納米氣凝膠絕熱氈在蒸汽熱網管道上的應用

何 棟

（浙江浙能紹興濱海熱力有限公司，浙江 紹興 312073）

0 引言

某熱電公司二期4臺50 MW抽背機組為達到更高的發電效率，設計低壓供熱蒸汽溫度為250℃，比常規供熱機組低30℃左右；在供熱過程中，機組抽汽口至末端用戶為6 km，使用常規保溫方式每千米的溫降約為7℃，受供熱初終參數的限制，不能滿足末端用戶蒸汽使用溫度不小于220℃的要求。納米氣凝膠氈作為新興保溫材料，保溫性能優異、抗壓抗拉強度高、使用壽命長、防火防水性好、施工方便，具有節能減排和運行經濟性好的優勢。

因此，對Φ426 mm和Φ325 mm的蒸汽管道進行了試驗，試驗證明納米氣凝膠材料能有效控制蒸汽輸送管道溫降，并能提高節能率、縮短投資回收年限。

1 納米氣凝膠絕熱氈與常規保溫材料對比

1.1 保溫性能

常規保溫材料有巖棉、硅酸鋁、高溫玻璃棉，在300℃運行工況下，導熱系數分別約為0.108 W/（m·K）， 0.101 W/（m·K）和 0.105 W/（m·K）。

納米氣凝膠絕熱氈以氣凝膠材料為主體，獨特的結構使得氣凝膠絕熱氈具有許多常規材料無可比擬的特性。納米氣凝膠絕熱氈導熱系數小，常溫下可低于 0.02 W/（m·K），300℃運行工況下，其導熱系數為0.046 W/（m·K），是常規材料的約1/3～1/2。不同溫度下納米氣凝膠氈與常規材料的導熱系數如圖1所示。

圖1 不同溫度下氣凝膠氈與常規材料導熱系數

由圖1可知，隨著溫度的升高，氣凝膠絕熱氈的導熱系數上升比較緩慢，因此，在高溫工況條件下，氣凝膠絕熱氈的保溫優勢更明顯。

對于長距離輸送管線，散熱損失的減小可使管道終端溫度提高，保溫效果更加顯著。

1.2 其他性能

氣凝膠絕熱氈憎水率不小于99%，相對于硅酸鋁和巖棉，施工時無需特殊防水措施。由于該材料為三維網絡結構，致密度高，抗拉強度不小于800 kPa，抗壓強度不小于120 kPa（形變5%），可避免傳統材料因振動而發生變形堆積、沉降和保溫性能下降等問題，且有較好的隔音效果。

2 納米氣凝膠絕熱氈的保溫節能試驗

為了突破常規保溫材料的限制，增強熱力管道保溫效果，減少蒸汽的沿途散熱損失，利用現有蒸汽管道進行納米氣凝膠絕熱氈的保溫試驗。

蒸汽管道總長400 m，試驗段為相同管徑的同段蒸汽源管道，運行參數為壓力2.3 MPa，溫度280℃。根據GB 50264-2013《工業設備及管道工程絕熱設計規范》的要求，管道復合保溫結構依據保溫結構外表面溫度計算。按照保溫設計計算厚度，該試驗管道采用2種管徑（Φ426 mm和Φ325 mm），3種保溫結構，共6組數據，見表1。

測試現場新舊保溫管道上下并列布置，熱成像結果見圖2、圖3。現場測試數據顯示，使用氣凝膠絕熱氈的管道表面溫度比傳統保溫材料溫度區間低2～5℃，各試驗段的保溫性能分析見表2。

按照分段畫出各試驗段年平均線散熱損失（見圖4），由此可知，采用納米氣凝膠絕熱氈20 mm的管線蒸汽管道表面溫度明顯低于采用常規材料的管線，年平均線散熱損失也小于常規保溫材料，實測的節能率均大于40%。

表1 測試管道保溫規格及結構

圖2 典型新保溫管道熱像

圖3 典型舊保溫管道熱像

表2 各試驗管道保溫性能分析結果

表3 新舊保溫材料用量及費用

圖4 各試驗管道年平均線散熱損失

按照試驗測試所得出的年平均線散熱系數計算，Φ426 mm管道在蒸汽流量為50 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280℃的情況下，理論計算溫降為4℃/km，比常規保溫的7℃/km減少了3℃/km。Φ325 mm的管道在蒸汽流量為30 t/h，壓力為2.3 MPa，起點溫度為280℃的情況下，理論計算溫降為5℃/km，比常規材料9℃/km減少溫降4℃/km。由以上數據可以看出，氣凝膠絕熱氈在蒸汽長距離輸送時保溫效果顯著，可以有效減少蒸汽沿途的熱損失，從而增加熱網供熱范圍。

3 經濟效益分析

通過查詢蒸汽焓值表，2.3 MPa，280℃（實際運行工況）蒸汽的焓值為2 960.1 kJ/kg，常溫水的焓值為105 kJ/kg，中壓蒸汽價格為210元/t，計算得蒸汽熱價（可有效利用熱量）為73元/GJ。

以下按管線年運行時間7 500 h，計算其經濟效益。

3.1 減少散熱損失的經濟效益

根據目前市場咨詢價格，熱網保溫結構材料單價為：硅酸鋁650元/m3，玻璃棉500元/m3，鋁箔布9元/m2，彩鋼板27元/m2，納米氣凝膠絕熱氈20 000元/m3，材料用量及費用計算見表3。對納米氣凝膠保溫進行經濟效益分析，結果見表4。

表4 納米氣凝膠絕熱氈保溫經濟性分析

3.2 提高生產效率和經濟效益

管線進行保溫改造后，由于終端蒸汽熱值提高，用戶生產效率可得到提高，從而相應地增加用戶端的產能及經濟效益。同時，在滿足用戶要求蒸汽溫度的前提下，由于沿程溫降減少，可降低供熱企業出口溫度，增大蒸汽在汽輪機內部作功的焓降，提高發電效率。

3.3 減少排放的經濟效益

根據熱電鍋爐污染物排放數據，該段管道總長420 m，采用納米氣凝膠絕熱氈改造后，每年可減少熱損失1 267 GJ，相當于年減少標煤消耗53.1 t，從而年減少污染物排放CO 9.9 kg，CO229 t，SO21 t，NOX0.4 t，由此可減少減排的費用約0.63萬元/年。污染物排放的減少可有效改善工廠及周邊的環境，減少PM2.5的產生，具有較好的社會效益。

4 結語

通過試驗證明，使用納米氣凝膠絕熱氈和玻璃棉氈復合結構可以比傳統的硅酸鋁管殼和玻璃棉氈保溫方式達到更好的保溫效果，具有較好的性價比和經濟效益，同時具有使用壽命長、不易破損、施工方便、更節能環保等優點，是解決蒸汽管道絕熱難點的重要手段。

納米氣凝膠絕熱氈具有優異的保溫、隔音效果，在發電企業廠內汽水管道上使用，不僅可以降低廠內汽水管道的熱損失，提高整體的熱效率，還可以減少噪聲污染，減少污染物排放，具有良好的社會效益。

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