摘要 为降低能耗，提高能源的利用率，从材料的导热机理，研制出一种新的复合型保温材料，并在火电厂高压机组主蒸汽管道上应用。应用结果表明：新型保温材料的导热系数低于国家标准。查新结果表明：其性能优于同类保温材料，可在热力设备上广泛应用。
关键词 新型保温材料 工业应用 导热系数
The Development and Application for a Kind of
New type Insulating Mateiial in Thermal Power Plant
Abstract In order to decrease the consumption and up grade the utilization of energy, a kind of nwe composite type of insulating material was developed and applied on the main steam pipeline of high pressure machines in the thermal power plant. The effect of application shows that the condoctivity of the new insulating material is lower than the national standard. It is also known on inqury that the performance of the new insulating material is better than that of similar insulating materials. Hence, it may be widely adopted on thermal power equipments.
Key words New type Insulating Mateiial industrial applianction conductivity
1 引言
降低能耗、提高能源的利用率、增加电力能源的产出是火电厂的根本任务。高参数、大容量的火电机组的散热损失的热量绝对值相当大，已作为新机组投产性能考核的重要指标之一。国内的保温材料制造单位虽然很多，但保温材料的保温性能差异很大，目前相当多的热力设备的外表面温度及热流密度仍超标。不良的保温不但增加了热量的损失，还会使工作场所的环境温度升高，造成运行工人的生产条件恶劣。因此很有必要根据我国国情研究开发一种性能优良、成本低廉及实用的火电厂保温材料，以降低能耗、提高能源的利用率。广西电力试验研究院、西安热工院材料所、中科院西安光机所、广西桂林电厂，广西合山电厂等单位经过一年多的共同努力，合作开发了一种新的复合型保温材料，并在火力发电厂进行了应用。现将新材料的开发和应用情况作如下介绍。
2 复合型保温材料的试验、研究
2.1 材料的导热原理
单一物质构成的绝热材料不能满足电力系统的保温要求，主要原因是单一物质的辐射波段较窄。由多种材料构成的复合绝热材料，其辐射特性呈连续性，在较宽波段内都有较高的辐射强度。所以我们选择若干种低导热系数的材料经过合成而形成一个总导热系数更低的散热系统。这种纤维-颗粒状材料构成的散热系统，固体材料弥散于整个空间内，系统的有效导热系数取决于固体材料的导热系数和表面辐射性，以及系统的内气孔率、气孔直径、气孔连贯性、气孔分布等因素。因而保温材料的选择和配方的设计均按上述原理进行。其技术思路是：首先要认识到材料的性能是由其微观结构和化学组份所决定的，所以在对材料的宏观热物理认识的同时，更要掌握材料的微观结构和微观化学组份之关系，才能把握住材料的性能，达到降低导热系数之目的。在研制中进行了多种组份和不同几何结构的选择，从而得出了一种新的复合型保温材料。
2.2 材料的主要性能指标确定
按SDGJ59-84《火力发电厂热力设备和管道保温油漆设计技术规定》、GB8175-87《设备及管道保温设计导则》、GB4272-92《设备及管道保温技术通则》等标准为设计依据，确定新型保温材料的主要技术指标如下：
①最高安全使用温度：＞800 ℃；
②导热系数：tp≤350 ℃时，λ＜0.12 W/(m.K)；
③密度：＜400 kg/m3；
④抗压强度：＞0.294 MPa；
⑤pH值：7～8。
2.3 材料的导热系数方程式的建立
导热系数是决定保温材料优劣的主要性能指标。根据在常温及高温状态下多次测得的导热系数(λk)，使用待定系数法的二元回归，建立了本保温材料的导热系数方程式，以利于工业试验的反复使用。
λtp=0.0526+2.11201×10-5tp+1.15165×10-7×t2p
(1)
式中λtp——平均温度(tp)下的导热系数，W/(m.K)；
tp——材料的冷热端平均温度，℃。
tp=(tb+t1)/(2)
(2)
式中tp——冷端(外表面)温度，℃；
t1——热端温度(近似取介质温度)，℃。
根据导热方程式得出不同温度下的导热系数列于表1，便于研制过程的取用。
表1 不同温度下的导热系数
tp/℃λtp/W.(m.K)-1tp/℃λtp/W.(m.K)-1
250.053203250.07163
500.053943500.07410
750.054833750.07672
1000.055864000.07947
1250.057044250.08238
1500.058364500.08542
1750.059824750.08862
2000.061435000.09195
2250.063185250.09543
2500.065085500.09905
2750.067125750.10282
3000.069306000.10673
2.4 材料的主要性能指标比较
复合型保温新材料经电力工业部电力建设研究院和陕西省装饰装修材料质量监督检验所的分期检测，各项性能指标等于或优于国家标准，见表2。
3 复合型保温材料在火力发电厂的应用
3.1 选择试点
①为使试验具有代表性和推广应用价值，选定了合山电厂7号高压机组主蒸汽管道(直径 Φ273 mm、长度L=14.86 m、介质温度t1=540 ℃)和桂林电厂3号中压机组主蒸汽管道(直径Φ219 mm、长度L=5.8 m、介质温度t1=450 ℃)作为试点进行工业试验。
②选定水平直管段、垂直段、弯管段等火电厂的三大基本类型的管道进行试验。
3.2 在火电厂应用的计算
3.2.1 保温层经济厚度计算
根据GB8175-87，圆筒面积保温层经济厚度计算公式：
(3)
表2 材料的性能比较
项 目 国家标准 新材料性能
膏体密度 /kg.m-3≤1 000925
pH值7～87.0
稠度 /cm≤127.5
干密度 /kg.m-3≤220182
298 K 导热系数 /W.(m.K)-1≤0.0800.0585
623 K 导热系数 /W.(m.K)-1≤0.120.0794
最高使用温度(800 ℃、24 h)不松散、不粉化不松散、不粉化
最低使用温度(-40 ℃、24 h)外观无变化外观无变化
附着力(1.5 m处自由落下3次)无开裂、脱落无开裂、脱落
耐酸性(5% HCl、24 h)外观无变化外观无变化
耐碱性(5% NaOH、24 h)外观无变化外观无变化
耐油性(机油、24 h)外观无变化外观无变化
憎水性 /%≥9898.5
抗拉强度 /MPa≥0.100.12
收缩率 /%≤2513.4
式中D0——保温层外径，m；
Di——保温层内径，m，合山为0.273 m。
(4)
式中A2——常数；
fn——热价，取6元/106 kJ；
λ——保温材料制品导热系数，合山取0.0746 W/(m.K)，桂林取0.0708 W/(m.K)；
t——年运行时间，取6 500 h;
T——设备和管道外表面温度，合山813 K， 桂林723 K；
Ta——环境温度，取293 K；
Pi——保温结构单位造价，取2 000 元/m3；
α——保温层外表面向大气的放热系数，取α=11.63 W/(m2.K)；
S——保温工程投资货款年分摊率，按复利计算。
S按下式求出：
(5)
式中i——年利率(复利率)，%，取8‰；
n——计息年数，取8年。
对于合山电厂，7号机组的主蒸汽管道的经济厚度δ=92 mm，而桂林电厂3号机组的主蒸汽管道的经济厚度δ=80 mm。显而易见：如果要增加火电厂的保温效果，保温材料的数量增大，成本也就会上升。合山电厂改前的厚度δ=170 mm，考虑到使用中含空腔20.2 mm，所以取δ=130 mm。桂林电厂改前厚度为δ=148 mm，改后含空腔23.0 mm，因而取δ=90 mm。基本上在经济厚度的范围。
3.2.2 保温层外表面温度的计算
根据GB8175-87，圆筒保温层表面散热损失
(6)
式中q——单位长度散热损失，按管道计算，W/m；
D0——保温层外径，合山电厂取0.273+2×0.13=0.533 m，桂林电厂取0.219+2×0.09=0.399 m；
Di——保温层内径，合山电厂为0.273 m，桂林电厂为0.219 m。
其余符号说明同式(4)相同。
圆筒保温层外表面温度
(7)
从式(7)求得合山电厂圆筒保温层外表面温度Ts=311.06 K，实际应用测量值为309.6 K。桂林电厂的Ts=313.81 K，而实际应用测量值为309.5 K。与计算值相当。
3.3 工业应用的技术指标
3.3.1 红外遥感技术测试结果
用红外遥感技术测试改造后的结果是热分布规范，热平均等温值为24.25℃。而原有保温的主蒸汽管的热分布极不均匀，热平均等温值为57.9 ℃。
3.3.2 改造前后保温表面温度对比
经对大量的测试数据进行整理，改造前后测试结果换算到改前测试的环境温度时的数据加权平均值见表3。
表3 改造前后的温度测量
℃
项 目环境温度改前
加权平均值表面温度改后
加权平均值温降Δt
合山电厂7号炉37.061.948.513.4
桂林电厂3号炉33.350.144.06.1
可见采用新材料后表面温度比原有保温材料下降了6.1～13.4 ℃。如折算为环境温度25 ℃的条件下，改后加权总平均数，合山电厂的表面温度为36.6 ℃，桂林电厂的表面温度为36.5 ℃，均小于国标的不高于50 ℃的要求。
3.3.3 改后的导热系数
改后的加权总平均导热系数见表4。
表4 导热系数比较
W/(m.K)
项 目国家标准设计值合电7号炉桂电3号炉计划开发
导热系数 0.120.07940.0560.05560.025～0.03
由表4可见设计的导热系数比国家标准降低了34%()，实际应用结果也表明：新型保温材料的导热系数不仅低于国家标准而且也低于设计值。证实其主要性能指标是优良的。
4 经济效益和环保效益
①以合山电厂7号炉主蒸汽管的保温改造为例，单位管道(每米)消耗的新型保温材料价格比原有的水泥珍珠岩多花103.1元，改后减少散热量588.6 W/m，全年减少散热量13 773.3 MJ(按7号炉年运行6 500 h计算)，折标煤470.1 kg。
②按新旧保温材料对比平均表面温度可降低10.5 ℃(鉴定专家查定为10.6 ℃)来计算，对于200 MW火电机组(不考虑汽机部分)，仅按锅炉散热面积，每小时可节约4 096 MJ热量，折合标煤139.8 kg，热损失减少0.213%(设计值是0.65%；降低了32.8%)。如按年运行5 000 h，计算全年可节约标煤699 t，按柳州电厂1996年标煤价358.94 元/t 计算，折币25.09万元。
③新型保温材料与传统的保温材料对比表面温度可降低10.5 ℃(平均值)，对改善运行工人的生产环境、保护工人的身体健康大有益处。因而具有良好的环保效益。
5 结语
①新型保温材料设计导热系数λ=0.079 W/(m.K)(tp=623 K)，实际应用中的导热系数λ=0.056 W/(m.K)(tp=563 K)。均满足国家标准(GB4272-92)对保温导热系数λ＜0.12 W/(m.K)(tp=623 K)的要求。
②新型保温材料在合山电厂和桂林电厂实际应用已一年，当介质温度为540 ℃、环境温度为25 ℃、保温层厚度为140 mm时，保温材料平均表面温度为36.6 ℃，均低于国标规定的50 ℃。
③该新型保温材料对减少锅炉管道散热损失有良好效果，每米主蒸汽管道一年可节约热量13 773.3 MJ，折标煤470.1 kg，按合山电厂1997年标煤价244.51 元/t计算，合人民币114.9元/m，直接经济效益显著，由于环境温度的降低，改善了环境状况，还具有环保效益。
④本新型保温材料具有导热系数小、无粉尘产生、使用安全、干密度小等优点，查新检索结果表明其性能优于同类保温材料，在技术上达到了国内领先水平。该新型保温材料可在热力设备上广泛使用。
(编辑：银红丽) |
