淺析汽水分離再熱器保溫層的設計

艾秋艷,凌 峰

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

0 概 述

為減少電廠設備及管道的散熱損失，提高機組運行的經濟效率，根據火力發電廠保溫油漆設計規程，要求保溫結構外表面的溫度不應超過50℃。因此，50℃是保溫層設計中必需保溫的起點溫度[1]。雖然該規程是針對火力發電廠的保溫要求，但是對于核電常規島設備再熱器(MSR)的保溫設計，也具有參考意義。MSR殼體內部的蒸汽溫度明顯高于MSR周圍的環境溫度，因此，為減少MSR的熱量損失，通常在MSR殼體周圍包裹有保溫材料。因為保溫層的材料成本及制作難度，將隨著保溫厚度的增加而增加，所以，在設計保溫層時不宜過厚。設計保溫層時的主要問題，是選定合適的保溫材料，并計算所需的保溫層厚度。

1 保溫層厚度的計算

設置保溫層的目的是安全(防止燙傷)和節能(控制熱損失)[2]。 允許散熱損失厚度法和表面溫度厚度法是2種常用的保溫厚度計算方法。允許散熱損失厚度法是利用傳熱學公式，計算和確定最大熱損失量所要求的保溫層厚度。表面溫度厚度法也是根據傳熱學公式，依據外表面溫度計算保溫層的厚度，計算的目標是控制設備外表面的溫度，從而防止人員的燙傷，確保有一個合適的操作環境。

1.1 允許散熱損失厚度法

采用允許散熱損失厚度法，計算時主要與保溫材料導熱系數λ、MSR外表面溫度t、環境溫度ta、保溫結構外表面傳熱系數α等因素有關。查保溫規程表7.1.1后可知，根據介質溫度，再確定保溫結構外表面允許的最大散熱損失。根據保溫層的材料和結構，可分為同種保溫材料構成的單層保溫層及2種不同材料構成的復合保溫層。

1.1.1 單層保溫層的計算

單層保溫層的計算公式，為：

(1)

(2)

式(1)中：D1—保溫層外徑，mm；

D0—MSR外徑，mm；

δ—保溫層厚度，mm；

[q]—保溫結構外表面允許散熱損失，選取保溫規程表7.1.1中的允許最大散熱，取該值的90%，W/m2。

1.1.2 復合保溫層的計算

復合保溫層的計算公式，為：

(3)

復合層的內層厚度計算公式，為：

(4)

(5)

復合層的外層厚度計算公式，為：

(6)

1.2 表面溫度厚度法

當環境溫度低于27℃時，設備及管道保溫層結構的外表面溫度，不應超過50℃。當環境溫度高于27℃時，保溫層結構外表面的溫度可比環境溫度高25℃，但為了防止燙傷，保溫層結構外表面的溫度，不應超過60℃[1]。利用表面溫度厚度法，分別計算單層保溫及2種不同材料構成的復合保溫層的厚度。

1.2.1 單層保溫層的厚度計算

利用表面溫度厚度法，計算單層保溫層厚度的公式，為：

(7)

(8)

式(7)中：ts—保溫結構外表面溫度，℃。

1.2.2 復合保溫層的厚度計算

利用表面溫度厚度法，計算復合保溫層厚度的公式，為：

(9)

復合保溫層內層厚度的計算公式，為：

(10)

(11)

復合保溫層外層厚度的計算公式，為：

(12)

對于保溫層的厚度計算，一般是先采用允許散熱損失厚度法進行初算，再采用表面溫度厚度法進行驗算，利用初算所得的保溫層厚度，再次校核外表面溫度是否超溫。

2 保溫層厚度計算及實例

結合工程實例，對某型百萬核電機組MSR的保溫層進行設計和計算。設計思路是，先采用允許散熱損失厚度法，初算MSR保溫層的厚度，再采用表面溫度厚度法進行驗算。利用初算所得的保溫層厚度，驗算MSR外表面溫度是否超溫。若超溫，需增加保溫層的厚度。

對MSR保溫層的結構設計，可分為單層保溫和復合保溫。單層保溫層是僅采用單種保溫材料，復合保溫層是由2種不同材料構成的保溫層。MSR設備及保溫層的結構，如圖1所示。

圖1 MSR設備及保溫層

2.1 MSR單層保溫層的設計

設計單層保溫時，選用了目前國內核電站常規島最常用的復合硅酸鹽保溫材料。復合硅酸鹽保溫材料，是由纖維材料和顆粒集料復合而成，顆粒材料的內部呈微小封閉的多孔結構，顆粒之間是由松散后的短纖維填充，黏結劑的用量較少，綜合的傳熱效率低，是近年發展起來的新型保溫材料[3]。設計MSR單層保溫層的原始數據，如表1所示。計算過程及參數等依據，如表2所示。

表1 MSR單層保溫設計原始數據表

表2 MSR單層保溫的設計過程及參數

按允許散熱損失厚度法計算，初算得保溫層厚度，為94.7 mm，保溫層的外徑，為4 067.3 mm。按表面溫度厚度法驗算，即將4 067.3 mm代入式(7)，驗算得保溫層外表面溫度為53.4℃，已超過50℃。因此，需對保溫層進行加厚處理。將保溫層厚度增加至110 mm，再次驗算保溫層的外表面溫度，計算得保溫層的外表面溫度為49.2℃。因此，保溫層厚度取110 mm，即為符合規程要求的最小保溫層厚度。

2.2 MSR復合保溫層的設計

復合保溫是由2種不同的保溫材料構成，內層選用20 mm玻璃纖維針刺氈材料，外層選用復合硅酸鹽材料。外層材料的厚度需通過計算確定。MSR復合保溫層設計時的原始數據，如表3所示。復合保溫層厚度的計算過程和依據，如表4所示。

表3 設計MSR單層保溫層的原始數據

表4 MSR復合保溫層厚度的計算過程和依據

復合保溫層的內層材料，選用了層厚為20mm的玻璃纖維針刺氈材料。外層保溫層的厚度計算，按允許散熱損失厚度法初算，計算得復合保溫層的外層外徑D2為4 064mm、復合保溫層的外層厚度δ2為73mm、內外層界面處溫度tb為257.4℃。按表面溫度厚度法進行驗算，即將D2為4 064mm、tb為257.4℃代入式(9)，驗算得保溫層的外表面溫度ts為53.5℃，超過50℃。因此，需要對保溫層進行加厚處理。將復合保溫層的外層厚度δ2，增至85mm，即D2為4 088mm，再次驗算保溫層的外表面溫度。驗算得保溫層的外表面溫度ts為49.8℃。因此，當內保溫層選用層厚為20mm玻璃纖維針刺氈材料時，層厚選定為85mm，是符合規程要求的最小復合保溫層的外層厚度。

在實際工程中，可將保溫材料縫成被式保溫毯，并外設鋁板保護罩殼。為了便于拆卸，單個保溫毯的重量，不應超過35kg。為了便于設備的局部檢修和拆裝，可在環焊縫及縱向焊縫處，設立單獨的可拆保溫層。本文的保溫層設計方法也適用于其它需保溫的電站輔機設備，如高壓加熱器，除氧器等。

3 結 語

根據保溫材料的特性，確定復合硅酸鹽及玻璃纖維材料是比較理想的MSR保溫材料。依據傳熱學原理，并按照允許散熱損失厚度法和表面溫度厚度法，對保溫層的厚度進行初算及驗算校正，以滿足允許散熱損失的要求及外表面溫度的要求，最終確定了MSR保溫層的設計厚度。