H级燃气联合循环机组主再热蒸汽管道保温采用 纳米气凝胶的可行性研究

引言

随着技术的发展,燃气联合循环机组主蒸汽及再热蒸汽的参数越来越高,蒸汽的成本和做功能力也随之提高,而且由于H级燃气联合循环机组布置的原因,主蒸汽、再热蒸汽管道长度一般在100m以上,具有较大的散热面积,因此,通过降低主蒸汽、再热蒸汽管道的单位长度散热损失,可以有效保持蒸汽的做功能力,从而获得明显的经济效益。

目前,我国电力行业对于600℃以上的管道,可选保温材料主要有硅酸铝制品、硅酸镁纤维毯、多腔孔陶瓷复合绝热制品、纳米气凝胶制品等。其中硅酸铝制品是我国电力行业高温管道应用最早、最广泛的常规保温材料,具有延伸性好、抗震性强、质量轻、隔热性佳、稳定性较强等特点,且在上千摄氏度的高温下不变形,因而被广泛应用于化工产业、电力行业、暖通等各个领域。

纳米气凝胶制品则是近年来出现的一种新型的高效保温材料,是一种把二氧化硅气凝胶复合于增强纤维中的轻质纳米多孔非晶固态材料,在目前已知的隔热材料中,其导热系数最低,因此它可以大大降低保温层厚度,同时减少散热损失。纳米气凝胶毡具有柔软、易裁剪、无机防火、整体疏水等特性,主要用于工业管道、可拆卸式保温套、航空航天等领域的保温隔热。

本文将用某H级燃气联合循环机组作为分析载体,通过对比该机组主蒸汽及再热蒸汽管道保温分别采用硅酸铝针刺毯和纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的技术经济性,并结合纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的优点,分析现阶段H级燃气联合循环机组主、再热蒸汽管道保温采用纳米气凝胶的可行性。

1两种绝热材料的特点

1.1硅酸铝针刺毯

硅酸铝针刺毯具有延伸性好、抗震性强、质量轻、隔热性佳、稳定性较强等特点,广泛应用于化工产业、电力行业、暖通等各个领域,是我国电力行业高温管道应用最早和最广泛的常规保温材料。

硅酸铝针刺毯通常是将硅酸铝原料加入电弧炉或电阻炉中熔融,形成流股,流股经压缩空气或蒸汽喷吹后成为纤维,经过除渣器除渣后,集棉形成成品纤维,最后针刺成毯。

成品的硅酸铝针刺毯制品应符合《绝热用硅酸铝棉及其制品》（GB/T16400一2015）的相关要求,主要性能指标如表1所示。

硅酸铝针刺毯的特点:

（1）绝热性能良好。硅酸铝纤维直径一般为微米级,纤维之间的接触面小,固体热传导路径长,因此热阻很大。同时硅酸铝纤维之间有丰富的微米级间隙,有效地减小了空气的对流传热。因此,硅酸铝材料具有很好的绝热性能,在管道温度600℃时的热导率约为0.1w/（m·K）。

（2）价格较低。每立方米硅酸铝制品的价格是600～1000元。

 (3）耐候性稍差。由于硅酸铝针刺毯等制品的纤维之间具有较大的空隙,因此整体组织强度不大,在浸湿或经过较长时间运行后,通常会发生老化、局部坍缩等情况,从而导致保温效果变差,管道散热损失增加,甚至出现管道保温层外表面超过防烫伤温度的情况。

1.2纳米气凝胶复合绝热毡

纳米气凝胶制品是近年来出现的一种新型的高效保温材料,是一种把二氧化硅气凝胶复合于增强纤维中的轻质纳米多孔非晶固态材料,具有在目前已知的隔热材料中最低的导热系数,因此它可以大大降低保温层厚度,同时减少散热损失。纳米气凝胶毡主要用于工业管道、航空航天等领域的保温隔热,仅在少数火电厂高温管道保温方面有应用业绩。

纳米气凝胶制品一般采用溶胶一凝胶法进行商业化制备,在凝胶过程前加入功能性添加材料,如红外遮光剂、增强纤维、微米级骨架颗粒以及高温收缩抑制剂、疏水剂等,再经超临界干燥制成复合绝热材料。

纳米气凝胶复合绝热材料的性能应符合《纳米孔气凝胶复合绝热制品》(GB/T34336一2017）的相关要求,其主要性能指标如表2所示。

纳米气凝胶绝热毡的特点:

(1）绝热性能极佳。气凝胶制品的孔洞率高达80%～99.8%,其孔洞的典型尺寸为1～100nm,比表面积高达100～1000m2/g。纳米级孔洞使其热传导距离远大于纤维类绝热材料,同时孔洞的直径小于空气分子自由运动的平均距离,从而有效降低了固体热传导和空气对流传热,因此具有很低的导热系数。

(2）减薄保温厚度。由于绝热性能优秀,因此在同等条件下,管道温度600℃时的热导率约为0.04w/(m·K）,保温厚度和用量比硅酸铝制品少1/2以上,节省了布置空间。

(3）机械强度高。由于纳米级颗粒和增强基材结合牢固,因此纳米气凝胶绝热毡具有较好的抗压抗拉强度,使用寿命远高于常规的纤维制品。

(4）耐候性好。纳米气凝胶绝热毡的遮光剂、疏水剂等材料均匀分布于绝热材料中,得益于类似钢筋混凝土结构的复合结构,在整个使用寿命内,纳米气凝胶复合绝热材料的绝热性能下降很少。

(5）价格高昂。纳米气凝胶的每立方米价格较高,是硅酸铝制品的15倍左右,约为15000元/m3,因此总体初投资要比传统材料高得多。

2技术经济对比

下面将对某H级燃气联合循环机组的高压主汽管道和高温再热管道采用硅酸铝针刺毯和纳米气凝胶复合绝热毡保温进行经济性比较。

2.1保温设计原则

(1）该机组保温设计按《发电厂保温油漆设计规程》(DL/T5072一2019）执行。

(2）保温厚度按"经济厚度法"计算确定。室内温度取27℃,室外环境温度取历年平均温度22.4℃,控制设备及管道保温结构外表面温度不超过50℃。室外风速取年平均风速2.0m/s。

(3）硅酸铝针刺毯的性能遵循《绝热用硅酸铝棉及其制品》(GB/T16400一2015）的相关要求,纳米气凝胶复合绝热毡的性能遵循《纳米孔气凝胶复合绝热制品》(GB/T34336一2017）的相关要求。

2.2保温设计结果及经济性对比

该机组的高压主汽和高温再热管道分别采用硅酸铝针刺毯和纳米气凝胶复合绝热毡的保温设计结果数据对比如表3所示。

从表3的数据可以看出:

(1）在相同的外表面温度条件下,得益于更低的导热系数,纳米气凝胶复合绝热毡的保温厚度不到硅酸铝针刺毯的一半,总体积也差不多是其1/3。

(2）由于纳米气凝胶复合绝热毡单价太高(约是硅酸铝针刺毯单价的15倍）,因此每台机组的纳米气凝胶复合绝热毡的初投资合计要比硅酸铝针刺毯高出147.15万元。

(3）由于纳米气凝胶复合绝热毡的保温层厚度更薄,因而具有更小的外表面积,同时还有更高的热阻,从而降低了外表面的散热损失,每年比硅酸铝针刺毯少损失合计5.69万元的费用。

(4）和采用硅酸铝针刺毯相比,采用纳米气凝胶复合绝热毡的综合经济性不占优势,每台机组20年主蒸汽和再热热段蒸汽管道保温综合费用高约75.55万元。

但是,上述分析是基于硅酸铝针刺毯使用寿命可以达到20年,在理想情况下,硅酸铝针刺毯使用寿命通常为8～10年,且若所处的自然环境十分潮湿,很可能会对其原料产生异常的影响,进而缩短寿命期。为方便计算,假定该机组主蒸汽及再热蒸汽管道的硅酸铝针刺毯需要在使用10年时进行统一更换,此时会再次产生一次保温投资,约为19.1＋34.2=53.3万元。而纳米气凝胶复合绝热毡的寿命通常为30年。所以,此时与采用硅酸铝针刺毯相比,采用纳米气凝胶复合绝热毡,该机组20年主蒸汽和再热热段蒸汽管道保温综合费用高约75.55-53.3=22.25万元。

如果以30年为计算周期,与采用硅酸铝针刺毯相比,采用纳米气凝胶复合绝热毡,该机组主蒸汽和再热热段蒸汽管道保温综合费用反而会节省53.3＋5.69×10-22.25=87.95万元。

3结语

与传统的硅酸铝针刺毯相比,纳米气凝胶复合绝热毡具有更好的绝热性能(可以减薄保温层厚度)、更高的机械强度,在长期使用过程中,绝热性能可以维持在较高的水平:其次,因为纳米气凝胶复合绝热毡的保温厚度不到硅酸铝针刺毯的一半,总体积也差不多是其1/3,所以在安装施工时,需要的工期更短,安装后美观性上纳米气凝胶优势更强:最后,因为纳米气凝胶复合绝热毡的寿命基本可以覆盖机组的全生命周期,避免了机组在投运后因需更换保温而产生的时间成本和安全风险。

从经济性上进行对比,由于纳米气凝胶的初投资太高(比采用硅酸铝针刺毯,单台机组要高出147.15万元),考虑纳米气凝胶复合绝热毡的寿命为30年,硅酸铝针刺毯的寿命为10年,投产后20年,纳米气凝胶复合绝热毡的综合费用仍要比硅酸铝针刺毯高22.25万元:投产后30年纳米气凝胶复合绝热毡的综合费用才会比硅酸铝针刺毯节省87.95万元。因此,单从综合经济性上来考虑,因投资回收周期较长,不确定性较多,纳米气凝胶复合绝热毡不占明显优势。

结合上述两方面,从机组全生命周期来考虑,选用纳米气凝胶复合绝热毡作为机组主蒸汽及再热蒸汽管道保温材料是可行的。