CN113390661B - 一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，综合考虑机组中板式热交换器、循环泵、除污器、阀门、管道等带来的压降，全面评价机组的流动与传热性能，方法包括：(1)供热用板式热交换器机组测试标准工况的选定，即固定机组二次侧热交换器板间流速、二次侧进口和出口温度、一次侧进口温度分别为预设值，测试得到标准工况下的总传热系数k、机组折合压力梯度▽p、换热量Q和机组总功耗N；(2)计算所述机组的能效指标EEI，和/或功效比Q/N。本申请用于供热用板式热交换器机组能效的测试与评价。

Description

一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法

技术领域

本申请涉及板式热交换器机组测试与评价技术领域，尤其涉及一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法。

背景技术

截至2019年我国集中供热面积达92.5亿平米且逐年增长，集中供热能耗占社会总能耗的4.5％以上，碳排放占社会总碳排放的5.0％以上，因此我国供热行业节能减排任务艰巨。板式热交换器机组被广泛应用于我国供热系统中一级网与二级网之间的热量交换，由板式热交换器、循环泵、除污器、管道、阀门等组成。2016年我国板式热交换器机组市场规模已达到420亿元以上，近年来随着国家与地方政府的大力支持仍然呈现阶梯性增长趋势。科学测试并评价板式热交换器机组的能效水平，不仅可以规范市场竞争秩序、促进行业技术进步，还对提高我国供热行业能源利用效率、降低能耗和碳排放等具有重要意义。

当前，国内外一般以板式热交换器为对象进行研究，出台了多部标准对板式热交换器的性能测试和能效评价进行规定，例如全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织编制了《热交换器及传热元件性能测试方法GB/T 27698-2011》、《热交换器GB 151-2014》，中国特种设备检测研究院编制了《TSG R0010-2019热交换器能效测试与评价规则》。相对于板式热交换器，板式热交换器机组增加了除污器、循环泵、管道、阀门等结构，带来的流动压降与热交换器压降相当，是影响机组能效水平的重要因素，另外供热用板式热交换器机组在实际运行过程中一、二次侧流量显著不同，现有板式热交换器能效评价方法不能考虑两侧流量差异，因此不能采用板式热交换器能效指标评价机组性能。除此之外，我国严寒期、轻寒期等天气变化显著，要求供热系统温度随之调节以提高系统能效，导致板式热交换器机组一、二次侧进、出口温度变化显著，因此需结合机组实际运行参数对能效测试的标准工况进行合理选择与规定。

针对板式热交换器机组，中国市政工程华北设计研究院编制了《GB/T 28185-2011城镇供热用换热机组》和《CJ/T 191-2004板式换热机组》，用以规定换热机组的型号、要求、检验规则等。目前还没有板式热交换器机组的能效测试与评价方法，导致行业能效水平参差不齐，实际供热系统中经常出现板式热交换器机组传热效率低、运行成本高、产品不能满足实际需求等问题，显著制约了板式热交换器机组能效提升技术的发展，极大限制了我国供热行业的节能减排效果。

发明内容

本申请实施例提供了一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，该方法参考我国供热系统中板式热交换器机组常见运行工况给出了标准工况参数的选定方法，提出了综合考虑机组中热交换器、除污器、循环泵、管道、阀门等结构部件并全面评价机组流动与传热性能的能效评价方法，解决了目前缺乏供热用板式热交换器机组能效测试与评价方法的问题。

本发明实施例提供了一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，该方法包括：

(1)根据我国供热运行情况选定供热用板式热交换器机组测试的标准工况，即固定机组二次侧热交换器板间流速为第一预设值，二次侧的进口温度为第二预设值，二次侧的出口温度为第三预设值，一次侧的进口温度为第四预设值，测试标准工况下机组的阻力与传热性能，得到机组的总传热系数k、换热量Q、折合压力梯度

机组总功耗N；

其中，机组的折合压力梯度

机组的总功耗N＝(P-q_v2Δp_u2)+q_v1Δp_u1，Δp_u1为机组一次侧进出口压差，Δp_p2为机组循环泵进出口压差，Δp_u2为机组二次侧进出口压差，l_e1、l_e2分别为机组中板式热交换器一、二次侧纵向角孔中心距，q_v1为机组一次侧体积流量，q_v2为机组二次侧体积流量，P为机组循环泵电机电功率；

(2)计算所述机组在标准工况下的能效指标EEI的平均值，给出所述机组在标准工况下的能效指标EEI的柱状图；

其中，能效指标

和/或，

计算所述机组在标准工况下的功效比Q/N的平均值，给出所述机组在标准工况下的功效比Q/N的柱状图；

其中，功效比

t_1in、t_1out分别为机组一次侧进口和出口温度；t_2in、t_2out分别为机组二次侧进口和出口温度；ρ₁、ρ₂分别为一、二次侧流体的密度，c_p1、c_p2分别为一、二次侧流体的定压比热容。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在标准测试工况参数选定上，机组测试中必须选定一次侧和二次侧的流量、进口温度、出口温度共6个参数中的任意4个，所述供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法参考了我国供热系统中机组实际运行工况及常见参数范围，固定一次侧进口温度和二次侧的流量、进口温度和出口温度4个参数确定标准工况，另外对于二次侧进、出口温度，考虑了严寒天气、轻寒天气等不同条件，选取了两组代表值，对于一次侧进口温度，考虑了供热过程中热源温度随天气温度显著改变的情况，选取了三个代表值。

在机组能效评价指标计算上，所述供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法引入能效指标EEI和功效比Q/N作为机组能效水平评定的依据，两种指标都综合考虑了机组的传热与阻力性能。能效指标EEI通过改进现有板式热交换器能效指标而得到，全面考虑了热交换器、除污器、循环泵、管道、阀门等结构的阻力性能，并且通过权重系数考虑了机组实际运行中一、二次侧流量显著不同的特性。功效比Q/N考虑了循环泵-电机自身的能量损耗，由此能反映板式热交换器机组整体的功耗。本发明为供热用板式热交换器机组的能效测试与评价提供了一种科学方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的板式热交换器机组的测试系统图；

图2为本申请实施例提供的标准工况下能效指标EEI值和功效比Q/N值的柱状图；

图标：B-冷却回路；C-冷回路；D-热回路；E-蒸汽回路；F-机组；1-冷却塔；2-冷却器；3-第一液体储槽；4-第一温度计；5-第一压力计；6-第一压差计；7-第一流量计；8-第二温度计；9-第二压差计；10-循环泵；11-多功能电表；12-板式热交换器；13-第三温度计；14-第二压力计；15-第三压差计；16-第四温度计；17-第二流量计；18-加热器；19-第二液体储槽；20-分离器；21-过冷器；22-补水泵；23-第一除污器；24-第二除污器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1所示，图1为本申请实施例提供的板式热交换器机组的测试系统图，板式热交换器机组的测试系统由冷却回路B、冷回路C、热回路D和蒸汽回路E构成，具体地，冷却塔1、冷却器2、泵、阀门和管路等连通构成了测试系统的冷却回路B，冷却器2，第一液体储槽3、第一除污器23、循环泵10、补水泵22、板式热交换器12、阀门和管路等连通构成了测试系统的冷回路C；冷却回路B经冷却器2对冷回路C中的工质进行降温，将板式热交换器机组F的冷侧流体进口降至要求的温度，模拟供热系统二次侧的管网工况。第二除污器24、板式热交换器12、第二液体储槽19、泵、加热器18、阀门和管路等连通构成了测试系统的热回路D；分离器20、加热器18、过冷器21、阀门和管路等连通构成了测试系统的蒸汽回路E；蒸汽回路E对热回路D中的工质进行加热，将板式热交换器机组的热侧进口升至要求的温度，模拟供热系统一次侧的管网工况。图1中框出了待测板式热交换器机组F的结构。

首先，检查待测板式热交换器机组F、管线和测量仪表的可靠性；排净机组F内的气体，运行机组F，从而能够使机组F在完全充满测试流体的条件下运行；打开测试系统的一次侧和二次侧的所有阀门至全开状态，分别调节一次侧的入口温度，二次侧的流量、入口温度和出口温度至标准测试工况，并稳定运行预设时间。其中，测试系统是由冷却回路B、冷回路C、热回路D和蒸汽回路E构成，一般该预设时间为30min，即测试系统稳定运行30min后开始板式热交换器机组的性能测试与评价。

本申请实施例提供的一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，包括：

根据我国供热运行情况设定供热用板式热交换器机组测试的标准工况，固定机组二次侧热交换器板间流速为第一预设值，二次侧的进口温度为第二预设值，二次侧的出口温度为第三预设值，一次侧的进口温度为第四预设值；测试该工况下的传热性能，得到机组的总传热系数k、换热量Q；测试该工况下的阻力性能，得到机组的折合压力梯度

机组总功耗N。

在实际应用中，可以根据需求计算得到机组F的能效指标EEI和机组F的功效比Q/N中的一种或多种来反映板式热交换器机组的能效。

进一步地，第一预设值为0.1m/s～1.0m/s，常取0.5m/s。所述第二预设值和第三预设值用来表征在严寒天气下供热用板式热交换器机组二次侧回水、供水温度，其值分别为40℃和55℃，或者为表征在轻寒天气下供热用板式热交换器机组二次侧回水、供水温度，所述第二预设值和第三预设值分别为37℃和45℃；供热系统热源温度会随天气温度调节，导致板式热交换器机组一次侧温度也会随之变化，根据我国供暖季不同气温下供热运行中板式热交换器机组一次侧供水温度，取三个代表值，所述第四预设值为65℃或者85℃或者100℃；根据我国供热运行工况中通过调控机组循环泵电机频率控制二次侧流量，机组循环泵电机频率与额定频率的预设百分比等于二次侧实际流量与循环泵设计流量之比，通过计算得到，其中二次侧实际流量为二次侧热交换器板间流速与该侧流道总截面积的乘积。

标准工况测试中，测试该工况下的传热性能，得到机组的总传热系数k、换热量Q；测试该工况下的阻力性能，得到机组的折合压力梯度

机组总功耗N；计算所述机组的能效指标EEI，和/或计算所述机组的功效比Q/N。能效指标EEI的物理意义是消耗单位折合流动压降下所获得的总传热系数，EEI越大，机组能效水平越高。功效比Q/N的物理意义是消耗单位泵功下所获得的换热量，相同工艺下，Q/N越大，机组性能越好。

得到所述机组的总传热系数k，

其中，A为传热面积，单位为m²，q_v1为一次侧流体的体积流量，q_v2为二次侧流体的体积流量，ρ₁为一次侧流体密度，ρ₂为二次侧流体密度，c_p1为一次侧定压比热容，c_p2为二次侧定压比热容，ρ₁、ρ₂、c_p1、c_p2为已知量，Δt_m＝(Δt₁-Δt₂)/ln(Δt₁/Δt₂)，Δt₁为大温差端的流体温差，Δt₁＝t_1in-t_2out，Δt₂为小温差端的流体温差，Δt₂＝t_1out-t_2in；

得到机组的折合压力梯度

Δp_u1为机组一次侧进出口压差，Δp_p2为机组循环泵进出口压差，Δp_u2为机组二次侧进出口压差，l_e1、l_e2分别为机组中板式热交换器一、二次侧纵向角孔中心距，q_v1为机组一次侧体积流量，q_v2为机组二次侧体积流量；

计算得到机组在标准工况下的能效指标EEI的平均值；给出能效指标EEI的柱状图；其中，能效指标

和/或，得到所述机组的平均换热量Q，

得到所述机组的总功耗N，N＝(P-q_v2Δp_u2)+q_v1Δp_u1，其中P为机组二次侧循环泵的电机电功率，Δp_u1为机组的一次侧进出口压降，Δp_u2为机组的二次侧进出口压降；

计算得到机组在标准工况下的功效比Q/N的平均值；给出功效比Q/N的柱状图；其中，功效比

t_1in、t_1out分别为机组一次侧进口和出口温度；t_2in、t_2out分别为机组二次侧进口和出口温度；ρ₁、ρ₂分别为一、二次侧流体的密度，c_p1、c_p2分别为一、二次侧流体的定压比热容。

采用本申请实施例提供的供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，实际测试了某公司机组的数据，得到标准工况下能效指标EEI的平均值为111.28，得到标准工况下的Q/N的平均值为286.45，标准工况下能效指标EEI值和功效比Q/N值的柱状图如图2所示。

如图1所示，一次侧进口温度t_1in通过第三温度计13测量，一次侧出口温度t_1out通过第四温度计16测量，二次侧进口温度t_2in通过第二温度计8测量得到，二次侧出口温度t_2out通过第一温度计4测量，温度的单位均为℃。一次侧进口压力通过第二压力计14测量，二次侧出口压力通过第一压力计5测量，一次侧进口压力和二次侧出口压力的单位为Mpa。一次侧总压降Δp₁和机组一次侧进出口压差Δp_u1均通过第三压差计15测试，二次侧机组循环泵进出口压降Δp_p2通过第二压差计9测量，机组二次侧进出口压降Δp_u2通过第一压差计6测量，压降单位均为：kPa。二次侧循环泵的电机电功率P通过多功能电表11测量得到，单位：kW。一次侧体积流量q_v1通过第二流量计17测量，二次侧体积流量q_v2通过第一流量计7测量，体积流量单位均为：m³/s。

本申请提供的一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，能够适用于供热系统中所使用的板式热交换器机组能效的测定，其它系统的板式热交换器机组可参照使用。

本申请实施例提供的供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，在标准测试工况参数设定上，所述供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法参考了我国供热系统中机组实际运行的常见参数范围，对于二次侧进、出口温度，考虑了严寒天气、轻寒天气等不同工况，选取了两组代表值，对于一次侧进口温度，考虑了供热过程中热源温度随天气温度显著改变的情况，选取了三个代表值。在机组能效评价指标计算上，所述供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法引入能效指标EEI和功效比Q/N作为机组能效水平评定的依据，两种指标都综合考虑了机组的传热与阻力性能。能效指标EEI通过改进现有板式热交换器能效指标而得到，全面考虑了热交换器、除污器、循环泵、管道、阀门等结构的阻力性能，并且通过权重系数考虑了机组实际运行中一、二次侧流量显著不同的特性。功效比Q/N考虑了循环泵-电机自身的能量损耗，由此能反映板式热交换器机组整体的功耗。本发明为供热用板式热交换器机组的能效测试与评价提供了一种科学方法。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，其特征在于，包括：

(1)供热用板式热交换器机组测试标准工况的选定，即固定机组二次侧热交换器板间流速为第一预设值，二次侧的进口温度为第二预设值，二次侧的出口温度为第三预设值，一次侧的进口温度为第四预设值，测试标准工况下的传热与阻力性能，得到机组的总传热系数k、换热量Q、折合压力梯度▽p、机组总功耗N；

其中，机组的折合压力梯度

机组的总功耗N＝(P-q_v2Δp_u2)+q_v1Δp_u1，Δp_u1为机组一次侧进出口压差，Δp_p2为机组循环泵进出口压差，Δp_u2为机组二次侧进出口压差，l_e1、l_e2分别为机组中板式热交换器一、二次侧纵向角孔中心距，q_v1为机组一次侧体积流量，q_v2为机组二次侧体积流量，P为机组循环泵电机电功率；

所述第一预设值为0.1m/s～1.0m/s；

所述第二预设值和所述第三预设值为表征我国严寒天气下供热运行工况中板式热交换器机组二次侧的回水、供水温度，其值分别为40℃和55℃，或者为表征我国轻寒天气下供热运行工况中板式热交换器机组二次侧的回水、供水温度，分别为37℃和45℃；所述第四预设值为表征我国供暖季不同气温下供热运行工况中板式热交换器机组一次侧供水温度，取三个代表值，其值分别为65℃、85℃或者100℃；

(2)计算所述机组在标准工况下的能效指标EEI的平均值，给出所述机组在标准工况下的能效指标EEI的柱状图；

其中，能效指标

和/或，

计算所述机组在标准工况下的功效比Q/N的平均值，给出所述机组在标准工况下的功效比Q/N的柱状图；

其中，功效比

t_1in、t_1out分别为机组一次侧进口和出口温度；t_2in、t_2out分别为机组二次侧进口和出口温度；ρ₁、ρ₂分别为一、二次侧流体的密度，c_p1、c_p2分别为一、二次侧流体的定压比热容。

2.根据权利要求1所述的供热用板式热交换器机组的能效测试与评价方法，其特征在于，所述第一预设值为0.5m/s。

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