CN103383365B - 用于确定锅炉烟气工程酸露点的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于确定锅炉烟气工程酸露点的装置，包括换热器和控温水箱，换热器是由内外双层套装且两层的一端相通的筒状构造，两层相同端的外层通过管道与控温水箱的进水口相通，内层经管道以及设置于该管道上的流量计、水泵、出水口阀门与控温水箱的出水口相通；控温水箱的进水口还连通有补水管道，换热器外壁上设有换热器壁温传感器，与控温水箱进、出水口相连的管道上分别设有进水温度传感器和出水温度传感器；控温水箱中设有加热单元，所述换热器壁温传感器、进水温度传感器、出水温度传感器和加热单元分别与控温水箱的控制系统相连。本发明不需要测量露点，通过计算和观察换热系数来获得换热器的工程酸露点。
Description
技术领域
本发明涉及能源与动力工程领域，尤其是一种用于在锅炉尾部烟气余热利用中确定换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）的装置。
背景技术
在锅炉的各项损失中，排烟损失是最大的一项，试验表明，排烟温度每升高10～20℃，锅炉热效率降低约0.6%～1%，相应多耗煤2～3g／KWh,因此充分利用锅炉烟气余热，尽量降低排烟温度对于节能减排具有重要的实际意义。
然而，随着锅炉烟道尾部烟气余热的利用，排烟温度会变得较低。随着烟气温度的逐渐降低，烟气中硫酸蒸汽和水蒸汽结露，引起换热器壁附着越来越多的湿灰，换热器换热性能逐渐变差。试验证明，存在由于壁面温度过低而造成换热性能显著变化的温度临界点，该温度点低于理论计算的烟气酸露点，简称工程酸露点。准确测量工程酸露点，在工程实践中具有重要的现实意义，能够在保证换热器可靠的前提下，确定烟气排烟余热利用的最大限度，指导余热利用设备的设计。
由于烟气中的酸和水结露与积灰耦合协同作用形成湿灰是造成换热器换热效率下降的重要原因，目前的研究主要集中在露点的计算和实验方法上。
《烟气酸露点计算方法比较和分析》（锅炉技术,2009）比较分析了国内外常用的烟气酸露点计算方法，然而，这些计算方法得出的结果相差悬殊，偏差最大达到二、三十摄氏度，对工程实践的指导意义不大。
同时，虽然现在已经研制出各种露点测试仪器，参考:瑞特萨玛，小型化湿度传感器的最新进展-转导技术综述，传感器与执行器A：物理过程，2002.96(2–3):p.196-210（Rittersma,Z.M.,Recent achievements in miniaturised humidity sensors—areview of transduction techniques.Sensors and Actuators A:Physical,2002.96(2–3):p.196-210），但是由于换热器所处的锅炉烟道环境复杂，特别是受灰的影响严重，现有露点测试仪器很难直接应用到烟道环境，即使能够得到结果，测量结果也不可避免的受到烟道中灰的影响而不准确。
为了准确获得烟气中的酸露点和水露点，国内很多专家也进行了研究。《烟气酸露点的可视性试验研究》（热力发电,2011）提出了一种可视试验方法，将锅炉烟气直接引入透明的试验段，直观观察烟气在换热器管壁的结露情况。该方法虽然观察较为直观，但是由于需要改变烟气所处的环境，风速和压强都会发生变化，烟气在试验段中的结露特性和其在烟道中的结露特性未必一致，同时，采用肉眼观察的方法，在多灰环境中也很难精确观察到水管壁上的结露情况。
《图像式露点测量仪器的功能开发》（分析测试技术与仪器,2000）提出了一种采用传感器对镜面结露情况进行探测的烟气露点测量仪器，该仪器也存在测量环境与烟道环境不同的问题。而且，在实际运行的锅炉烟道中开口并连接测试设备在操作上存在困难，这些测量方法不适宜工程中现场应用。
基于上述原因，由于锅炉烟气中灰含量大，传统的露点测试方法难以精确获得露点，而且锅炉烟道内温度高、封闭性强，难以直接进行观察，所以目前还没有很好的确定换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）的方法和装置，工程设计中仍然主要根据经验来进行设计。这既不利于余热的烟气充分利用，又可能带来安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于确定锅炉烟气工程酸露点的装置，其不需要测量露点，而是通过计算和观察换热系数来获得换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点），从而克服了以往需要测量露点而带来的结果受到烟气中灰的影响的缺陷。
在长期的工程实践和研究工作中，申请人发现伴随烟气结露现象的出现，换热器换热系数会发生突变。分析其原因，当换热器工作在较高温度时，锅炉烟道内的H2O和H2SO4以蒸汽形式存在，固体颗粒以干灰的形式附着在换热器壁上，此时，灰的沉积对换热器的换热效率影响不大。当烟气温度低于一定温度（硫酸露点）时，H2SO4蒸汽开始结露析出并附着在换热器壁面上，当温度进一步降低，达到水露点时，H2O蒸汽开始析出。在硫酸、水和灰的共同作用下，换热器壁面上会形成湿灰层，严重影响换热器的换热效率。
基于上述理论分析，本发明采用下述技术方案：
一种用于确定锅炉烟气工程酸露点的装置，包括换热器和控温水箱，所述换热器是由内外双层套装且两层的一端相通的筒状构造，两层相同端的外层通过管道与控温水箱的进水口相通，内层经管道以及设置于该管道上的流量计、水泵、出水口阀门与控温水箱的出水口相通；所述控温水箱的进水口还连通有补水管道，所述换热器外壁上设有换热器壁温传感器，与控温水箱进、出水口相连的管道上分别设有进水温度传感器和出水温度传感器；控温水箱中设有加热单元，所述换热器壁温传感器、进水温度传感器、出水温度传感器和加热单元分别与控温水箱的控制系统相连。
所述换热器包括内管、外管、进水管道和出水管道，所述内管和外管套装在一起，内管内部形成第一水流通道，外管和内管之间有空隙形成第二水流通道，所述进水管道和出水管道均位于换热器的第一端部，在第一端部，进水管道与第一水流通道相通，出水管道与第二水流通道相通，且第一端部的外管端口熔封于内管外周上；所述换热器的另一端为第二端部，第二端部的外管端部封闭，内管端部敞开，第一水流通道和第二水流通道相通。
所述外管为不带散热片的光管或带散热片的各种扩展表面传热管。
所述控温水箱包括箱体、控制系统、加热单元、进水口、出水口、溢流口、补水管道、补水口阀门以及出水口阀门，所述出水口设置于箱体侧面靠近底部处，进水口位于箱体上部，溢流口位于箱体侧面靠近顶部位置，控制系统设置于箱体一侧面上，加热单元位于箱体中，加热单元与控制系统电连接，出水口处设有出水口阀门，进水口处还设有补水管道，补水管道上设有补水口阀门。
所述控制系统包括电源、温控仪、继电器、数据采集仪和水泵开关，其中，所述温控仪、继电器、数据采集仪和水泵开关分别与电源连接；所述换热器壁温传感器和继电器分别与所述温控仪连接，继电器还与加热单元相连；所述水泵开关串联在电源和水泵之间；所述出水温度传感器和所述进水温度传感器分别与所述数据采集仪连接。
所述补水口阀门和出水口阀门为闸阀或调节阀。
本发明的有益效果是，由于本装置利用了烟气结露会造成换热器换热性能突变这一特点，本装置不需要测量露点，而是通过计算和观察换热系数来获得换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点），从而克服了以往需要测量露点而带来的结果受到烟气中灰的影响的缺陷。
本发明不需要将烟道中的烟气转移到实验装置中进行测量，而是直接在烟道环境中进行测量，使测量结果更加客观真实。并且，当采用单管方式测量时，不需要对锅炉烟道进行改造，大大简化了测试平台搭建的难度。
附图说明
图1是本发明的装置使用结构示意图；
图2是本发明实施例中使用的控制系统结构示意图；
图3是本发明实施例中在不同雷诺数下，努希尔数随温度变化的趋势图。
其中，1.换热器，2.控温水箱，3.风速探测器，4.烟气分析仪，5.流量计，6.水泵，7.进水温度传感器，8.出水温度传感器，9.换热器壁温传感器，10.锅炉烟道壁，11.内管，12.外管，13.进水管道，14.出水管道，21.箱体，22.控制系统，23.加热单元，24.进水口，25.出水口，26.溢流口，27.补水口阀门，28.出水口阀门，29.补水管道，221.电源，222.温控仪，223.继电器，224.数据采集仪，225.水泵开关。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明主要利用了当换热器表面出现湿灰层时换热器的换热系数会产生明显变化这一特点，通过观察换热器换热系数的变化来确定换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点），从而指导实际工程设计，避免换热器在低换热系数的状态下工作。
实施例中，使用控温水箱来根据换热器壁温的测量值来控制水箱中冷却水的温度，达到稳定换热器壁温的效果，以便根据需要设定换热器壁温，从而测量不同换热器壁温时换热器的换热系数。测量时，先将冷却水设定在较高的初始温度，使换热器工作在较高壁温条件下，随着换热器壁面沉积的干灰量不断增加，换热器的换热系数缓慢下降，当换热器表面干灰沉积到饱和状态时，干灰量不会再增加，换热器的换热系数也不再发生变化；当换热器的换热系数稳定后，开始通过控制手段逐渐降低换热器壁温，当换热器壁温高于换热性能突变临界温度（工程酸露点）时，换热器表面的干灰状态不会改变，换热器换热系数不会发生明显变化；继续不断降低换热器壁温，当壁温下降至换热性能突变临界温度（工程酸露点）时，换热器表面的干灰会因为烟气中结露的发生而变成粘结在换热器壁面上的湿灰，换热器的换热系数急剧下降。通过观察换热器换热系数的变化，可以获得换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）。
如图1所示，本实施例中确定换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）的装置包括换热器1、控温水箱2、风速探测器3、烟气分析仪4、流量计5、水泵6、进水温度传感器7、出水温度传感器8和换热器壁温传感器9。控温水箱2与换热器1相连并经过水泵6、流量计5向所述换热器1供水，进水温度传感器7、出水温度传感器8和换热器壁温传感器9分别与控温水箱2相连。
控温水箱2通过控制冷却水的温度对壁面温度进行控制，将控温水箱的设定温度为T0，设壁面温度为Tw，控制目标为Tw=T0。工作中，控温水箱1根据换热器壁温传感器9的温度数据Tw和控温水箱的预设温度T0控制进入换热器1的冷却水的温度，使所述换热器的壁面温度保持在T0。
本实施例中，控温水箱采用开式设计，包括箱体21、控制系统22、加热单元23、进水口24、出水口25、溢流口26、补水管道29、补水口阀门27以及出水口阀门28。控制系统22根据安装在换热器1壁面上的换热器壁温传感器9反馈的温度，对加热单元23进行控制，从而通过控制加热单元23的工作情况来控制冷却水温度，进而达到换热器1壁面温度恒定的效果。其中出水口阀门28选用闸阀或调节阀，通过出水口阀门28可以调节换热器冷却水的进水量，以改变换热器中水流的雷诺数。
本实施例中，换热器1采用套管形式，包括内管11和外管12，外管12为不带散热片的光管，内管11和外管12都采用直管，内管11内部形成第一水流通道，外管12和内管11之间形成第二水流通道。进水管道13和出水管道14位于套管的同一端，内管11与进水管道13相通，外管12与出水管道14相通。在套管的另一端，外管12封闭，内管11敞开，第一水流通道和第二水流通道相通。采用这种布置方式的换热器形成了进水管道13、第一水流通道、第二水流通道、出水管道14这样一条冷却水通路，实现了冷却水与烟道中烟气的换热。
如图2所示，本实施例中，控制系统22包括电源221、温控仪222、继电器223、数据采集仪224和水泵开关225。温控仪222与换热器壁温传感器9相连，温控仪222将设定温度T0与换热器壁温传感器9的检测温度进行比较，控制继电器223的通断；水泵开关225串联在电源221和水泵6之间，控制水泵6的工作；数据采集仪224与出水温度传感器8和进水温度传感器7相连，实时显示出水温度和进水温度；电源221向温控仪222、继电器223、数据采集仪224和水泵6供电。
本实施例中，流量计5采用转子流量计。
安装时，将控温水箱的出水口阀门28经过流量计5、水泵6连接到换热器1的进水管道13；将换热器1的出水管道14直接连接到控温水箱2的进水口24；补水管道29也直接与控温水箱2的进水口24相连，补水管道29上安装有补水口阀门27，用于调节补水流量。通过补水管道29引入补给水的作用是向水箱中补充常温水，从而使得水箱中水的温度能够降低，与加热单元23配合实现水箱温度双向可控。实际操作中，当需要快速降低冷却水温度时，可以将补水口阀门27的开度调大，当装置稳定运行时，可以将补水口阀门27的开度调小或关闭。
本实施例中，直接测量量包括换热器有效换热长度L=1.2m、外管外径d12外=38mm、外管内径d12内=32mm、内管外径d11外=15mm、内管内径d11内=13mm，冷却水流量qv、进水温度Tin、壁面温度Tw、出水温度Tout、烟气温度Tgas、烟气风速vg。
实际测量中，按照如下步骤进行测量：
1）将换热器1的换热段、风速探测器3的探测段和烟气分析仪4的传感器部分均穿过锅炉烟道壁10的观察孔伸入烟道中；
2）关闭出水口阀门28，打开补水口阀门27，将预设温度T0设定在70℃，当数据采集仪224显示的水温数据达到70℃后，打开出水口阀门28并启动水泵6；
3）待系统稳定24小时后，记录烟气分析仪4测量的烟气温度Tgas、进水温度传感器7测量的进水温度Tin、出水温度传感器8测量的出水温度Tout、换热器壁温传感器9测量的换热器壁面温度Tw、流量计5测量的体积流量qv以及风速探测器3测量的烟气风速值vg；
4）计算当换热器壁温为Tw时，不同水流雷诺数Ref下的努希尔数Nu
4.1）根据方程计算当前流量qv下的水流雷诺数Ref，
其中，d12外为外管外径、d12内为外管内径、d11外为内管外径，qv为流量计5测量的体积流量，γf为水的动力粘度，
4.2）根据换热方程cm(Tout-Tin)=hA(Tg-Tin)计算换热器壁温为Tw条件下的换热系数h，
其中，c为水的定压比热容，
m为单位时间内参与换热的冷却水量，m=qv×ρ，ρ为水的密度，取=1000kg/m3，
Tout、Tin、Tg分别为出水温度、进水温度和烟气温度，
A为有效换热面积，A=πLd12外，
其中，L为有效换热长度，d12外为外管外径，
4.3）根据方程Nu=h×d12外/λg计算努希尔数Nu，
其中，λg为烟气导热系数
4.4）通过调节控温水箱的出水口阀门28开度改变换热器的进水流量qv，多次重复步骤4.1、4.2和4.3以获得当壁温为Tw时，不同雷诺数Ref条件下的努希尔数；
5）逐次降低预设温度T0，重复步骤3、4以获得壁温分别为70℃、65℃、60℃、55℃、52℃、48℃、42℃、40℃时，不同雷诺数Ref条件下的努希尔数；
6）观察不同壁温下努希尔数的变化规律，确定努希尔数发生突变前的温度为换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）。
在换热器外形尺寸和烟气成分固定的条件下，努希尔数与换热系数成正比，努希尔数反映了换热器的换热性能，使用努希尔数表示换热器的换热性能是为了使换热性能无量纲化，排除换热器外形尺寸和烟气物性参数对换热性能的影响。
按照上述方法，在本实施例中获得的主要计算结果如表1所示
表1努希尔数随温度和管内雷诺数的变化表
使用插值方法和近似方法对表1中数据进行处理，得到不同温度下，雷诺数分别为1700、650和300时的努希尔数，如表2所示，
表2不同温度下管内雷诺数分别为1700、650、300时的努希尔数
根据表2中的数据绘制成的曲线图得到图3，该图直观地反映了换热器的换热性能随温度变化的情况。不同雷诺数下的努希尔数呈现相同的变化规律，整体趋势为随着温度降低努希尔数不断降低，这与换热器积灰不断增加，换热性能不断变差有关；同时，在55℃和52℃温度区间以及48℃与42℃温度区间之内发生了两次突变，这与前述的定性分析相符合，由于壁温降低导致烟气中的酸和水先后结露，换热器1表面短时间内出现大量湿灰，严重影响换热器1的换热性能。
根据本实施例得到的换热性能变化曲线图，可以得出结论，在当前烟气环境下，换热器的换热性能突变临界温度（工程酸露点）为55℃左右，在工程实践中通过控制手段使换热器避壁面度保持在55℃以上能够保证换热器具备较高的换热性能，从而为余热利用系统的设计提供了依据。
采用套管形式的换热器是为了便于生产制造和携带，本领域技术人员应当了解，为了获得更明显的换热系数变化趋势，可以采用换热效果更好的外管带散热片的螺旋翅片管，也可以采用弯管形式的换热器以及其它形式的换热器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种用于确定锅炉烟气工程酸露点的装置，其特征是，包括换热器和控温水箱，所述换热器包括内管、外管、进水管道和出水管道，所述内管和外管套装在一起，内管内部形成第一水流通道，外管和内管之间有空隙形成第二水流通道，所述进水管道和出水管道均位于换热器的第一端部，在第一端部，进水管道与第一水流通道相通，出水管道与第二水流通道相通，且第一端部的外管端口熔封于内管外周上；所述换热器的另一端为第二端部，第二端部的外管端部封闭，内管端部敞开，第一水流通道和第二水流通道相通；
位于换热器第一端部的外管通过出水管道与控温水箱的进水口相通，位于换热器第一端部的内管通过进水管道以及设置于该管道上流量计、水泵、出水口阀门与控温水箱的出水口相通，所述控温水箱的进水口还连通有补水管道，所述换热器外管上设有换热器壁温传感器，与控温水箱进、出水口相连的管道上分别设有进水温度传感器和出水温度传感器；控温水箱中设有加热单元，所述换热器壁温传感器、进水温度传感器、出水温度传感器和加热单元分别与控温水箱的控制系统相连。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述外管为不带散热片的光管或带散热片的各种扩展表面传热管。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述控温水箱包括箱体、控制系统、加热单元、进水口、出水口、溢流口、补水管道、补水口阀门以及出水口阀门，所述出水口设置于箱体侧面靠近底部处，进水口位于箱体上部，溢流口位于箱体侧面靠近顶部位置，控制系统设置于箱体一侧面上，加热单元位于箱体中，加热单元与控制系统电连接，出水口处设有出水口阀门，进水口处还设有补水管道，补水管道上设有补水口阀门。
4.如权利要求3所述的装置，其特征是，所述控制系统包括电源、温控仪、继电器、数据采集仪和水泵开关，其中，所述温控仪、继电器、数据采集仪和水泵开关分别与电源连接；所述换热器壁温传感器和继电器分别与所述温控仪连接，继电器还与加热单元相连；所述水泵开关串联在电源和水泵之间；所述出水温度传感器和所述进水温度传感器分别与所述数据采集仪连接。
5.如权利要求3所述的装置，其特征是，所述补水口阀门和出水口阀门为闸阀或调节阀。
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