一種用於測試煙氣餘熱換熱器積灰特性的裝置及方法與流程
2023-05-21 05:00:26 5
本發明屬於工業餘熱回收領域，具體涉及一種用於測試煙氣餘熱換熱器積灰特性的裝置及方法。
背景技術：
我國是能源消耗大國，在能源消耗比例中工業耗能佔到最大的份額，約佔總能耗的70％以上，其中至少有50％轉化為載體不同、溫度不同的工業餘熱，大部分可回收利用。隨著全世界對能源問題及節能減排的持續關注，換熱器被廣泛應用於工業過程中進行煙氣餘熱回收利用。煙氣與換熱設備工質之間進行對流換熱，其換熱性能對設備整體的運行效果以及餘熱利用的效率有著重要影響。由於煙氣餘熱回收場合的限制，煙氣換熱器通常工作於高含塵的環境中，相對於較為潔淨的氣體，餘熱煙氣中煙塵顆粒的存在增加了問題的複雜性。煙氣中煙塵顆粒易在換熱器表面發生沉積，進而削弱換熱器的傳熱性能，增大換熱器的流動阻力，從而降低了設備及系統的運行效率，帶來嚴重的經濟損失。因此，如何測試換熱器或換熱管的積灰性能，進而優選或設計出能有效抗積灰的煙氣換熱器，已成為了工業餘熱回收利用領域亟待解決的重大問題。
目前普遍存在的測試煙氣餘熱回收用換熱器或換熱管積灰特性的裝置主要有實驗室冷態測試裝置和安裝於鍋爐內部的測試裝置等。對於實驗室冷態測試裝置，首先冷態的氣體載體與實際換熱器所處的高溫煙氣環境相差較大，此外實驗室測試中的灰塵顆粒通常為人為控制進料，包括測量時的積灰重量稱重，均帶來了較大的人為誤差。對於安裝於鍋爐內部的測試裝置，其測試裝置通常安裝於鍋爐內部，拆裝和更換換熱器或換熱管通常要配合鍋爐的啟停，對實際鍋爐的運行造成不良影響，同時也帶來了測試的不便性。
技術實現要素：
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種用於測試煙氣餘熱換熱器積灰特性的裝置及方法，其在測試結束後不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監測和計算換熱器的換熱係數隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的汙垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性，從而克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。
為達到上述目的，本發明的裝置包括測試段換熱器和分別與測試段換熱器相連的煙氣循環迴路、水循環迴路和測試系統；
所述的煙氣循環迴路包括安裝於鍋爐除塵器前側側壁面的帶有煙氣進口閥門和煙氣出口閥門的煙氣進口與煙氣出口，所述的煙氣進口通過煙氣進口段管道與測試段換熱器的進口相連通，測試段換熱器的出口經煙氣出口段管道與煙氣出口相連，且在煙氣出口段管道上還安裝有引風機；
所述的水循環迴路包括分別與測試段換熱器的進水口、出水口相連通的暖氣供水管和暖氣回水管，在靠近暖氣供水管和暖氣回水管的管路上分別安裝有截止閥，在靠近測試段換熱器的進水口和出水口的管路上分別安裝球閥，在測試段換熱器的出水口與暖氣回水管之間安裝有流量計；
所述的測試系統包括安裝於煙氣進口段管道的與數據採集儀相連的風速探測儀和煙氣分析儀，安裝於測試段換熱器的進口、出口、進水口和出水口的與數據採集儀相連的溫度傳感器，所述數據採集儀與中央處理器相連。
所述的煙氣進口段管道包括煙氣進口段以及與其相連的進口延長段，煙氣進口段的前端與煙氣進口相連，進口延長段的後端與測試段換熱器的進口相連，且在煙氣進口段與進口延長段之間的管道上安裝有整流柵。
所述的煙氣出口段管道包括煙氣出口段以及與其相連的出口延長段，煙氣出口段的前端與煙氣出口相連，出口延長段的後端與測試段換熱器的出口相連，引風機安裝於煙氣出口段與出口延長段之間。
所述的引風機還與調節其轉速的變頻器相連。
所述的流量計採用轉子流量計。
所述的測試段換熱器包括帶有進口、出口、進水口和出水口的測試段換熱器殼體，在測試段換熱器殼體內安裝有若干組換熱管。
所述的換熱管為4橫排、6縱排，錯排布置，其中上下兩排為換熱假管，中間兩排管為換熱實驗管，換熱實驗管通過金屬軟管組成換熱管水路，熱實驗管一端與進水口相連，另一端與出水口相連。
所述的換熱假管與換熱實驗管通過螺栓及兩側的透明pc蓋板與測試段換熱器殼體相連，在換熱管上安裝有橡膠密封圈與金屬鎖母密封每根換熱管與透明pc蓋板之間的縫隙。
本發明用於測試煙氣餘熱換熱器積灰特性的方法包括以下步驟：
1)打開煙氣進口閥門和煙氣出口閥門，啟動引風機並調節變頻器使引風機穩定運行，打開截止閥與球閥，使水迴路聯通；
2)等待系統運行穩定後，記錄煙氣分析儀測量數據，計算獲得高溫煙氣的密度ρg和比熱容cp；利用風速探測儀獲得煙氣流速ug；利用測試段換熱器煙氣側和水側進出口的溫度傳感器測量換熱器初始時刻的煙氣進口溫度tgin0、煙氣出口溫度tgout0、進口水溫twin0和出口水溫twout0；
3)計算初始時刻換熱量q0＝ρguglwcp(tgin0-tgout0)，初始時刻對數溫差進而計算測試段換熱器初始時刻的換熱係數其中，l為煙氣通道截面的長，w為煙氣通道截面的寬，at為測試段換熱器的總換熱面積；
4)利用數據採集儀實時監測測試段換熱器煙氣進口溫度tgin、煙氣出口溫度tgout、進口水溫twin和出口水溫twout，並將數據傳輸至中央處理器，隨時計算並記錄測試段換熱器的換熱量q＝ρguglwcp(tgin-tgout)，對數溫差和每時刻的換熱係數
5)通過流量計測量水循環迴路的水流量配合數據採集儀實時監測的測試段換熱器水側進口水溫twin和出口水溫twout，將數據傳輸至中央處理器，隨時計算並記錄測試段換熱器水側的換熱量其中，c為水的比熱容。對比煙氣側換熱量q與水側換熱量qw，若誤差在5％以內，則認為系統達到熱平衡，測量結果有效，否則返回步驟2重新測試；
6)根據方程計算每時刻測試段換熱器的汙垢熱阻rf，得到其汙垢熱阻rf隨時間的變化關係；
7)通過調節變頻器調節引風機的轉速，進而調節煙道中的煙氣流速ug，多次重複步驟2至步驟6，以獲得不同雷諾數re條件下測試段換熱器的汙垢熱阻隨時間的變化關係，進而獲得換熱器中換熱管的積灰特性。
本發明的有益效果是，由於本裝置煙氣側採用了真實的高溫鍋爐煙氣(含塵、含酸)，水側採用暖氣供水，高度還原中低溫省煤器中換熱管的運行環境，與現有的實驗室冷態測試裝置及方法相比，測試結果更加可靠與符合實際；此外，與現有的安裝於鍋爐內部的測試裝置及方法相比，本發明裝置可在不影響鍋爐運行的情況下隨意更換測試管件。
本發明在測試結束後不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監測和計算換熱器的換熱係數隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的汙垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。因此，本發明克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。
另外，本發明測試段換熱器中的換熱管可為各種形式的拓展表面傳熱管，各傳熱管通過金屬軟管連接組成換熱管水路，換熱管管型及布置方式(順排、錯排)可任意調節，測試段換熱器兩側蓋板採用透明pc板，可實現測試時的可視化操作，方便監測測試段的積灰情況，測試系統通過流量計、溫度傳感器、風速探測儀、煙氣分析儀、數據採集儀、中央處理器隨時監測和計算換熱器的換熱係數隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的汙垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明測試段換熱器的主視圖；
圖3是本發明測試段換熱器的左視圖；
圖4是本發明測試段換熱器的爆炸視圖。
圖中：1-煙氣進口，2-煙氣出口，3-煙氣進口閥門，4-煙氣出口閥門，5-煙氣進口段，6-煙氣出口段，7-整流柵，8-進口延長段，9-出口延長段，10-測試段換熱器，11-引風機，12一變頻器，13-暖氣供水管，14-暖氣回水管，15-截止閥，16-球閥，17-流量計，18-風速探測儀，19-煙氣分析儀，20-數據採集儀，21-中央處理器，22-進口，23-出口，24-測試段換熱器殼體，25-進水口，26一出水口，27-透明pc蓋板，28-螺栓，29-換熱假管，30-換熱實驗管，31-金屬軟管，32-橡膠密封圈，33-金屬鎖母。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
本發明主要利用了當換熱管表面產生積灰時，其換熱係數會發生下降的特點，通過實時監測測試段換熱器進、出口的煙氣溫度以及進、出口水溫，實時計算換熱器的換熱係數隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的汙垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。本發明裝置可安裝於電站鍋爐或供熱鍋爐的除塵器前側。在本實例中，本發明的裝置系統安裝於某供熱鍋爐重力沉降室後側，布袋除塵器前側。
參見圖1，本發明包括測試段換熱器10和分別與測試段換熱器10相連的煙氣循環迴路、水循環迴路和測試系統；
所述的煙氣循環迴路包括安裝於鍋爐除塵器前側側壁面的帶有煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4的煙氣進口1與煙氣出口2，所述的煙氣進口1通過煙氣進口段5、進口延長段8與測試段換熱器10的進口22相連通，在煙氣進口段5與進口延長段8之間的管道上安裝有整流柵7，測試段換熱器10的出口23經煙氣出口段6、出口延長段9與煙氣出口2相連，煙氣出口段6與出口延長段9之間安裝有帶有變頻器12的引風機11；
所述的水循環迴路包括分別與測試段換熱器10的進水口25、出水口26相連通的暖氣供水管13和暖氣回水管14，在靠近暖氣供水管13和暖氣回水管14的管路上分別安裝有截止閥15，在靠近測試段換熱器10的進水口25和出水口26的管路上分別安裝球閥16，在測試段換熱器10的出水口26與暖氣回水管14之間安裝有轉子流量計7；
所述的測試系統包括安裝於煙氣進口段管道的與數據採集儀20相連的風速探測儀18和煙氣分析儀19，安裝於測試段換熱器10的進口22、出口23、進水口25和出水口26的與數據採集儀20相連的溫度傳感器，所述數據採集儀20與中央處理器21相連。
煙氣循環迴路測試時打開煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，通過引風機11將鍋爐內的含塵高溫煙氣引出，煙氣經過煙氣進口段5，經整流柵7整流後，進入進口延長段8，高溫含塵煙氣在此達到均勻流動並充分發展後，經過測試段換熱器10進行熱量交換，此後通過出口延長段9、引風機11和煙氣出口段6回到鍋爐內部。引風機11可通過變頻器12調節轉速，進而調節煙氣循環迴路中高溫含塵煙氣的流速。測試結束後，關閉煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，測試前後及測試期間對鍋爐的正常運行不造成任何影響。
所述的水循環迴路測試時打開截止閥15和球閥16，熱水由暖氣供水管13流出，流經測試段換熱器10進行熱交換，並流回暖氣回水管14。水循環迴路的水流量由流量計17測量。測試結束後關閉截止閥15和球閥16，測試前後及測試期間對供熱站的正常供暖不造成任何影響。
所述的測試系統測試時，通過風速探測儀18測量煙氣側高溫含塵煙氣的流速；通過煙氣分析儀19分析分析煙氣成分，用於後續煙氣物性的計算；安裝於測試段換熱器煙氣側和水側進出口的溫度傳感器隨時監測通過測試段換熱器10前後的煙氣溫度和進出口水溫，監測數據由數據採集儀20採集，並傳輸至中央處理器21處理數據，實時計算測試段換熱器10的換熱係數，計算換熱器的汙垢熱阻，進而評價換熱管的積灰特性。
圖2～圖4所示，本發明的測試段換熱器10包括帶有進口22、出口23、進水口25和出水口26的測試段換熱器殼體24，在測試段換熱器殼體24內安裝有若干組換熱管。換熱管為4橫排、6縱排，錯排布置，其中上下兩排為換熱假管29，不參與實際換熱，其目的是為了模擬實際鍋爐中多排換熱管的煙氣流場環境；中間兩排管為換熱實驗管30，參與實際換熱，換熱實驗管30通過金屬軟管31組成換熱管水路，熱實驗管30一端與進水口25相連，另一端與出水口26相連，換熱假管29與換熱實驗管30通過螺栓28及兩側的透明pc蓋板27與測試段換熱器殼體24相連，在換熱管上安裝有橡膠密封圈32與金屬鎖母33密封每根換熱管與透明pc蓋板27之間的縫隙。
本發明所提供的用於測試煙氣餘熱換熱器積灰特性的方法，通過以下步驟進行實施：
1)打開煙氣進口閥門3和煙氣出口閥門4，啟動引風機11並調節變頻器12使引風機11穩定運行，打開截止閥15與球閥16，使水迴路聯通；
2)等待系統運行穩定後，記錄煙氣分析儀19測量數據，計算獲得高溫煙氣的密度ρg和比熱容cp；利用風速探測儀18獲得煙氣流速ug；利用測試段換熱器10煙氣側和水側進出口的溫度傳感器測量換熱器初始時刻的煙氣進口溫度tgin0、煙氣出口溫度tgout0、進口水溫twin0和出口水溫twout0；
3)計算初始時刻換熱量q0＝ρguglwcp(tgin0-tgout0)，初始時刻對數溫差進而計算測試段換熱器10初始時刻的換熱係數其中，l為煙氣通道截面的長，w為煙氣通道截面的寬，at為測試段換熱器的總換熱面積；
4)利用數據採集儀20實時監測測試段換熱器煙氣進口溫度tgin、煙氣出口溫度tgout、進口水溫twin和出口水溫twout，並將數據傳輸至中央處理器21，隨時計算並記錄測試段換熱器10的換熱量q＝ρguglwcp(tgin-tgout)，對數溫差和每時刻的換熱係數
5)通過流量計17測量水循環迴路的水流量配合數據採集儀20實時監測的測試段換熱器水側進口水溫twin和出口水溫twout，將數據傳輸至中央處理器21，隨時計算並記錄測試段換熱器10水側的換熱量其中，c為水的比熱容。對比煙氣側換熱量q與水側換熱量qw，若誤差在5％以內，則認為系統達到熱平衡，測量結果有效，否則返回步驟2重新測試；
6)根據方程計算每時刻測試段換熱器10的汙垢熱阻rf，得到其汙垢熱阻rf隨時間的變化關係；
7)通過調節變頻器12調節引風機11的轉速，進而調節煙道中的煙氣流速ug，多次重複步驟2至步驟6，以獲得不同雷諾數re條件下測試段換熱器10的汙垢熱阻隨時間的變化關係，進而獲得換熱器中換熱管的積灰特性。
在煙氣成分固定的條件下，汙垢熱阻rf與積灰量成正比，因此汙垢熱阻rf反應的換熱器的積灰特性，通過不同種換熱管組成的換熱器進行測試，得到各自的汙垢熱阻rf變化趨勢，即可得到不同換熱管的積灰特性，通過對比即可優選出抗積灰的換熱管結構。
採用上述用於測試煙氣餘熱回收用換熱管的積灰特性的裝置及方法，與現有的實驗室冷態測試裝置及方法相比，其採用了真實的高溫鍋爐煙氣(含塵、含酸)，水側採用暖氣供水，高度還原中低溫省煤器中換熱管的運行環境，測試結果更加可靠與符合實際；與現有的安裝於鍋爐內部的測試裝置及方法相比，本發明可在不影響鍋爐運行的情況下隨意更換測試管件，順排、錯排布置方式隨意切換有利於管型與布置方式的優選，測試段採用透明pc板，可實現測試的可視化操作，方便監測測試段的積灰情況。此外，本發明在測試結束後不需要拆卸換熱管進行積灰量稱重，而是通過隨時監測和計算換熱器的換熱係數隨時間的下降趨勢和下降量，計算換熱器的汙垢熱阻，進而來評價換熱管的積灰特性。總而言之，本發明克服了以往需要測量積灰重量而帶來的人為誤差，以及測試裝置安裝在鍋爐內部，拆裝、更換換熱管不便等的缺陷。