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摘 要：随着纳米气凝胶材料在保温性能上的突出表现，其在传统热网管道中的应用逐渐普及开来。然而，对于汽轮机主蒸汽管道而言，其温度更高，对气凝胶材料的厚度与保温能力提出了更高的要求。因此，研究气凝胶在机组主蒸汽管道中的应用具有重要意义。本文对气凝胶保温材料在机组主蒸汽管道中的应用进行分析，研究了高参数蒸汽管道保温层设计过程中采用气凝胶保温材料的具体设计方案及施工方法，并利用试验方法验证了保温效果。结果表明，对汽轮机主蒸汽管道而言，采用90mm厚度的气凝胶材料的保温效果要优于360mm厚度的传统保温材料，且保温层外表面温度要比传统保温材料低4～5℃。这对于气凝胶保温材料在其他机组主蒸汽管道中的应用具有一定的借鉴意义。
关键词：纳米气凝胶 主汽管道 保温性能 汽轮机
中圖分类号：TU551;TU995.2 文献标识码：A 文章编号：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
蒸汽管道的散热损失是造成汽轮机做功能力下降的重要因素。为了减小散热损失，在汽轮机本体主要蒸汽管道敷设保温层是常规采用的手段，但传统保温材料保温效果相对较差，且存在占用空间较大、对管道造成腐蚀以及降噪效果较差等诸多问题。相比之下，由纳米粒子或聚合物大分子组成的气凝胶材料在热防护、降噪方面均表现出良好的性能[1]。因此，气凝胶材料在管道保温中的应用逐渐得到推广[2]。然而，相比传统材料，纳米气凝胶的制造成本较高，将其运用到管道保温会面临前期投资过大的问题[3]。因此，基于气凝胶与传统材料的复合保温结构逐渐引发学者关注并投入实际运行中[4]。有学者研究了传统保温材料与气凝胶绝热毡的保温性能，综合分析了基于传统材料和气凝胶的复合保温结构投资收益情况，得出气凝胶复合保温结构的推广价值更高的结论[5，6]。有研究指出，在高寒地区其节能效果更强[7]。有研究利用数值模拟方法分析了气凝胶与不同传统材料之间的保温性能，指出气凝胶保温材料可以有效缓解管道自身的结露问题[8]。有研究指出将气凝胶材料应用到蒸汽热网管道中并获得很好的经济效益[2]。但目前的应用主要集中在低参数的供热官网中，对汽轮机主汽管道等高参数的应用相对较少。实际上，相比于传统热网管道，电厂主蒸汽管道内蒸汽参数更高，需要更厚的气凝胶保温层设计，且保温层方案及需要进一步分析[9]。 本文对气凝胶保温材料在主蒸汽管道保温中的应用进行探讨，论述了气凝胶材料在汽轮机主蒸汽管道保温中的设计方案及施工方法，通过试验方法验证了其保温效果要优于传统保温材料，且占用的空间更小。
1 气凝胶性能分析
1.1 保温性能
气凝胶是一种纳米级多孔固态材料，基于二氧化硅气凝胶制造的保温毡导热系数约为传统保温材料的1/3～1/5，能够有效提高空间利用率，降低蒸汽管道的散热损失。
1.2 其他性能
相比传统保温材料，基于气凝胶制造的保温材料承拉力有了大幅度增加，起到了抗拉加强的作用;具有很好的抗震抗拉性，可有效降低因材料自重、管道及设备振动、材料进水等外力因素引起的沉降失效。此外，保温毡的无机特性使得其不会对设备和管道造成腐蚀，如图1所示。
在降噪方面，传统保温材料也拥有一定的吸音能力。50mm厚度的保温材料，可降低噪声7～15dB。气凝胶绝热毡是有纳米级的二氧化硅颗粒混合纤维丝粘合而成，材料的致密度高，可以容纳和吸收声音能量的能力更强。10mm厚度的保温层，可降低噪声20～35dB，对于高频噪声隔绝效果更为优异（见图2）。
2 在机组主蒸汽管道中的应用
2.1 管道保温层设计方案
在汽轮机本体中的主要管道上应用，管道规格为Φ273×30mm，管道内蒸汽温度为538℃，为了保证保温效果，选择采用9层10mm规格的气凝胶毡作为管道保温层的主体结构，厚度共计90mm。
2.2 管道保温层安装方法
气凝胶保温毡的厚度具有一定的规格，对于汽轮机主蒸汽管道而言，单层无法满足保温需求，因此需要敷设多层。在敷设过程中，应逐层捆扎，且同层错缝、内外层压缝，并对缝隙处做严缝处理。相邻两层的压缝的间距要大于200mm，如图3所示。
对于管道弯头处，如图4所示，可将气凝胶保温毡加工成弧形的多节弯形以保证保温层的厚度一致。
3 应用效果分析
3.1 测试方法
依据相关研究[10]，采用表面温度测试法评价。测试部位为前文所述的主蒸汽管道，如表1所示。用接触式表面温度计测量表面各部分温度，在距离被测位置1m处，测量环境温度，这些参数的测试同步进行。测试过程中，每个管径至少选取两处进行测试，取两次测试温度的平均值作为该管道保温层表面的温度值，进一步可以计算出该表面的散热损失。
3.2 节能效果分析
在同一区域对新旧保温管道进行表面温度、风速、环境参数测试，对测试数据进行平均、风速修正及发射率修正，其保温性能分析结果如图5所示。可以看出，与传统保温方案对比，采用气凝胶保温会降低管道外表面温度降低4～5℃。
根据相关研究[11]，计算上述方案的管道散热损失，其中，定义节能率如下：
节能率=（1-新保温方案线散热损失/原保温方案线散热损失）×100%
计算结果如表2所示，相比传统保温方案，采用气凝胶方案减小约66.7%的散热损失。
4 结语
凝胶绝热毡材料在传统管道保温中的应用正逐渐普及开来，但对汽轮机主汽管道等高参数保温对象的应用较少。本文分析了气凝胶保温材料在高参数蒸汽管道上的应用。阐述了管道保温层设计方案及施工方法，通过与传统方案的对比分析，得到如下结论。
第一，对于汽轮机主蒸汽管道保温层，采用总计90mm厚度的气凝胶绝热毡的保温效果就会达到甚至超过传统保温方案。
第二，与传统保温方案对比，采用气凝胶保温会降低管道外表面温度降低4～5℃，减小约66.7%的散热损失。
第三，在汽轮机主汽管道使用气凝胶绝热毡能有效降低管道的散热损失，减小能量损失。
参考文献
[1] 吴晓栋，宋梓豪，王伟，等.气凝胶材料的研究进展[J].南京工业大学学报：自然科学版，2020，42（4）：405-451.
[2] 吴文杰.SiO_2气凝胶及其复合材料的制备及性能研究[D].济南：山东大学，2020.
[3] 何栋.纳米气凝胶绝热毡在蒸汽热网管道上的应用[J].浙江电力，2018，37（5）：90-93.
[4] 高殿生，溫少尉.高效保温材料SiO_2气凝胶在管道保温施工中的应用[J].石油化工建设，2017，39（2）：82-83.
[5] 周天宇，郜建松，孙志钦.蒸汽管道保温技术优化研究[J].石油化工设计，2018，35（3）：35-38，6-7.
[6] 荣雁.基于气凝胶保温涂料的复合保温结构研究及应用[J].涂料工业，2020，50（1）：47-52，56.
[7] 薛天然.纳米气凝胶与常用管道保温材料的性能对比研究[J].化工管理，2016（11）：229.
[8] 张鑫，王毓薇，白志鸿，等.纳米气凝胶与常用管道保温材料的性能对比[J].油气储运，2015，34（1）：77-80.
[9] 汪纯宇.气凝胶复合隔热材料的制备与研究[D].大连：大连工业大学，2020.
[10] GB/T 17357-2008，设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法[S].
[11] GB 50264-2013，工业设备及管道绝热工程设计规范（附条文说明）[S].
关键词：纳米气凝胶 主汽管道 保温性能 汽轮机
中圖分类号：TU551;TU995.2 文献标识码：A 文章编号：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
蒸汽管道的散热损失是造成汽轮机做功能力下降的重要因素。为了减小散热损失，在汽轮机本体主要蒸汽管道敷设保温层是常规采用的手段，但传统保温材料保温效果相对较差，且存在占用空间较大、对管道造成腐蚀以及降噪效果较差等诸多问题。相比之下，由纳米粒子或聚合物大分子组成的气凝胶材料在热防护、降噪方面均表现出良好的性能[1]。因此，气凝胶材料在管道保温中的应用逐渐得到推广[2]。然而，相比传统材料，纳米气凝胶的制造成本较高，将其运用到管道保温会面临前期投资过大的问题[3]。因此，基于气凝胶与传统材料的复合保温结构逐渐引发学者关注并投入实际运行中[4]。有学者研究了传统保温材料与气凝胶绝热毡的保温性能，综合分析了基于传统材料和气凝胶的复合保温结构投资收益情况，得出气凝胶复合保温结构的推广价值更高的结论[5，6]。有研究指出，在高寒地区其节能效果更强[7]。有研究利用数值模拟方法分析了气凝胶与不同传统材料之间的保温性能，指出气凝胶保温材料可以有效缓解管道自身的结露问题[8]。有研究指出将气凝胶材料应用到蒸汽热网管道中并获得很好的经济效益[2]。但目前的应用主要集中在低参数的供热官网中，对汽轮机主汽管道等高参数的应用相对较少。实际上，相比于传统热网管道，电厂主蒸汽管道内蒸汽参数更高，需要更厚的气凝胶保温层设计，且保温层方案及需要进一步分析[9]。 本文对气凝胶保温材料在主蒸汽管道保温中的应用进行探讨，论述了气凝胶材料在汽轮机主蒸汽管道保温中的设计方案及施工方法，通过试验方法验证了其保温效果要优于传统保温材料，且占用的空间更小。
1 气凝胶性能分析
1.1 保温性能
气凝胶是一种纳米级多孔固态材料，基于二氧化硅气凝胶制造的保温毡导热系数约为传统保温材料的1/3～1/5，能够有效提高空间利用率，降低蒸汽管道的散热损失。
1.2 其他性能
相比传统保温材料，基于气凝胶制造的保温材料承拉力有了大幅度增加，起到了抗拉加强的作用;具有很好的抗震抗拉性，可有效降低因材料自重、管道及设备振动、材料进水等外力因素引起的沉降失效。此外，保温毡的无机特性使得其不会对设备和管道造成腐蚀，如图1所示。
在降噪方面，传统保温材料也拥有一定的吸音能力。50mm厚度的保温材料，可降低噪声7～15dB。气凝胶绝热毡是有纳米级的二氧化硅颗粒混合纤维丝粘合而成，材料的致密度高，可以容纳和吸收声音能量的能力更强。10mm厚度的保温层，可降低噪声20～35dB，对于高频噪声隔绝效果更为优异（见图2）。
2 在机组主蒸汽管道中的应用
2.1 管道保温层设计方案
在汽轮机本体中的主要管道上应用，管道规格为Φ273×30mm，管道内蒸汽温度为538℃，为了保证保温效果，选择采用9层10mm规格的气凝胶毡作为管道保温层的主体结构，厚度共计90mm。
2.2 管道保温层安装方法
气凝胶保温毡的厚度具有一定的规格，对于汽轮机主蒸汽管道而言，单层无法满足保温需求，因此需要敷设多层。在敷设过程中，应逐层捆扎，且同层错缝、内外层压缝，并对缝隙处做严缝处理。相邻两层的压缝的间距要大于200mm，如图3所示。
对于管道弯头处，如图4所示，可将气凝胶保温毡加工成弧形的多节弯形以保证保温层的厚度一致。
3 应用效果分析
3.1 测试方法
依据相关研究[10]，采用表面温度测试法评价。测试部位为前文所述的主蒸汽管道，如表1所示。用接触式表面温度计测量表面各部分温度，在距离被测位置1m处，测量环境温度，这些参数的测试同步进行。测试过程中，每个管径至少选取两处进行测试，取两次测试温度的平均值作为该管道保温层表面的温度值，进一步可以计算出该表面的散热损失。
3.2 节能效果分析
在同一区域对新旧保温管道进行表面温度、风速、环境参数测试，对测试数据进行平均、风速修正及发射率修正，其保温性能分析结果如图5所示。可以看出，与传统保温方案对比，采用气凝胶保温会降低管道外表面温度降低4～5℃。
根据相关研究[11]，计算上述方案的管道散热损失，其中，定义节能率如下：
节能率=（1-新保温方案线散热损失/原保温方案线散热损失）×100%
计算结果如表2所示，相比传统保温方案，采用气凝胶方案减小约66.7%的散热损失。
4 结语
凝胶绝热毡材料在传统管道保温中的应用正逐渐普及开来，但对汽轮机主汽管道等高参数保温对象的应用较少。本文分析了气凝胶保温材料在高参数蒸汽管道上的应用。阐述了管道保温层设计方案及施工方法，通过与传统方案的对比分析，得到如下结论。
第一，对于汽轮机主蒸汽管道保温层，采用总计90mm厚度的气凝胶绝热毡的保温效果就会达到甚至超过传统保温方案。
第二，与传统保温方案对比，采用气凝胶保温会降低管道外表面温度降低4～5℃，减小约66.7%的散热损失。
第三，在汽轮机主汽管道使用气凝胶绝热毡能有效降低管道的散热损失，减小能量损失。
参考文献
[1] 吴晓栋，宋梓豪，王伟，等.气凝胶材料的研究进展[J].南京工业大学学报：自然科学版，2020，42（4）：405-451.
[2] 吴文杰.SiO_2气凝胶及其复合材料的制备及性能研究[D].济南：山东大学，2020.
[3] 何栋.纳米气凝胶绝热毡在蒸汽热网管道上的应用[J].浙江电力，2018，37（5）：90-93.
[4] 高殿生，溫少尉.高效保温材料SiO_2气凝胶在管道保温施工中的应用[J].石油化工建设，2017，39（2）：82-83.
[5] 周天宇，郜建松，孙志钦.蒸汽管道保温技术优化研究[J].石油化工设计，2018，35（3）：35-38，6-7.
[6] 荣雁.基于气凝胶保温涂料的复合保温结构研究及应用[J].涂料工业，2020，50（1）：47-52，56.
[7] 薛天然.纳米气凝胶与常用管道保温材料的性能对比研究[J].化工管理，2016（11）：229.
[8] 张鑫，王毓薇，白志鸿，等.纳米气凝胶与常用管道保温材料的性能对比[J].油气储运，2015，34（1）：77-80.
[9] 汪纯宇.气凝胶复合隔热材料的制备与研究[D].大连：大连工业大学，2020.
[10] GB/T 17357-2008，设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法[S].
[11] GB 50264-2013，工业设备及管道绝热工程设计规范（附条文说明）[S].