纳米气凝胶绝热毡在蒸汽热网管道上的应用

2018-06-11何栋

浙江电力 2018年5期

何栋

（浙江浙能绍兴滨海热力有限公司，浙江绍兴 312073）

0 引言

某热电公司二期4台50 MW抽背机组为达到更高的发电效率，设计低压供热蒸汽温度为250℃，比常规供热机组低30℃左右；在供热过程中，机组抽汽口至末端用户为6 km，使用常规保温方式每千米的温降约为7℃，受供热初终参数的限制，不能满足末端用户蒸汽使用温度不小于220℃的要求。纳米气凝胶毡作为新兴保温材料，保温性能优异、抗压抗拉强度高、使用寿命长、防火防水性好、施工方便，具有节能减排和运行经济性好的优势。

因此，对Φ426 mm和Φ325 mm的蒸汽管道进行了试验，试验证明纳米气凝胶材料能有效控制蒸汽输送管道温降，并能提高节能率、缩短投资回收年限。

1 纳米气凝胶绝热毡与常规保温材料对比

1.1 保温性能

常规保温材料有岩棉、硅酸铝、高温玻璃棉，在300℃运行工况下，导热系数分别约为0.108 W/（m·K）， 0.101 W/（m·K）和 0.105 W/（m·K）。

纳米气凝胶绝热毡以气凝胶材料为主体，独特的结构使得气凝胶绝热毡具有许多常规材料无可比拟的特性。纳米气凝胶绝热毡导热系数小，常温下可低于 0.02 W/（m·K），300℃运行工况下，其导热系数为0.046 W/（m·K），是常规材料的约1/3～1/2。不同温度下纳米气凝胶毡与常规材料的导热系数如图1所示。

图1 不同温度下气凝胶毡与常规材料导热系数

由图1可知，随着温度的升高，气凝胶绝热毡的导热系数上升比较缓慢，因此，在高温工况条件下，气凝胶绝热毡的保温优势更明显。

对于长距离输送管线，散热损失的减小可使管道终端温度提高，保温效果更加显著。

1.2 其他性能

气凝胶绝热毡憎水率不小于99%，相对于硅酸铝和岩棉，施工时无需特殊防水措施。由于该材料为三维网络结构，致密度高，抗拉强度不小于800 kPa，抗压强度不小于120 kPa（形变5%），可避免传统材料因振动而发生变形堆积、沉降和保温性能下降等问题，且有较好的隔音效果。

2 纳米气凝胶绝热毡的保温节能试验

为了突破常规保温材料的限制，增强热力管道保温效果，减少蒸汽的沿途散热损失，利用现有蒸汽管道进行纳米气凝胶绝热毡的保温试验。

蒸汽管道总长400 m，试验段为相同管径的同段蒸汽源管道，运行参数为压力2.3 MPa，温度280℃。根据GB 50264-2013《工业设备及管道工程绝热设计规范》的要求，管道复合保温结构依据保温结构外表面温度计算。按照保温设计计算厚度，该试验管道采用2种管径（Φ426 mm和Φ325 mm），3种保温结构，共6组数据，见表1。

测试现场新旧保温管道上下并列布置，热成像结果见图2、图3。现场测试数据显示，使用气凝胶绝热毡的管道表面温度比传统保温材料温度区间低2～5℃，各试验段的保温性能分析见表2。

按照分段画出各试验段年平均线散热损失（见图4），由此可知，采用纳米气凝胶绝热毡20 mm的管线蒸汽管道表面温度明显低于采用常规材料的管线，年平均线散热损失也小于常规保温材料，实测的节能率均大于40%。

表1 测试管道保温规格及结构

图2 典型新保温管道热像

图3 典型旧保温管道热像

表2 各试验管道保温性能分析结果

表3 新旧保温材料用量及费用

图4 各试验管道年平均线散热损失

按照试验测试所得出的年平均线散热系数计算，Φ426 mm管道在蒸汽流量为50 t/h，压力为2.3 MPa，起点温度为280℃的情况下，理论计算温降为4℃/km，比常规保温的7℃/km减少了3℃/km。Φ325 mm的管道在蒸汽流量为30 t/h，压力为2.3 MPa，起点温度为280℃的情况下，理论计算温降为5℃/km，比常规材料9℃/km减少温降4℃/km。由以上数据可以看出，气凝胶绝热毡在蒸汽长距离输送时保温效果显著，可以有效减少蒸汽沿途的热损失，从而增加热网供热范围。

3 经济效益分析

通过查询蒸汽焓值表，2.3 MPa，280℃（实际运行工况）蒸汽的焓值为2 960.1 kJ/kg，常温水的焓值为105 kJ/kg，中压蒸汽价格为210元/t，计算得蒸汽热价（可有效利用热量）为73元/GJ。

以下按管线年运行时间7 500 h，计算其经济效益。

3.1 减少散热损失的经济效益

根据目前市场咨询价格，热网保温结构材料单价为：硅酸铝650元/m3，玻璃棉500元/m3，铝箔布9元/m2，彩钢板27元/m2，纳米气凝胶绝热毡20 000元/m3，材料用量及费用计算见表3。对纳米气凝胶保温进行经济效益分析，结果见表4。

表4 纳米气凝胶绝热毡保温经济性分析

3.2 提高生产效率和经济效益

管线进行保温改造后，由于终端蒸汽热值提高，用户生产效率可得到提高，从而相应地增加用户端的产能及经济效益。同时，在满足用户要求蒸汽温度的前提下，由于沿程温降减少，可降低供热企业出口温度，增大蒸汽在汽轮机内部作功的焓降，提高发电效率。

3.3 减少排放的经济效益

根据热电锅炉污染物排放数据，该段管道总长420 m，采用纳米气凝胶绝热毡改造后，每年可减少热损失1 267 GJ，相当于年减少标煤消耗53.1 t，从而年减少污染物排放CO 9.9 kg，CO229 t，SO21 t，NOX0.4 t，由此可减少减排的费用约0.63万元/年。污染物排放的减少可有效改善工厂及周边的环境，减少PM2.5的产生，具有较好的社会效益。