火电厂蒸汽管道保温设计与探讨

火电厂蒸汽管道保温设计与探讨

乐龙 

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司  211102

摘要：本文概述蒸汽管道保温设计在火力发电中的重要性，介绍了保温设计基本原理及保温材料选择，同时分析了保温常见问题并提出解决方案，并对保温设计未来发展趋势进行了展望。

关键词：蒸汽管道；火力发电；保温设计；发展趋势

1. 引言

火力发电是当今世界主要的能源供应方式，而蒸汽是火力发电厂中最常用的能源传输介质之一，其在发电过程中作为热能传递的媒介，承担着将燃料转化为电能的关键角色。蒸汽管道的运行稳定性对于火力发电系统整体稳定运行至关重要，而管道的保温设计直接影响蒸汽温度、压力以及能源损耗。

通过蒸汽管道的保温设计，可以有效减少管道在输送热能过程中的热量损失，提高能源转化效率，降低能源消耗，有助于降低二氧化碳等温室气体的排放，从而减轻对环境的影响。同时保温设计还可防止外部环境对管道材料的腐蚀和损坏，延长管道的使用寿命。有效的保温设计可以减少温度差对管道材料造成的热应力，防止因此引发的材料疲劳和破坏。保温设计确保了管道运行温度稳定，减少意外事故发生的风险，提升管道运行的安全性。

2. 蒸汽管道保温设计原理

蒸汽在传输过程中会发生热能损失，其主要原因包括以下几个方面：（1）传导损失：蒸汽管道与周围环境存在温度差异，导致热量通过传导的方式从高温区域传递到低温区域。管道材料的导热性质会影响热量传导速率，而无论管道是金属、塑料还是其他材料，都无法完全阻止传导损失。（2）对流损失：蒸汽在管道内部流动会带来对流现象，这会导致热量随着蒸汽流动被带走，造成能量损失。尤其在曲线或弯头处，对流损失更为显著。（3）辐射损失：蒸汽管道表面会向周围环境辐射热量，尤其是高温管道。这种辐射损失是由于管道表面温度高于周围环境而产生的。（4）热桥效应：管道连接或支架等部位可能存在热桥，这些区域热量传导速率较高，导致热量更容易流失，成为能量损失的重要来源。（5）管道运输过程中的损耗：在管道运输过程中，由于摩擦、弯曲或其他外部因素的影响，也会导致热量损失。

蒸汽传输中的热能损失是由多种因素共同作用导致的，减少这些损失需要综合考虑保温材料的选择、保温层的设计、管道的绝缘以及对流和辐射损失的控制等因素。通过合理的保温设计，可以有效减少蒸汽传输过程中的能量损失。

3. 保温材料选择与性能

在选择蒸汽管道的保温材料时，需要考虑多种因素，如材料的导热系数、耐温性、密度、耐用性、安全性以及成本等。保温材料可分为无机保温材料和有机保温材料两种，其中无机保温材料应用更为广泛，主要的无机保温材料分为以下几种[1]：（1）岩棉制品。岩棉是一种由玄武岩等天然岩石熔化后，经过高速旋转喷吹或拉丝方式制成的纤维状材料。其具有良好的隔热性能和吸声性能，耐高温，经久耐用，易于加工和安装。岩棉制品一般分为板、毡、管三大类，管道保温大多喜欢使用岩棉管壳，岩棉管壳密度在40～200 kg/m3之间，在70℃时，导热系数在0.040～0.044 W/（m·K）之间，具有良好的保温绝热性能。（2）玻璃棉制品。玻璃棉是经离心火焰喷吹法制成的纤维化棉状材料，纤维与纤维之间相互缠绕，形成了许多细小的间隙，这些间隙使玻璃棉具有良好的减震降噪性能。玻璃棉的密度很小，其导热系数相对较低，并且能达到A级防火标准，是建筑外墙保温的首选材料。玻璃棉制品按形状可分为板状、毡状和管壳，而按碱金属氧化物含量可分为有碱玻璃棉制品和无碱玻璃棉制品两类。市面上的玻璃棉基本为无碱玻璃棉，密度在10～40 kg/m3之间，在70℃时，导热系数在0.042～0.046 W/（m·K）之间，并且可根据使用要求在其表面复合不同的防潮层。目前玻璃棉制品主要作为填充材料应用在热设备和管道上。（3）硅酸铝制品。硅酸铝制品属于轻质耐火材料。由于其比传统耐火材料轻很多，密度在 100～200 kg/m3之间，在500℃时，导热系数约为0.1～0.160 W/（m·K）。由于硅酸铝制品本身不含有粘结剂，其加热线变化率就很小，具有良好的热稳定性和耐高温性，其推荐使用温度在800～1200℃之间。硅酸铝制品广泛应用于电力、机械、石油化工等热设备和管道保温工程，尤其是高温设备顶部的保温工程，作用尤其突出。 （4）气凝胶。气凝胶主要成分为 SiO2，因此也叫二氧化硅气凝胶。它是一种由纳米级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶固体材料，是现有发现最轻的固体材料。气凝胶材料的导热系数极低，在25℃时的导热系数小于0.020 W/(m·K) ，低于静态空气的导热系数，因此在达到相同保温效果时，相比传统保温材料，气凝胶可以减少保温厚度。气凝胶整体疏水性很好，这样可有效防止水气渗透，同时气凝胶具有A级防火性能。（5）复合硅酸盐制品。复合硅酸盐制品是一种以特殊非金属为原材料，再加入其它辅助材料发泡而成的保温材料。在生产过程中，材料内部存在许多密封的气孔，复合硅酸盐的导热系数很小与这些气孔密切相关。复合硅酸盐制品以其低密度，低导热系数，质地柔软，防火A级，施工和运输简单方便，成为大型悬挂式设备保温材料的首选。

4. 保温常见问题分析及解决方案

4.1 保温常见问题

根据热力管道运行中保温结构的实际情况，造成热损超标的原因有以下方面[2]：（1）管道振动。在高温蒸汽管道的保温结构中，由于管道振动剧烈，导致软质材料下沉，从而导致保温结构失效。（2）管道间歇运行。在管道中，由于管道间歇运行，造成保温材料处于冷热交替状况，造成保温结构易于损坏，是造成保温涂料开列的主要原因。（3）保温材料选择不当。处于室外的管道，需经受风吹日晒雨淋、大气腐蚀、冬夏冷热交替等影响。测试表明，岩棉、玻璃棉等软质材料做成的保温结构，突出的问题是保温材料滑移、下沉严重，致使管道顶部保温层很薄，底部很厚，失去保温功能，造成保温管道顶部热损失严重超过国家标准。如采用微孔硅酸钙等硬质保温材料，则缝隙部分很难处理，振动后缝隙加大，缝隙部分漏热严重，是保温结构的导热系数增大，保温效果并不理想。（4）实际到货保温材料不满足性能要求。保温设计与保温材料采购是在不同的时间完成的，设计采用的保温材料性能数据与厂家实际到货存在差异，当差异较大时对管道保温效果影响比较大。（5）保护层质量差。部分室外管道，由于风吹日晒，经过一段时间运行，保温外护层损坏，致使雨水渗入保温层，保温效果急剧下降，保温结构寿命缩短。（6）管道附件不保温或保温质量差。管托、阀门、卡箍等管件不保温或保温差，是管道整体热损高的主要原因，是保温工程中比较突出的薄弱环节。（7）施工质量问题。由于保温属于隐蔽工程，保温材料搭接及缝隙处理等都很关键，部分施工单位不严格按照国际标准施工，造成保温结构打不到预期效果。

4.2 解决方案

保温设计之前尽量确定保温生产厂家，设计时要求厂家提供满足要求的保温材料性能参数，并要求厂家生产的材料的实际性能必须与所提供数据一致。或者要求厂家完全按照保温设计中的材料性能来制造满足要求的材料。由于有的地区冬夏两季会出现极端气候。因此在满足“经济厚度”计算保温厚度的前提下，还必须充分考虑极端天气情况，考虑夏季高温和冬季低温的极端天气，对室外布置的管道和设备，利用极端天气的室外环境温度进行保温或防冻设计，增加保温层厚度。在保温施工前，应编制保温作业指导书，至少包括：保温质量标准、保温工艺要求、保温施工工序、保温现场安全文明施工要求等内容，重点部位的保温施工作业指导书应单独编制，保温验收应严格执行相关验收技术规范。

5. 蒸汽管道保温设计的未来发展趋势

蒸汽管道保温设计在未来可能会朝着更加高效、环保和智能化的方向发展。以下是一些可能的发展趋势：

节能和高效性：未来的设计可能更注重提高保温材料的性能，以减少能源损失。新型材料和技术的引入可能使得保温效果更出色，同时降低能源消耗。

环保和可持续性：可能出现更多基于可再生资源或环保材料的保温解决方案，以减少环境影响。这可能包括使用生物降解材料或利用可再生能源。

智能化和监测技术：未来管道保温设计可能会整合智能传感器和监测技术，实现对管道温度、保温层状况等数据的实时监测和管理，以便及时调整和维护。

模拟和预测分析：随着计算机模拟和预测分析技术的进步，未来的设计可能更多基于数据驱动的方法，通过模拟分析来优化保温设计，以达到更好的效果和成本控制。

多功能性和定制化：可能出现更多多功能性保温材料，以满足不同管道应用需求，并且可以定制化设计，根据特定管道的要求进行调整。

这些趋势可能会随着技术的进步和对可持续发展的关注而不断演变。随着时间推移，新的材料、技术和方法将不断涌现，为蒸汽管道保温设计带来更多创新和进步。

6.结论

蒸汽管道的保温设计可以降低能源消耗，减轻二氧化碳排放对环境的影响，同时还可延长管道使用寿命，提升管道运行的安全性。本文对保温设计基本原理、保温材料选择、保温常见问题进行了介绍，针对保温问题提出了解决方案，并对保温设计未来发展趋势进行了展望。

参考文献

[1]侯荣浩.某厂管道保温失效性分析及保温材料与结构优化研究[D].大连理工大学,2020.

[2]王莹.蒸汽管道常见保温问题解析和改进[J].中新技术应用与实践,2019,(09):135-136.

乐龙（1991年1月），男，籍贯湖南省，中级职称，硕士研究生，能源动力