納米氣凝膠絕熱氈在蒸汽熱網(wǎng)管道上的應(yīng)用

何 棟

（浙江浙能紹興濱海熱力有限公司，浙江 紹興 312073）

0 引言

某熱電公司二期4臺50 MW抽背機組為達到更高的發(fā)電效率，設(shè)計低壓供熱蒸汽溫度為250℃，比常規(guī)供熱機組低30℃左右；在供熱過程中，機組抽汽口至末端用戶為6 km，使用常規(guī)保溫方式每千米的溫降約為7℃，受供熱初終參數(shù)的限制，不能滿足末端用戶蒸汽使用溫度不小于220℃的要求。納米氣凝膠氈作為新興保溫材料，保溫性能優(yōu)異、抗壓抗拉強度高、使用壽命長、防火防水性好、施工方便，具有節(jié)能減排和運行經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。

因此，對Φ426 mm和Φ325 mm的蒸汽管道進行了試驗，試驗證明納米氣凝膠材料能有效控制蒸汽輸送管道溫降，并能提高節(jié)能率、縮短投資回收年限。

1 納米氣凝膠絕熱氈與常規(guī)保溫材料對比

1.1 保溫性能

常規(guī)保溫材料有巖棉、硅酸鋁、高溫玻璃棉，在300℃運行工況下，導(dǎo)熱系數(shù)分別約為0.108 W/（m·K）， 0.101 W/（m·K）和 0.105 W/（m·K）。

納米氣凝膠絕熱氈以氣凝膠材料為主體，獨特的結(jié)構(gòu)使得氣凝膠絕熱氈具有許多常規(guī)材料無可比擬的特性。納米氣凝膠絕熱氈導(dǎo)熱系數(shù)小，常溫下可低于 0.02 W/（m·K），300℃運行工況下，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.046 W/（m·K），是常規(guī)材料的約1/3～1/2。不同溫度下納米氣凝膠氈與常規(guī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)如圖1所示。

圖1 不同溫度下氣凝膠氈與常規(guī)材料導(dǎo)熱系數(shù)

由圖1可知，隨著溫度的升高，氣凝膠絕熱氈的導(dǎo)熱系數(shù)上升比較緩慢，因此，在高溫工況條件下，氣凝膠絕熱氈的保溫優(yōu)勢更明顯。

對于長距離輸送管線，散熱損失的減小可使管道終端溫度提高，保溫效果更加顯著。

1.2 其他性能

氣凝膠絕熱氈憎水率不小于99%，相對于硅酸鋁和巖棉，施工時無需特殊防水措施。由于該材料為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，致密度高，抗拉強度不小于800 kPa，抗壓強度不小于120 kPa（形變5%），可避免傳統(tǒng)材料因振動而發(fā)生變形堆積、沉降和保溫性能下降等問題，且有較好的隔音效果。

2 納米氣凝膠絕熱氈的保溫節(jié)能試驗

為了突破常規(guī)保溫材料的限制，增強熱力管道保溫效果，減少蒸汽的沿途散熱損失，利用現(xiàn)有蒸汽管道進行納米氣凝膠絕熱氈的保溫試驗。

蒸汽管道總長400 m，試驗段為相同管徑的同段蒸汽源管道，運行參數(shù)為壓力2.3 MPa，溫度280℃。根據(jù)GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道工程絕熱設(shè)計規(guī)范》的要求，管道復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)依據(jù)保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度計算。按照保溫設(shè)計計算厚度，該試驗管道采用2種管徑（Φ426 mm和Φ325 mm），3種保溫結(jié)構(gòu)，共6組數(shù)據(jù)，見表1。

測試現(xiàn)場新舊保溫管道上下并列布置，熱成像結(jié)果見圖2、圖3?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示，使用氣凝膠絕熱氈的管道表面溫度比傳統(tǒng)保溫材料溫度區(qū)間低2～5℃，各試驗段的保溫性能分析見表2。

按照分段畫出各試驗段年平均線散熱損失（見圖4），由此可知，采用納米氣凝膠絕熱氈20 mm的管線蒸汽管道表面溫度明顯低于采用常規(guī)材料的管線，年平均線散熱損失也小于常規(guī)保溫材料，實測的節(jié)能率均大于40%。

表1 測試管道保溫規(guī)格及結(jié)構(gòu)

圖2 典型新保溫管道熱像

圖3 典型舊保溫管道熱像

表2 各試驗管道保溫性能分析結(jié)果

表3 新舊保溫材料用量及費用

圖4 各試驗管道年平均線散熱損失

按照試驗測試所得出的年平均線散熱系數(shù)計算，Φ426 mm管道在蒸汽流量為50 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280℃的情況下，理論計算溫降為4℃/km，比常規(guī)保溫的7℃/km減少了3℃/km。Φ325 mm的管道在蒸汽流量為30 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280℃的情況下，理論計算溫降為5℃/km，比常規(guī)材料9℃/km減少溫降4℃/km。由以上數(shù)據(jù)可以看出，氣凝膠絕熱氈在蒸汽長距離輸送時保溫效果顯著，可以有效減少蒸汽沿途的熱損失，從而增加熱網(wǎng)供熱范圍。

3 經(jīng)濟效益分析

通過查詢蒸汽焓值表，2.3 MPa，280℃（實際運行工況）蒸汽的焓值為2 960.1 kJ/kg，常溫水的焓值為105 kJ/kg，中壓蒸汽價格為210元/t，計算得蒸汽熱價（可有效利用熱量）為73元/GJ。

以下按管線年運行時間7 500 h，計算其經(jīng)濟效益。

3.1 減少散熱損失的經(jīng)濟效益

根據(jù)目前市場咨詢價格，熱網(wǎng)保溫結(jié)構(gòu)材料單價為：硅酸鋁650元/m3，玻璃棉500元/m3，鋁箔布9元/m2，彩鋼板27元/m2，納米氣凝膠絕熱氈20 000元/m3，材料用量及費用計算見表3。對納米氣凝膠保溫進行經(jīng)濟效益分析，結(jié)果見表4。

表4 納米氣凝膠絕熱氈保溫經(jīng)濟性分析

3.2 提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益

管線進行保溫改造后，由于終端蒸汽熱值提高，用戶生產(chǎn)效率可得到提高，從而相應(yīng)地增加用戶端的產(chǎn)能及經(jīng)濟效益。同時，在滿足用戶要求蒸汽溫度的前提下，由于沿程溫降減少，可降低供熱企業(yè)出口溫度，增大蒸汽在汽輪機內(nèi)部作功的焓降，提高發(fā)電效率。

3.3 減少排放的經(jīng)濟效益

根據(jù)熱電鍋爐污染物排放數(shù)據(jù)，該段管道總長420 m，采用納米氣凝膠絕熱氈改造后，每年可減少熱損失1 267 GJ，相當于年減少標煤消耗53.1 t，從而年減少污染物排放CO 9.9 kg，CO229 t，SO21 t，NOX0.4 t，由此可減少減排的費用約0.63萬元/年。污染物排放的減少可有效改善工廠及周邊的環(huán)境，減少PM2.5的產(chǎn)生，具有較好的社會效益。

4 結(jié)語

通過試驗證明，使用納米氣凝膠絕熱氈和玻璃棉氈復(fù)合結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的硅酸鋁管殼和玻璃棉氈保溫方式達到更好的保溫效果，具有較好的性價比和經(jīng)濟效益，同時具有使用壽命長、不易破損、施工方便、更節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，是解決蒸汽管道絕熱難點的重要手段。

納米氣凝膠絕熱氈具有優(yōu)異的保溫、隔音效果，在發(fā)電企業(yè)廠內(nèi)汽水管道上使用，不僅可以降低廠內(nèi)汽水管道的熱損失，提高整體的熱效率，還可以減少噪聲污染，減少污染物排放，具有良好的社會效益。

[1]工業(yè)設(shè)備及管道工程絕熱設(shè)計規(guī)范：GB 50264-2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2]供熱系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范：GB/T 50893-2013[S]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定熱流計法和表面溫度法：GB/T 17357-2008[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2008.

[4]張德忠.二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].化學(xué)研究，2016，27（1）∶120-127.

[5]胡風(fēng)華.供熱蒸汽管道的溫降影響因素淺析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012（37）∶163-164.

[6]施振球.動力管道設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[7]絕熱用硅酸鋁棉及其制品：GB/T 16400-2003[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2003.

[8]絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品：GB/T 11835-2016[S].北京：中國標準出版社，2016.

[9]絕熱用玻璃棉及其制品：GB/T 13350-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[10]設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定熱流計法和表面溫度法：GB/T 17357-2008[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2008.

[11]沙海偉.某燃機電廠反滲透進水加熱系統(tǒng)的優(yōu)化[J].電力工程技術(shù)，2017，36（5）∶155-159.

[12]成明濤，林友新，肖志前，等.火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道應(yīng)力評估與調(diào)整[J].廣東電力，2016，29（11）∶8-11.