淺析汽水分離再熱器保溫層的設(shè)計(jì)

艾秋艷,凌 峰

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

0 概 述

為減少電廠設(shè)備及管道的散熱損失，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率，根據(jù)火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程，要求保溫結(jié)構(gòu)外表面的溫度不應(yīng)超過(guò)50℃。因此，50℃是保溫層設(shè)計(jì)中必需保溫的起點(diǎn)溫度[1]。雖然該規(guī)程是針對(duì)火力發(fā)電廠的保溫要求，但是對(duì)于核電常規(guī)島設(shè)備再熱器(MSR)的保溫設(shè)計(jì)，也具有參考意義。MSR殼體內(nèi)部的蒸汽溫度明顯高于MSR周圍的環(huán)境溫度，因此，為減少M(fèi)SR的熱量損失，通常在MSR殼體周圍包裹有保溫材料。因?yàn)楸貙拥牟牧铣杀炯爸谱麟y度，將隨著保溫厚度的增加而增加，所以，在設(shè)計(jì)保溫層時(shí)不宜過(guò)厚。設(shè)計(jì)保溫層時(shí)的主要問(wèn)題，是選定合適的保溫材料，并計(jì)算所需的保溫層厚度。

1 保溫層厚度的計(jì)算

設(shè)置保溫層的目的是安全(防止?fàn)C傷)和節(jié)能(控制熱損失)[2]。 允許散熱損失厚度法和表面溫度厚度法是2種常用的保溫厚度計(jì)算方法。允許散熱損失厚度法是利用傳熱學(xué)公式，計(jì)算和確定最大熱損失量所要求的保溫層厚度。表面溫度厚度法也是根據(jù)傳熱學(xué)公式，依據(jù)外表面溫度計(jì)算保溫層的厚度，計(jì)算的目標(biāo)是控制設(shè)備外表面的溫度，從而防止人員的燙傷，確保有一個(gè)合適的操作環(huán)境。

1.1 允許散熱損失厚度法

采用允許散熱損失厚度法，計(jì)算時(shí)主要與保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)λ、MSR外表面溫度t、環(huán)境溫度ta、保溫結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α等因素有關(guān)。查保溫規(guī)程表7.1.1后可知，根據(jù)介質(zhì)溫度，再確定保溫結(jié)構(gòu)外表面允許的最大散熱損失。根據(jù)保溫層的材料和結(jié)構(gòu)，可分為同種保溫材料構(gòu)成的單層保溫層及2種不同材料構(gòu)成的復(fù)合保溫層。

1.1.1 單層保溫層的計(jì)算

單層保溫層的計(jì)算公式，為：

(1)

(2)

式(1)中：D1—保溫層外徑，mm；

D0—MSR外徑，mm；

δ—保溫層厚度，mm；

[q]—保溫結(jié)構(gòu)外表面允許散熱損失，選取保溫規(guī)程表7.1.1中的允許最大散熱，取該值的90%，W/m2。

1.1.2 復(fù)合保溫層的計(jì)算

復(fù)合保溫層的計(jì)算公式，為：

(3)

復(fù)合層的內(nèi)層厚度計(jì)算公式，為：

(4)

(5)

復(fù)合層的外層厚度計(jì)算公式，為：

(6)

1.2 表面溫度厚度法

當(dāng)環(huán)境溫度低于27℃時(shí)，設(shè)備及管道保溫層結(jié)構(gòu)的外表面溫度，不應(yīng)超過(guò)50℃。當(dāng)環(huán)境溫度高于27℃時(shí)，保溫層結(jié)構(gòu)外表面的溫度可比環(huán)境溫度高25℃，但為了防止?fàn)C傷，保溫層結(jié)構(gòu)外表面的溫度，不應(yīng)超過(guò)60℃[1]。利用表面溫度厚度法，分別計(jì)算單層保溫及2種不同材料構(gòu)成的復(fù)合保溫層的厚度。

1.2.1 單層保溫層的厚度計(jì)算

利用表面溫度厚度法，計(jì)算單層保溫層厚度的公式，為：

(7)

(8)

式(7)中：ts—保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度，℃。

1.2.2 復(fù)合保溫層的厚度計(jì)算

利用表面溫度厚度法，計(jì)算復(fù)合保溫層厚度的公式，為：

(9)

復(fù)合保溫層內(nèi)層厚度的計(jì)算公式，為：

(10)

(11)

復(fù)合保溫層外層厚度的計(jì)算公式，為：

(12)

對(duì)于保溫層的厚度計(jì)算，一般是先采用允許散熱損失厚度法進(jìn)行初算，再采用表面溫度厚度法進(jìn)行驗(yàn)算，利用初算所得的保溫層厚度，再次校核外表面溫度是否超溫。

2 保溫層厚度計(jì)算及實(shí)例

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某型百萬(wàn)核電機(jī)組MSR的保溫層進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。設(shè)計(jì)思路是，先采用允許散熱損失厚度法，初算MSR保溫層的厚度，再采用表面溫度厚度法進(jìn)行驗(yàn)算。利用初算所得的保溫層厚度，驗(yàn)算MSR外表面溫度是否超溫。若超溫，需增加保溫層的厚度。

對(duì)MSR保溫層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可分為單層保溫和復(fù)合保溫。單層保溫層是僅采用單種保溫材料，復(fù)合保溫層是由2種不同材料構(gòu)成的保溫層。MSR設(shè)備及保溫層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 MSR設(shè)備及保溫層

2.1 MSR單層保溫層的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單層保溫時(shí)，選用了目前國(guó)內(nèi)核電站常規(guī)島最常用的復(fù)合硅酸鹽保溫材料。復(fù)合硅酸鹽保溫材料，是由纖維材料和顆粒集料復(fù)合而成，顆粒材料的內(nèi)部呈微小封閉的多孔結(jié)構(gòu)，顆粒之間是由松散后的短纖維填充，黏結(jié)劑的用量較少，綜合的傳熱效率低，是近年發(fā)展起來(lái)的新型保溫材料[3]。設(shè)計(jì)MSR單層保溫層的原始數(shù)據(jù)，如表1所示。計(jì)算過(guò)程及參數(shù)等依據(jù)，如表2所示。

表1 MSR單層保溫設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)表

表2 MSR單層保溫的設(shè)計(jì)過(guò)程及參數(shù)

按允許散熱損失厚度法計(jì)算，初算得保溫層厚度，為94.7 mm，保溫層的外徑，為4 067.3 mm。按表面溫度厚度法驗(yàn)算，即將4 067.3 mm代入式(7)，驗(yàn)算得保溫層外表面溫度為53.4℃，已超過(guò)50℃。因此，需對(duì)保溫層進(jìn)行加厚處理。將保溫層厚度增加至110 mm，再次驗(yàn)算保溫層的外表面溫度，計(jì)算得保溫層的外表面溫度為49.2℃。因此，保溫層厚度取110 mm，即為符合規(guī)程要求的最小保溫層厚度。

2.2 MSR復(fù)合保溫層的設(shè)計(jì)

復(fù)合保溫是由2種不同的保溫材料構(gòu)成，內(nèi)層選用20 mm玻璃纖維針刺氈材料，外層選用復(fù)合硅酸鹽材料。外層材料的厚度需通過(guò)計(jì)算確定。MSR復(fù)合保溫層設(shè)計(jì)時(shí)的原始數(shù)據(jù)，如表3所示。復(fù)合保溫層厚度的計(jì)算過(guò)程和依據(jù)，如表4所示。

表3 設(shè)計(jì)MSR單層保溫層的原始數(shù)據(jù)

表4 MSR復(fù)合保溫層厚度的計(jì)算過(guò)程和依據(jù)

復(fù)合保溫層的內(nèi)層材料，選用了層厚為20mm的玻璃纖維針刺氈材料。外層保溫層的厚度計(jì)算，按允許散熱損失厚度法初算，計(jì)算得復(fù)合保溫層的外層外徑D2為4 064mm、復(fù)合保溫層的外層厚度δ2為73mm、內(nèi)外層界面處溫度tb為257.4℃。按表面溫度厚度法進(jìn)行驗(yàn)算，即將D2為4 064mm、tb為257.4℃代入式(9)，驗(yàn)算得保溫層的外表面溫度ts為53.5℃，超過(guò)50℃。因此，需要對(duì)保溫層進(jìn)行加厚處理。將復(fù)合保溫層的外層厚度δ2，增至85mm，即D2為4 088mm，再次驗(yàn)算保溫層的外表面溫度。驗(yàn)算得保溫層的外表面溫度ts為49.8℃。因此，當(dāng)內(nèi)保溫層選用層厚為20mm玻璃纖維針刺氈材料時(shí)，層厚選定為85mm，是符合規(guī)程要求的最小復(fù)合保溫層的外層厚度。

在實(shí)際工程中，可將保溫材料縫成被式保溫毯，并外設(shè)鋁板保護(hù)罩殼。為了便于拆卸，單個(gè)保溫毯的重量，不應(yīng)超過(guò)35kg。為了便于設(shè)備的局部檢修和拆裝，可在環(huán)焊縫及縱向焊縫處，設(shè)立單獨(dú)的可拆保溫層。本文的保溫層設(shè)計(jì)方法也適用于其它需保溫的電站輔機(jī)設(shè)備，如高壓加熱器，除氧器等。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)保溫材料的特性，確定復(fù)合硅酸鹽及玻璃纖維材料是比較理想的MSR保溫材料。依據(jù)傳熱學(xué)原理，并按照允許散熱損失厚度法和表面溫度厚度法，對(duì)保溫層的厚度進(jìn)行初算及驗(yàn)算校正，以滿足允許散熱損失的要求及外表面溫度的要求，最終確定了MSR保溫層的設(shè)計(jì)厚度。