火電廠管道保溫中納米材料的應(yīng)用

汪德嵩

（中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050021）

0 引言

以往的火電廠管道保溫多使用巖棉、玻璃棉和硅酸鋁等保溫材料，這些材料力學(xué)性能相對(duì)較差，在實(shí)際使用過程中，會(huì)受到客觀環(huán)境因素的影響而性能下降，且環(huán)保性能也不夠理想。由此，各種納米材料應(yīng)運(yùn)而生，通過應(yīng)用這些納米材料，其能夠達(dá)到提升保溫效果和節(jié)能減排等多項(xiàng)目標(biāo)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此需要對(duì)納米材料在火電廠管道保溫中的實(shí)際應(yīng)用做進(jìn)一步的研究。

1 火電廠管道保溫材料概述

1.1 火電廠管道保溫材料的發(fā)展及研究

對(duì)于火電廠管道而言，其保溫技術(shù)的發(fā)展，是隨著保溫材料的發(fā)展進(jìn)步而進(jìn)步的，為確保保溫效果符合預(yù)期目標(biāo)，就需要對(duì)各種材料的基本性能參數(shù)和適用范圍予以明確了解，以此來進(jìn)行合理的選擇[1-2]。

一般來說，用于火電廠管道的保溫材料必須滿足以下幾方面的要求：①導(dǎo)熱系數(shù)低，在火電廠的日常運(yùn)行工況下，其導(dǎo)熱系數(shù)值應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.14 W/m·k；②應(yīng)具有較高的耐熱性能，在長(zhǎng)期高溫條件下仍能保持穩(wěn)定的理化性質(zhì)和保溫能力，且對(duì)于可能出現(xiàn)的超出正常限值的溫度也應(yīng)具有一定的適應(yīng)能力；③材料的密度應(yīng)當(dāng)盡可能低，對(duì)于保溫材料而言，應(yīng)當(dāng)控制其密度在0.4kg/m3以下；④材料必須有較強(qiáng)的耐振動(dòng)能力，且要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，硬質(zhì)成型材料的抗壓強(qiáng)度必須高于0.25MPa；⑤保溫材料應(yīng)當(dāng)具備吸水率低和較高的耐水性能；⑥保溫材料的原材料應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)單易得的，且成本應(yīng)當(dāng)控制在合理水平[3-4]。

在實(shí)際的工程領(lǐng)域中，通常將保溫材料分為軟質(zhì)保溫材料和硬質(zhì)保溫材料兩類，軟質(zhì)保溫材料主要包括玻璃棉和巖棉等，硬質(zhì)保溫材料則主要以硅酸鈣類材料為代表。目前，保溫材料形式多樣，不同廠家的產(chǎn)品質(zhì)量存在差異，通常需要采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與工程實(shí)例綜合，對(duì)現(xiàn)有保溫材料進(jìn)行全面系統(tǒng)研究，篩選出優(yōu)質(zhì)保溫材料用于火電廠管道保溫，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[5]。

1.2 火電廠管道保溫中應(yīng)用納米材料的意義

具體來看，在火電廠管道保溫中應(yīng)用納米材料，其意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①通過應(yīng)用納米保溫材料取代傳統(tǒng)保溫材料，預(yù)計(jì)能夠經(jīng)濟(jì)安全地解決火電廠蒸汽管道的熱膨脹問題和熱損問題，提高蒸汽管道及保溫的使用年限和效率；②由于納米保溫材料的環(huán)保效益也較為突出，因此其應(yīng)用有助于推進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展；③通過納米保溫材料的推廣應(yīng)用，有助于進(jìn)一步豐富材料學(xué)方面的研究理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后新的高性能納米保溫材料的研發(fā)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考[6]。

1.3 納米材料提升火電廠管道保溫的基本原理

目前，納米復(fù)合材料是世界上技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先的一類材料，其隔熱性能相當(dāng)優(yōu)異，保溫性能顯著超出傳統(tǒng)材料。除了保溫性能突出之外，這類材料還具有憎水性較強(qiáng)、自重較輕、熱穩(wěn)定性和抗震性好、施工便利度高和環(huán)保節(jié)能效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在當(dāng)今的應(yīng)用也逐漸鋪展開來。

熱傳遞有三種基本方式，即：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。對(duì)于火電廠管道保溫方面而言，其主要的熱量散失形式是以熱傳導(dǎo)的形式加以體現(xiàn)的。而納米材料的應(yīng)用，能夠有效降低熱傳導(dǎo)的程度。具體來看，納米材料與普通保溫材料在結(jié)構(gòu)上存在一定的差異，由于納米材料中的粒子分散度更高，因此其結(jié)構(gòu)中也形成了更多的類似于氣囊的結(jié)構(gòu)，這些“氣囊”中為空氣所填充。由于空氣熱導(dǎo)率極低，因此材料整體的熱導(dǎo)率也顯著降低，同時(shí)也在一定程度上減小了熱對(duì)流。同時(shí)，由于納米材料在實(shí)際使用時(shí)通常搭配反射層使用，并且材料本身的比表面積也較大，即能夠?qū)⒉牧媳砻娴臒嵩从行Х瓷涞街車諝猱?dāng)中，從而大幅降低熱輻射。目前，這類納米材料的整體熱導(dǎo)率都相對(duì)較低，通常低于0.035W/m·k，能夠有效達(dá)到保溫節(jié)能的目的[7]。

在測(cè)試火電廠管道保溫納米材料的性能時(shí)，通常以恒溫儀調(diào)節(jié)電加熱平板的電加熱功率來控制平板溫度達(dá)到恒定壁面溫度的目的。當(dāng)電加熱平板的溫度已處于恒定后，將已經(jīng)涂覆納米材料的試驗(yàn)材料放置于電加熱平板上，同時(shí)放置涂覆了傳統(tǒng)保溫材料的對(duì)照組，以此對(duì)兩組材料的表面溫度進(jìn)行測(cè)定。一般來說，當(dāng)納米保溫材料的厚度為固定值時(shí)，兩組材料表面溫度值的差值越大，則證明該納米保溫材料的保溫性能也就越好。

2 納米保溫材料在火電廠管道保溫中的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域和實(shí)驗(yàn)材料的選擇

在本次實(shí)驗(yàn)中，選用某火電廠的某組燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在該發(fā)電機(jī)組中，選取主蒸汽管道的室內(nèi)水平段作為研究對(duì)象，該段長(zhǎng)度為10m。首先對(duì)管道表面進(jìn)行清潔，確保管道表面光滑無雜屑后，進(jìn)行納米保溫材料的噴涂作業(yè)。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)設(shè)置10個(gè)測(cè)溫段，每1米范圍內(nèi)設(shè)置1個(gè)，并在每個(gè)測(cè)溫段內(nèi)，沿圓周方向分別設(shè)置上下左右四個(gè)測(cè)點(diǎn)，以此進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集。

本次實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)材料為納米纖維保溫材料，其常溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.016W/m·k，能夠在-270～1150℃范圍內(nèi)使用，阻燃防火等級(jí)為A級(jí)，抗拉強(qiáng)度為2450psi，根據(jù)這些性能參數(shù)可知，該種材料的適用范圍較廣。

2.2 未使用納米材料條件下的溫度測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)人員通過溫度數(shù)據(jù)采集后發(fā)現(xiàn)，在未使用納米材料，而是使用傳統(tǒng)保溫材料的條件下，當(dāng)室溫為18.0℃時(shí)，蒸汽管道上側(cè)的平均溫度為53.2℃，左側(cè)為50.4℃，右側(cè)為47.2℃，下側(cè)則為31.7℃。而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求下，火力發(fā)電廠中，發(fā)電機(jī)組的主蒸汽管道外表面設(shè)計(jì)溫度位于50～55℃這一區(qū)間內(nèi)。由此可見，隨著室溫的進(jìn)一步升高，蒸汽管道上側(cè)和左側(cè)的溫度很容易超過60℃，一旦溫度超過60℃，則容易造成較大的熱量損失。從以上的數(shù)據(jù)中也不難看出，在主蒸汽管道四個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度中，以上側(cè)溫度為最高，左右側(cè)次之，下側(cè)為最低。引起這種現(xiàn)象的主要原因是，蒸汽在管道中流動(dòng)時(shí)大多位于上部，且管道下側(cè)難免存在一定的疏水現(xiàn)象，同時(shí)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)蒸汽管道會(huì)發(fā)生一定的振動(dòng)，造成保溫材料層受到振動(dòng)和重力的雙重影響而向下位移，造成上側(cè)保溫層的厚度進(jìn)一步降低，從而引起表面溫度的升高。

2.3 噴涂納米保溫材料后的溫度測(cè)試分析

基于上文中的測(cè)試結(jié)果可知，主蒸汽管道下側(cè)的溫度一直處于較低水平，從理論分析，其溫度幾乎不會(huì)超標(biāo)，因此可不進(jìn)行保溫加強(qiáng)，主要的保溫加強(qiáng)部位重點(diǎn)則放在管道的中上側(cè)，對(duì)這些部位進(jìn)行納米保溫涂料的噴涂作業(yè)。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，研究人員在涂料噴涂完成后對(duì)涂料涂層進(jìn)行了數(shù)次檢驗(yàn)，確保涂料涂層已經(jīng)充分干透后再行測(cè)量。管道噴涂前后的溫度數(shù)據(jù)采集對(duì)比如表1。

表1 管道噴涂納米材料后溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果

根據(jù)表1中的結(jié)果不難看出，在噴涂納米保溫材料后，管道上側(cè)和左右側(cè)的平均溫度都出現(xiàn)了明顯的溫度降低，平均降低幅度達(dá)到了3.97℃，這就證明了該納米保溫材料的保溫性能較為優(yōu)異。

2.4 不同保溫材料條件下蒸汽管道外表面散熱損失分析

無論對(duì)于哪種保溫結(jié)構(gòu)，其外表面散熱損失都應(yīng)當(dāng)按照傳熱學(xué)理論進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)可按照《火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行選取計(jì)算，在本次實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)相應(yīng)分析結(jié)果，在機(jī)組常年運(yùn)行工況（介質(zhì)溫度為600℃左右）的條件下，保溫結(jié)構(gòu)外表面的熱量散失必須控制在295W/㎡以下，在這種限制條件下，傳統(tǒng)的保溫材料和納米保溫材料均能符合要求，但二者的熱量散失程度顯然存在明顯的差異，具體的測(cè)試結(jié)果則如表2。

表2 火電廠管道不同保溫結(jié)構(gòu)外表面散熱損失

3 火電廠管道保溫應(yīng)用納米材料后的經(jīng)濟(jì)成本效益分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算

相對(duì)而言，納米材料作為一種近年來新興的保溫材料，其單價(jià)較之于傳統(tǒng)材料則相對(duì)較高，這也是制約其推廣應(yīng)用的主要原因之一。從目前的市場(chǎng)行情來看，本次實(shí)驗(yàn)中所使用的納米纖維類保溫材料，其單價(jià)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅酸鋁棉和巖棉等材料，其價(jià)格相差數(shù)十倍之多，由此可見，采用納米保溫材料的直接經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)超傳統(tǒng)保溫材料，但其帶來的是性能上的顯著提升，因此僅分析直接經(jīng)濟(jì)成本則具有較大的局限性，還需要對(duì)間接經(jīng)濟(jì)效益做進(jìn)一步的分析。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算

雖然納米纖維保溫材料的單價(jià)較高，引發(fā)了直接經(jīng)濟(jì)成本的顯著上升，但其能夠提高保溫性能，這就必然帶來了其他的間接經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，保溫材料用量的減少也是顯而易見的，如表3。

表3 不同保溫模式下保溫材料層厚度對(duì)比

從表3的數(shù)據(jù)中不難看出，在使用納米纖維保溫材料替代傳統(tǒng)保溫材料后，在保證保溫效果無明顯差異的基礎(chǔ)上，其厚度和體積均顯著降低，顯然，其材料用量相對(duì)較少，這對(duì)于間接經(jīng)濟(jì)效益的提升無疑也起著一定的作用。

對(duì)于間接經(jīng)濟(jì)效益的具體分析，首先則需要對(duì)熱經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)理論可知，發(fā)電機(jī)組管道外表面的散熱損失會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率有所降低，顯然，在應(yīng)用納米保溫材料后，散熱的減少會(huì)提高原機(jī)組的發(fā)電功率，預(yù)計(jì)發(fā)電功率能夠增加大約41.16kW。按照年發(fā)電量7000h計(jì)算，在使用納米保溫材料替換傳統(tǒng)保溫材料后，每年能夠增加發(fā)電量28.8萬度，按照每度電0.45元的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，僅此一個(gè)發(fā)電機(jī)組即可增加收入約12.96萬元，這對(duì)于規(guī)模較大的發(fā)電廠而言，其優(yōu)勢(shì)則更加突出。

3.3 總投資經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過3.1章節(jié)的對(duì)比情況，并結(jié)合本次所研究的火電廠發(fā)電機(jī)組實(shí)際情況后進(jìn)行綜合分析，由分析結(jié)果可知，在選用納米保溫材料替代傳統(tǒng)保溫材料后，整體的工程追加投資約為324.7萬元，而這種方案能夠促使發(fā)電廠每年在發(fā)電方面新增收入12.96萬元，按照發(fā)電廠一般的設(shè)計(jì)使用年限為30年計(jì)算，雖然選用此方案能夠收回全部的追加投資成本，但實(shí)際上取得的經(jīng)濟(jì)效益還相對(duì)較低，按照這種情況分析，可考慮選用納米保溫材料和傳統(tǒng)保溫材料結(jié)合的保溫方案，盡量在成本和效率方面尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

當(dāng)然，如需要進(jìn)行長(zhǎng)期的分析，則不能忽略市場(chǎng)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化所帶來的影響。具體來看，根據(jù)目前的形式分析，因環(huán)保、技術(shù)和工藝的更新升級(jí)，預(yù)計(jì)在未來的時(shí)間里，納米纖維類的保溫材料的價(jià)格預(yù)計(jì)將繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而隨著“去產(chǎn)能、去庫(kù)存”和“節(jié)能減排”大環(huán)境的影響，常規(guī)的硅酸鋁棉和巖棉等保溫材料的價(jià)格極有可能呈現(xiàn)出上漲的趨勢(shì)。由此不難看出，在選用納米纖維保溫材料作為新的保溫方案之后，其內(nèi)部收益率將逐漸升高，因此從長(zhǎng)期角度來看，選用納米保溫材料替代傳統(tǒng)保溫材料是很有必要的。

3.4 環(huán)保效益分析

由于在應(yīng)用納米保溫材料后，其能夠節(jié)約大量的能量，這就減少了標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，對(duì)于碳減排方面也有著突出的作用。以本次實(shí)驗(yàn)中的10m蒸汽管道為例，預(yù)計(jì)在推廣使用后，僅在該段蒸汽管道上，每年就能夠節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤用量7853.45tce，減少二氧化碳排放量19633.625t，顯然，其環(huán)保效益是非常顯著的。

4 結(jié)語

總而言之，對(duì)于火電廠管道保溫工作而言，使用納米保溫材料取代以往的傳統(tǒng)保溫材料后，能夠取得顯著的成效，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①納米保溫材料的用量較少，且能夠在降低用量的同時(shí)，顯著降低散熱損失；②納米保溫材料的應(yīng)用能夠顯著提升環(huán)保效益；③雖然納米保溫材料應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)效益尚不顯著，但預(yù)計(jì)隨著市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展，其間接經(jīng)濟(jì)效益將顯著提升?？紤]到這幾點(diǎn)，在今后的工作中，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)納米保溫材料的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)方法不斷優(yōu)化創(chuàng)新，以提升火電廠管道保溫的效果。