火電廠管道保溫中納米材料的應用

汪德嵩

（中國電建集團河北工程有限公司，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，這些材料力學性能相對較差，在實際使用過程中，會受到客觀環境因素的影響而性能下降，且環保性能也不夠理想。由此，各種納米材料應運而生，通過應用這些納米材料，其能夠達到提升保溫效果和節能減排等多項目標，有著重要的現實意義。因此需要對納米材料在火電廠管道保溫中的實際應用做進一步的研究。

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展及研究

對于火電廠管道而言，其保溫技術的發展，是隨著保溫材料的發展進步而進步的，為確保保溫效果符合預期目標，就需要對各種材料的基本性能參數和適用范圍予以明確了解，以此來進行合理的選擇[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導熱系數低，在火電廠的日常運行工況下，其導熱系數值應當低于0.14 W/m·k；②應具有較高的耐熱性能，在長期高溫條件下仍能保持穩定的理化性質和保溫能力，且對于可能出現的超出正常限值的溫度也應具有一定的適應能力；③材料的密度應當盡可能低，對于保溫材料而言，應當控制其密度在0.4kg/m3以下；④材料必須有較強的耐振動能力，且要具有一定的機械強度，硬質成型材料的抗壓強度必須高于0.25MPa；⑤保溫材料應當具備吸水率低和較高的耐水性能；⑥保溫材料的原材料應當是簡單易得的，且成本應當控制在合理水平[3-4]。

在實際的工程領域中，通常將保溫材料分為軟質保溫材料和硬質保溫材料兩類，軟質保溫材料主要包括玻璃棉和巖棉等，硬質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，不同廠家的產品質量存在差異，通常需要采用實驗室試驗結果與工程實例綜合，對現有保溫材料進行全面系統研究，篩選出優質保溫材料用于火電廠管道保溫，以實現預期目標[5]。

1.2 火電廠管道保溫中應用納米材料的意義

具體來看，在火電廠管道保溫中應用納米材料，其意義主要體現在以下幾個方面：①通過應用納米保溫材料取代傳統保溫材料，預計能夠經濟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保效益也較為突出，因此其應用有助于推進節能減排目標的實現，促進環保與可持續發展；③通過納米保溫材料的推廣應用，有助于進一步豐富材料學方面的研究理論和實踐經驗，為今后新的高性能納米保溫材料的研發應用提供理論基礎和實踐參考[6]。

1.3 納米材料提升火電廠管道保溫的基本原理

目前，納米復合材料是世界上技術相對領先的一類材料，其隔熱性能相當優異，保溫性能顯著超出傳統材料。除了保溫性能突出之外，這類材料還具有憎水性較強、自重較輕、熱穩定性和抗震性好、施工便利度高和環保節能效果好等諸多優點，因此在當今的應用也逐漸鋪展開來。

熱傳遞有三種基本方式，即：熱傳導、熱對流、熱輻射。對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的形式加以體現的。而納米材料的應用，能夠有效降低熱傳導的程度。具體來看，納米材料與普通保溫材料在結構上存在一定的差異，由于納米材料中的粒子分散度更高，因此其結構中也形成了更多的類似于氣囊的結構，這些“氣囊”中為空氣所填充。由于空氣熱導率極低，因此材料整體的熱導率也顯著降低，同時也在一定程度上減小了熱對流。同時，由于納米材料在實際使用時通常搭配反射層使用，并且材料本身的比表面積也較大，即能夠將材料表面的熱源有效反射到周圍空氣當中，從而大幅降低熱輻射。目前，這類納米材料的整體熱導率都相對較低，通常低于0.035W/m·k，能夠有效達到保溫節能的目的[7]。

在測試火電廠管道保溫納米材料的性能時，通常以恒溫儀調節電加熱平板的電加熱功率來控制平板溫度達到恒定壁面溫度的目的。當電加熱平板的溫度已處于恒定后，將已經涂覆納米材料的試驗材料放置于電加熱平板上，同時放置涂覆了傳統保溫材料的對照組，以此對兩組材料的表面溫度進行測定。一般來說，當納米保溫材料的厚度為固定值時，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際應用測試

2.1 實驗區域和實驗材料的選擇

在本次實驗中，選用某火電廠的某組燃煤發電機組進行實驗，在該發電機組中，選取主蒸汽管道的室內水平段作為研究對象，該段長度為10m。首先對管道表面進行清潔，確保管道表面光滑無雜屑后，進行納米保溫材料的噴涂作業。在實驗現場共計設置10個測溫段，每1米范圍內設置1個，并在每個測溫段內，沿圓周方向分別設置上下左右四個測點，以此進行溫度數據的采集。

本次實驗所采用的實驗材料為納米纖維保溫材料，其常溫導熱系數為0.016W/m·k，能夠在-270～1150℃范圍內使用，阻燃防火等級為A級，抗拉強度為2450psi，根據這些性能參數可知，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試分析

實驗人員通過溫度數據采集后發現，在未使用納米材料，而是使用傳統保溫材料的條件下，當室溫為18.0℃時，蒸汽管道上側的平均溫度為53.2℃，左側為50.4℃，右側為47.2℃，下側則為31.7℃。而在相關標準規范的要求下，火力發電廠中，發電機組的主蒸汽管道外表面設計溫度位于50～55℃這一區間內。由此可見，隨著室溫的進一步升高，蒸汽管道上側和左側的溫度很容易超過60℃，一旦溫度超過60℃，則容易造成較大的熱量損失。從以上的數據中也不難看出，在主蒸汽管道四個測點的溫度中，以上側溫度為最高，左右側次之，下側為最低。引起這種現象的主要原因是，蒸汽在管道中流動時大多位于上部，且管道下側難免存在一定的疏水現象，同時，在機組運行時蒸汽管道會發生一定的振動，造成保溫材料層受到振動和重力的雙重影響而向下位移，造成上側保溫層的厚度進一步降低，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試分析

基于上文中的測試結果可知，主蒸汽管道下側的溫度一直處于較低水平，從理論分析，其溫度幾乎不會超標，因此可不進行保溫加強，主要的保溫加強部位重點則放在管道的中上側，對這些部位進行納米保溫涂料的噴涂作業。為確保實驗結果的準確，研究人員在涂料噴涂完成后對涂料涂層進行了數次檢驗，確保涂料涂層已經充分干透后再行測量。管道噴涂前后的溫度數據采集對比如表1。

表1 管道噴涂納米材料后溫度數據采集結果

根據表1中的結果不難看出，在噴涂納米保溫材料后，管道上側和左右側的平均溫度都出現了明顯的溫度降低，平均降低幅度達到了3.97℃，這就證明了該納米保溫材料的保溫性能較為優異。

2.4 不同保溫材料條件下蒸汽管道外表面散熱損失分析

無論對于哪種保溫結構，其外表面散熱損失都應當按照傳熱學理論進行分析，相關系數可按照《火力發電廠保溫油漆設計規程》進行選取計算，在本次實驗中，根據相應分析結果，在機組常年運行工況（介質溫度為600℃左右）的條件下，保溫結構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，具體的測試結果則如表2。

表2 火電廠管道不同保溫結構外表面散熱損失

3 火電廠管道保溫應用納米材料后的經濟成本效益分析

3.1 直接經濟成本計算

相對而言，納米材料作為一種近年來新興的保溫材料，其單價較之于傳統材料則相對較高，這也是制約其推廣應用的主要原因之一。從目前的市場行情來看，本次實驗中所使用的納米纖維類保溫材料，其單價遠高于傳統的硅酸鋁棉和巖棉等材料，其價格相差數十倍之多，由此可見，采用納米保溫材料的直接經濟成本遠超傳統保溫材料，但其帶來的是性能上的顯著提升，因此僅分析直接經濟成本則具有較大的局限性，還需要對間接經濟效益做進一步的分析。

3.2 間接經濟效益的計算

雖然納米纖維保溫材料的單價較高，引發了直接經濟成本的顯著上升，但其能夠提高保溫性能，這就必然帶來了其他的間接經濟效益。同時，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比

從表3的數據中不難看出，在使用納米纖維保溫材料替代傳統保溫材料后，在保證保溫效果無明顯差異的基礎上，其厚度和體積均顯著降低，顯然，其材料用量相對較少，這對于間接經濟效益的提升無疑也起著一定的作用。

對于間接經濟效益的具體分析，首先則需要對熱經濟效益進行分析。根據相關理論可知，發電機組管道外表面的散熱損失會導致發電機組的發電功率有所降低，顯然，在應用納米保溫材料后，散熱的減少會提高原機組的發電功率，預計發電功率能夠增加大約41.16kW。按照年發電量7000h計算，在使用納米保溫材料替換傳統保溫材料后，每年能夠增加發電量28.8萬度，按照每度電0.45元的上網電價計算，僅此一個發電機組即可增加收入約12.96萬元，這對于規模較大的發電廠而言，其優勢則更加突出。

3.3 總投資經濟性對比

通過3.1章節的對比情況，并結合本次所研究的火電廠發電機組實際情況后進行綜合分析，由分析結果可知，在選用納米保溫材料替代傳統保溫材料后，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電廠每年在發電方面新增收入12.96萬元，按照發電廠一般的設計使用年限為30年計算，雖然選用此方案能夠收回全部的追加投資成本，但實際上取得的經濟效益還相對較低，按照這種情況分析，可考慮選用納米保溫材料和傳統保溫材料結合的保溫方案，盡量在成本和效率方面尋求一個平衡點。

當然，如需要進行長期的分析，則不能忽略市場環境動態變化所帶來的影響。具體來看，根據目前的形式分析，因環保、技術和工藝的更新升級，預計在未來的時間里，納米纖維類的保溫材料的價格預計將繼續呈現下降趨勢，而隨著“去產能、去庫存”和“節能減排”大環境的影響，常規的硅酸鋁棉和巖棉等保溫材料的價格極有可能呈現出上漲的趨勢。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，其內部收益率將逐漸升高，因此從長期角度來看，選用納米保溫材料替代傳統保溫材料是很有必要的。

3.4 環保效益分析

由于在應用納米保溫材料后，其能夠節約大量的能量，這就減少了標準煤的消耗，對于碳減排方面也有著突出的作用。以本次實驗中的10m蒸汽管道為例，預計在推廣使用后，僅在該段蒸汽管道上，每年就能夠節約標準煤用量7853.45tce，減少二氧化碳排放量19633.625t，顯然，其環保效益是非常顯著的。

4 結語

總而言之，對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保溫材料后，能夠取得顯著的成效，具體表現在以下幾個方面：①納米保溫材料的用量較少，且能夠在降低用量的同時，顯著降低散熱損失；②納米保溫材料的應用能夠顯著提升環保效益；③雖然納米保溫材料應用后的經濟效益尚不顯著，但預計隨著市場的動態發展，其間接經濟效益將顯著提升。考慮到這幾點，在今后的工作中，就應當進一步加強對納米保溫材料的研發和應用，對現有的技術方法不斷優化創新，以提升火電廠管道保溫的效果。