微型燃气轮机回热器研究

微型燃气轮机回热器实验系统(xìtǒng)建设回热器研究(yánjiū)概述第一页，共49页。0、微型(wēixíng)燃气轮机及回热循环第二页，共49页。Pratt&Whltney公司的微型(wēixíng)燃气轮机●RatedPower:-ISOday,(59ºF,15℃):400kW-Hotday,(95ºF,35℃):333kW●Thermalefficiency-ηrecuperated:30%-ηsimplecycle:22%第三页，共49页。PowerWorks公司(ɡōnɡsī)70kW的燃气轮机回热器第四页，共49页。PowerWorks公司(ɡōnɡsī)热电联供系统示意图第五页，共49页。微型(wēixíng)燃气轮机的主要技术参数生产厂电功率kW效率%压比进温C出温C排温C排放NOx功率kWAlliedSignal7528.53.7930650240＜25ppm75Bowman4522.54.3—650305—35-200Capstone30—3.2840—270—24-250Elliott/GE4530———316＜9ppm45,80,200NREC（样机）70333.3870—200—30-200第六页，共49页。主要微型(wēixíng)燃气轮机公司产品结构及性能比较公司回热器功率（kW）发电效率联合循环效率估计费用（$/kW）AlliedSignal平板/肋片式50，70，20030%+60-75%350AllisionEngine有回热50，25030% 225-350Capston圆柱型3026-30% <500Elliott/GE一些型号有45，60，80，20030%+85%400-600NERC有回热30-25030%+80% WilliamsInternationall有回热40-400   第七页，共49页。一、回热器运行(yùnxíng)参数及性能指标第八页，共49页。（Turbec,PowerWorks，C60等）燃气进回热器温度：600—800℃燃气出回热器温度：240—340℃空气(kōngqì)预热温度可达：500—620℃空气(kōngqì)侧压力：—4.8bar燃气侧压力：1.023bar(约一个大气压)第九页，共49页。回热有效度：接近或超过紧凑度高（>700m2/m3)，体积小，重量轻压力损失<5%可靠性高，热变形小，寿命长造价低（不超过原材料价格(jiàgé)的倍）加工难易程度重量第十页，共49页。二、回热器的研究(yánjiū)现状回热器的结构(jiégòu)回热器的材料第十一页，共49页。1.回热器的结构(jiégòu)板翅式主表面(biǎomiàn)型第十二页，共49页。(1)几种板翅式表面(biǎomiàn)的几何形状第十三页，共49页。（2）主要的三种(sānzhǒnɡ)主表面型CC（Corrugatedundulatedsurface）型CU（CorrugatedUndulatedsurface）型CW（CrossWavysurface）型第十四页，共49页。Crosscorrugatedduct（CC型）结构(jiégòu)第十五页，共49页。分配压差(yāchà)的CC型结构第十六页，共49页。已拆微燃机的回热器表面(biǎomiàn)结构第十七页，共49页。CU型（CrosscorrugatedUndulated）第十八页，共49页。CW型(CrossWavy)结构(jiégòu)第十九页，共49页。Pore90TM同心(tóngxīn)管结构第二十页，共49页。回热器的材料应该满足以下几个要求：★长时间耐高温（目前由于采用不锈钢，最高温度局限于600℃-650℃）★适宜于熔接或焊接★材料的塑造可通过冲压、模压或者折叠(zhédié)实现★抗热变形好，抗腐蚀性好★费用低第二十一页，共49页。目前(mùqián)的回热器材料不锈钢高温(gāowēn)金属陶瓷材料第二十二页，共49页。不锈钢347型不锈钢研究工作正努力(nǔlì)使其寿命在600℃-650℃下，向30000小时接近第二十三页，共49页。Utriainen对高温(gāowēn)金属的实验（100μm）实验的四种材料(cáiliào)★321型不锈钢（Fe-17%Cr-11%Ni-0.3%Ti）★Incornel625（Ni-21%Cr-9%Mo-4%Fe-4%Nb）★Haynes合金214（Ni-16%Cr-4%Al-3%Fe）2O3）第二十四页，共49页。抗热变形性在750℃的空气中，压力为100MPa，后三种合金的变形都很小，特别是PM2000在875℃时也能保持良好的性能（1300多小时）抗腐蚀性Incornel625在700-800℃时有足够的抗氧化能力而Haynes214和PM2000都可以使用在900℃的环境下注：PM2000有很多突然(tūrán)失败的例子实验(shíyàn)的结果（以321型不锈钢为基准）Utriainen对高温金属(jīnshǔ)的实验（100μm）第二十五页，共49页。3、回热器的研究工作(gōngzuò)还应该包括对于金属材料和陶瓷材料都要改善它们的高温性能（对陶瓷材料还应包括抗热和抗化学腐蚀(fǔshí)）寻找新技术以更低成本来制造金属和陶瓷回热器通过减小当量直径和应用增强热交换技术来增加紧凑度以“化思想”来设计回热器部件第二十六页，共49页。国外实验研究的新型(xīnxíng)主表面式回热器结构德国研制、并已实验研究的新型回热器结构模型(móxíng)的金属冲压和折叠过程第二十七页，共49页。RekuperatorSvenskaAB研制(yánzhì)的完全激光焊接的主表面逆流式回热器第二十八页，共49页。RSAB的主表面(biǎomiàn)逆流式回热器性能（紧凑度大于1600m2/m3）空气(kōngqì)室内的流速效率(xiàolǜ)空气室内的流速总相对压损第二十九页，共49页。100kW热电联供系统(xìtǒng)的微型燃气轮机上的回热器第三十页，共49页。Pore90TM回热器流动(liúdòng)简图第三十一页，共49页。PowerWorks公司(ɡōnɡsī)的回热器外形图第三十二页，共49页。三、实验装置上可能(kěnéng)做的研究工作第三十三页，共49页。研究(yánjiū)工作1回热器效率小时对整个机组效率的提高效果(xiàoguǒ)不大，只是增加了机组的费用，但当回热器的效率增大到一定值时，继续增大效率会使机组的代价飞速增加。存在一个最佳的效率值，对提高机组效率而且增加的费用也合理，另外，增加回热面积会提高回热器的效率，那么在回热器的面积、传热系数以及效率之间应该存在一个最优值。第三十四页，共49页。研究(yánjiū)工作2反映回热器性能的指标有很多，能否找到一个(yīɡè)综合指标？若能，如何寻找？如何能反映出应用于不同情况时的不同的侧重要求第三十五页，共49页。已有的实验都是只对各种型面的某一种或相似(xiānɡsì)的某几种尺寸进行实验，有的结果还不公开，现有资料关于记载针对我国具体情况的实验不多，因而有必要做一些进一步的实验研究。研究传热系数K与阻力系数的最佳值。研究(yánjiū)工作3第三十六页，共49页。根据国内实际情况，做几种结构(jiégòu)形式的回热器，在新建的实验装置上进行热性能实验。研究(yánjiū)工作研究(yánjiū)工作4第三十七页，共49页。四、回热器实验系统(xìtǒng)设计参数（以60kW为设计依据）燃气侧入口最高设计温度600℃空气侧入口最高设计温度210℃系统能承受最大系统阻力(zǔlì)50kPa（以压缩比4.8、回热器最大相对压降5%考虑）高压侧空气以常压模拟。Re:200~2250第三十八页，共49页。μ在低压下只是温度的函数，维持质量流量不变即可满足。,λ约每巴增加1%童景山，《流体(liútǐ)的热物理性质》，中国石化出版社第三十九页，共49页。第四十页，共49页。*T100MicroturbineCHPSystem微燃机进口参数：950℃，Bar微燃机出口参数：约650℃，环境压力回热器出口温度：270℃废气温度：85℃空气流量：0.8kg/s(0.9kg/sforventilation)发电(fādiàn)效率：30%；总效率：78%燃料气体要求：压力（最小/最大）：Bar；温度（最小/最大）：0/60℃第四十一页，共49页。Capstone30燃料供应(gōngyìng)压力：415kPa(表压）Capstone60燃料供应(gōngyìng)压力：570kPa(表压）第四十二页，共49页。板翅式表面(biǎomiàn)的优、缺点优点：可以承受比较大的内部压差当量(dāngliàng)直径比较小缺点：体积比主表面式大在增强回热效果的同时带来很大的压损有些情况下得不偿失第四十三页，共49页。CC型结构(jiégòu)的特点实验结果表明，对于特定的燃气轮机回热器来说，CC型结构的体积最小，重量最轻直波纹式CC型会比较容易通过自动化的冲压、锻压和折叠而制造CC型结构换热器的体积将比任何一种目前商业(shāngyè)领域中可以得到的换热器体积更小，重量更轻第四十四页，共49页。CU型结构(jiégòu)的特点CU型结构要比简单的直管型结构的性能好CU型换热器的性能与结构的几何参数，比如(bǐrú)波纹和扰动方向之间的夹角以及皱纹的内部高度都有很大的关系CU结构的主要缺点是需要两种不同的板型，这使换热器加工量增加，成本上升第四十五页，共49页。CW型结构(jiégòu)的特点CW型结构要比简单的直管型结构的性能(xìngnéng)好在生产过程中，波浪型是通过折叠形成的，不能模压和锻压，以免发生破裂第四十六页，共49页。和CW型比较相似(xiānɡsì)的TCW型结构TCW型的性能要优于直管型结构制作(zhìzuò)过程的限制（锋利的拐角不易通过压制得到），对于小尺寸的管道不大现实TCW结构的性能,强烈地依赖于与几何尺寸第四十七页，共49页。Pore90TM回热器的优点(yōudiǎn)回热效率达到90%，合适的尺寸以及最低的造价回热器流动形式为逆流，环形流道，避免热短路回热器高、低压两侧的压降小应力(yìnglì)小，能够使用价格低的材料回热器能自由膨胀和压缩，避免了由温度梯度产生的热应力(yìnglì)这种回热器结构制造时不需要特别的工具或加工过程能够使用商业化的管材作为回热器的主体，使造价降低第四十八页，共49页。壳管式、板翅式、主表面(biǎomiàn)式回热器的比较换热面结构壳管式板翅式主表面式换热面几何形状管子错列的翅形成二次面成型的板构成方式铜焊剂、焊接铜焊接焊接流型交叉－逆流逆流逆流效率%<85>90>90紧凑度（m2/m3）90020002000热流密度（MW/m3）101515批量生产的可行性可能好优秀能否应用于回热式燃气轮机可能是是第四十九页，共49页。