005与空气轮机发电系统相匹配的高温热管空气预热器

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1、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：0312-5077195，E-mail:bdsuxt@126.com）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；

2、发电；空气轮机1前言目前我国火电占到全国总发电量的76～80%，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3～10%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，

3、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2．1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4

4、1kg/s；空气出口温度700℃，入口温度500℃，压力0.6～0.7MPa。2．1．1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。第十三届全国热管学术会议该种耐热钢最高使用温可达

5、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1050～1100℃。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。2．1．2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597～1197℃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

6、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。2．2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，

7、对流和辐射给热系数：128W/（m2·k）。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/（m2·k）。空气预热器总热系数：50W/（m2·k），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kW78002．3主要结构参数烟气侧：管径Ф38mm，壁

8、厚3.5mm，管长2600mm，肋片高度20mm，纵向肋片长度2570mm，厚度3mm。第十三届全国热管学术会议空气侧：管径Ф38mm，壁厚3.5mm，管长1800mm，翅片高度20mm，螺距5mm，厚度1.2mm。管束布置：错排，等