005与空气轮机发电系统相匹配的高温热管空气预热器.doc

第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议与空气轮机发电系统相匹配的高温热管空气预热器宿新天 （河北省保定市机械电器研究所，河北省保定市利民路86号，河北 保定 071000）（联系电话E-mail:）摘要：高温热管换热器是一种新型高效换热器，已经广泛地应用于航天、石油化工等行业加热和冷却生产工艺和废热回收过程中。空气轮机发电系统要求将空气预热到700用来驱动气轮机叶片，换热器性能要稳定可靠。高温热管换热器是各种换热器优选方案。本文阐述了高温空气预热器设计及结构特点。关键词：高温热管；空气预热器；发电；空气轮机1前言目前我国火电占到全国总发电量的7680%，大量煤炭的燃烧不仅产生大量的CO2、NOx等污染物，而且成为温室效应气体的主要来源。如果发电效率能够提高1%，那么全国每年将节电340亿千瓦时以上，节约标准煤1100万吨以上，减少CO2排放达到2500万吨以上。电厂所发电量中大约310%的部分被自身所消耗，如果能够降低这部分厂用电率，就相当于提高了供电效率。利用锅炉燃煤释放出来的热量来加热燃气轮机内的空气，高温高压的空气推动涡轮做功，乏气作用为二次风的一部分，这是降低厂用电的一个有效措施1。对于大型发电机组来说，降低厂用电的主要方式是利用小汽轮机驱动给水泵或者风机等。机组中增加空气轮机系统，主汽轮机发电功率不变，同时锅炉排烟温度不变。空气轮机的输出功全部用来驱动给水泵，空气轮机的排气替代了一部分锅炉用风，但总折算还是降低了电耗。该系统与锅炉机组耦合运行时，在机组运行期间可以不受机组负荷率的影响而实现满负荷运行，年可增加上网电量为518.3万千瓦时，同时节约标煤为2.85万吨。2高温空气预热器的设计21高温热管的确定空气轮机发电系统技术的关键是高温空气换热器的可靠性和寿命，要求进入高温换热器的烟气温度850，出口温度700，质量流量为41kg/s；空气出口温度700，入口温度500，压力0.60.7MPa。211热管管壳材质的选用管壳选用0Cr25Ni20奥氏体耐热钢,钢中加入Ni、Cr、Nb等元素，经时效处理后，钢中可析出Ni3(Ti,Al)类的金属化合物形成第二硬质相。这些第二相很难长大，在钢中呈弥散分布，有效地提高了钢的持久强度。0Cr25Ni20耐热钢为奥氏体型钢，合金晶粒粗化，减少了晶界，在高温下晶界强度低于晶内强度，合金的断裂常沿晶界发生，减少晶界就相当于减少了破断的可能性，从而提高了高温强度。该种耐热钢最高使用温可达到1200，其韧性、可焊性较好，连续最高使用温度为1150，间歇使用最高温度为10501100。它与金属钠有良好的相容性，热管工作时不会发生失效问题。212 热管工作介质的选用工质选择金属钠, 沸点882、凝固点98、临界温度2327、密度930kg/m3、气化潜热4222kJ/kg、启动温度约350，热管的工作温度在5971197范围内。在高温下液态钠热管的壳体几乎不承受内压, 工质回流时只有小质量流率便可传递较高的热量。本课题选用纯度为99.7%的工业钠作用为工质, 因为钠和水易发生激烈反应，处理钠时要在干燥的环境下进行，要绝对避免与水接触。这里采用一种简捷高效的碱金属充装工艺“碱金属非蒸馏充装方法”，工艺过程如下：（1）钠在惰性气体保护下在透明室中操作；（2）在透明室中采用天平对钠量进行计量；（3）对钠工质进行过滤提纯；（4）采用封口钳封口，再精确称量定量；（5）采用加热带对钠进行熔化控制，并提高热管充钠前的真空度；（6）可一次充装一根或多根热管。高温钠热管的整个制造工艺过程复杂，只有保证准确无误，才能保证热管的可靠性和寿命。22 主要热工计算结果烟气侧：质量流量：41kg/s，流速：9.74m/s，翅化比：4.6。 翅化效率：0.668，对流和辐射给热系数：128W/（m2k）。空气侧：质量流量：32kg/s，流速：8.02m/s，翅化比10。翅化效率：0.90，对流给热系数：139W/（m2k）。空气预热器总热系数：50W/（m2k），对数平均温差：173.8。其它参数见下表。表1 空气预热器性能参数表序号项目单位介质名称设计工况1质量流量kg/s烟气41空气322进口温度烟气850空气5003出口温度烟气700空气7004阻力降Pa烟气258空气3475最高壁温8066最低壁温6247回收热量kW780023 主要结构参数烟气侧：管径38mm，壁厚3.5mm，管长2600mm，肋片高度20mm，纵向肋片长度2570mm，厚度3mm。空气侧：管径38mm，壁厚3.5mm，管长1800mm，翅片高度20mm，螺距5 mm，厚度1.2mm。管束布置：错排，等边三角形横向节距92mm, 纵向节距80mm。高温热管空气预热器结外形图见下图。 1 换热器壳体和构架2 方园管道3 金属钠热管4 激波发生器（清灰装置） 图1 高温钠热管空气预热器外形图34 清灰措施由于烟气中含有一定量灰尘，设备长期运行会使烟气侧受热面积灰，从而影响设备的传热性能。该项目采用激波清灰器进行清灰。气源为压缩空气，这种清灰器对于干性积灰具有较好的清灰效果，而且气量消耗少，日常检修量也少。在含灰量大的烟气换热过程中，遇到最大的挑战是积灰和磨损，该方案中高温热管的加热段烟气侧热管采取高频焊接纵向肋片，厚度为3mm，以便热管更有能力应对积灰和磨损的应用环境；在冷却段空气侧采取高频焊接螺旋翅片，这样就能充分发挥热管的高效传热特性和延长了它的使用寿命。通过调节热管冷热段表面扩展受热面的大小来调节管壁温度，使附着在热管外表面的积灰呈干燥疏松状态，清灰容易脱落，换热器的烟气流速设定为810m/s，这样可避免堵灰，并且使磨损大为降低。激波清灰器的工作原理是将一定强度的激波送入运行中的换热器体内可能积灰结渣的空间区域，通过激波能量的作用，使这些区域中的空气分子与粉尘颗粒产生振荡，破坏和阻止粉尘粒子在换热器表面或粒子之间的结合，始终处于悬浮流化状态，以便在烟气和重力作用下将其带走。3 各种高温气气式换热器之比较针对降低燃煤空气轮机发电项目的关键问题是高温空气换热器的性能和寿命，要求空气出口温度700，压力为0.60.7MPa。合适气气式高温换热器有如下几种：31 列管式换热器 气气式列管换热器结构复杂，大流量气体流过管内, 必须选择大尺寸管径，体积大，所耗钢材量大；增大管内扩展面的措施很难实现，故气体换热系数很低并且阻力较大，消耗动力大，增加了换热器的运行成本。32 管翅式换热器 管翅式换热器用途上，适用于当一端的流路处于高压状态或者换热系数比另一端的流路大得多场合，才适宜使用这类换热器，故在气液换热中广泛得到应用。本项目为烟气空气换热就无优势可言。3.3 板翅式换热器板翅式换热器用于气气式换热，虽然表面密度较大，但通常用于低压场所。但在有污垢的场所，没有任何容易的方法清洁这类换热器，该换热器不适用于烟气空气换热。34 高温钠热管换热器金属钠作为工作介质,汽化潜热高, 热流密度大，故换热效高。烟气和空气的换热均在热管外表面进行, 该换热器的特点如下：341有很高的导热性和传热系高2把传统空气预热器的交叉流改为纯逆流流动，增大传热温压；其次把烟气的管内流动改为管外流动，使得换热系数得到提高，传热性能优越。342 热流体烟气和冷流体空气互不接触可以很方便地调整冷热侧换热面积比，通过表面翅化扩展换热面积，翅化率可高达810，这就克服了气体换热量小的的缺点，所需的传热管数目会大大减少，从而减小了换热器的体积和制造成本；343 结构简单 换热效率高在传递相同热量的条件下，热管换热器的金属耗量少于其它类型的换热器，其体积小，结构紧凑。降低钢材用量。344 压力损失小换热流体通过换热器时的压力损失比其它换热器小，因而动力消耗也就小，减少了运行成本。345 使用寿命长高温热管工作可靠，使用寿命长。连续工作时，寿命在810年以上3。346 无漏风漏灰现象冷热流体间用隔板隔开，使烟气与空气之间无泄漏, 同时每根热管完全独立，即使某根或几根损坏或失效，都不会影响其它热管的工作。4 结论利用空气轮机替代部分电厂用电的关键技术是制造出合适的高温换热器，而高温钠热管空气预热器是各种气气式换热器最优选的一种。热管管材选择0Cr25Ni20奥氏体耐热钢对排烟温度在850范围具有良好的抗氧化性和抗高温蠕变性；热管工作介质钠的汽化潜热高，工作用时管内压却很低，几乎不承受压力。高温钠热管换热器换具有换热效率高、寿命长、经济效益显著的特点，在电厂气气式高温换热领域具有广泛的应用前景。参考文献1 降低燃煤发电厂专利