何 棟
(浙江浙能紹興濱海熱力有限公司,浙江 紹興 312073)
某熱電公司二期4臺50 MW抽背機組為達到更高的發(fā)電效率,設(shè)計低壓供熱蒸汽溫度為250℃,比常規(guī)供熱機組低30℃左右;在供熱過程中,機組抽汽口至末端用戶為6 km,使用常規(guī)保溫方式每千米的溫降約為7℃,受供熱初終參數(shù)的限制,不能滿足末端用戶蒸汽使用溫度不小于220℃的要求。納米氣凝膠氈作為新興保溫材料,保溫性能優(yōu)異、抗壓抗拉強度高、使用壽命長、防火防水性好、施工方便,具有節(jié)能減排和運行經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。
因此,對Φ426 mm和Φ325 mm的蒸汽管道進行了試驗,試驗證明納米氣凝膠材料能有效控制蒸汽輸送管道溫降,并能提高節(jié)能率、縮短投資回收年限。
常規(guī)保溫材料有巖棉、硅酸鋁、高溫玻璃棉,在300℃運行工況下,導(dǎo)熱系數(shù)分別約為0.108 W/(m·K), 0.101 W/(m·K)和 0.105 W/(m·K)。
納米氣凝膠絕熱氈以氣凝膠材料為主體,獨特的結(jié)構(gòu)使得氣凝膠絕熱氈具有許多常規(guī)材料無可比擬的特性。納米氣凝膠絕熱氈導(dǎo)熱系數(shù)小,常溫下可低于 0.02 W/(m·K),300℃運行工況下,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.046 W/(m·K),是常規(guī)材料的約1/3~1/2。不同溫度下納米氣凝膠氈與常規(guī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)如圖1所示。
圖1 不同溫度下氣凝膠氈與常規(guī)材料導(dǎo)熱系數(shù)
由圖1可知,隨著溫度的升高,氣凝膠絕熱氈的導(dǎo)熱系數(shù)上升比較緩慢,因此,在高溫工況條件下,氣凝膠絕熱氈的保溫優(yōu)勢更明顯。
對于長距離輸送管線,散熱損失的減小可使管道終端溫度提高,保溫效果更加顯著。
氣凝膠絕熱氈憎水率不小于99%,相對于硅酸鋁和巖棉,施工時無需特殊防水措施。由于該材料為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),致密度高,抗拉強度不小于800 kPa,抗壓強度不小于120 kPa(形變5%),可避免傳統(tǒng)材料因振動而發(fā)生變形堆積、沉降和保溫性能下降等問題,且有較好的隔音效果。
為了突破常規(guī)保溫材料的限制,增強熱力管道保溫效果,減少蒸汽的沿途散熱損失,利用現(xiàn)有蒸汽管道進行納米氣凝膠絕熱氈的保溫試驗。
蒸汽管道總長400 m,試驗段為相同管徑的同段蒸汽源管道,運行參數(shù)為壓力2.3 MPa,溫度280℃。根據(jù)GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道工程絕熱設(shè)計規(guī)范》的要求,管道復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)依據(jù)保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度計算。按照保溫設(shè)計計算厚度,該試驗管道采用2種管徑(Φ426 mm和Φ325 mm),3種保溫結(jié)構(gòu),共6組數(shù)據(jù),見表1。
測試現(xiàn)場新舊保溫管道上下并列布置,熱成像結(jié)果見圖2、圖3?,F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示,使用氣凝膠絕熱氈的管道表面溫度比傳統(tǒng)保溫材料溫度區(qū)間低2~5℃,各試驗段的保溫性能分析見表2。
按照分段畫出各試驗段年平均線散熱損失(見圖4),由此可知,采用納米氣凝膠絕熱氈20 mm的管線蒸汽管道表面溫度明顯低于采用常規(guī)材料的管線,年平均線散熱損失也小于常規(guī)保溫材料,實測的節(jié)能率均大于40%。
表1 測試管道保溫規(guī)格及結(jié)構(gòu)
圖2 典型新保溫管道熱像
圖3 典型舊保溫管道熱像
表2 各試驗管道保溫性能分析結(jié)果
表3 新舊保溫材料用量及費用
圖4 各試驗管道年平均線散熱損失
按照試驗測試所得出的年平均線散熱系數(shù)計算,Φ426 mm管道在蒸汽流量為50 t/h,壓力為2.3 MPa,起點溫度為280℃的情況下,理論計算溫降為4℃/km,比常規(guī)保溫的7℃/km減少了3℃/km。Φ325 mm的管道在蒸汽流量為30 t/h,壓力為2.3 MPa,起點溫度為280℃的情況下,理論計算溫降為5℃/km,比常規(guī)材料9℃/km減少溫降4℃/km。由以上數(shù)據(jù)可以看出,氣凝膠絕熱氈在蒸汽長距離輸送時保溫效果顯著,可以有效減少蒸汽沿途的熱損失,從而增加熱網(wǎng)供熱范圍。
通過查詢蒸汽焓值表,2.3 MPa,280℃(實際運行工況)蒸汽的焓值為2 960.1 kJ/kg,常溫水的焓值為105 kJ/kg,中壓蒸汽價格為210元/t,計算得蒸汽熱價(可有效利用熱量)為73元/GJ。
以下按管線年運行時間7 500 h,計算其經(jīng)濟效益。
根據(jù)目前市場咨詢價格,熱網(wǎng)保溫結(jié)構(gòu)材料單價為:硅酸鋁650元/m3,玻璃棉500元/m3,鋁箔布9元/m2,彩鋼板27元/m2,納米氣凝膠絕熱氈20 000元/m3,材料用量及費用計算見表3。對納米氣凝膠保溫進行經(jīng)濟效益分析,結(jié)果見表4。
表4 納米氣凝膠絕熱氈保溫經(jīng)濟性分析
管線進行保溫改造后,由于終端蒸汽熱值提高,用戶生產(chǎn)效率可得到提高,從而相應(yīng)地增加用戶端的產(chǎn)能及經(jīng)濟效益。同時,在滿足用戶要求蒸汽溫度的前提下,由于沿程溫降減少,可降低供熱企業(yè)出口溫度,增大蒸汽在汽輪機內(nèi)部作功的焓降,提高發(fā)電效率。
根據(jù)熱電鍋爐污染物排放數(shù)據(jù),該段管道總長420 m,采用納米氣凝膠絕熱氈改造后,每年可減少熱損失1 267 GJ,相當于年減少標煤消耗53.1 t,從而年減少污染物排放CO 9.9 kg,CO229 t,SO21 t,NOX0.4 t,由此可減少減排的費用約0.63萬元/年。污染物排放的減少可有效改善工廠及周邊的環(huán)境,減少PM2.5的產(chǎn)生,具有較好的社會效益。
通過試驗證明,使用納米氣凝膠絕熱氈和玻璃棉氈復(fù)合結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的硅酸鋁管殼和玻璃棉氈保溫方式達到更好的保溫效果,具有較好的性價比和經(jīng)濟效益,同時具有使用壽命長、不易破損、施工方便、更節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點,是解決蒸汽管道絕熱難點的重要手段。
納米氣凝膠絕熱氈具有優(yōu)異的保溫、隔音效果,在發(fā)電企業(yè)廠內(nèi)汽水管道上使用,不僅可以降低廠內(nèi)汽水管道的熱損失,提高整體的熱效率,還可以減少噪聲污染,減少污染物排放,具有良好的社會效益。
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