H級燃氣聯合循環機組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性研究

王昱彭

摘要：以某H級燃氣聯合循環機組作為分析載體，通過對比該機組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫分別采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復合絕熱氈保溫材料的技術經濟性，并結合納米氣凝膠復合絕熱氈保溫材料的優點，分析現階段H級燃氣聯合循環機組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性。從經濟性上進行對比，由于納米氣凝膠的初投資太高（比采用硅酸鋁針刺毯高出147.15萬元），投產后30年納米氣凝膠復合絕熱氈的綜合費用才會比硅酸鋁針刺毯節省87.95萬元，但同時納米氣凝膠復合絕熱氈具有絕熱性能更好、壽命可涵蓋機組全生命周期、美觀、施工便捷、環保等優點，因此，從機組全生命周期來考慮，選用納米氣凝膠復合絕熱氈作為機組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫材料是可行的。

關鍵詞：納米氣凝膠;硅酸鋁;主蒸汽;再熱蒸汽;燃氣聯合循環;保溫

0 ? ?引言

隨著技術的發展，燃氣聯合循環機組主蒸汽及再熱蒸汽的參數越來越高，蒸汽的成本和做功能力也隨之提高，而且由于H級燃氣聯合循環機組布置的原因，主蒸汽、再熱蒸汽管道長度一般在100 m以上，具有較大的散熱面積，因此，通過降低主蒸汽、再熱蒸汽管道的單位長度散熱損失，可以有效保持蒸汽的做功能力，從而獲得明顯的經濟效益。

目前，我國電力行業對于600 ℃以上的管道，可選保溫材料主要有硅酸鋁制品、硅酸鎂纖維毯、多腔孔陶瓷復合絕熱制品、納米氣凝膠制品等。其中硅酸鋁制品是我國電力行業高溫管道應用最早、最廣泛的常規保溫材料，具有延伸性好、抗震性強、質量輕、隔熱性佳、穩定性較強等特點，且在上千攝氏度的高溫下不變形，因而被廣泛應用于化工產業、電力行業、暖通等各個領域。

納米氣凝膠制品則是近年來出現的一種新型的高效保溫材料，是一種把二氧化硅氣凝膠復合于增強纖維中的輕質納米多孔非晶固態材料，在目前已知的隔熱材料中，其導熱系數最低，因此它可以大大降低保溫層厚度，同時減少散熱損失。納米氣凝膠氈具有柔軟、易裁剪、無機防火、整體疏水等特性，主要用于工業管道、可拆卸式保溫套、航空航天等領域的保溫隔熱。

本文將用某H級燃氣聯合循環機組作為分析載體，通過對比該機組主蒸汽及再熱蒸汽管道保溫分別采用硅酸鋁針刺毯和納米氣凝膠復合絕熱氈保溫材料的技術經濟性，并結合納米氣凝膠復合絕熱氈保溫材料的優點，分析現階段H級燃氣聯合循環機組主、再熱蒸汽管道保溫采用納米氣凝膠的可行性。

1 ? ?兩種絕熱材料的特點

1.1 ? ?硅酸鋁針刺毯

硅酸鋁針刺毯具有延伸性好、抗震性強、質量輕、隔熱性佳、穩定性較強等特點，廣泛應用于化工產業、電力行業、暖通等各個領域，是我國電力行業高溫管道應用最早和最廣泛的常規保溫材料。

硅酸鋁針刺毯通常是將硅酸鋁原料加入電弧爐或電阻爐中熔融，形成流股，流股經壓縮空氣或蒸汽噴吹后成為纖維，經過除渣器除渣后，集棉形成成品纖維，最后針刺成毯。

成品的硅酸鋁針刺毯制品應符合《絕熱用硅酸鋁棉及其制品》（GB/T 16400—2015）的相關要求，主要性能指標如表1所示。

硅酸鋁針刺毯的特點：

（1）絕熱性能良好。硅酸鋁纖維直徑一般為微米級，纖維之間的接觸面小，固體熱傳導路徑長，因此熱阻很大。同時硅酸鋁纖維之間有豐富的微米級間隙，有效地減小了空氣的對流傳熱。因此，硅酸鋁材料具有很好的絕熱性能，在管道溫度600 ℃時的熱導率約為0.1 W/（m·K）。

（2）價格較低。每立方米硅酸鋁制品的價格是600～1 000元。

（3）耐候性稍差。由于硅酸鋁針刺毯等制品的纖維之間具有較大的空隙，因此整體組織強度不大，在浸濕或經過較長時間運行后，通常會發生老化、局部坍縮等情況，從而導致保溫效果變差，管道散熱損失增加，甚至出現管道保溫層外表面超過防燙傷溫度的情況。

1.2 ? ?納米氣凝膠復合絕熱氈

納米氣凝膠制品是近年來出現的一種新型的高效保溫材料，是一種把二氧化硅氣凝膠復合于增強纖維中的輕質納米多孔非晶固態材料，具有在目前已知的隔熱材料中最低的導熱系數，因此它可以大大降低保溫層厚度，同時減少散熱損失。納米氣凝膠氈主要用于工業管道、航空航天等領域的保溫隔熱，僅在少數火電廠高溫管道保溫方面有應用業績。

納米氣凝膠制品一般采用溶膠—凝膠法進行商業化制備，在凝膠過程前加入功能性添加材料，如紅外遮光劑、增強纖維、微米級骨架顆粒以及高溫收縮抑制劑、疏水劑等，再經超臨界干燥制成復合絕熱材料。

納米氣凝膠復合絕熱材料的性能應符合《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》（GB/T 34336—2017）的相關要求，其主要性能指標如表2所示。

納米氣凝膠絕熱氈的特點：

（1）絕熱性能極佳。氣凝膠制品的孔洞率高達80%～99.8%，其孔洞的典型尺寸為1～100 nm，比表面積高達100～1 000 m2/g。納米級孔洞使其熱傳導距離遠大于纖維類絕熱材料，同時孔洞的直徑小于空氣分子自由運動的平均距離，從而有效降低了固體熱傳導和空氣對流傳熱，因此具有很低的導熱系數。

（2）減薄保溫厚度。由于絕熱性能優秀，因此在同等條件下，管道溫度600 ℃時的熱導率約為0.04 W/（m·K），保溫厚度和用量比硅酸鋁制品少1/2以上，節省了布置空間。

（3）機械強度高。由于納米級顆粒和增強基材結合牢固，因此納米氣凝膠絕熱氈具有較好的抗壓抗拉強度，使用壽命遠高于常規的纖維制品。

（4）耐候性好。納米氣凝膠絕熱氈的遮光劑、疏水劑等材料均勻分布于絕熱材料中，得益于類似鋼筋混凝土結構的復合結構，在整個使用壽命內，納米氣凝膠復合絕熱材料的絕熱性能下降很少。

（5）價格高昂。納米氣凝膠的每立方米價格較高，是硅酸鋁制品的15倍左右，約為15 000元/m3，因此總體初投資要比傳統材料高得多。