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气凝胶应用之蒸汽管道

背景分析

随着经济的快速发展,工业生产对于蒸汽的需求越来越大,蒸汽长距离供热管道开始出现,因此,如何使蒸汽介质的压损和温降控制在合理范围内,在满足用户用汽参数的同时提高供热距离,成为了目前电厂最关心和最亟待解决的问题,供热管道保温的重要性凸显出来。

不断探索新的保温材料与结构是工业发达国家保温技术的一大特点。目前,国内外工业管道保温技术的发展趋势为:

(1)加大力度研究开发低导热系数的保温材料及防水型保温材料;

(2)根据具体工况条件,研究新型保温结构,达到较高的经济效益;

(3)加强对管道支架和阀门的保温;

(4)加强保温施工质量。

现状解读

长输蒸汽管道较为常见的保温材料是硬质成型微孔硅酸钙。

由于机组启停时管道产生的热位移、运行时管道的轻微震动、长期高温使用等原因,硅酸钙很容易碎裂粉化,形成很多裂缝——特别是弯头、三通处,成为热桥,导致散热损失明显增加。

另外,应用较多的软质保温材料如岩棉、硅酸铝、复合硅酸盐等,结构较为松散,抗拉抗压性能差,纤维短导致附着力不高,所以,容易因蒸汽管道的震动、自重等出现沉降,特别是在进水的情况下,这类非完全防水型的保温材料沉降现象更为明显,严重的会塌陷,上方出现空洞,特别是在水平管与垂直管段交接的弯头处会出现脱节,保温效果逐年下降,实际投入使用几年后,表面温度大都会超过50℃,局部甚至达到100℃以上。因此,采用新的保温材料,达到节能降耗、提高终端温度的目的,对于长输蒸汽管线十分有意义。

材料优势

气凝胶绝热毡是通过特殊的复合工艺,将具有极低导热系数的二氧化硅气凝胶与碳纤维或玻璃纤维等复合而成的柔性毡状新型保温材料,具有众多优点:

1)卓绝的隔热性能。气凝胶纳米级的孔洞结构能够有效阻止热量传递,是目前世界上导热系数最低的固体材料,仅为传统保温材料的1/3~1/5。保温厚度仅为传统材料的1/4~1/5,即可达到相同的表面温度,因此可大幅减少管道散热面积,从而减少热损耗。对于长距离输送管线,散热损失的减小可使管道终端蒸汽温度提高,含水率下降,从而使终端用户的生产效率和产品质量得到有效提高。如钢套钢埋地管中,合理使用本材料可使外套钢管降低2-3个规格,有效节省空间,减少施工成本和难度,提高施工安全性,对地下管廊建设意义巨大。

2)气凝胶优异的防水抗压特性使其寿命可以长达20年以上,远高于传统材料。

3)独有的纳米三维网络结构提供了超凡的高温稳定性,隔热性能恒定持久。

4)具备优异的整体防水性能,同时又允许水蒸汽通过,不会受潮、吸水腐蚀管道,确保隔热性能长期有效,是蒸汽管道保温材料的理想选择。

5)有较好的柔性与抗拉、抗压强度,可抵抗野蛮施工,长期使用不沉降、变形。避免了其他保温材料在长期高温或受到振动而产生变形堆积和保温性能急剧下降的现象。

6)绿色环保,保证员工健康、环境质量及设备安全。

解决方案

以350℃、4.5MPa、流量80t/h,外径为Ø325蒸汽管道为例,进行对比,可以明显看出气凝胶绝热毡的优势。

为提高保温结构的节能效果,减小辐射传热,采用气凝胶绝热毡与复合硅酸盐毡、铝箔相结合的复合反射式保温结构,保温层外用0.6mm彩钢板进行防护。

具体保温示意图如下:

同时对弯头、阀门、三通等异型件保温的薄弱环节,采用气凝胶绝热毡,也有较好的适应性。

在管道支架、管托保温方面,采用气凝胶绝热毡固定在卡箍式管托内部,与管道进行热隔绝,再对支架进行保温,即可有效地减少支架部分的散热损失。

保温效果

不考虑传统方案中因复合硅酸盐沉降引起的保温效果变差的现象,根据GB/T 8175-2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》计算散热损失,并根据实验及工程经验进行修正,结果为:

由于采用了气凝胶绝热毡复合保温结构进行保温,一方面减少了保温层的厚度,从而大幅减少了管线的散热面积,另一方面降低了保温层的表面温度,从而降低了管线的散热损失。从线散热损失可以看出,与传统保温方案相比较,采用方案一、二进行保温,节能率可分别达到31.2%、19.3%。

管线每公里温降由原来的6.9℃降至4.8℃,这就意味着对于15km的管线,客户端的温度可提高30℃以上。

采用这两个方案对蒸汽管线进行保温,各方案保温长度均为50米,对保温层的上、下及侧面选取8个点测试表面温度如下:

进行多组测试后计算平均值,测试可知,计算值与实际实验值基本吻合。

经济效益

 

气凝胶绝热毡特殊的生产工艺决定了其价格高于市场上常规的保温材料,因此采用气凝胶复合保温结构的一次性投入也相对较大,但从长远角度上分析,气凝胶复合保温结构可带来较大的经济效益:

1)采用方案一、二中的气凝胶复合保温结构,与传统保温结构相比较,每1km管线每年可分别节能3127.6GJ、1937.0GJ,以热价55元/GJ进行计算,可折合人民币17.2万元、10.7万元。

2)由于用户端蒸汽温度的提高,可输送给用户的蒸汽热值增加,同时提高了用户的产能与生产效率。

由以上分析可知,采用方案一、二中的气凝胶复合保温结构,可分别在3年、2年左右将增加的一次性投资成本收回。假设蒸汽管线的折旧周期为10年,方案一、二可带来经济效益分别为120万元、80万元以上。

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