CN107219251B - 一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置及方法，其包括测试段换热器和分别与测试段换热器相连的烟气循环回路、水循环回路和测试系统。烟气循环回路中测试段换热器气侧高温含尘烟气引自锅炉，流经换热器后送回锅炉内部；水循环回路中换热器水侧供水直接来自锅炉供水；测试系统通过随时监测和计算测试段换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性。本发明可在不影响锅炉运行的情况下随意更换测试管件的管型及布置方式，测试段可实现可视化，方便监测测试段的积灰情况。本发明克服了以往需要测量积灰重量而带来的人为误差，以及测试装置安装在锅炉内部，拆装、更换换热管不便等的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于工业余热回收领域，具体涉及一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置及方法。
背景技术
我国是能源消耗大国，在能源消耗比例中工业耗能占到最大的份额，约占总能耗的70％以上，其中至少有50％转化为载体不同、温度不同的工业余热，大部分可回收利用。随着全世界对能源问题及节能减排的持续关注，换热器被广泛应用于工业过程中进行烟气余热回收利用。烟气与换热设备工质之间进行对流换热，其换热性能对设备整体的运行效果以及余热利用的效率有着重要影响。由于烟气余热回收场合的限制，烟气换热器通常工作于高含尘的环境中，相对于较为洁净的气体，余热烟气中烟尘颗粒的存在增加了问题的复杂性。烟气中烟尘颗粒易在换热器表面发生沉积，进而削弱换热器的传热性能，增大换热器的流动阻力，从而降低了设备及系统的运行效率，带来严重的经济损失。因此，如何测试换热器或换热管的积灰性能，进而优选或设计出能有效抗积灰的烟气换热器，已成为了工业余热回收利用领域亟待解决的重大问题。
目前普遍存在的测试烟气余热回收用换热器或换热管积灰特性的装置主要有实验室冷态测试装置和安装于锅炉内部的测试装置等。对于实验室冷态测试装置，首先冷态的气体载体与实际换热器所处的高温烟气环境相差较大，此外实验室测试中的灰尘颗粒通常为人为控制进料，包括测量时的积灰重量称重，均带来了较大的人为误差。对于安装于锅炉内部的测试装置，其测试装置通常安装于锅炉内部，拆装和更换换热器或换热管通常要配合锅炉的启停，对实际锅炉的运行造成不良影响，同时也带来了测试的不便性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置及方法，其在测试结束后不需要拆卸换热管进行积灰量称重，而是通过随时监测和计算换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性，从而克服了以往需要测量积灰重量而带来的人为误差，以及测试装置安装在锅炉内部，拆装、更换换热管不便等的缺陷。
为达到上述目的，本发明的装置包括测试段换热器和分别与测试段换热器相连的烟气循环回路、水循环回路和测试系统；
所述的烟气循环回路包括安装于锅炉除尘器前侧侧壁面的带有烟气进口阀门和烟气出口阀门的烟气进口与烟气出口，所述的烟气进口通过烟气进口段管道与测试段换热器的进口相连通，测试段换热器的出口经烟气出口段管道与烟气出口相连，且在烟气出口段管道上还安装有引风机；
所述的水循环回路包括分别与测试段换热器的进水口、出水口相连通的暖气供水管和暖气回水管，在靠近暖气供水管和暖气回水管的管路上分别安装有截止阀，在靠近测试段换热器的进水口和出水口的管路上分别安装球阀，在测试段换热器的出水口与暖气回水管之间安装有流量计；
所述的测试系统包括安装于烟气进口段管道的与数据采集仪相连的风速探测仪和烟气分析仪，安装于测试段换热器的进口、出口、进水口和出水口的与数据采集仪相连的温度传感器，所述数据采集仪与中央处理器相连。
所述的烟气进口段管道包括烟气进口段以及与其相连的进口延长段，烟气进口段的前端与烟气进口相连，进口延长段的后端与测试段换热器的进口相连，且在烟气进口段与进口延长段之间的管道上安装有整流栅。
所述的烟气出口段管道包括烟气出口段以及与其相连的出口延长段，烟气出口段的前端与烟气出口相连，出口延长段的后端与测试段换热器的出口相连，引风机安装于烟气出口段与出口延长段之间。
所述的引风机还与调节其转速的变频器相连。
所述的流量计采用转子流量计。
所述的测试段换热器包括带有进口、出口、进水口和出水口的测试段换热器壳体，在测试段换热器壳体内安装有若干组换热管。
所述的换热管为4横排、6纵排，错排布置，其中上下两排为换热假管，中间两排管为换热实验管，换热实验管通过金属软管组成换热管水路，热实验管一端与进水口相连，另一端与出水口相连。
所述的换热假管与换热实验管通过螺栓及两侧的透明PC盖板与测试段换热器壳体相连，在换热管上安装有橡胶密封圈与金属锁母密封每根换热管与透明PC盖板之间的缝隙。
本发明用于测试烟气余热换热器积灰特性的方法包括以下步骤：
1)打开烟气进口阀门和烟气出口阀门，启动引风机并调节变频器使引风机稳定运行，打开截止阀与球阀，使水回路联通；
2)等待系统运行稳定后，记录烟气分析仪测量数据，计算获得高温烟气的密度ρg和比热容Cp；利用风速探测仪获得烟气流速ug；利用测试段换热器烟气侧和水侧进出口的温度传感器测量换热器初始时刻的烟气进口温度Tgin0、烟气出口温度Tgout0、进口水温Twin0和出口水温Twout0；
3)计算初始时刻换热量Q0＝ρguglwCp(Tgin0-Tgout0)，初始时刻对数温差进而计算测试段换热器初始时刻的换热系数其中，l为烟气通道截面的长，w为烟气通道截面的宽，At为测试段换热器的总换热面积；
4)利用数据采集仪实时监测测试段换热器烟气进口温度Tgin、烟气出口温度Tgout、进口水温Twin和出口水温Twout，并将数据传输至中央处理器，随时计算并记录测试段换热器的换热量Q＝ρguglwCp(Tgin-Tgout)，对数温差和每时刻的换热系数
5)通过流量计测量水循环回路的水流量配合数据采集仪实时监测的测试段换热器水侧进口水温Twin和出口水温Twout，将数据传输至中央处理器，随时计算并记录测试段换热器水侧的换热量其中，C为水的比热容。对比烟气侧换热量Q与水侧换热量Qw，若误差在5％以内，则认为系统达到热平衡，测量结果有效，否则返回步骤2重新测试；
6)根据方程计算每时刻测试段换热器的污垢热阻Rf，得到其污垢热阻Rf随时间的变化关系；
7)通过调节变频器调节引风机的转速，进而调节烟道中的烟气流速ug，多次重复步骤2至步骤6，以获得不同雷诺数Re条件下测试段换热器的污垢热阻随时间的变化关系，进而获得换热器中换热管的积灰特性。
本发明的有益效果是，由于本装置烟气侧采用了真实的高温锅炉烟气(含尘、含酸)，水侧采用暖气供水，高度还原中低温省煤器中换热管的运行环境，与现有的实验室冷态测试装置及方法相比，测试结果更加可靠与符合实际；此外，与现有的安装于锅炉内部的测试装置及方法相比，本发明装置可在不影响锅炉运行的情况下随意更换测试管件。
本发明在测试结束后不需要拆卸换热管进行积灰量称重，而是通过随时监测和计算换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性。因此，本发明克服了以往需要测量积灰重量而带来的人为误差，以及测试装置安装在锅炉内部，拆装、更换换热管不便等的缺陷。
另外，本发明测试段换热器中的换热管可为各种形式的拓展表面传热管，各传热管通过金属软管连接组成换热管水路，换热管管型及布置方式(顺排、错排)可任意调节，测试段换热器两侧盖板采用透明PC板，可实现测试时的可视化操作，方便监测测试段的积灰情况，测试系统通过流量计、温度传感器、风速探测仪、烟气分析仪、数据采集仪、中央处理器随时监测和计算换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明测试段换热器的主视图；
图3是本发明测试段换热器的左视图；
图4是本发明测试段换热器的爆炸视图。
图中：1-烟气进口，2-烟气出口，3-烟气进口阀门，4-烟气出口阀门，5-烟气进口段，6-烟气出口段，7-整流栅，8-进口延长段，9-出口延长段，10-测试段换热器，11-引风机，12一变频器，13-暖气供水管，14-暖气回水管，15-截止阀，16-球阀，17-流量计，18-风速探测仪，19-烟气分析仪，20-数据采集仪，21-中央处理器，22-进口，23-出口，24-测试段换热器壳体，25-进水口，26一出水口，27-透明PC盖板，28-螺栓，29-换热假管，30-换热实验管，31-金属软管，32-橡胶密封圈，33-金属锁母。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明主要利用了当换热管表面产生积灰时，其换热系数会发生下降的特点，通过实时监测测试段换热器进、出口的烟气温度以及进、出口水温，实时计算换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性。本发明装置可安装于电站锅炉或供热锅炉的除尘器前侧。在本实例中，本发明的装置系统安装于某供热锅炉重力沉降室后侧，布袋除尘器前侧。
参见图1，本发明包括测试段换热器10和分别与测试段换热器10相连的烟气循环回路、水循环回路和测试系统；
所述的烟气循环回路包括安装于锅炉除尘器前侧侧壁面的带有烟气进口阀门3和烟气出口阀门4的烟气进口1与烟气出口2，所述的烟气进口1通过烟气进口段5、进口延长段8与测试段换热器10的进口22相连通，在烟气进口段5与进口延长段8之间的管道上安装有整流栅7，测试段换热器10的出口23经烟气出口段6、出口延长段9与烟气出口2相连，烟气出口段6与出口延长段9之间安装有带有变频器12的引风机11；
所述的水循环回路包括分别与测试段换热器10的进水口25、出水口26相连通的暖气供水管13和暖气回水管14，在靠近暖气供水管13和暖气回水管14的管路上分别安装有截止阀15，在靠近测试段换热器10的进水口25和出水口26的管路上分别安装球阀16，在测试段换热器10的出水口26与暖气回水管14之间安装有转子流量计7；
所述的测试系统包括安装于烟气进口段管道的与数据采集仪20相连的风速探测仪18和烟气分析仪19，安装于测试段换热器10的进口22、出口23、进水口25和出水口26的与数据采集仪20相连的温度传感器，所述数据采集仪20与中央处理器21相连。
烟气循环回路测试时打开烟气进口阀门3和烟气出口阀门4，通过引风机11将锅炉内的含尘高温烟气引出，烟气经过烟气进口段5，经整流栅7整流后，进入进口延长段8，高温含尘烟气在此达到均匀流动并充分发展后，经过测试段换热器10进行热量交换，此后通过出口延长段9、引风机11和烟气出口段6回到锅炉内部。引风机11可通过变频器12调节转速，进而调节烟气循环回路中高温含尘烟气的流速。测试结束后，关闭烟气进口阀门3和烟气出口阀门4，测试前后及测试期间对锅炉的正常运行不造成任何影响。
所述的水循环回路测试时打开截止阀15和球阀16，热水由暖气供水管13流出，流经测试段换热器10进行热交换，并流回暖气回水管14。水循环回路的水流量由流量计17测量。测试结束后关闭截止阀15和球阀16，测试前后及测试期间对供热站的正常供暖不造成任何影响。
所述的测试系统测试时，通过风速探测仪18测量烟气侧高温含尘烟气的流速；通过烟气分析仪19分析分析烟气成分，用于后续烟气物性的计算；安装于测试段换热器烟气侧和水侧进出口的温度传感器随时监测通过测试段换热器10前后的烟气温度和进出口水温，监测数据由数据采集仪20采集，并传输至中央处理器21处理数据，实时计算测试段换热器10的换热系数，计算换热器的污垢热阻，进而评价换热管的积灰特性。
图2～图4所示，本发明的测试段换热器10包括带有进口22、出口23、进水口25和出水口26的测试段换热器壳体24，在测试段换热器壳体24内安装有若干组换热管。换热管为4横排、6纵排，错排布置，其中上下两排为换热假管29，不参与实际换热，其目的是为了模拟实际锅炉中多排换热管的烟气流场环境；中间两排管为换热实验管30，参与实际换热，换热实验管30通过金属软管31组成换热管水路，热实验管30一端与进水口25相连，另一端与出水口26相连，换热假管29与换热实验管30通过螺栓28及两侧的透明PC盖板27与测试段换热器壳体24相连，在换热管上安装有橡胶密封圈32与金属锁母33密封每根换热管与透明PC盖板27之间的缝隙。
本发明所提供的用于测试烟气余热换热器积灰特性的方法，通过以下步骤进行实施：
1)打开烟气进口阀门3和烟气出口阀门4，启动引风机11并调节变频器12使引风机11稳定运行，打开截止阀15与球阀16，使水回路联通；
2)等待系统运行稳定后，记录烟气分析仪19测量数据，计算获得高温烟气的密度ρg和比热容Cp；利用风速探测仪18获得烟气流速ug；利用测试段换热器10烟气侧和水侧进出口的温度传感器测量换热器初始时刻的烟气进口温度Tgin0、烟气出口温度Tgout0、进口水温Twin0和出口水温Twout0；
3)计算初始时刻换热量Q0＝ρguglwCp(Tgin0-Tgout0)，初始时刻对数温差进而计算测试段换热器10初始时刻的换热系数其中，l为烟气通道截面的长，w为烟气通道截面的宽，At为测试段换热器的总换热面积；
4)利用数据采集仪20实时监测测试段换热器烟气进口温度Tgin、烟气出口温度Tgout、进口水温Twin和出口水温Twout，并将数据传输至中央处理器21，随时计算并记录测试段换热器10的换热量Q＝ρguglwCp(Tgin-Tgout)，对数温差和每时刻的换热系数
5)通过流量计17测量水循环回路的水流量配合数据采集仪20实时监测的测试段换热器水侧进口水温Twin和出口水温Twout，将数据传输至中央处理器21，随时计算并记录测试段换热器10水侧的换热量其中，C为水的比热容。对比烟气侧换热量Q与水侧换热量Qw，若误差在5％以内，则认为系统达到热平衡，测量结果有效，否则返回步骤2重新测试；
6)根据方程计算每时刻测试段换热器10的污垢热阻Rf，得到其污垢热阻Rf随时间的变化关系；
7)通过调节变频器12调节引风机11的转速，进而调节烟道中的烟气流速ug，多次重复步骤2至步骤6，以获得不同雷诺数Re条件下测试段换热器10的污垢热阻随时间的变化关系，进而获得换热器中换热管的积灰特性。
在烟气成分固定的条件下，污垢热阻Rf与积灰量成正比，因此污垢热阻Rf反应的换热器的积灰特性，通过不同种换热管组成的换热器进行测试，得到各自的污垢热阻Rf变化趋势，即可得到不同换热管的积灰特性，通过对比即可优选出抗积灰的换热管结构。
采用上述用于测试烟气余热回收用换热管的积灰特性的装置及方法，与现有的实验室冷态测试装置及方法相比，其采用了真实的高温锅炉烟气(含尘、含酸)，水侧采用暖气供水，高度还原中低温省煤器中换热管的运行环境，测试结果更加可靠与符合实际；与现有的安装于锅炉内部的测试装置及方法相比，本发明可在不影响锅炉运行的情况下随意更换测试管件，顺排、错排布置方式随意切换有利于管型与布置方式的优选，测试段采用透明PC板，可实现测试的可视化操作，方便监测测试段的积灰情况。此外，本发明在测试结束后不需要拆卸换热管进行积灰量称重，而是通过随时监测和计算换热器的换热系数随时间的下降趋势和下降量，计算换热器的污垢热阻，进而来评价换热管的积灰特性。总而言之，本发明克服了以往需要测量积灰重量而带来的人为误差，以及测试装置安装在锅炉内部，拆装、更换换热管不便等的缺陷。
Claims (9)
1.一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：包括测试段换热器(10)和分别与测试段换热器(10)相连的烟气循环回路、水循环回路和测试系统；
所述的烟气循环回路包括安装于锅炉除尘器前侧侧壁面的带有烟气进口阀门(3)和烟气出口阀门(4)的烟气进口(1)与烟气出口(2)，所述的烟气进口(1)通过烟气进口段管道与测试段换热器(10)的进口(22)相连通，测试段换热器(10)的出口(23)经烟气出口段管道与烟气出口(2)相连，且在烟气出口段管道上还安装有引风机(11)；
所述的水循环回路包括分别与测试段换热器(10)的进水口(25)、出水口(26)相连通的暖气供水管(13)和暖气回水管(14)，在靠近暖气供水管(13)和暖气回水管(14)的管路上分别安装有截止阀(15)，在靠近测试段换热器(10)的进水口(25)和出水口(26)的管路上分别安装球阀(16)，在测试段换热器(10)的出水口(26)与暖气回水管(14)之间安装有流量计(17)；
所述的测试系统包括安装于烟气进口段管道的与数据采集仪(20)相连的风速探测仪(18)和烟气分析仪(19)，安装于测试段换热器(10)的进口(22)、出口(23)、进水口(25)和出水口(26)的与数据采集仪(20)相连的温度传感器，所述数据采集仪(20)与中央处理器(21)相连。
2.根据权利要求1所述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的烟气进口段管道包括烟气进口段(5)以及与其相连的进口延长段(8)，烟气进口段(5)的前端与烟气进口(1)相连，进口延长段(8)的后端与测试段换热器(10)的进口(22)相连，且在烟气进口段(5)与进口延长段(8)之间的管道上安装有整流栅(7)。
3.根据权利要求1所述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的烟气出口段管道包括烟气出口段(6)以及与其相连的出口延长段(9)，烟气出口段(6)的前端与烟气出口(2)相连，出口延长段(9)的后端与测试段换热器(10)的出口(23)相连，引风机(11)安装于烟气出口段(6)与出口延长段(9)之间。
4.根据权利要求1所述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的引风机(11)还与调节其转速的变频器(12)相连。
5.根据权利要求1所述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的流量计(17)采用转子流量计。
6.根据权利要求1所述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的测试段换热器(10)包括带有进口(22)、出口(23)、进水口(25)和出水口(26)的测试段换热器壳体(24)，在测试段换热器壳体(24)内安装有若干组换热管。
7.根据权利要求6述的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的换热管为4横排、6纵排，错排布置，其中上下两排为换热假管(29)，中间两排管为换热实验管(30)，换热实验管(30)通过金属软管(31)组成换热管水路，热实验管(30)一端与进水口(25)相连，另一端与出水口(26)相连。
8.根据权利要求7的用于测试烟气余热换热器积灰特性的装置，其特征在于：所述的换热假管(29)与换热实验管(30)通过螺栓(28)及两侧的透明PC盖板(27)与测试段换热器壳体(24)相连，在换热管上安装有橡胶密封圈(32)与金属锁母(33)密封每根换热管与透明PC盖板(27)之间的缝隙。
9.一种用于测试烟气余热换热器积灰特性的方法，其特征在于：
1)打开烟气进口阀门(3)和烟气出口阀门(4)，启动引风机(11)并调节变频器(12)使引风机(11)稳定运行，打开截止阀(15)与球阀(16)，使水回路联通；
2)等待系统运行稳定后，记录烟气分析仪(19)测量数据，计算获得高温烟气的密度ρg和比热容Cp；利用风速探测仪(18)获得烟气流速ug；利用测试段换热器(10)烟气侧和水侧进出口的温度传感器测量换热器初始时刻的烟气进口温度Tgin0、烟气出口温度Tgout0、进口水温Twin0和出口水温Twout0；
3)计算初始时刻换热量Q0＝ρguglwCp(Tgin0-Tgout0)，初始时刻对数温差进而计算测试段换热器(10)初始时刻的换热系数其中，l为烟气通道截面的长，w为烟气通道截面的宽，At为测试段换热器的总换热面积；
4)利用数据采集仪(20)实时监测测试段换热器烟气进口温度Tgin、烟气出口温度Tgout、进口水温Twin和出口水温Twout，并将数据传输至中央处理器(21)，随时计算并记录测试段换热器(10)烟气侧的换热量Q＝ρguglwCp(Tgin-Tgout)，对数温差和每时刻的换热系数
5)通过流量计(17)测量水循环回路的水流量配合数据采集仪(20)实时监测的测试段换热器水侧进口水温Twin和出口水温Twout，将数据传输至中央处理器(21)，随时计算并记录测试段换热器(10)水侧的换热量其中，C为水的比热容；对比烟气侧换热量Q与水侧换热量Qw，若误差在5％以内，则认为系统达到热平衡，测量结果有效，否则返回步骤2)重新测试；
6)根据方程计算每时刻测试段换热器(10)的污垢热阻Rf，得到其污垢热阻Rf随时间的变化关系；
7)通过调节变频器(12)调节引风机(11)的转速，进而调节烟道中的烟气流速ug，多次重复步骤2至步骤6，以获得不同雷诺数Re条件下测试段换热器(10)的污垢热阻随时间的变化关系，进而获得换热器中换热管的积灰特性。
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