微型燃气轮机回热器研究

微型燃气轮机回热器实验系统建设回热器研究概述0、微型燃气轮机及回热循环Pratt&Whltney公司的微型燃气轮机●RatedPower:-ISOday,(59ºF,15℃):400kW-Hotday,(95ºF,35℃):333kW●Thermalefficiency-recuperated:30%-simplecycle:22%PowerWorks公司70kW的燃气轮机回热器PowerWorks公司热电联供系统示意图微型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主要微型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40-400一、回热器运行参数及性能指标1.回热器运行参数（Turbec,PowerWorks，C60等）燃气进回热器温度：600—800℃燃气出回热器温度：240—340℃空气预热温度可达：500—620℃空气侧压力：3.2—4.8bar燃气侧压力：1.023bar(约一个大气压)2.回热器的性能指标回热有效度：接近或超过0.9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（不超过原材料价格的1.5倍）加工难易程度重量inairingasinairoutairTTTT,,,,二、回热器的研究现状回热器的结构回热器的材料1.回热器的结构板翅式主表面型(1)几种板翅式表面的几何形状（2）主要的三种主表面型CC（Corrugatedundulatedsurface）型CU（CorrugatedUndulatedsurface）型CW（CrossWavysurface）型Crosscorrugatedduct（CC型）结构分配压差的CC型结构已拆微燃机的回热器表面结构CU型（CrosscorrugatedUndulated）CW型(CrossWavy)结构Pore90TM同心管结构2.回热器的材料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、模压或者折叠实现★抗热变形好，抗腐蚀性好★费用低目前的回热器材料不锈钢高温金属陶瓷材料不锈钢347型不锈钢研究工作正努力使其寿命在600℃-650℃下，向30000小时接近Utriainen对高温金属的实验（100μm）实验的四种材料★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）★Plansee合金PM2000（Fe-19%Cr-5%Al-0.4%Ti-0.5Y2O3）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有很多突然失败的例子实验的结果（以321型不锈钢为基准）Utriainen对高温金属的实验（100μm）3、回热器的研究工作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）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“标准化思想”来设计回热器部件国外实验研究的新型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的金属冲压和折叠过程RekuperatorSvenskaAB研制的完全激光焊接的主表面逆流式回热器RSAB的主表面逆流式回热器性能（紧凑度大于1600m2/m3）空气室内的流速效率空气室内的流速总相对压损100kW热电联供系统的微型燃气轮机上的回热器Pore90TM回热器流动简图PowerWorks公司的回热器外形图三、实验装置上可能做的研究工作研究工作1回热器效率小时对整个机组效率的提高效果不大，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。研究工作2反映回热器性能的指标有很多，能否找到一个综合指标？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已有的实验都是只对各种型面的某一种或相似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。研究工作3根据国内实际情况，做几种结构形式的回热器，在新建的实验装置上进行热性能实验。研究工作研究工作4四、回热器实验系统设计参数（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℃设计最大气流量为0.5kg/s系统能承受最大系统阻力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:200~2250μ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，《流体的热物理性质》，中国石化出版社luulReTRpghlNu*T100MicroturbineCHPSystem微燃机进口参数：950℃，4.5Bar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)发电效率：30%；总效率：78%燃料气体要求：压力（最小/最大）：6.0/8.5Bar；温度（最小/最大）：0/60℃Capstone30压比：3.2燃料供应压力：415kPa(表压）Capstone60燃料供应压力：570kPa(表压）板翅式表面的优、缺点优点：可以承受比较大的内部压差当量直径比较小缺点：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CC型结构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领域中可以得到的换热器体积更小，重量更轻CU型结构的特点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CW型结构的特点CW型结构要比简单的直管型结构的性能好在生产过程中，波浪型是通过折叠形成的，不能模压和锻压，以免发生破裂和CW型比较相似的TCW型结构TCW型的性能要优于直管型结构制作过程的限制（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Pore90TM回热器的优点回热效率达到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，使造价降低壳管式、板翅式、主表面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%859090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