CN113358690B - 一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，包括依次连通的蒸汽发生单元、管道实验单元、换热单元和疏水储存单元。本发明还提供了基于该系统的实验方法。本发明的优点在于：通过蒸汽发生单元向实验系统提供蒸汽，基于换热单元处理高温蒸汽，通过疏水储存单元收集系统中蒸汽冷凝水，方便进行收集计算系统疏水量，方便进行收集计算，能够在不同运行压力下，研究低压蒸汽管道中保温层缺失与漏热损失、系统疏水量和管道运行水击风险之间的关系，从而为判断热力蒸汽管道运行工况和建立蒸汽管道水击风险的算法模型提供实验支撑和理论依据，为热力蒸汽管道实际运行中通过疏水量的变化初步确定保温层脱落情况提供了一种指导方法。

Description

一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统及方法

技术领域

本发明涉及蒸汽管道保温层技术领域，尤其涉及一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验实验系统及方法。

背景技术

蒸汽管道系统是我国城市供热系统的重要组成部分，属于城市管网基础设施建设系统。随着居民生活水平的提高，我国供热面积逐年递增，因管网堵塞泄漏、保温系统失效、管道过热导致的供热管网热损问题也愈发突显出来，造成了极大的能源浪费，与当今世界能源的可持续发展理念背道而驰。保温层老化脱落是供热管道保温系统失效的最主要原因之一，会显著影响居民供暖品质，造成不必要的热能损耗。目前缺少对蒸汽管道保温层缺失实验系统的研究，论文《郭帅；热力管道保温效果影响因素研究[D]；东北石油大学；2012年》研究中涉及到保温结构破损对热力保温管道的影响，该论文采用理论分析、数值模拟和现场实验的方法，论证了即使是保温层的局部结构破坏也会对保温效果产生很大的不利影响，研究了保温层局部结构破损深度与保温层外表面温度之间的关系，提供了通过热力管道保温层外表面温度变化判断保温层结构破损情况的思路。该论文在研究保温层的局部结构破损对热力管道保温效果的影响时设定的条件是恒定运行压力，但是不同热力管道运行压力下保温层脱落对应的热损失也是不一样的；该论文研究的是管道保温层破损深度与管道表面温度和管道热量损失之间的关系，即可以通过热力管道表面温度或者热流的变化判断保温层的破坏情况，但是监测管道表面温度或热流变化需要另外配备监测设备和系统，成本较高，通过热力管网疏水量的变化判断保温层破损缺失的情况更直观便捷；现场的实验受外部环境影响较大，不利于进行工况的调整和重复实验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于研究保温层缺失与漏热损失、系统疏水量和管道运行水击风险之间关系的实验系统，为判断热力蒸汽管道运行工况和建立蒸汽管道水击风险的算法模型提供实验支撑和理论依据，为热力蒸汽管道实际运行中通过疏水量的变化初步确定保温层脱落情况提供了一种指导方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，包括依次连通的蒸汽发生单元和管道实验单元，所述蒸汽发生单元与水源通过管道连通，所述管道实验单元包括供蒸汽流通的实验管道，所述实验管道的外侧沿蒸汽流通方向依次套设有外滑动式钢套保温层和拆卸式保温层，所述管道实验单元后端并联连接有换热单元和疏水储存单元，所述换热单元冷凝管道实验单元的蒸汽，所述疏水储存单元包括串联的第一疏水组件和水箱，所述第一疏水组件包括并联的第一疏水管道和第二疏水管道，所述第一疏水管道上设置有第一疏水管道阀，第二疏水管道上依次设置有第二疏水管道阀和疏水阀，所述水箱设置有出水管道。

本发明通过蒸汽发生单元向实验系统提供蒸汽，通过拆卸式保温层模拟保温层缺失情况，基于换热单元处理高温蒸汽，通过疏水储存单元收集系统中蒸汽冷凝水，方便进行收集计算系统疏水量，能够在不同运行压力下，研究低压蒸汽管道中保温层缺失与漏热损失、系统疏水量和管道运行水击风险之间的关系，从而为判断热力蒸汽管道运行工况和建立蒸汽管道水击风险的算法模型提供实验支撑和理论依据，为热力蒸汽管道实际运行中通过疏水量的变化初步确定保温层脱落情况提供了一种指导方法。

优选的，所述拆卸式保温层包括沿长度方向拼合的多个保温段，所述保温段能够独立的从实验管道上拆除。

优选的，所述外滑动式钢套保温层的中间位置对应的实验管道上依次设置有第一管道压力变送器、第一管道温度传感器；所述拆卸式保温层末端的实验管道上依次设置有第二管道压力变送器和第二管道温度传感器。

优选的，所述外滑动式钢套保温层包括由内至外依次设置的高温玻璃棉、铝箔双层反射层和螺旋钢管，所述螺旋钢管为涂有聚脲涂料的双面埋弧焊螺旋钢管。

优选的，所述保温段包括两个可拆卸的半圆套筒，两个半圆套筒能够拼合固定连接，所述半圆套筒包括由内到外依次设置的硅酸盐保温层和彩钢瓦外壳，所述硅酸盐保温层为高温胶粘合形成的多层硅酸盐棉。

优选的，两个半圆套筒一侧通过铰链转动连接，另一侧沿轴向设置有多个搭扣锁，两个半圆套筒的搭接侧分别设置为彩钢瓦外壳相对硅酸盐保温层顺圆弧方向延伸突出，和硅酸盐保温层相对彩钢瓦外壳顺圆弧延伸突出的形式；

所述彩钢瓦外壳的一端沿轴向延伸形成配合段，且配合段的彩钢瓦外壳直径变大，所述保温段通过配合段沿轴向插接配合。

优选的，所述蒸汽发生单元包括蒸汽发生器、进水管和蒸汽输出管，所述进水管上沿水流方向依次设置有进水电磁阀、进水压力变送器和进水流量计；所述蒸汽输出管上依次设置有输出调节阀、输出压力变送器、输出温度传感器和输出气体涡街流量计。

优选的，所述换热单元包括湍流换热器，所述湍流换热器的热流入口通过热流管道与管道实验单元连通，冷流入口通过冷流管道与水源连通，热流出口通过第一冷凝管道连接有第二疏水组件，所述第二疏水组件与第一疏水组件的结构相同，冷流出口通过第二冷凝管道将冷凝水排出；

所述热流管道上依次设置有热流调节阀、热流压力变送器、热流温度传感器；冷流管道上依次设置有冷流电磁阀、冷流流量计、冷流压力变送器、和冷流温度传感器；所述第二冷凝管道上依次设置有冷凝电磁阀和冷凝温度传感器。

优选的，所述疏水储存单元通过疏水进水管道与热流管道并联，与管道实验单元连通，所述疏水进水管道上在第一疏水组件上游设置有疏水进水电磁阀，所述水箱与第一疏水组件之间的管道上设置有水箱温度传感器，水箱上设置有液位计，水箱上方具有蒸汽排出口，水箱出水管道上设置有水箱电磁阀，水箱出水管道与换热单元的排水汇流后排出。

本发明还提供了一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，包括

A：根据实验要求拆除实验段的拆卸式保温层，在实验管道的实验段沿周向均匀贴附多个表面温度传感器；

B：确保蒸汽发生单元、管道实验单元、换热单元和疏水储存单元连通，蒸汽发生单元的进水管和换热单元的冷流管道处于关闭状态；

C：将蒸汽发生单元和换热单元与水源连通，打开蒸汽发生单元，当实验系统内充满蒸汽时，关闭第一疏水组件和第二疏水组件的第一疏水管道阀；

D：调节蒸汽发生器的蒸汽供应量和换热单元的蒸汽冷凝量，外滑动式钢套保温层对应的实验管道的蒸汽压力稳定在设定值时，记录水箱的初始液位h₀，测量环境温度t_f和环境风速w，关闭水箱的出水管道；以第一周期获取监测时间段内外滑动式钢套保温层中间位置和拆卸式保温层末端位置对应的实验管道的蒸汽压力和温度以及水箱的液位高度h₁，同时以第二周期获取监测时间段内各个表面温度传感器的温度数据；

E：打开水箱的出水管道，关闭蒸汽发生单元，断开蒸汽发生单元与水源的连通，增大换热单元的蒸汽冷凝量。

优选的，

(1)漏热损失量的计算方法为：

q＝α(t_w-t_f)

其中，q为实验管道外表面热流密度，单位W/m²；α为总散热系数，单位W/(m²·K)；t_w为管道外壁面平均温度，单位K；

步骤A中在实验段设置有四个表面温度传感器，则

其中，t₁、t₂、t₃、t₄分别是贴附在实验段外壁上的四个表面温度传感器数值的平均值；t_f为环境温度，单位K，通过手持红外测温仪测量；w为风速，单位m/s，通过手持风速仪测量；

(2)疏水量计算方法为：

Q＝ρS(h₁-h₀)

其中，Q为实验系统的疏水量，单位kg/h；ρ为水的密度，单位kg/m³；S是水箱底面积，单位m²；h₀为蒸汽压力稳定时的水箱初始液位高度，h₁为步骤D实验过程中的水箱液位高度，单位m；

(3)水击风险系数的计算方法为：

其中，n为管道水击风险系数，Q₁为保温层缺失时实验系统的疏水量，Q₀为保温层完好状态下实验系统的疏水量，单位kg/h。

优选的，所述第一周期为5min，第二周期为20min，监测时间段为1小时。

优选的，所述外滑动式钢套保温层的中间位置的实验管道依次设置有第一管道压力变送器、第一管道温度传感器；所述拆卸式保温层末端的实验管道上依次设置有第二管道压力变送器和第二管道温度传感器；

所述蒸汽发生单元包括蒸汽发生器、进水管和蒸汽输出管，所述进水管上沿水流方向依次设置有进水电磁阀、进水压力变送器和进水流量计；所述蒸汽输出管上依次设置有输出调节阀、输出压力变送器、输出温度传感器和输出气体涡街流量计；

所述换热单元包括湍流换热器，所述湍流换热器的热流入口通过热流管道与管道实验单元连通，冷流入口通过冷流管道与水源连通，热流出口通过第一冷凝管道与第二疏水组件连通，冷流出口通过第二冷凝管道将冷凝水排出；

所述热流管道上依次设置有热流调节阀、热流压力变送器、热流温度传感器；冷流管道上依次设置有冷流电磁阀、冷流流量计、冷流压力变送器、和冷流温度传感器；所述第二冷凝管道上依次设置有冷凝电磁阀和冷凝温度传感器；

所述疏水储存单元通过疏水进水管道与热流管道并联，与管道实验单元连通，所述疏水进水管道上在第一疏水组件上游设置有疏水进水电磁阀，所述水箱与第一疏水组件之间的管道上设置有水箱温度传感器，水箱上设置有液位计，水箱上方具有蒸汽排出口，水箱出水管道上设置有水箱电磁阀，水箱出水管道与第一冷凝管道和第二冷凝管道汇流后排出；

步骤B中，确保进水电磁阀、冷流电磁阀处于关闭状态，冷凝电磁阀、第一疏水组件和第二疏水组件的第一疏水管道阀和第二输水管道阀、疏水进水电磁阀和水箱电磁阀处于开启状态；输出调节阀和热流调节阀的开度为100％；

步骤C中，打开冷流电磁阀使换热单元与水源接通，打开进水电磁阀使蒸汽发生单元与水源连通，所述水箱的液位计读数不变时，实验系统内充满蒸汽；

步骤D中，通过调节输出调节阀的开度调节蒸汽发生器的蒸汽供应量，通过调节热流调节阀的开度调节换热单元的蒸汽冷凝量，输出调节阀的开度与管道中的蒸汽压力正相关，热流调节阀的开度与管道中的蒸汽压力成负相关，以第一管道压力变送器的数值在15min内稳定不变认为系统处于稳定状态。

优选的，如果实验中涉及多种实验压力，在步骤D后，打开水箱电磁阀，当管道实验单元的第一管道压力变送器和第一管道温度传感器的数值以及疏水储存单元的液位计数值处于稳定时，重复步骤D。

优选的，步骤E中，在实验完成后，打开水箱电磁阀，关闭蒸汽发生器，关闭进水电磁阀，增加热流调节阀的开度，输出压力变送器的数值≥0.4MPa时，热流调节阀的开度≤30％，当输出压力变送器的数值≤0.15MPa时，开启第二疏水组件的第一疏水管道阀，热流调节阀的开度调至100％，关闭冷流电磁阀；当输出压力变送器的数值≤0.02MPa时，开启第一疏水组件的第一疏水管道阀。

本发明提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统及方法的优点在于：通过蒸汽发生单元向实验系统提供蒸汽，通过拆卸式保温层模拟保温层缺失情况，基于换热单元处理高温蒸汽，通过疏水储存单元收集系统中蒸汽冷凝水，方便进行收集计算系统疏水量，能够在不同运行压力下，研究低压蒸汽管道中保温层缺失与漏热损失、系统疏水量和管道运行水击风险之间的关系，从而为判断热力蒸汽管道运行工况和建立蒸汽管道水击风险的算法模型提供实验支撑和理论依据，为热力蒸汽管道实际运行中通过疏水量的变化初步确定保温层脱落情况提供了一种指导方法。拆卸式保温层分段设置，能够根据实验需要研究不同位置保温层缺失对漏热情况的影响，保温段通过搭扣锁固定在实验管道上，方便徒手拆装，使用方便。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的示意图；

图2为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的组件图；

图3为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的蒸汽发生单元的示意图；

图4为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的管道实验单元的示意图；

图5为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的外滑动式钢套保温层的示意图；

图6为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的拆卸式保温层的示意图；

图7为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的保温段的示意图；

图8为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的换热单元的示意图；

图9为本发明的实施例提供的架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统的疏水储存单元的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，包括依次连通的蒸汽发生单元1和管道实验单元2，所述蒸汽发生单元1与水源通过进水管12连通，结合图3，所述管道实验单元2包括供蒸汽流通的实验管道21，所述实验管道21的外侧沿蒸汽流通方向套设有外滑动式钢套保温层5和拆卸式保温层6，所述管道实验单元2后端并联连接有换热单元3和疏水储存单元4，所述换热单元3通过自来水与蒸汽换热冷却，结合图9，所述疏水储存单元4包括串联的第一疏水组件41和水箱42，所述第一疏水组件41包括并联的第一疏水管道411和第二疏水管道412，所述第一疏水管道411上设置有第一疏水管道阀413，第二疏水管道412上依次设置有第二疏水管道阀414和疏水阀415，所述水箱42设置有出水管道47。

本实施例通过蒸汽发生单元1向实验系统提供蒸汽，通过拆卸式保温层6模拟保温层缺失情况，基于换热单元3处理高温蒸汽，基于疏水储存单元4收集系统中蒸汽冷凝水，通过水箱42能够收集和监测系统的疏水量，方便进行收集计算，能够在不同运行压力下，研究低压蒸汽管道中保温层缺失与漏热损失、系统疏水量和管道运行水击风险之间的关系，从而为判断热力蒸汽管道运行工况和建立蒸汽管道水击风险的算法模型提供实验支撑和理论依据，为热力蒸汽管道实际运行中通过疏水量的变化初步确定保温层脱落情况提供了一种指导方法。

参考图3，所述蒸汽发生单元1包括蒸汽发生器11、进水管12和蒸汽输出管13，所述进水管12上沿水流方向依次设置有进水电磁阀121、进水压力变送器122和进水流量计123；所述蒸汽输出管13上依次设置有输出调节阀131、输出压力变送器132、输出温度传感器133和输出气体涡街流量计134，所述蒸汽发生器11选用电加热蒸汽发生器，进水管12与自来水管道连通，进水管12和蒸汽输出管13均为φ45x3.5的无缝钢管。

参考图4，所述实验管道21选用长度超过30米的φ219x7无缝钢管，蒸汽输出管13的末端通过第一变径接头135(φ45x3.5变径到φ219x7)与实验管道21连通；所述外滑动式钢套保温层5要有足够长度保证实验系统的运行稳定可控，所述拆卸式保温层6的长度根据实验需求确定，优选实施例中，所述实验管道21的大致前2/3设置所述外滑动式钢套保温层5，后面大致1/3的长度设置所述拆卸式保温层6。所述外滑动式钢套保温层5的大致中间位置对应的实验管道21上设置有第一管道压力变送器22和第一管道温度传感器23，拆卸式保温层6末端对应的实验管道21上依次设置有第二管道压力变送器24和第二管道温度传感器25。

结合图5，所述外滑动式钢套保温层5包括由内至外依次设置的高温玻璃棉51、铝箔双层反射层52和螺旋钢管53，所述螺旋钢管53为涂有聚脲涂料的双面埋弧焊螺旋钢管。

再参考图4，所述拆卸式保温层6包括沿长度方向拼合的多个保温段61，所述保温段61能够独立的从实验管道21上拆除，结合图6和图7，所述保温段61包括两个可拆卸的半圆套筒62，两个半圆套筒62能够拼合固定形成套在实验管道21上的保温段61，所述半圆套筒62包括由内到外依次设置的硅酸盐保温层63和彩钢瓦外壳64，所述硅酸盐保温层63为高温胶粘合形成的多层硅酸盐棉；本实施例中，两个半圆套筒62的一侧通过铰链65转动连接，铰链65的轴向与实验管道21的轴向平行，另一侧沿轴向设置有多个搭扣锁66，通过搭扣锁66锁紧固定在实验管道21上，而且能够方便的徒手拆装，使用方便；两个半圆套筒62的搭接侧分别设置为彩钢瓦外壳64相对硅酸盐保温层63顺圆弧方向延伸突出，和硅酸盐保温层63相对彩钢瓦外壳64顺圆弧延伸突出的形式；所述彩钢瓦外壳64的一端沿轴向延伸形成配合段67，且配合段67的彩钢瓦外壳64直径变大，所述保温段61通过配合段67沿轴向插接配合；从而使相邻的保温段61能够相互插接咬合，确保邻接位置的保温效果，减少对实验结果的干扰；所述保温段61上至少设置三个所述搭扣锁66，从而对保温段61的两端和中间位置进行锁定。

在实验中，为了防止不必要的热量损失，除了已经被外滑动式钢套保温层5和拆卸式保温层6包裹的实验管道21，其它所有通过蒸汽的管道都需要增加保温措施，例如使用10mm锡箔保温棉进行包裹保温。

参考图8，所述换热单元3包括湍流换热器31，所述湍流换热器31的热流入口通过热流管道32与管道实验单元2连通，冷流入口通过冷流管道33与水源连通，热流出口通过第一冷凝管道34与第二疏水组件36连通，所述第二疏水组件36与第一疏水组件41的结构相同，冷流出口通过第二冷凝管道35将冷凝水排出；所述热流管道32为φ45x3.5无缝钢管，实验管道21末端通过第二变径接头26(φ219x7变径为φ45x3.5)与热流管道32连通，所述热流管道32上依次设置有热流调节阀321、热流压力变送器322、热流温度传感器323；冷流管道33上依次设置有冷流电磁阀331、冷流流量计332、冷流压力变送器333、和冷流温度传感器334；所述第二冷凝管道35上依次设置有冷凝电磁阀351和冷凝温度传感器352；所述第二冷凝管道35的排水与第二疏水组件36的排水汇合排出。

结合图9，所述疏水储存单元4通过疏水进水管道43与热流管道32并联，与管道实验单元2连通，所述疏水进水管道43上在第一疏水组件41上游设置有疏水进水电磁阀44，所述水箱42与第一疏水组件41之间的管道上设置有水箱温度传感器45，水箱42上设置有液位计46，水箱42上方具有蒸汽排出口(图未示)，水箱42的出水管道47上设置有水箱电磁阀471，结合图2，出水管道47与换热单元3的排水汇流后排出，实验中不涉及生化处理，不产生有害废水，因此可直接排入室外污水管道。

进一步的，为了方便对整个实验系统进行控制，所述实验系统还包括PLC远程控制单元7，实验系统中的各电磁阀、流量计、温度传感器、压力变送器及蒸汽发生器21、液位计46均与PLC远程控制单元7通信连接，能够被PLC远程控制单元7改变状态，并将自身工作状态和监测数值反馈给PLC远程控制单元7，具体的通讯和控制方法为本领域常规技术手段，本申请不再赘述。

为了方便对各组成部分进行单独的维护，本实施例中在实验系统的进水电磁阀121，输出调节阀131，热流调节阀321，冷流电磁阀331，冷凝电磁阀351，第一疏水组件41的第一疏水管道阀413和第二输水管道阀414，第二疏水组件36的第一疏水管道阀363和第二输水管道阀364，疏水进水电磁阀44和水箱电磁阀471的上游管道上均设置有一个手动闸阀，疏水阀415和365的下游也设置有一个手动闸阀。

基于以上实验系统，本实施例还提供了一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，包括

A：根据实验要求拆除实验段的拆卸式保温层6，在实验管道21的实验段沿周向均匀贴附4片表面温度传感器；

B：确保蒸汽发生单元1、管道实验单元2、换热单元3和疏水储存单元4连通，蒸汽发生单元1的进水管12和换热单元3的冷流管道33处于关闭状态；

C：将蒸汽发生单元1和换热单元3与水源连通，打开蒸汽发生单元1，当实验系统内充满蒸汽时，关闭第一疏水组件41的第一疏水管道阀413，和第二疏水组件36的第一疏水管道阀363；

D：调节蒸汽发生单元1的蒸汽供应量和换热单元3的蒸汽冷凝量，外滑动式钢套保温层5对应的实验管道21的蒸汽压力稳定在设定值时，记录水箱42的初始液位h₀，测量环境温度t_f和环境风速w，关闭水箱42的出水管道47；以第一周期获取监测时间段内外滑动式钢套保温层5中间位置和拆卸式保温层6末端位置对应的实验管道21的蒸汽压力和温度以及水箱42的液位高度h₁，同时以第二周期获取监测时间段内四个表面温度传感器的温度数据；

E：打开水箱42的出水管道47，关闭蒸汽发生器单元1，断开蒸汽发生单元1与水源的连通，增大换热单元3的蒸汽冷凝量。

根据以上实验的结果进行计算，具体计算方法如下：

(1)漏热损失量的计算方法为：

q＝α(t_w-t_f)

其中，q为实验管道21实验段外表面热流密度，单位W/m²；α为总散热系数，单位W/(m²·K)；t_w为管道外壁面平均温度，单位K；t₁、t₂、t₃、t₄分别是贴附在实验段外壁上的四个表面温度传感器数值的平均值；t_f为环境温度，单位K，通过手持红外测温仪测量；w为风速，单位m/s，通过手持风速仪测量；

(2)疏水量计算方法为：

Q＝ρS(h₁-h₀)

其中，Q为实验系统的疏水量，单位kg/h；ρ为水的密度，单位kg/m³；S是水箱底面积，单位m²，因此申请中要求水箱42的形状是均匀的，在使用不均匀水箱时，可以直接获取水箱内的存水体积进行计算；h₀为蒸汽压力稳定时的水箱初始液位高度，h₁为步骤D实验过程中的水箱液位高度，单位m；

(3)水击风险系数的计算方法为：

其中，n为管道水击风险系数，Q₁为保温层缺失时实验系统的疏水量，Q₀为保温层完好状态下实验系统的疏水量，单位kg/h，可以分别在拆除拆卸式保温层6和不拆除拆卸式保温层6的情况下进行试验获得相应的疏水量。

在实验中，所述第一周期设置为5min，第二周期为20min，监测时间段为1小时。

基于以上实验系统的具体组成的介绍，步骤B中，实验开始前确保所有手动闸阀处于打开状态，确保进水电磁阀121、冷流电磁阀331处于关闭状态；冷凝电磁阀351、第一疏水组件41的第一疏水管道阀413和第二输水管道阀414、第二疏水组件36的第一疏水管道阀363和第二输水管道阀364、疏水进水电磁阀44以及水箱电磁阀471处于打开状态；所述输出调节阀131和热流调节阀321的开度设置为100％。

步骤C中，打开冷流电磁阀331使换热单元3与水源接通，打开进水电磁阀121使蒸汽发生单元1与水源连通，观察进水压力变送器122的压力值，如果压力大于0.1MPa，表明进水管12已经充满有压水，此时可以开启蒸汽发生器11，首先向蒸汽发生器11中注水，本实施例中，所述蒸汽发生器11中设置有浮球阀，当水位低于80cm时会自动注水直到液位达到80cm；水位首次达到80cm时开启蒸汽发生器11加热开关进行加热，蒸汽发生器11至少有高低两个加热档位，为了可快速暖管，开始加热时使用高档位进行工作，暖管产生的冷凝水和管中原有的少量冷凝水与新产生的蒸汽会形成气液两相流，导致管道中出现水击现象，实验中可以听到声音，当水击声音过大时，可以选用低档位进行加热，具体实验时，基于工作经验选择档位；不同的档位只会影响准备时间，不会影响实验结果。

在实验准备阶段，注意观察实验系统中各仪器的数值，掌握各组成单元的压力和温度状态，对整个实验系统的状态进行粗略的判断；当液位计46的读数不变时，认为实验管道21中充满了蒸汽，可以开始实验；为了稳妥，本实施例中在液位计46的读数不变、同时水箱42上的蒸汽排出口的蒸汽排出量稳定且持续、实验系统中没有水击声时，认为冷凝水已全部排出，蒸汽已经充满系统，关闭第一疏水组件41的第一疏水管道阀413和第二疏水组件36的第一疏水管道阀361，阻止蒸汽进入下游管道。

实验初始阶段打开蒸汽发生器11，通过蒸汽发生器11产生的蒸汽进行暖管，由于管道温度较低和管道中残余冷凝水等因素，蒸汽容易被冷凝，管道中主要为冷凝水和少量蒸汽，为了快速排出管道冷凝水，第一疏水组件41的第一疏水管道阀413和第二疏水组件36的第一疏水管道阀363是处于开启的状态，管道内充满蒸汽后，如果第一疏水管道阀413和363依然处于开启状态，将会有大量的蒸汽直接进入下游管道，蒸汽处于稳定泄露状态，增加系统蒸汽压力以满足实验条件变得困难，导致实验效率降低，另外长时间大量高温蒸汽进入室外污水管道，会对室外排水系统造成破坏。因此第一疏水管道阀413和363主要的作用就是在实验准备阶段，帮助系统快速排出冷凝水，以及在第二疏水管道阀414和364不能使用时开启，可以将系统冷凝水排出，起到应急保障的作用。

步骤D中，通过调节输出调节阀131的开度调节蒸汽发生器11的蒸汽供应量，通过调节热流调节阀321的开度调节换热单元3的蒸汽冷凝量，输出调节阀131的开度与管道中的蒸汽压力正相关，热流调节阀321的开度与管道中的蒸汽压力成负相关，以第一管道压力变送器22的数值在15min内稳定不变认为系统处于稳定状态。

如果需要进行不同蒸汽压力下的实验，则在步骤D完成后，打开水箱电磁阀471，当第一管道压力变送器22和第二管道温度传感器23的数值以及液位计46的数值在15min内保持稳定时，重复步骤D，调节系统压力到设定值。

步骤E中，在实验完成后，打开水箱电磁阀471，关闭蒸汽发生器11，关闭进水电磁阀121，增加热流调节阀321的开度，输出压力变送器132的数值≥0.4MPa时，热流调节阀321的开度≤30％，以防止泄压过快，损伤实验设备；当输出压力变送器132的数值≤0.15MPa时，开启第二疏水组件36的第一疏水管道阀363，同时热流调节阀321的开度调至100％，关闭冷流电磁阀331；当输出压力变送器132的数值≤0.02MPa时，开启第一疏水组件41的第一疏水管道阀413，将管道中剩余的冷凝水加速排到室外污水管道中。在实验系统冷却到常温后，蒸汽发生器内会存在未及时加热成蒸汽的自来水的和少量冷凝废水，为降低蒸汽发生器的锈蚀概率，所述蒸汽发生器底部优选设置排污阀，实验完成后将排污阀打开将废水排出，蒸汽发生器的废水可以通过另接软管直接引到室外污水管道，也可以使用容器承接废水。

当输出压力变送器132的数值不断降低，表明系统内蒸汽越来越少，当系统中蒸汽足够少时，只有很少的蒸汽通过第一疏水管道阀413和363流到后续的非实验管道中，基本上不会与下游管道中的冷凝水产生水击现场，因此可以开启第一疏水管道阀413和363；步骤E中调节压力变送器132和热流调节阀321对应的各项临界值都是通过实验得到的经验值，随着蒸汽压力降低，第二疏水组件36的第一疏水管道阀363可以先打开，这是因为第二疏水组件36是连接在湍流换热器31后的，虽然控制自来水进入的冷流电磁阀331已经关了，但由于有湍流换热器31的存在，蒸汽有较大的接触面积和较长的时间与外界换热冷凝，而第一疏水组件41上游直接连接实验管道21，即在同等压力条件下，到第一疏水组件41的第一疏水管道阀413的蒸汽量比第二疏水组件36的第一疏水管道阀313要多，因此要等系统中蒸汽更少一些才能打开第一疏水组件41的第一疏水管道阀413。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：包括依次连通的蒸汽发生单元和管道实验单元，所述蒸汽发生单元与水源通过管道连通，所述管道实验单元包括供蒸汽流通的实验管道，所述实验管道的外侧沿蒸汽流通方向套设有外滑动式钢套保温层和拆卸式保温层，所述管道实验单元后端并联连接有换热单元和疏水储存单元，所述换热单元冷凝管道实验单元的蒸汽，所述疏水储存单元包括串联的第一疏水组件和水箱，所述第一疏水组件包括并联的第一疏水管道和第二疏水管道，所述第一疏水管道上设置有第一疏水管道阀，第二疏水管道上依次设置有第二疏水管道阀和疏水阀，所述水箱设置有出水管道，所述水箱上设置有液位计；所述外滑动式钢套保温层对应的实验管道上设置有第一管道压力变送器，所述拆卸式保温层对应的实验管道上设置有第二管道压力变送器；拆除实验段的拆卸式保温层后，在所述实验管道的实验段沿周向贴附表面温度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述拆卸式保温层包括沿长度方向拼合的多个保温段，所述保温段能够独立的从实验管道上拆除。

3.根据权利要求2所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述外滑动式钢套保温层的中间位置对应的实验管道上依次设置有第一管道压力变送器、第一管道温度传感器；所述拆卸式保温层末端对应的实验管道上依次设置有第二管道压力变送器和第二管道温度传感器。

4.根据权利要求2所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述外滑动式钢套保温层包括由内至外依次设置的高温玻璃棉、铝箔双层反射层和螺旋钢管，所述螺旋钢管为涂有聚脲涂料的双面埋弧焊螺旋钢管。

5.根据权利要求2所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述保温段包括两个可拆卸的半圆套筒，两个半圆套筒能够拼合固定连接，所述半圆套筒包括由内到外依次设置的硅酸盐保温层和彩钢瓦外壳，所述硅酸盐保温层为高温胶粘合形成的多层硅酸盐棉。

6.根据权利要求5所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：两个半圆套筒一侧通过铰链转动连接，另一侧沿轴向设置有多个搭扣锁，两个半圆套筒的搭接侧分别设置为彩钢瓦外壳相对硅酸盐保温层顺圆弧方向延伸突出，和硅酸盐保温层相对彩钢瓦外壳顺圆弧延伸突出的形式；

所述彩钢瓦外壳的一端沿轴向延伸形成配合段，且配合段的彩钢瓦外壳直径变大，所述保温段通过配合段沿轴向插接配合。

7.根据权利要求1所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述蒸汽发生单元包括蒸汽发生器、进水管和蒸汽输出管，所述进水管上沿水流方向依次设置有进水电磁阀、进水压力变送器和进水流量计；所述蒸汽输出管上依次设置有输出调节阀、输出压力变送器、输出温度传感器和输出气体涡街流量计。

8.根据权利要求1所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述换热单元包括湍流换热器，所述湍流换热器的热流入口通过热流管道与管道实验单元连通，冷流入口通过冷流管道与水源连通，热流出口通过第一冷凝管道连接有第二疏水组件，所述第二疏水组件与第一疏水组件的结构相同，冷流出口通过第二冷凝管道将冷凝水排出；

所述热流管道上依次设置有热流调节阀、热流压力变送器、热流温度传感器；冷流管道上依次设置有冷流电磁阀、冷流流量计、冷流压力变送器、和冷流温度传感器；所述第二冷凝管道上依次设置有冷凝电磁阀和冷凝温度传感器。

9.根据权利要求8所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验系统，其特征在于：所述疏水储存单元通过疏水进水管道与热流管道并联，与管道实验单元连通，所述疏水进水管道上在第一疏水组件上游设置有疏水进水电磁阀，所述水箱与第一疏水组件之间的管道上设置有水箱温度传感器，水箱上方具有蒸汽排出口，水箱出水管道上设置有水箱电磁阀，水箱出水管道与换热单元的排水汇流后排出。

10.使用权利要求1-9任一项所述的系统进行架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验的方法，其特征在于：包括

A：根据实验要求拆除实验段的拆卸式保温层，在实验管道的实验段沿周向均匀贴附多个表面温度传感器；

B：确保蒸汽发生单元、管道实验单元、换热单元和疏水储存单元连通，蒸汽发生单元的进水管和换热单元的冷流管道处于关闭状态；

C：将蒸汽发生单元和换热单元与水源连通，打开蒸汽发生单元，当实验系统内充满蒸汽时，关闭第一疏水组件的第一疏水管道阀和第二疏水组件的第一疏水管道阀；

D：调节蒸汽发生器的蒸汽供应量和换热单元的蒸汽冷凝量，外滑动式钢套保温层对应的实验管道的蒸汽压力稳定在设定值时，记录水箱的初始液位h₀，测量环境温度t_f和环境风速w，关闭水箱的出水管道；以第一周期获取监测时间段内外滑动式钢套保温层中间位置对应的实验管道和拆卸式保温层末端位置对应的实验管道的蒸汽压力和温度以及水箱的液位高度h₁，同时以第二周期获取监测时间段内四个表面温度传感器的温度数据；

E：打开水箱的出水管道，关闭蒸汽发生单元，断开蒸汽发生单元与水源的连通，增大换热单元的蒸汽冷凝量。

11.根据权利要求10所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，其特征在于：(1)漏热损失量的计算方法为：

q＝α(t_w-t_f)

其中，q为实验管道实验段外表面热流密度，单位W/m²；α为总散热系数，单位W/(m²·K)；t_w为管道外壁面平均温度，单位K；

步骤A中在实验段设置有四个表面温度传感器，则

其中，t₁、t₂、t₃、t₄分别是贴附在实验段外壁上的四个表面温度传感器数值的平均值；t_f为环境温度，单位K，通过手持红外测温仪测量；w为风速，单位m/s，通过手持风速仪测量；

(2)疏水量计算方法为：

Q＝ρS(h₁-h₀)

其中，Q为实验系统的疏水量，单位kg/h；ρ为水的密度，单位kg/m³；S是水箱底面积，单位m²；h₀为蒸汽压力稳定时的水箱初始液位高度，h₁为步骤D实验中的水箱液位高度，单位m；

(3)水击风险系数的计算方法为：

其中，n为管道水击风险系数，Q₁为保温层缺失时实验系统的疏水量，Q₀为保温层完好状态下实验系统的疏水量，单位kg/h。

12.根据权利要求10所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，其特征在于：所述第一周期为5min，第二周期为20min，监测时间段为1小时。

13.根据权利要求10所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，其特征在于：

所述外滑动式钢套保温层的中间位置的实验管道依次设置有第一管道压力变送器、第一管道温度传感器；所述拆卸式保温层末端的实验管道上依次设置有第二管道压力变送器和第二管道温度传感器；

所述蒸汽发生单元包括蒸汽发生器、进水管和蒸汽输出管，所述进水管上沿水流方向依次设置有进水电磁阀、进水压力变送器和进水流量计；所述蒸汽输出管上依次设置有输出调节阀、输出压力变送器、输出温度传感器和输出气体涡街流量计；

所述换热单元包括湍流换热器，所述湍流换热器的热流入口通过热流管道与管道实验单元连通，冷流入口通过冷流管道与水源连通，热流出口通过第一冷凝管道与第二疏水组件连通，冷流出口通过第二冷凝管道将冷凝水排出；

所述热流管道上依次设置有热流调节阀、热流压力变送器、热流温度传感器；冷流管道上依次设置有冷流电磁阀、冷流流量计、冷流压力变送器、和冷流温度传感器；所述第二冷凝管道上依次设置有冷凝电磁阀和冷凝温度传感器；

所述疏水储存单元通过疏水进水管道与热流管道并联，与管道实验单元连通，所述疏水进水管道上在第一疏水组件上游设置有疏水进水电磁阀，所述水箱与第一疏水组件之间的管道上设置有水箱温度传感器，水箱上设置有液位计，水箱上方具有蒸汽排出口，水箱出水管道上设置有水箱电磁阀，水箱出水管道与第一冷凝管道和第二冷凝管道汇流后排出；

步骤B中，确保进水电磁阀、冷流电磁阀处于关闭状态，冷凝电磁阀、第一疏水组件和第二疏水组件的第一疏水管道阀和第二输水管道阀、疏水进水电磁阀和水箱电磁阀处于开启状态；输出调节阀和热流调节阀的开度为100％；

步骤C中，打开冷流电磁阀使换热单元与水源接通，打开进水电磁阀使蒸汽发生单元与水源连通，所述水箱的液位计读数不变时，实验系统内充满蒸汽；

步骤D中，通过调节输出调节阀的开度调节蒸汽发生器的蒸汽供应量，通过调节热流调节阀的开度调节换热单元的蒸汽冷凝量，输出调节阀的开度与管道中的蒸汽压力正相关，热流调节阀的开度与管道中的蒸汽压力成负相关，以第一管道压力变送器的数值在15min内稳定不变认为系统处于稳定状态。

14.根据权利要求13所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，其特征在于：如果实验中涉及多种实验压力，在步骤D后，打开水箱电磁阀，当管道实验单元的第一管道压力变送器和第一管道温度传感器的数值以及液位计处于稳定时，重复步骤D。

15.根据权利要求13所述的一种架空蒸汽管道保温层缺失漏热实验方法，其特征在于：步骤E中，在实验完成后，打开水箱电磁阀，关闭蒸汽发生器，关闭进水电磁阀，增加热流调节阀的开度，输出压力变送器的数值≥0.4MPa时，热流调节阀的开度≤30％，当输出压力变送器的数值≤0.15MPa时，开启第二疏水组件的第一疏水管道阀，热流调节阀的开度调至100％，关闭冷流电磁阀；当输出压力变送器的数值≤0.02MPa时，开启第一疏水组件的第一疏水管道阀。