電站長距集中供熱是節(jié)能減排和推動供熱供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必然趨勢。供熱輸送的是高于環(huán)境溫度的介質(zhì)，必然存在熱量損失和壓力損失，若按照常規(guī)設(shè)計，蒸汽管網(wǎng)壓降0.06～0.1 MPa(以1 km計)，常規(guī)設(shè)計蒸汽管網(wǎng)溫降約15℃(以1 km計)，50 km供熱半徑的供熱總壓降損失高達(dá)5 MPa,管網(wǎng)熱損溫降高達(dá)75 ℃，長距離供熱工程推廣的關(guān)鍵是輸供管道的節(jié)能降損。

供熱管道主要有直埋、架空和混合敷設(shè)方式，管網(wǎng)壓降和溫降主要決定于管外熱量散失和管內(nèi)介質(zhì)阻力耦合作用，直埋敷設(shè)管外熱經(jīng)過保溫結(jié)構(gòu)向管周土壤散失，研究管網(wǎng)熱在保溫結(jié)構(gòu)和土壤中的熱質(zhì)傳輸過程規(guī)律是直埋管節(jié)能降損的關(guān)鍵。

針對輸油和常規(guī)供熱管網(wǎng)工程，研究者主要采用理論建模和數(shù)值仿真方法開展保溫層和土壤熱濕傳遞過程。樊洪明等[1]采用保形映射分離變量和邊界離散法對直埋管道保溫層和土壤鄰域溫度場進(jìn)行了較精確的分析，得到了級數(shù)形式的解。吳國忠等[2]提出了一種埋地管道傳熱計算模型，研究了埋地輸油管道和土壤在停輸時的非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。魏亞志等[3]采用數(shù)值模擬分析了凍土層凍結(jié)和土壤含水率對地源熱泵水平埋管換熱器熱損失的影響。蔡衛(wèi)東等[4]研究了在不同工況下蒸汽輸送管道的最大輸送距離。李鋼[5]采用邊界元法程序?qū)?fù)合保溫結(jié)構(gòu)直埋管道溫度場進(jìn)行了分析。王海波等[6]研究了孔隙率和飽和度對土壤熱物性的影響，得出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均隨飽和度的增大而增大。高青等[7]對不同含水率的土壤進(jìn)行了研究并分析了土壤含濕特性對土壤傳熱能力的影響。Oosterkamp等[8]研究了直埋管道表面土壤的邊界條件對管道傳熱計算的影響。Li等[9]建立了基于能量-質(zhì)量平衡守恒原理的地下管線熱濕耦合數(shù)學(xué)模型，初步估算了地下管線周圍溫度場和濕度場的分布特征，計算了地下管線周圍土體在寒冷條件下的熱濕狀態(tài)，得出了保溫層熱參數(shù)和厚度之間的關(guān)系。Dai[10]分析了土壤深度、大氣溫度、原油初始溫度、保溫材料等因素對直埋管道內(nèi)原油總凍結(jié)時間的影響。

目前對供熱管網(wǎng)的研究多集中在保溫結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的影響，而對直埋供熱管網(wǎng)的研究往往忽略含水率對管網(wǎng)散熱影響。為研究特殊土壤邊界管網(wǎng)散熱的影響規(guī)律，提高長距離供熱管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，筆者采用數(shù)值方法，研究了典型直埋管段管道保溫和散熱傳輸受土壤物性的影響規(guī)律，為長距供熱管網(wǎng)的設(shè)計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)理模型和計算方法

1.1 物理模型

取1 km管段為管道物理模型，其中工作管道直徑為426 mm，壁厚9 mm，保溫層外套厚度為120 mm，外部再添加1個外套鋼管，鋼管厚度為9 mm。保溫層與外套鋼管中間留有空氣層。管道使用的保溫層材料為玻璃棉、摩根保溫棉和多腔孔陶瓷復(fù)合絕熱材料(CNT)，其中玻璃棉為管道常用保溫材料，摩根保溫棉為一種新型保溫材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、價格低等特點，CNT是由?；沾芍锌瘴⒅椤⒎礋彷椛浼{米粉體和陶瓷纖維復(fù)合而成的一種保溫材料，具有使用柔韌性強(qiáng)、性狀穩(wěn)定等特點。保溫材料熱物性見表1，其中t為溫度，單位為K。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)通過UDF模型進(jìn)行定義。

表1 保溫材料熱物性

在管道傳輸過程中，因管道與土壤無物質(zhì)交換，僅有能量交換。因此只需考慮土壤的熱物性對管道傳輸?shù)挠绊?。土壤熱物性計算如下[11-12]。

土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ計算式見式(1)：

土壤比熱容Cp計算式見式(2)：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Cp為比熱容，J/(kg·K)；ω為含水率。

管道及土壤網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 直埋管道網(wǎng)格模型

由圖1可見：為提高計算精度，根據(jù)管道結(jié)構(gòu)，對模型流域、管壁保溫層、土壤等分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對流域部分進(jìn)行加密。因模型為左右對稱結(jié)構(gòu)，為增加計算速度，網(wǎng)格劃分采用鏡像方式，僅對一半模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最后總網(wǎng)格數(shù)為(400～500)萬。

1.2 數(shù)值方法和邊界條件

使用FLUENT軟件進(jìn)行計算，數(shù)值模擬中采用雷諾數(shù)平均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使動量方程封閉，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，采用二階迎風(fēng)格式差分，壓力速度耦合選用SIMPLE算法。管道內(nèi)壁面采用無滑移條件，壁面處速度U的x，y，z方向上的速度分量u=0、v=0、w=0，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

入口采用速度入口(velocity inlet)，壓力為1.5 MPa，溫度為573 K，供熱管道入口采用流量入口邊界條件，流量設(shè)為55 t/h，出口使用自由出流。土壤上表面為對流換熱，對流溫度為288 K，對流換熱系數(shù)為15 W/(m2·K)。較深處的土壤溫度基本保持不變，為恒定值，將土壤下表面視為恒溫層，溫度設(shè)為278 K。由于土壤軸向的溫度變化比徑向的溫度變化較小，將距離管道一定距離的土壤側(cè)表面視為絕熱，模型土壤側(cè)表面與管道距離(土壤側(cè)邊距)的選取應(yīng)基于不影響計算結(jié)果且盡量減小計算域的原則，土壤側(cè)邊距取值為3，5，7 m進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見表2。

表2 不同側(cè)邊界土壤管道出口參數(shù)

由表2可見：當(dāng)土壤側(cè)邊界與管道的距離由3 m提高至5 m時，管道溫降由5.167 06 K升至5.190 32 K，計算結(jié)果的差值為0.023 26 K；當(dāng)土壤側(cè)邊界與管道的距離由5 m提高至7 m時，計算結(jié)果差值為0.003 62 K，僅相當(dāng)于管道溫降的0.07%。后者的差值僅為前者的0.15倍。因此，綜合考慮計算準(zhǔn)確性與計算速度，土壤側(cè)邊距選擇5 m為最佳。

2 結(jié)果與討論

2.1 直埋管道及周圍土壤溫度分布

以埋深為1.5 m、保溫材料為玻璃棉的管道為例，進(jìn)行管道溫度分布的分析，管道在軸向500 m處的溫度云圖見圖2。

圖2 直埋管道及土壤截面溫度分布

由圖2可見：經(jīng)過保溫層后，溫度驟降，再經(jīng)過土壤的熱傳導(dǎo)，溫度逐漸降低，高溫區(qū)域均集中在管道流域以及工作鋼管。管道正上方溫度變化較快，在接近于土壤上表面時，溫度已經(jīng)趨于對流溫度288 K，這是由于土壤上表面為對流換熱，熱量耗散速率要大于土壤中熱傳導(dǎo)的速率。下方離管道較近區(qū)域，溫度降低速率與水平方向的溫度下降速率接近；距離管道較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于恒溫層的存在，溫度下降速率加快并迅速達(dá)到恒溫層溫度。管道水平方向溫度分布較均勻。因此，除土壤物性、管道結(jié)構(gòu)會對管道的換熱造成影響外，管道埋深同樣會對管道的換熱造成較大的影響。

2.2 土壤含水率對管道熱損失影響

蒸汽直埋管道在不同土壤含水率條件下，溫度隨輸送距離的變化趨勢見圖3。

圖3 溫度隨輸送距離的變化趨勢

由圖3可見：管道溫度在輸送距離較小時變化較為劇烈，之后趨于平緩，且土壤含水率越高，其溫降速率就越快，溫降程度也較大，表明土壤含水率的升高會使管道溫降增大，會降低經(jīng)濟(jì)性。對比5種不同含水率土壤中的管道的溫降趨勢，當(dāng)含水率較低時，含水率的變化對管道溫降的影響更大，這是由于隨著含水率的升高，含水率變化對土壤熱物性的影響會減小。因此，在工程施工過程中，若土壤含水率處于較低水平時(0～10%)，應(yīng)盡量選擇在低含水率的土壤中進(jìn)行敷設(shè)，若管線處于含水率較高的區(qū)域(10%～20%)，此時將管線調(diào)整至含水率較低區(qū)域，對于管道熱損失的改善較為有限，但考慮調(diào)整管線的經(jīng)濟(jì)性成本較大，該調(diào)整并不一定可以提高管道的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 不同埋深時土壤含水率對蒸汽管道熱損失的影響

當(dāng)埋深分別為1，1.5，2 m時，保溫材料為玻璃棉的直埋管道的出口溫度隨土壤含水率的變化情況見圖4。

圖4 出口溫度隨含水率的變化

由圖4可見：分析出口溫度隨含水率變化趨勢，管道的熱損失隨著管道覆土深度的增加而減??；但當(dāng)土壤含水率較高時，增大覆土深度對管道熱損失的改善會降低。在同一土壤含水率條件下，埋深由1 m增至1.5 m時的出口溫度的變化小于埋深由1.5 m增至2 m時的管道出口溫度的變化，這是由于管道敷設(shè)于地面以下時，管道總散熱量受地面對流散熱部分影響較大，加大管道埋深可使土壤上表面溫度降低，減少土壤的對流散熱，土壤對管道起到了保溫效果，加大埋深相當(dāng)于增大了保溫層厚度，而隨著埋深的增加，管道受土壤管道上表面對流散熱的影響較低，此時土壤下方恒溫層對管道的散熱造成了一定的影響，因此當(dāng)管道埋深到一定程度時，增大埋深對管道保溫性能的提高影響減小，此時增大埋深對熱經(jīng)濟(jì)性的提高幅度影響較小。隨著含水率的升高，改變埋深對管道熱損失的影響也降低，這是由于土壤相當(dāng)于管道的一層保溫層，而土壤的保溫效果在高含水率情況下較差，此時增大覆土深度對管道保溫效果的影響較小，即高含水率情況下改變覆土深度對管道保溫性能的影響較小。因此，在管線施工時，應(yīng)綜合考慮其地區(qū)施工成本、含水率及其對熱經(jīng)濟(jì)性的影響，選擇合適的覆土深度。

2.4 土壤含水率對不同保溫方案管道熱損失的影響

為提高直埋蒸汽管道保溫效果，降低土壤含水率對管道熱損失影響，將保溫層分為2層，采用不同的保溫材料，提出4種保溫方案，結(jié)果見表3。

表3 不同保溫方案及其保溫參數(shù)

當(dāng)埋深為2 m時，考察土壤含水率對不同保溫方案管道熱損失的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 溫降隨含水率的變化

由圖5可見：隨著含水率的增大，不同方案的直埋管道的溫降均在增大，但熱損失增大的速率隨含水率的增大而降低。當(dāng)含水率較低時，土壤對管道保溫效果較好，此時采用不同的保溫方案對管道的保溫效果差別不大，保溫材料的選取應(yīng)主要考慮價格成本。但隨著含水率的增大，土壤對管道的保溫效果逐漸降低，不同保溫方案對管道保溫效果的差異較大。使用保溫方案2及保溫方案4時，由于摩根保溫棉的保溫性能低于其他保溫材料，當(dāng)含水率較高時，管道的熱損失明顯高于其他保溫方案的熱損失。保溫方案2及保溫方案4中使用的摩根保溫棉的厚度不同，在高含水率時若增大摩根保溫層的厚度，會造成熱損失增加較多，因此在高含水率時，應(yīng)盡量減少摩根保溫層的使用。保溫方案1和保溫方案3的保溫性能要優(yōu)于單獨使用玻璃棉保溫的保溫性能，且隨著含水率的升高，保溫方案1和保溫方案3熱損失增大的速率小于其他保溫方案，即保溫方案1和保溫方案3受含水率變化的影響較小，在土壤含水率較高時，保溫方案1和保溫方案3明顯優(yōu)于其他方案。對比方保溫案1和保溫方案3，雖然CNT+玻璃棉的保溫明顯優(yōu)于單獨使用玻璃棉時的保溫性能，但增大CNT保溫層的厚度對降低管道熱損失作用較小，因此在高含水率時，使用CNT+玻璃棉的保溫性能較好，但應(yīng)根據(jù)材料成本選擇合適的CNT保溫層厚度。

3 結(jié)論

1)土壤含水率的升高會增大直埋管道的熱損失，降低熱經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)土壤含水率為0～10%時，土壤含水率的變化會使管道溫降的增幅較大，而土壤含水率為10%～20%時，土壤含水率的變化對管道溫降的影響較小。

2)當(dāng)管道埋深低于2 m時，增大管道覆土深度可減小直埋管道的熱損失，但隨著覆土深度的增大保溫效果的提升也會減小，且土壤含水率較高時，改變埋深對管道熱損失的影響較小，在施工中應(yīng)選擇合適的覆土深度。

3)含水率較低時，改變保溫方案對管道熱損失影響較小，含水率較高時，使用摩根保溫棉+玻璃棉保溫的管道熱損失要大于單獨使用玻璃棉，使用CNT+玻璃棉保溫的管道保溫效果要明顯優(yōu)于單獨使用玻璃棉的管道，但增大CNT保溫層的厚度對降低管道熱損失的影響較小。