文章来源：本文内容来自Applied Thermal Engineering第269卷Part B发表的"Thermal insulation design for superheated steam pipeline transport: Balancing technical and economic factors for optimal performance"
文章DOI：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126134
引用格式：Chao Lou, Chong Zhai, Lun Li, et al. Thermal insulation design for superheated steam pipeline transport: Balancing technical and economic factors for optimal performance[J]. Applied Thermal Engineering,2025, Vol.269: 126134. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126134
·研究背景·
在全球能源结构转型和碳中和目标推动下，供热系统的节能减排成为亟待解决的重要课题。蒸汽供热网络作为高效传热的关键方式，正被广泛应用于区域供热、工业园区及核能综合利用等场景。然而，其运行过程中的能量损失，尤其是管道输送过程中的热损耗，占据了系统总损失的较大比重，严重影响了能源利用效率和系统经济性。为降低热损失，工程中普遍采用外部保温结构对管道进行隔热处理，因此保温结构设计成为提升热效率的核心手段之一。
目前，关于管道保温结构优化的研究多基于生命周期成本或能效评价方法，采用固定工况下的简化模型对最优保温厚度进行计算，取得了一定成果。但多数研究仍存在以下挑战：一是模型未充分考虑管道运行参数的变化，如压力范围、蒸汽状态（饱和或过热）、管径等因素对热损的影响；二是忽略了蒸汽输送过程中的冷凝水损失，导致热损计算精度下降。因此，当前亟需构建更具适应性和物理精度的蒸汽管道保温优化模型，以应对多变工况下的节能需求。
·图文导读·
图1. 蒸汽供热管道保温及蒸汽流动示意图
图2. 蒸汽管网最优保温厚度的计算过程
基于蒸汽管道输送模型的保温厚度优化
蒸汽管道输送模型：本文采用了一种考虑排水损失的蒸汽输送模拟模型，以计算目标直埋蒸汽管道的热损失Qp。该过程通过利用管道入口和出口之间的焓差来实现。而由于蒸汽在输送过程中会产生冷凝水，因此需要在传统输送模型上加入冷凝水项，对传统方程中的连续性、能量方程做出改变。模型采用国内某工业园区蒸汽供热管网中典型管道的实际运行数据进行验证，验证结果显示温度误差从0.59%减小至0.27%，焓误差从0.219%降至0.101%，压力值与测量结果完全一致。
（a）
（b）
图3. 实测数据与模拟数据对比
生命周期成本：蒸汽管道的生命周期成本主要由初始投资成本Cins和运行成本Cf两部分组成。采用P1-P2法来确定直埋蒸汽管道的全生命周期成本。P1代表生命周期能耗比，考虑了利率和通货膨胀对未来生命周期热损耗成本的影响。P2代表生命周期投资比，考虑了管道生命周期内各项投资的成本。通过P1-P2法可确定蒸汽管道生命周期总成本Ct，节能效果S，投资回收期Pb。
管道参数对最佳保温结构的影响
压力影响：最佳保温厚度随着管道压力的增加而增加，这一趋势在不同过热度情况下也得到了验证。然而两种保温结构（气凝胶+玻璃棉和气凝胶+硅酸铝）的总成本随着压力增大呈现先上升后下降的趋势，这表明存在一个特定压力，使得管道总成本最大，在实际工程中应避开这个压力值。在过热度10℃下，两种保温结构均在压力为2.8MPa时达到最大节能效果，初期阶段，节能效果随着压力的增加迅速提升，当压力超过2.8MPa后，节能效果的提升幅度减缓。
图4. 不同压力下两种保温结构的最佳厚度、总成本、节能效果和投资回收期
过热度影响：随着蒸汽过热度的增加，最佳保温厚度也逐渐增加，且在不同压力下这一趋势也得到了验证。气凝胶+玻璃棉组合的节能效果明显优于气凝胶+硅酸铝组合。然而，在投资回收期方面，气凝胶+硅酸铝组合有更短的回收时间，平均比气凝胶+玻璃棉组合缩短约0.5年。
图5. 不同过热度下两种保温结构的最佳厚度、总成本、节能效果和投资回收期. 考虑信息物理协同的MPS与UAV应急调度示意图
管径影响：随着管径的变大，两种结构的最佳保温厚度均逐渐增加。管道总成本随着管径增大呈现先减小后增大的趋势，两种保温结构均显示，在管径为600mm时总成本最小。
图6. 不同管径下两种隔热结构的总成本变化
·通讯作者简介·
李栋，南京师范大学能源与机械工程学院教授，博士毕业于东南大学能源与环境学院。2017年至2019年期间，曾赴美国伊利诺伊大学香槟分校担任访问学者。主要研究方向包括冷却系统优化、声场下的防霜与除冰技术、液滴润湿动力学与界面调控、以及可再生与综合能源系统的节能与智能运行。李栋教授现为中国工程热物理学会青年委员会委员、中国航空学会青年委员会委员。已在国内外重要学术期刊发表论文40余篇，主持多项国家及省部级项目，担任多个高水平期刊的审稿人。
· 本期责任编辑 ·
翟翀，南京师范大学能源与机械工程学院副教授，2022年10月毕业于香港城市大学，获博士学位。2023年1月加入南京师范大学能源与机械工程学院工作。主要研究方向为热储能，热管理，能源系统优化等，近五年在能源领域发表高水平论文30余篇，累计引用近1000次，支持江苏省自然科学基金、江苏省高校面上项目等多个项目。
Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月，CEST正式确认被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！
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