供热管道是石油化工企业的基础设施，也是主要的热媒渠道之一，承担着为各生产装置输送热能的重要作用。供热管道的保温层破损或者失效则会引起热能损失，不仅浪费了大量的生产资源，还污染了环境。供热管道的保温失效导致主蒸汽管线温度和压力下降，引起生产装置的停产停工，污染环境，甚至造成火灾、爆炸等重大事故，其损失比管道本身的热损严重得多。做好成都管道保温供热管道的保温管理，不仅是建设资源节约型社会的要求，也是延长管道使用寿命、保证企业安全生产、提高企业经济效益的有效途径。
1 供热管道保温材料的现状
中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)蒸汽管网系统大部分建成投用较早，当时供热管道采用的内保温材料大多是微孔硅酸钙或硅酸铝软毡，外保温材料则大多采用岩棉或超细玻璃棉，总厚度为120～130 mm。随着装置运行时间的延长，部分保温材料使用时间已超过期限，保温效果不理想。蒸汽管网系统保温效果不好，致使管道保温表面温度升高，一方面导致散热损失增加、蒸汽耗量增加、装置燃动能耗上升;另一方面，管网中存在的众多局部高温点增加了发生烫伤事故的可能性，存在安全隐患。随着企业对安全生产节能降耗工作的重视，迫切需要对热力蒸汽管道外保温进行全面更换。在更换管道保温以前，需要了解热力蒸汽管网系统运行状况和效果，根据国家相关技术标准和规范对热力蒸汽管网进行评价，找出不符合保温标准要求的管段。在此基础上优选保温材料，优化保温结构，制定可行的改造方案并适时实施，确保蒸汽管道保温效果满足国家和相关行业的标准要求。
2 气凝胶与传统保温材料
2.1 选择气凝胶的依据
二氧化硅气凝胶保温材料是迄今为止保温性能好的材料之一，导热系数低至0.017 W/(m·K)，保温厚度只需传统材料的1/4～1/5即可达到相同的表面温度，因此可大幅减少管道散热面积，从而减少热损耗。经权威部门检测，对于Φ114 mm、400 ℃的蒸汽管线，30 mm厚的二氧化硅气凝胶即可达到120 mm厚的岩棉保温能达到的表面温度，节能率可达48%。对于长距离输送的主蒸汽管线，散热损失的减小可使管道终端蒸汽温度提高，含水率下降，从而使终端用户的生产效率和产品质量得到有效提高。此外，二氧化硅气凝胶保温材料还具有较好的抗拉、抗压性能，憎水率高达99%以上，使用过程中，振动和日晒雨淋对其导热系数均不会有任何影响。通过阿伦尼乌斯加速老化试验测试可知，二氧化硅气凝胶的使用寿命高达20年以上。管线检修时，拆下来的二氧化硅气凝胶仍可重复利用，避免了传统保温材料需要频繁更换和不能二次利用等问题，减少管线保温维护、降低成本的同时，也减少了工业垃圾，对于环境保护和可持续发展都是十分有利的。
2.2 二氧化硅气凝胶与传统保温材料的比较
2.2.1 常规保温材料与二氧化硅气凝胶绝热毡对比
成都蒸汽管道保温常规保温材料与二氧化硅气凝胶绝热毡的性能对比情况如表1所示。由表1可知：与传统保温材料复合硅酸盐、高温玻璃棉以及岩棉相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的导热系数更低，防水性更好，保温厚度更是大大减小，使用寿命更长，使用过程中性能也更为稳定，结合性能更佳。
表1 常规保温材料与二氧化硅气凝胶绝热毡对比
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2.2.2 二氧化硅气凝胶与传统保温材料的现场比较
根据《设备及管道绝热技术通则》(GB/T 4272—2008)，对二氧化硅气凝胶与传统保温材料进行现场比较。为确保实验的有序进行，本次实验依据化中管的现场运行实际状况，结合公用界区热网系统的共性常温下得出的测点数据进行比较。
蒸汽管线保温保温管道外径为617 mm，保温材料及厚度均为120 mm，年平均环境温度Tm=273.15+15.7=288.85 K。
(1)管道保温层外表年平均温度T1比较
T1计算公式为：
T1= Tm+【(Tf-Tm)∕(T,f-T,m)】(T,1-T,m)
式中： T1——管道保温层外表年平均温度，K;
T,1——管道保温层外表面平均温度，K;
Tm——年平均环境温度，K;
T,m——环境温度，K;
Tf——年平均管内介质温度，K;
T,f——管内介质温度，K。
气凝胶：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-299)】(306-299)=296.09 K
传统保温：T1=288.85+【(594-288.85)∕(594-300.5)】(318.2-300.5)=307.253 K
(2)年平均保温管散热损失值q比较
q计算公式为：
q=q,×(T1-Tm)/(T,1-T,m)
式中： q——年平均保温管散热损失值，W/m2;
q,——保温管散热损失值,W/m2;
T1——管道保温层外表年平均温度，K;
T,1——管道保温层外表面平均温度，K;
Tm——年平均环境温度，K;
T,m——环境温度，K。
气凝胶：q=40.672×(296.09-288.85)/(306-299)=42.071 W/m2
传统保温：q=98.5557×(307.253-288.85)/(318.2-300.5)=102.468 W/m2
经过对管道保温层试验数据分析可知，使用气凝胶节能优势十分明显，节能率达到了58.7%，对蒸汽管网的散热损耗有较大幅度的改善。
3 使用二氧化硅气凝胶取得的效果
对气凝胶进行进一步分析，可以计算出1 km管线的年节能效益(以年运行时间8 000 h、热价55元/GJ进行计算)。气凝胶与传统保温效能比较情况见表2所示。
表2 气凝胶与传统保温效能比较
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(1)与传统保温相比较，采用气凝胶进行保温改造后，1 km管线每年可节约能源3 231.4 GJ，折合17.8万元;蒸汽流量为60 t/h时，1 km管线温降可降低2.6 K，终端蒸汽热值可提高3 264 GJ，折合18.0万元。
(2)蒸汽流量为60 t/h时，1年可提供的总热值为1.46×106 GJ，气凝胶与传统保温每1 km的散热损失分别占总热值的0.156%，0.378%。因此在蒸汽流量不变的情况下，采用气凝胶进行保温改造后，1 km管线即可使生产效率和总产值提高0.22%以上，可带来的平均经济效益折合14.8万元。
(3)采用气凝胶进行保温改造，1 km管线的总造价约为150.2万元。通过以上经济效益分析可知，实际成本回收时间小于3年，之后1 km管线每年的经济效益将高于50.5万元，具有较为可观的经济效益。
蒸汽管网的热量损失会降低蒸汽热能的利用效率，使企业不能达到节能降耗的目标。因此采用有效的保温材料是减少热量损失的重要手段。对于需更新的保温层或者新管敷设时的保温层可以考虑使用新型保温材料，例如纳米孔绝热材料，复合绝热材料石棉代用品、玻璃棉等都具有更好的保温性能。通过合理配置达到节约和优化能源的利用，从而实现盈利，这也是企业实现低成本战略的一个途径。实践证明，采取有效的保温措施后，供热管道的热损失可减少90%以上，而良好保温的关键是选择合适的保温材料和经济厚度。保温层由保温材料构成，是实现保温、隔热的主要组成部分和保温结构的主体，因此选择二氧化硅气凝胶保温材料是供热系统节能降耗的关键。