氣凝膠保溫材料在汽輪機(jī)組主蒸汽管道中的應(yīng)用研究

石巍巍 居國騰 劉東旭

摘? 要：隨著納米氣凝膠材料在保溫性能上的突出表現(xiàn)，其在傳統(tǒng)熱網(wǎng)管道中的應(yīng)用逐漸普及開來。然而，對于汽輪機(jī)主蒸汽管道而言，其溫度更高，對氣凝膠材料的厚度與保溫能力提出了更高的要求。因此，研究氣凝膠在機(jī)組主蒸汽管道中的應(yīng)用具有重要意義。本文對氣凝膠保溫材料在機(jī)組主蒸汽管道中的應(yīng)用進(jìn)行分析，研究了高參數(shù)蒸汽管道保溫層設(shè)計(jì)過程中采用氣凝膠保溫材料的具體設(shè)計(jì)方案及施工方法，并利用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了保溫效果。結(jié)果表明，對汽輪機(jī)主蒸汽管道而言，采用90mm厚度的氣凝膠材料的保溫效果要優(yōu)于360mm厚度的傳統(tǒng)保溫材料，且保溫層外表面溫度要比傳統(tǒng)保溫材料低4～5℃。這對于氣凝膠保溫材料在其他機(jī)組主蒸汽管道中的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：納米氣凝膠? 主汽管道? 保溫性能? 汽輪機(jī)

中圖分類號：TU551;TU995.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0043-05

Application of Aerogel Thermal Insulation Material in Main Steam Pipeline of Steam Turbine

SHI Weiwei1? JU Guoteng1 LIU Dongxu2*

（1.Zhejiang Zheneng Shaoxing Binhai Thermal Power Co.， Ltd.， Shaoxing， Zhejiang Province， 312073 China;

2.Harbin Wohua Intelligent Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150001 China）

Abstract： With the outstanding performance of nano-aerogel materials in thermal insulation effect， its application in traditional heating pipelines has become popular gradually. However， its temperature is higher for the main steam pipelines of a steam turbine， which puts forward higher requirements on the thickness and thermal insulation capacity of the aerogel. Therefore， it is of great significance to study the application of aerogel in the main steam pipeline of the unit. This paper analyzes the application of nano-aerogel materials in the main steam pipeline of the unit， studies the specific design and construction method of the materials during the design process of the high-parameter steam pipeline insulation layer， and uses the test method to verify the insulation effect. The results show that the thermal insulation effect of the 90mm thickness aerogel material is better than that of the 360mm thickness traditional thermal insulation material for the main steam pipelines， and the outer surface temperature of the thermal insulation layer is 4～5℃ lower than that of the traditional thermal insulation material. This has certain reference significance for the application of aerogel

蒸汽管道的散熱損失是造成汽輪機(jī)做功能力下降的重要因素。為了減小散熱損失，在汽輪機(jī)本體主要蒸汽管道敷設(shè)保溫層是常規(guī)采用的手段，但傳統(tǒng)保溫材料保溫效果相對較差，且存在占用空間較大、對管道造成腐蝕以及降噪效果較差等諸多問題。相比之下，由納米粒子或聚合物大分子組成的氣凝膠材料在熱防護(hù)、降噪方面均表現(xiàn)出良好的性能[1]。因此，氣凝膠材料在管道保溫中的應(yīng)用逐漸得到推廣[2]。然而，相比傳統(tǒng)材料，納米氣凝膠的制造成本較高，將其運(yùn)用到管道保溫會面臨前期投資過大的問題[3]。因此，基于氣凝膠與傳統(tǒng)材料的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)逐漸引發(fā)學(xué)者關(guān)注并投入實(shí)際運(yùn)行中[4]。有學(xué)者研究了傳統(tǒng)保溫材料與氣凝膠絕熱氈的保溫性能，綜合分析了基于傳統(tǒng)材料和氣凝膠的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)投資收益情況，得出氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的推廣價值更高的結(jié)論[5，6]。有研究指出，在高寒地區(qū)其節(jié)能效果更強(qiáng)[7]。有研究利用數(shù)值模擬方法分析了氣凝膠與不同傳統(tǒng)材料之間的保溫性能，指出氣凝膠保溫材料可以有效緩解管道自身的結(jié)露問題[8]。有研究指出將氣凝膠材料應(yīng)用到蒸汽熱網(wǎng)管道中并獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。但目前的應(yīng)用主要集中在低參數(shù)的供熱官網(wǎng)中，對汽輪機(jī)主汽管道等高參數(shù)的應(yīng)用相對較少。實(shí)際上，相比于傳統(tǒng)熱網(wǎng)管道，電廠主蒸汽管道內(nèi)蒸汽參數(shù)更高，需要更厚的氣凝膠保溫層設(shè)計(jì)，且保溫層方案及需要進(jìn)一步分析[9]。

本文對氣凝膠保溫材料在主蒸汽管道保溫中的應(yīng)用進(jìn)行探討，論述了氣凝膠材料在汽輪機(jī)主蒸汽管道保溫中的設(shè)計(jì)方案及施工方法，通過試驗(yàn)方法驗(yàn)證了其保溫效果要優(yōu)于傳統(tǒng)保溫材料，且占用的空間更小。

1? 氣凝膠性能分析

1.1 保溫性能

氣凝膠是一種納米級多孔固態(tài)材料，基于二氧化硅氣凝膠制造的保溫氈導(dǎo)熱系數(shù)約為傳統(tǒng)保溫材料的1/3～1/5，能夠有效提高空間利用率，降低蒸汽管道的散熱損失。

1.2 其他性能

相比傳統(tǒng)保溫材料，基于氣凝膠制造的保溫材料承拉力有了大幅度增加，起到了抗拉加強(qiáng)的作用;具有很好的抗震抗拉性，可有效降低因材料自重、管道及設(shè)備振動、材料進(jìn)水等外力因素引起的沉降失效。此外，保溫氈的無機(jī)特性使得其不會對設(shè)備和管道造成腐蝕，如圖1所示。

在降噪方面，傳統(tǒng)保溫材料也擁有一定的吸音能力。50mm厚度的保溫材料，可降低噪聲7～15dB。氣凝膠絕熱氈是有納米級的二氧化硅顆?；旌侠w維絲粘合而成，材料的致密度高，可以容納和吸收聲音能量的能力更強(qiáng)。10mm厚度的保溫層，可降低噪聲20～35dB，對于高頻噪聲隔絕效果更為優(yōu)異（見圖2）。

2? 在機(jī)組主蒸汽管道中的應(yīng)用

2.1 管道保溫層設(shè)計(jì)方案

在汽輪機(jī)本體中的主要管道上應(yīng)用，管道規(guī)格為Φ273×30mm，管道內(nèi)蒸汽溫度為538℃，為了保證保溫效果，選擇采用9層10mm規(guī)格的氣凝膠氈作為管道保溫層的主體結(jié)構(gòu)，厚度共計(jì)90mm。

2.2 管道保溫層安裝方法

氣凝膠保溫氈的厚度具有一定的規(guī)格，對于汽輪機(jī)主蒸汽管道而言，單層無法滿足保溫需求，因此需要敷設(shè)多層。在敷設(shè)過程中，應(yīng)逐層捆扎，且同層錯縫、內(nèi)外層壓縫，并對縫隙處做嚴(yán)縫處理。相鄰兩層的壓縫的間距要大于200mm，如圖3所示。

對于管道彎頭處，如圖4所示，可將氣凝膠保溫氈加工成弧形的多節(jié)彎形以保證保溫層的厚度一致。

3? 應(yīng)用效果分析

3.1 測試方法

依據(jù)相關(guān)研究[10]，采用表面溫度測試法評價。測試部位為前文所述的主蒸汽管道，如表1所示。用接觸式表面溫度計(jì)測量表面各部分溫度，在距離被測位置1m處，測量環(huán)境溫度，這些參數(shù)的測試同步進(jìn)行。測試過程中，每個管徑至少選取兩處進(jìn)行測試，取兩次測試溫度的平均值作為該管道保溫層表面的溫度值，進(jìn)一步可以計(jì)算出該表面的散熱損失。

3.2 節(jié)能效果分析

在同一區(qū)域?qū)π屡f保溫管道進(jìn)行表面溫度、風(fēng)速、環(huán)境參數(shù)測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均、風(fēng)速修正及發(fā)射率修正，其保溫性能分析結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯c傳統(tǒng)保溫方案對比，采用氣凝膠保溫會降低管道外表面溫度降低4～5℃。

根據(jù)相關(guān)研究[11]，計(jì)算上述方案的管道散熱損失，其中，定義節(jié)能率如下：

節(jié)能率=（1-新保溫方案線散熱損失/原保溫方案線散熱損失）×100%

計(jì)算結(jié)果如表2所示，相比傳統(tǒng)保溫方案，采用氣凝膠方案減小約66.7%的散熱損失。

4? 結(jié)語

凝膠絕熱氈材料在傳統(tǒng)管道保溫中的應(yīng)用正逐漸普及開來，但對汽輪機(jī)主汽管道等高參數(shù)保溫對象的應(yīng)用較少。本文分析了氣凝膠保溫材料在高參數(shù)蒸汽管道上的應(yīng)用。闡述了管道保溫層設(shè)計(jì)方案及施工方法，通過與傳統(tǒng)方案的對比分析，得到如下結(jié)論。

第一，對于汽輪機(jī)主蒸汽管道保溫層，采用總計(jì)90mm厚度的氣凝膠絕熱氈的保溫效果就會達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)保溫方案。

第二，與傳統(tǒng)保溫方案對比，采用氣凝膠保溫會降低管道外表面溫度降低4～5℃，減小約66.7%的散熱損失。

第三，在汽輪機(jī)主汽管道使用氣凝膠絕熱氈能有效降低管道的散熱損失，減小能量損失。

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[11] GB 50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范（附條文說明）[S].