氣凝膠保溫材料在汽輪機組主蒸汽管道中的應用研究

石巍巍 居國騰 劉東旭

摘? 要：隨著納米氣凝膠材料在保溫性能上的突出表現，其在傳統熱網管道中的應用逐漸普及開來。然而，對于汽輪機主蒸汽管道而言，其溫度更高，對氣凝膠材料的厚度與保溫能力提出了更高的要求。因此，研究氣凝膠在機組主蒸汽管道中的應用具有重要意義。本文對氣凝膠保溫材料在機組主蒸汽管道中的應用進行分析，研究了高參數蒸汽管道保溫層設計過程中采用氣凝膠保溫材料的具體設計方案及施工方法，并利用試驗方法驗證了保溫效果。結果表明，對汽輪機主蒸汽管道而言，采用90mm厚度的氣凝膠材料的保溫效果要優于360mm厚度的傳統保溫材料，且保溫層外表面溫度要比傳統保溫材料低4～5℃。這對于氣凝膠保溫材料在其他機組主蒸汽管道中的應用具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：納米氣凝膠? 主汽管道? 保溫性能? 汽輪機

中圖分類號：TU551;TU995.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0043-05

Application of Aerogel Thermal Insulation Material in Main Steam Pipeline of Steam Turbine

SHI Weiwei1? JU Guoteng1 LIU Dongxu2*

（1.Zhejiang Zheneng Shaoxing Binhai Thermal Power Co.， Ltd.， Shaoxing， Zhejiang Province， 312073 China;

2.Harbin Wohua Intelligent Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150001 China）

Abstract： With the outstanding performance of nano-aerogel materials in thermal insulation effect， its application in traditional heating pipelines has become popular gradually. However， its temperature is higher for the main steam pipelines of a steam turbine， which puts forward higher requirements on the thickness and thermal insulation capacity of the aerogel. Therefore， it is of great significance to study the application of aerogel in the main steam pipeline of the unit. This paper analyzes the application of nano-aerogel materials in the main steam pipeline of the unit， studies the specific design and construction method of the materials during the design process of the high-parameter steam pipeline insulation layer， and uses the test method to verify the insulation effect. The results show that the thermal insulation effect of the 90mm thickness aerogel material is better than that of the 360mm thickness traditional thermal insulation material for the main steam pipelines， and the outer surface temperature of the thermal insulation layer is 4～5℃ lower than that of the traditional thermal insulation material. This has certain reference significance for the application of aerogel

蒸汽管道的散熱損失是造成汽輪機做功能力下降的重要因素。為了減小散熱損失，在汽輪機本體主要蒸汽管道敷設保溫層是常規采用的手段，但傳統保溫材料保溫效果相對較差，且存在占用空間較大、對管道造成腐蝕以及降噪效果較差等諸多問題。相比之下，由納米粒子或聚合物大分子組成的氣凝膠材料在熱防護、降噪方面均表現出良好的性能[1]。因此，氣凝膠材料在管道保溫中的應用逐漸得到推廣[2]。然而，相比傳統材料，納米氣凝膠的制造成本較高，將其運用到管道保溫會面臨前期投資過大的問題[3]。因此，基于氣凝膠與傳統材料的復合保溫結構逐漸引發學者關注并投入實際運行中[4]。有學者研究了傳統保溫材料與氣凝膠絕熱氈的保溫性能，綜合分析了基于傳統材料和氣凝膠的復合保溫結構投資收益情況，得出氣凝膠復合保溫結構的推廣價值更高的結論[5，6]。有研究指出，在高寒地區其節能效果更強[7]。有研究利用數值模擬方法分析了氣凝膠與不同傳統材料之間的保溫性能，指出氣凝膠保溫材料可以有效緩解管道自身的結露問題[8]。有研究指出將氣凝膠材料應用到蒸汽熱網管道中并獲得很好的經濟效益[2]。但目前的應用主要集中在低參數的供熱官網中，對汽輪機主汽管道等高參數的應用相對較少。實際上，相比于傳統熱網管道，電廠主蒸汽管道內蒸汽參數更高，需要更厚的氣凝膠保溫層設計，且保溫層方案及需要進一步分析[9]。

本文對氣凝膠保溫材料在主蒸汽管道保溫中的應用進行探討，論述了氣凝膠材料在汽輪機主蒸汽管道保溫中的設計方案及施工方法，通過試驗方法驗證了其保溫效果要優于傳統保溫材料，且占用的空間更小。

1? 氣凝膠性能分析

1.1 保溫性能

氣凝膠是一種納米級多孔固態材料，基于二氧化硅氣凝膠制造的保溫氈導熱系數約為傳統保溫材料的1/3～1/5，能夠有效提高空間利用率，降低蒸汽管道的散熱損失。

1.2 其他性能

相比傳統保溫材料，基于氣凝膠制造的保溫材料承拉力有了大幅度增加，起到了抗拉加強的作用;具有很好的抗震抗拉性，可有效降低因材料自重、管道及設備振動、材料進水等外力因素引起的沉降失效。此外，保溫氈的無機特性使得其不會對設備和管道造成腐蝕，如圖1所示。

在降噪方面，傳統保溫材料也擁有一定的吸音能力。50mm厚度的保溫材料，可降低噪聲7～15dB。氣凝膠絕熱氈是有納米級的二氧化硅顆粒混合纖維絲粘合而成，材料的致密度高，可以容納和吸收聲音能量的能力更強。10mm厚度的保溫層，可降低噪聲20～35dB，對于高頻噪聲隔絕效果更為優異（見圖2）。

2? 在機組主蒸汽管道中的應用

2.1 管道保溫層設計方案

在汽輪機本體中的主要管道上應用，管道規格為Φ273×30mm，管道內蒸汽溫度為538℃，為了保證保溫效果，選擇采用9層10mm規格的氣凝膠氈作為管道保溫層的主體結構，厚度共計90mm。

2.2 管道保溫層安裝方法

氣凝膠保溫氈的厚度具有一定的規格，對于汽輪機主蒸汽管道而言，單層無法滿足保溫需求，因此需要敷設多層。在敷設過程中，應逐層捆扎，且同層錯縫、內外層壓縫，并對縫隙處做嚴縫處理。相鄰兩層的壓縫的間距要大于200mm，如圖3所示。

對于管道彎頭處，如圖4所示，可將氣凝膠保溫氈加工成弧形的多節彎形以保證保溫層的厚度一致。

3? 應用效果分析

3.1 測試方法

依據相關研究[10]，采用表面溫度測試法評價。測試部位為前文所述的主蒸汽管道，如表1所示。用接觸式表面溫度計測量表面各部分溫度，在距離被測位置1m處，測量環境溫度，這些參數的測試同步進行。測試過程中，每個管徑至少選取兩處進行測試，取兩次測試溫度的平均值作為該管道保溫層表面的溫度值，進一步可以計算出該表面的散熱損失。

3.2 節能效果分析

在同一區域對新舊保溫管道進行表面溫度、風速、環境參數測試，對測試數據進行平均、風速修正及發射率修正，其保溫性能分析結果如圖5所示。可以看出，與傳統保溫方案對比，采用氣凝膠保溫會降低管道外表面溫度降低4～5℃。

根據相關研究[11]，計算上述方案的管道散熱損失，其中，定義節能率如下：

節能率=（1-新保溫方案線散熱損失/原保溫方案線散熱損失）×100%

計算結果如表2所示，相比傳統保溫方案，采用氣凝膠方案減小約66.7%的散熱損失。

4? 結語

凝膠絕熱氈材料在傳統管道保溫中的應用正逐漸普及開來，但對汽輪機主汽管道等高參數保溫對象的應用較少。本文分析了氣凝膠保溫材料在高參數蒸汽管道上的應用。闡述了管道保溫層設計方案及施工方法，通過與傳統方案的對比分析，得到如下結論。

第一，對于汽輪機主蒸汽管道保溫層，采用總計90mm厚度的氣凝膠絕熱氈的保溫效果就會達到甚至超過傳統保溫方案。

第二，與傳統保溫方案對比，采用氣凝膠保溫會降低管道外表面溫度降低4～5℃，減小約66.7%的散熱損失。

第三，在汽輪機主汽管道使用氣凝膠絕熱氈能有效降低管道的散熱損失，減小能量損失。

參考文獻

[1] 吳曉棟，宋梓豪，王偉，等.氣凝膠材料的研究進展[J].南京工業大學學報：自然科學版，2020，42（4）：405-451.

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[3] 何棟.納米氣凝膠絕熱氈在蒸汽熱網管道上的應用[J].浙江電力，2018，37（5）：90-93.

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[9] 汪純宇.氣凝膠復合隔熱材料的制備與研究[D].大連：大連工業大學，2020.

[10] GB/T 17357-2008，設備及管道絕熱層表面熱損失現場測定熱流計法和表面溫度法[S].

[11] GB 50264-2013，工業設備及管道絕熱工程設計規范（附條文說明）[S].