H級燃?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

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)越來越高,蒸汽的成本和做功能力也隨之提高,而且由于H級燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組布置的原因,主蒸汽、再熱蒸汽管道長度一般在100m以上,具有較大的散熱面積,因此,通過降低主蒸汽、再熱蒸汽管道的單位長度散熱損失,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,我國電力行業(yè)對于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,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)、暖通等各個領(lǐng)域。

納米氣凝膠制品則是近年來出現(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,同時減少散熱損失。納米氣凝膠氈具有柔軟、易裁剪、無機(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級燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組作為分析載體,通過對比該機(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,分析現(xiàn)階段H級燃?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

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,廣泛應(yīng)用于化工產(chǎn)業(yè)、電力行業(yè)、暖通等各個領(lǐng)域,是我國電力行業(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/T16400一2015）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:

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

（2）價格較低。每立方米硅酸鋁制品的價格是600～1000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)過較長時間運行后,通常會發(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。

納米氣凝膠制品一般采用溶膠一凝膠法進(jìn)行商業(yè)化制備,在凝膠過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/T34336一2017）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:

(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1～100nm,比表面積高達(dá)100～1000m2/g。納米級孔洞使其熱傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)大于纖維類絕熱材料,同時孔洞的直徑小于空氣分子自由運動的平均距離,從而有效降低了固體熱傳導(dǎo)和空氣對流傳熱,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℃時的熱導(dǎo)率約為0.04w/(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,得益于類似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu),在整個使用壽命內(nèi),納米氣凝膠復(fù)合絕熱材料的絕熱性能下降很少。

(5）價格高昂。納米氣凝膠的每立方米價格較高,是硅酸鋁制品的15倍左右,約為15000元/m3,因此總體初投資要比傳統(tǒng)材料高得多。

2技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

下面將對某H級燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的高壓主汽管道和高溫再熱管道采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈保溫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

2.1保溫設(shè)計原則

(1）該機(jī)組保溫設(shè)計按《發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計規(guī)程》(DL/T5072一2019）執(zhí)行。

(2）保溫厚度按"經(jīng)濟(jì)厚度法"計算確定。室內(nèi)溫度取27℃,室外環(huán)境溫度取歷年平均溫度22.4℃,控制設(shè)備及管道保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度不超過50℃。室外風(fēng)速取年平均風(fēng)速2.0m/s。

(3）硅酸鋁針刺毯的性能遵循《絕熱用硅酸鋁棉及其制品》(GB/T16400一2015）的相關(guān)要求,納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的性能遵循《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》(GB/T34336一2017）的相關(guān)要求。

2.2保溫設(shè)計結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性對比

該機(jī)組的高壓主汽和高溫再熱管道分別采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的保溫設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表3所示。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出:

(1）在相同的外表面溫度條件下,得益于更低的導(dǎo)熱系數(shù),納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的保溫厚度不到硅酸鋁針刺毯的一半,總體積也差不多是其1/3。

(2）由于納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈單價太高(約是硅酸鋁針刺毯單價的15倍）,因此每臺機(jī)組的納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的初投資合計要比硅酸鋁針刺毯高出147.15萬元。

(3）由于納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的保溫層厚度更薄,因而具有更小的外表面積,同時還有更高的熱阻,從而降低了外表面的散熱損失,每年比硅酸鋁針刺毯少損失合計5.69萬元的費用。

(4）和采用硅酸鋁針刺毯相比,采用納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的綜合經(jīng)濟(jì)性不占優(yōu)勢,每臺機(jī)組20年主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道保溫綜合費用高約75.55萬元。

但是,上述分析是基于硅酸鋁針刺毯使用壽命可以達(dá)到20年,在理想情況下,硅酸鋁針刺毯使用壽命通常為8～10年,且若所處的自然環(huán)境十分潮濕,很可能會對其原料產(chǎn)生異常的影響,進(jìn)而縮短壽命期。為方便計算,假定該機(jī)組主蒸汽及再熱蒸汽管道的硅酸鋁針刺毯需要在使用10年時進(jìn)行統(tǒng)一更換,此時會再次產(chǎn)生一次保溫投資,約為19.1＋34.2=53.3萬元。而納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的壽命通常為30年。所以,此時與采用硅酸鋁針刺毯相比,采用納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈,該機(jī)組20年主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道保溫綜合費用高約75.55-53.3=22.25萬元。

如果以30年為計算周期,與采用硅酸鋁針刺毯相比,采用納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈,該機(jī)組主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道保溫綜合費用反而會節(jié)省53.3＋5.69×10-22.25=87.95萬元。

3結(jié)語

與傳統(tǒng)的硅酸鋁針刺毯相比,納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈具有更好的絕熱性能(可以減薄保溫層厚度)、更高的機(jī)械強(qiáng)度,在長期使用過程中,絕熱性能可以維持在較高的水平:其次,因為納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的保溫厚度不到硅酸鋁針刺毯的一半,總體積也差不多是其1/3,所以在安裝施工時,需要的工期更短,安裝后美觀性上納米氣凝膠優(yōu)勢更強(qiáng):最后,因為納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的壽命基本可以覆蓋機(jī)組的全生命周期,避免了機(jī)組在投運后因需更換保溫而產(chǎn)生的時間成本和安全風(fēng)險。

從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行對比,由于納米氣凝膠的初投資太高(比采用硅酸鋁針刺毯,單臺機(jī)組要高出147.15萬元),考慮納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的壽命為30年,硅酸鋁針刺毯的壽命為10年,投產(chǎn)后20年,納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的綜合費用仍要比硅酸鋁針刺毯高22.25萬元:投產(chǎn)后30年納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的綜合費用才會比硅酸鋁針刺毯節(jié)省87.95萬元。因此,單從綜合經(jīng)濟(jì)性上來考慮,因投資回收周期較長,不確定性較多,納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈不占明顯優(yōu)勢。

結(jié)合上述兩方面,從機(jī)組全生命周期來考慮,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。