土壤含水率对蒸汽直埋供热管道热损失的影响*

郭嘉伟，王为术**，易祖耀，商永强，郑毫楠，葛学文

(1. 华北水利水电大学电力学院，河南郑州 450045；2. 华电郑州机械研究院有限公司，河南郑州 450046)

燃煤热电联产可以大幅度提高煤转化热效率，2016年国家出台热电联产长距集中供热管理办法，长距离集中供热可有效防范化解煤电产能过剩风险，实现供热污染物集中超低排放，提高城镇供热质量和城镇环境质量，大力发展燃煤电站长距集中供热是节能减排和推动供热供给侧结构性改革的必然趋势。供热输送的是高于环境温度的介质，必然存在热量损失和压力损失，若按照常规设计，蒸汽管网压降0.06～0.1 MPa(以1 km计)，常规设计蒸汽管网温降约15℃(以1 km计)，50 km供热半径的供热总压降损失高达5 MPa,管网热损温降高达75 ℃，长距离供热工程推广的关键是输供管道的节能降损。

供热管道主要有直埋、架空和混合敷设方式，管网压降和温降主要决定于管外热量散失和管内介质阻力耦合作用，直埋敷设管外热经过保温结构向管周土壤散失，研究管网热在保温结构和土壤中的热质传输过程规律是直埋管节能降损的关键。

针对输油和常规供热管网工程，研究者主要采用理论建模和数值仿真方法开展保温层和土壤热湿传递过程。樊洪明等[1]采用保形映射分离变量和边界离散法对直埋管道保温层和土壤邻域温度场进行了较精确的分析，得到了级数形式的解。吴国忠等[2]提出了一种埋地管道传热计算模型，研究了埋地输油管道和土壤在停输时的非稳态热传递过程。魏亚志等[3]采用数值模拟分析了冻土层冻结和土壤含水率对地源热泵水平埋管换热器热损失的影响。蔡卫东等[4]研究了在不同工况下蒸汽输送管道的最大输送距离。李钢[5]采用边界元法程序对复合保温结构直埋管道温度场进行了分析。王海波等[6]研究了孔隙率和饱和度对土壤热物性的影响，得出土壤的导热系数和比热容均随饱和度的增大而增大。高青等[7]对不同含水率的土壤进行了研究并分析了土壤含湿特性对土壤传热能力的影响。Oosterkamp等[8]研究了直埋管道表面土壤的边界条件对管道传热计算的影响。Li等[9]建立了基于能量-质量平衡守恒原理的地下管线热湿耦合数学模型，初步估算了地下管线周围温度场和湿度场的分布特征，计算了地下管线周围土体在寒冷条件下的热湿状态，得出了保温层热参数和厚度之间的关系。Dai[10]分析了土壤深度、大气温度、原油初始温度、保温材料等因素对直埋管道内原油总冻结时间的影响。

目前对供热管网的研究多集中在保温结构及运行参数的影响，而对直埋供热管网的研究往往忽略含水率对管网散热影响。为研究特殊土壤边界管网散热的影响规律，提高长距离供热管网的经济性，笔者采用数值方法，研究了典型直埋管段管道保温和散热传输受土壤物性的影响规律，为长距供热管网的设计优化提供了理论依据。

1 数理模型和计算方法

1.1 物理模型

取1 km管段为管道物理模型，其中工作管道直径为426 mm，壁厚9 mm，保温层外套厚度为120 mm，外部再添加1个外套钢管，钢管厚度为9 mm。保温层与外套钢管中间留有空气层。管道使用的保温层材料为玻璃棉、摩根保温棉和多腔孔陶瓷复合绝热材料(CNT)，其中玻璃棉为管道常用保温材料，摩根保温棉为一种新型保温材料，具有重量轻、强度高、价格低等特点，CNT是由玻化陶瓷中空微珠、反热辐射纳米粉体和陶瓷纤维复合而成的一种保温材料，具有使用柔韧性强、性状稳定等特点。保温材料热物性见表1，其中t为温度，单位为K。保温材料导热系数通过UDF模型进行定义。

表1 保温材料热物性

在管道传输过程中，因管道与土壤无物质交换，仅有能量交换。因此只需考虑土壤的热物性对管道传输的影响。土壤热物性计算如下[11-12]。

土壤导热系数λ计算式见式(1)：

土壤比热容Cp计算式见式(2)：

式中：λ为导热系数，W/(m·K)；Cp为比热容，J/(kg·K)；ω为含水率。

管道及土壤网格模型见图1。

图1 直埋管道网格模型

由图1可见：为提高计算精度，根据管道结构，对模型流域、管壁保温层、土壤等分别进行结构化网格划分，并对流域部分进行加密。因模型为左右对称结构，为增加计算速度，网格划分采用镜像方式，仅对一半模型进行网格划分并进行网格无关性验证，最后总网格数为(400～500)万。

1.2 数值方法和边界条件

使用FLUENT软件进行计算，数值模拟中采用雷诺数平均N-S方程和标准k-ε模型使动量方程封闭，选择标准的k-ε湍流模型，采用二阶迎风格式差分，压力速度耦合选用SIMPLE算法。管道内壁面采用无滑移条件，壁面处速度U的x，y，z方向上的速度分量u=0、v=0、w=0，近壁区域采用标准壁面函数。

入口采用速度入口(velocity inlet)，压力为1.5 MPa，温度为573 K，供热管道入口采用流量入口边界条件，流量设为55 t/h，出口使用自由出流。土壤上表面为对流换热，对流温度为288 K，对流换热系数为15 W/(m2·K)。较深处的土壤温度基本保持不变，为恒定值，将土壤下表面视为恒温层，温度设为278 K。由于土壤轴向的温度变化比径向的温度变化较小，将距离管道一定距离的土壤侧表面视为绝热，模型土壤侧表面与管道距离(土壤侧边距)的选取应基于不影响计算结果且尽量减小计算域的原则，土壤侧边距取值为3，5，7 m进行模拟，模拟结果见表2。

表2 不同侧边界土壤管道出口参数

由表2可见：当土壤侧边界与管道的距离由3 m提高至5 m时，管道温降由5.167 06 K升至5.190 32 K，计算结果的差值为0.023 26 K；当土壤侧边界与管道的距离由5 m提高至7 m时，计算结果差值为0.003 62 K，仅相当于管道温降的0.07%。后者的差值仅为前者的0.15倍。因此，综合考虑计算准确性与计算速度，土壤侧边距选择5 m为最佳。

2 结果与讨论

2.1 直埋管道及周围土壤温度分布

以埋深为1.5 m、保温材料为玻璃棉的管道为例，进行管道温度分布的分析，管道在轴向500 m处的温度云图见图2。

图2 直埋管道及土壤截面温度分布

由图2可见：经过保温层后，温度骤降，再经过土壤的热传导，温度逐渐降低，高温区域均集中在管道流域以及工作钢管。管道正上方温度变化较快，在接近于土壤上表面时，温度已经趋于对流温度288 K，这是由于土壤上表面为对流换热，热量耗散速率要大于土壤中热传导的速率。下方离管道较近区域，温度降低速率与水平方向的温度下降速率接近；距离管道较远的区域，由于恒温层的存在，温度下降速率加快并迅速达到恒温层温度。管道水平方向温度分布较均匀。因此，除土壤物性、管道结构会对管道的换热造成影响外，管道埋深同样会对管道的换热造成较大的影响。

2.2 土壤含水率对管道热损失影响

蒸汽直埋管道在不同土壤含水率条件下，温度随输送距离的变化趋势见图3。

图3 温度随输送距离的变化趋势

由图3可见：管道温度在输送距离较小时变化较为剧烈，之后趋于平缓，且土壤含水率越高，其温降速率就越快，温降程度也较大，表明土壤含水率的升高会使管道温降增大，会降低经济性。对比5种不同含水率土壤中的管道的温降趋势，当含水率较低时，含水率的变化对管道温降的影响更大，这是由于随着含水率的升高，含水率变化对土壤热物性的影响会减小。因此，在工程施工过程中，若土壤含水率处于较低水平时(0～10%)，应尽量选择在低含水率的土壤中进行敷设，若管线处于含水率较高的区域(10%～20%)，此时将管线调整至含水率较低区域，对于管道热损失的改善较为有限，但考虑调整管线的经济性成本较大，该调整并不一定可以提高管道的经济性。

2.3 不同埋深时土壤含水率对蒸汽管道热损失的影响

当埋深分别为1，1.5，2 m时，保温材料为玻璃棉的直埋管道的出口温度随土壤含水率的变化情况见图4。

图4 出口温度随含水率的变化

由图4可见：分析出口温度随含水率变化趋势，管道的热损失随着管道覆土深度的增加而减小；但当土壤含水率较高时，增大覆土深度对管道热损失的改善会降低。在同一土壤含水率条件下，埋深由1 m增至1.5 m时的出口温度的变化小于埋深由1.5 m增至2 m时的管道出口温度的变化，这是由于管道敷设于地面以下时，管道总散热量受地面对流散热部分影响较大，加大管道埋深可使土壤上表面温度降低，减少土壤的对流散热，土壤对管道起到了保温效果，加大埋深相当于增大了保温层厚度，而随着埋深的增加，管道受土壤管道上表面对流散热的影响较低，此时土壤下方恒温层对管道的散热造成了一定的影响，因此当管道埋深到一定程度时，增大埋深对管道保温性能的提高影响减小，此时增大埋深对热经济性的提高幅度影响较小。随着含水率的升高，改变埋深对管道热损失的影响也降低，这是由于土壤相当于管道的一层保温层，而土壤的保温效果在高含水率情况下较差，此时增大覆土深度对管道保温效果的影响较小，即高含水率情况下改变覆土深度对管道保温性能的影响较小。因此，在管线施工时，应综合考虑其地区施工成本、含水率及其对热经济性的影响，选择合适的覆土深度。

2.4 土壤含水率对不同保温方案管道热损失的影响

为提高直埋蒸汽管道保温效果，降低土壤含水率对管道热损失影响，将保温层分为2层，采用不同的保温材料，提出4种保温方案，结果见表3。

表3 不同保温方案及其保温参数

当埋深为2 m时，考察土壤含水率对不同保温方案管道热损失的影响，结果见图5。

图5 温降随含水率的变化

由图5可见：随着含水率的增大，不同方案的直埋管道的温降均在增大，但热损失增大的速率随含水率的增大而降低。当含水率较低时，土壤对管道保温效果较好，此时采用不同的保温方案对管道的保温效果差别不大，保温材料的选取应主要考虑价格成本。但随着含水率的增大，土壤对管道的保温效果逐渐降低，不同保温方案对管道保温效果的差异较大。使用保温方案2及保温方案4时，由于摩根保温棉的保温性能低于其他保温材料，当含水率较高时，管道的热损失明显高于其他保温方案的热损失。保温方案2及保温方案4中使用的摩根保温棉的厚度不同，在高含水率时若增大摩根保温层的厚度，会造成热损失增加较多，因此在高含水率时，应尽量减少摩根保温层的使用。保温方案1和保温方案3的保温性能要优于单独使用玻璃棉保温的保温性能，且随着含水率的升高，保温方案1和保温方案3热损失增大的速率小于其他保温方案，即保温方案1和保温方案3受含水率变化的影响较小，在土壤含水率较高时，保温方案1和保温方案3明显优于其他方案。对比方保温案1和保温方案3，虽然CNT+玻璃棉的保温明显优于单独使用玻璃棉时的保温性能，但增大CNT保温层的厚度对降低管道热损失作用较小，因此在高含水率时，使用CNT+玻璃棉的保温性能较好，但应根据材料成本选择合适的CNT保温层厚度。

3 结论

1)土壤含水率的升高会增大直埋管道的热损失，降低热经济性。当土壤含水率为0～10%时，土壤含水率的变化会使管道温降的增幅较大，而土壤含水率为10%～20%时，土壤含水率的变化对管道温降的影响较小。

2)当管道埋深低于2 m时，增大管道覆土深度可减小直埋管道的热损失，但随着覆土深度的增大保温效果的提升也会减小，且土壤含水率较高时，改变埋深对管道热损失的影响较小，在施工中应选择合适的覆土深度。

3)含水率较低时，改变保温方案对管道热损失影响较小，含水率较高时，使用摩根保温棉+玻璃棉保温的管道热损失要大于单独使用玻璃棉，使用CNT+玻璃棉保温的管道保温效果要明显优于单独使用玻璃棉的管道，但增大CNT保温层的厚度对降低管道热损失的影响较小。