H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性研究

王昱彭

摘要：以某H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組作為分析載體，通過(guò)對(duì)比該機(jī)組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫分別采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈保溫材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈保溫材料的優(yōu)點(diǎn)，分析現(xiàn)階段H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性。從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行對(duì)比，由于納米氣凝膠的初投資太高（比采用硅酸鋁針刺毯高出147.15萬(wàn)元），投產(chǎn)后30年納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的綜合費(fèi)用才會(huì)比硅酸鋁針刺毯節(jié)省87.95萬(wàn)元，但同時(shí)納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈具有絕熱性能更好、壽命可涵蓋機(jī)組全生命周期、美觀、施工便捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此，從機(jī)組全生命周期來(lái)考慮，選用納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈作為機(jī)組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫材料是可行的。

關(guān)鍵詞：納米氣凝膠;硅酸鋁;主蒸汽;再熱蒸汽;燃?xì)饴?lián)合循環(huán);保溫

0 ? ?引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組主蒸汽及再熱蒸汽的參數(shù)越來(lái)越高，蒸汽的成本和做功能力也隨之提高，而且由于H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組布置的原因，主蒸汽、再熱蒸汽管道長(zhǎng)度一般在100 m以上，具有較大的散熱面積，因此，通過(guò)降低主蒸汽、再熱蒸汽管道的單位長(zhǎng)度散熱損失，可以有效保持蒸汽的做功能力，從而獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，我國(guó)電力行業(yè)對(duì)于600 ℃以上的管道，可選保溫材料主要有硅酸鋁制品、硅酸鎂纖維毯、多腔孔陶瓷復(fù)合絕熱制品、納米氣凝膠制品等。其中硅酸鋁制品是我國(guó)電力行業(yè)高溫管道應(yīng)用最早、最廣泛的常規(guī)保溫材料，具有延伸性好、抗震性強(qiáng)、質(zhì)量輕、隔熱性佳、穩(wěn)定性較強(qiáng)等特點(diǎn)，且在上千攝氏度的高溫下不變形，因而被廣泛應(yīng)用于化工產(chǎn)業(yè)、電力行業(yè)、暖通等各個(gè)領(lǐng)域。

納米氣凝膠制品則是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的高效保溫材料，是一種把二氧化硅氣凝膠復(fù)合于增強(qiáng)纖維中的輕質(zhì)納米多孔非晶固態(tài)材料，在目前已知的隔熱材料中，其導(dǎo)熱系數(shù)最低，因此它可以大大降低保溫層厚度，同時(shí)減少散熱損失。納米氣凝膠氈具有柔軟、易裁剪、無(wú)機(jī)防火、整體疏水等特性，主要用于工業(yè)管道、可拆卸式保溫套、航空航天等領(lǐng)域的保溫隔熱。

本文將用某H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組作為分析載體，通過(guò)對(duì)比該機(jī)組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫分別采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈保溫材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈保溫材料的優(yōu)點(diǎn)，分析現(xiàn)階段H級(jí)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性。

1 ? ?兩種絕熱材料的特點(diǎn)

1.1 ? ?硅酸鋁針刺毯

硅酸鋁針刺毯具有延伸性好、抗震性強(qiáng)、質(zhì)量輕、隔熱性佳、穩(wěn)定性較強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工產(chǎn)業(yè)、電力行業(yè)、暖通等各個(gè)領(lǐng)域，是我國(guó)電力行業(yè)高溫管道應(yīng)用最早和最廣泛的常規(guī)保溫材料。

硅酸鋁針刺毯通常是將硅酸鋁原料加入電弧爐或電阻爐中熔融，形成流股，流股經(jīng)壓縮空氣或蒸汽噴吹后成為纖維，經(jīng)過(guò)除渣器除渣后，集棉形成成品纖維，最后針刺成毯。

成品的硅酸鋁針刺毯制品應(yīng)符合《絕熱用硅酸鋁棉及其制品》（GB/T 16400—2015）的相關(guān)要求，主要性能指標(biāo)如表1所示。

硅酸鋁針刺毯的特點(diǎn)：

（1）絕熱性能良好。硅酸鋁纖維直徑一般為微米級(jí)，纖維之間的接觸面小，固體熱傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)，因此熱阻很大。同時(shí)硅酸鋁纖維之間有豐富的微米級(jí)間隙，有效地減小了空氣的對(duì)流傳熱。因此，硅酸鋁材料具有很好的絕熱性能，在管道溫度600 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率約為0.1 W/（m·K）。

（2）價(jià)格較低。每立方米硅酸鋁制品的價(jià)格是600～1 000元。

（3）耐候性稍差。由于硅酸鋁針刺毯等制品的纖維之間具有較大的空隙，因此整體組織強(qiáng)度不大，在浸濕或經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，通常會(huì)發(fā)生老化、局部坍縮等情況，從而導(dǎo)致保溫效果變差，管道散熱損失增加，甚至出現(xiàn)管道保溫層外表面超過(guò)防燙傷溫度的情況。

1.2 ? ?納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈

納米氣凝膠制品是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的高效保溫材料，是一種把二氧化硅氣凝膠復(fù)合于增強(qiáng)纖維中的輕質(zhì)納米多孔非晶固態(tài)材料，具有在目前已知的隔熱材料中最低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此它可以大大降低保溫層厚度，同時(shí)減少散熱損失。納米氣凝膠氈主要用于工業(yè)管道、航空航天等領(lǐng)域的保溫隔熱，僅在少數(shù)火電廠高溫管道保溫方面有應(yīng)用業(yè)績(jī)。

納米氣凝膠制品一般采用溶膠—凝膠法進(jìn)行商業(yè)化制備，在凝膠過(guò)程前加入功能性添加材料，如紅外遮光劑、增強(qiáng)纖維、微米級(jí)骨架顆粒以及高溫收縮抑制劑、疏水劑等，再經(jīng)超臨界干燥制成復(fù)合絕熱材料。

納米氣凝膠復(fù)合絕熱材料的性能應(yīng)符合《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》（GB/T 34336—2017）的相關(guān)要求，其主要性能指標(biāo)如表2所示。

納米氣凝膠絕熱氈的特點(diǎn)：

（1）絕熱性能極佳。氣凝膠制品的孔洞率高達(dá)80%～99.8%，其孔洞的典型尺寸為1～100 nm，比表面積高達(dá)100～1 000 m2/g。納米級(jí)孔洞使其熱傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)大于纖維類(lèi)絕熱材料，同時(shí)孔洞的直徑小于空氣分子自由運(yùn)動(dòng)的平均距離，從而有效降低了固體熱傳導(dǎo)和空氣對(duì)流傳熱，因此具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）減薄保溫厚度。由于絕熱性能優(yōu)秀，因此在同等條件下，管道溫度600 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率約為0.04 W/（m·K），保溫厚度和用量比硅酸鋁制品少1/2以上，節(jié)省了布置空間。

（3）機(jī)械強(qiáng)度高。由于納米級(jí)顆粒和增強(qiáng)基材結(jié)合牢固，因此納米氣凝膠絕熱氈具有較好的抗壓抗拉強(qiáng)度，使用壽命遠(yuǎn)高于常規(guī)的纖維制品。

（4）耐候性好。納米氣凝膠絕熱氈的遮光劑、疏水劑等材料均勻分布于絕熱材料中，得益于類(lèi)似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在整個(gè)使用壽命內(nèi)，納米氣凝膠復(fù)合絕熱材料的絕熱性能下降很少。

（5）價(jià)格高昂。納米氣凝膠的每立方米價(jià)格較高，是硅酸鋁制品的15倍左右，約為15 000元/m3，因此總體初投資要比傳統(tǒng)材料高得多。