燃煤機組回轉蓄熱式換熱器

傳熱元件性能測試規程編?制?說?明.編制背景加快現役煤電機組節能升級是節能降碳增效行動和實現“雙碳”目標的重要技術路徑。在國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》中，提出要推進重點用能設備節能增效工作，以換熱器等設備為重點，全面提升能效標準。電站鍋爐回轉蓄熱式換熱器在燃煤發電領域應用廣泛，是保證和提高電站鍋爐熱效率水平的重要換熱設備。傳熱元件是回轉蓄熱式換熱器的核心部件，約占設備總重量的50％。以600MW機組空氣預熱器為例，單臺鍋爐換熱元件金屬耗量約600t；國內現有空氣預熱器數量超過3000臺，傳熱元件重量近百萬噸；傳熱元件一般使用一個大修期（~6年）就需要更換，金屬耗量十分巨大。傳熱元件的結構型式決定了回轉蓄熱式換熱器的換熱、流動及積灰特性。環保超低排放實施后，因回轉蓄熱式換熱器傳熱元件積灰、腐蝕、堵塞等導致機組限制出力的事件頻發，嚴重影響了機組的能效水平和運行可靠性。回轉蓄熱式換熱器設備制造商有各自的企業標準，產品型號種類繁多，命名規則不統一；即使同一波紋形狀系列的傳熱元件，由于波紋高度、角度、節距等結構參數的細微差別，即引起傳熱和阻力等性能的巨大差異。各發電集團對回轉蓄熱式換熱器傳熱元件更換的力度很大，由于沒有相應的傳熱元件性能測試標準，缺乏統一的比較基準作為依據，導致對其選型性能參數不掌握，在元件型式選擇上存在極大盲目性，往往導致改造后的節能效果達不到預期。當前，制造企業、科研院所、測試機構都開展了傳熱元件性能測試業務，但缺乏統一標準，導致測試結果無公信力和說服力，用戶莫衷一是。現行國家、行業標準體系中，尚沒有針對以電站鍋爐回轉蓄熱式換熱器為代表的氣-氣蓄熱式熱交換器傳熱元件制定專門的測試方法標準，且現行的通用換熱器和傳熱元件測試方法，均采用穩態條件下的測試方法和原理。電站鍋爐回轉蓄熱式換熱器的工作原理特殊，傳熱元件在一個周期內分別經歷加熱和冷卻兩個過程，流體介質、金屬元件溫度和流動條件隨旋轉時間變化；傳熱元件測試裝置系統構成、測試方法和要求，與傳熱元件通用方法有較大區別，相應在測試數據處理上也存在較大差異。相比于通用的穩態試驗方法，瞬態試驗方法具有無需測量元件壁溫、實驗系統簡單、投資小、試驗過程耗時短等優點，且更符合傳熱元件的實際工作條件和原理。瞬態試驗方法在實踐中得到廣泛應用，測試的可靠性和精確性被國內外廠家、學者公認，然而，當前尚沒有國家、行業標準，對該類性能測試方法進行規范，亟需確立相應的行業標準。2022年10月，中國電力企業聯合會下發《關于印發2022年第二批中國電力企業聯合會標準制修訂計劃的通知》（中電聯標準〔2022〕287號），《燃煤機組回轉蓄熱式換熱器傳熱元件性能測試規程》制定計劃編號為“T/CEC20222008”，由電力行業電站鍋爐標準化技術委員會歸口管理，國網湖南省電力有限公司電力科學研究院負責牽頭編寫。2.編制主要原則《燃煤機組回轉蓄熱式換熱器傳熱元件性能測試規程》的編制，依據國家標準GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的相關要求進行制定。標準文本的編寫，嚴格參照GB/T1.1的標準編寫規則和標準規范結構參考體例進行。本標準編制遵循“統一性、協調性、適用性、一致性、規范性”的原則，盡可能與國際通行標準接軌，注重標準的可操作性。3.與其他標準文件的關系本標準與現行法令、法規一致，與相關標準內容沒有矛盾和抵觸。4.主要工作過程4.1參編單位本標準由國網湖南省電力有限公司電力科學研究院負責牽頭起草，參編單位有：西安交通大學、西安熱工研究院有限公司、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司、哈爾濱鍋爐廠預熱器有限責任公司、上海鍋爐廠有限公司、上海交通大學、國家能源集團永州發電有限公司、南方電網電力科技股份有限公司、華電電力科學研究院有限公司、湖南省湘電試驗研究院有限公司。4.2起草人工作及主要編制過程2022年11月，國網湖南省電力有限公司電力科學研究院召開標準編制討論會，成立了編制組，確定了指導思想、編制原則及保障措施。2022年12月，編制組開展了標準編制相關資料的收集和調研工作。2023年3月，組織召開了技術標準編制啟動會，討論了編制大綱、編寫內容，明確了編寫分工，制定了工作計劃，正式啟動編寫工作。2023年3月-2023年9月，編制組開展初稿編制，對標準框架及內容進行了深入討論，對初稿進行反復推敲、修改，形成討論稿。2023年10月，編制組對討論稿逐項評審，修改完善形成征求意見稿，并報送至電力行業節能標準化技術委員會。20xx年xx月，電力行業節能標準化技術委員會掛網征求用戶、標委會委員和相關方意見，共征集到修改意見xx項。結合反饋意見修改征求意見稿并形成送審稿。20xx年xx月，完成送審稿會議審查。會后，根據專家意見進一步修改，形成報批稿。5.標準結構和內容標準正文部分包括10個章節：第1章規定了適用范圍；第2章提出了規范性引用文件；第3章規定了本標準適用的術語和定義；第4章規定了總則；第5章規定了試驗前的準備工作；第6章規定了試驗裝置和實驗室技術條件；第7章規定了試驗測量參數及測量方法；第8章規定了試驗條件、試驗要求和試驗過程；第9章規定了試驗數據處理和計算；第10章規定了試驗報告。6.重要技術內容的解釋和其它應予說明的事項6.1穩態試驗數據處理計算測試段進口空氣密度為，ρa,in=patm式中：ρa,in——測試段進口空氣密度，kg/m3patmta,in測試段進口空氣速度為，wa,m=2?p式中：wa,in——測試段進口風速，m/s?pa——流量測量截面的動壓差，P測試段進口空氣流量為，Ga=ρa,in×式中：Ga——測試段進口空氣流量，kg/sAm——測試段進口截面積，m2測試過程中，空氣的吸熱量為，Qa=cp,a×式中：Qacp,a——空氣在測試段定性溫度下的定壓比熱容，J/(kg.K)ta,out傳熱元件的換熱面積，通過稱重法進行確定。稱量傳熱元件的質量，測量傳熱元件厚度，查取傳熱元件材料的密度，通過下式計算，Ap=mp式中：Ap——傳熱元件對流換熱面積，m2mp——傳熱元件質量，kgρp——傳熱元件密度，kg/m3δp測試段的對數傳熱溫差為，?td=t式中：?ttb試驗過程中，傳熱元件與空氣之間的對流換熱系數為，?=QaAp式中：?——傳熱元件與空氣之間的對流換熱系數，W/(m2.K)；試驗過程的努謝爾特準則數為，Nu=??d?λ式中：Nu——試驗過程的努謝爾特準則數，無量綱；λa——空氣在測試段定性溫度下的導熱系數，W/(m.K)試驗段空氣流速為，wa,t=Ga式中：wa,t——測試段空氣流速，m/sρa,t——測試段空氣密度，kg/m3At——測試段空氣流通截面積，m2At=Hp?式中：HpWpσp試驗段空氣雷諾數為，Re=wa,t?d式中：Re——試驗段的空氣雷諾數，無量綱；νa,t——試驗段的空氣動力粘度，m2/s表征傳熱元件換熱性能的無量綱準則數為，j=?ρa,t?式中：j——表征傳熱元件換熱性能的準則數，無量綱；Pr——空氣在測試段定性溫度下的普朗特數，無量綱。根據傳熱學理論，無量綱準則數j與試驗段空氣雷諾數Re存在以下關系，j=a?Reb………………（式中：a——試驗傳熱元件的待求擬合常數，無量綱；b——試驗傳熱元件的待求擬合常數，無量綱。根據各工況測試數據，繪制無量綱準則數j與試驗段空氣雷諾數Re的關系曲線，采用數值擬合方法，確定各測試傳熱元件的換熱準則數表達式中的常數a、b的數值。表征傳熱元件阻力性能的無量綱準則數為，f=d?L?式中：f——表征傳熱元件阻力性能的準則數，無量綱；L——測試段長度，m；?pt——測試段壓力降，PaKcKe根據流體力學理論，無量綱準則數f與試驗段空氣雷諾數Re存在以下關系，f=m?Ren………………（式中：m——試驗傳熱元件的待求擬合常數，無量綱；n——試驗傳熱元件的待求擬合常數，無量綱。根據各工況測試數據，繪制無量綱準則數f與試驗段空氣雷諾數Re的關系曲線，采用數值擬合方法，確定各測試傳熱元件的換熱準則數表達式中的常數m、n的數值。6.2瞬態試驗數據處理計算瞬態試驗數據處理，當系統設置有傳熱元件壁面溫度監測裝置時，可采用時間積分計算方法進行；當系統沒有設置傳熱元件壁面溫度監測裝置時，應采用模型匹配計算方法進行。瞬態試驗數據的時間積分計算方法如下：傳熱元件加熱和冷卻過程，熱空氣放熱量（冷空氣吸熱量）為，Qa=0τ0式中：Qacp,a——熱空氣/冷空氣平均比定壓熱容，J/(kg.K)qm——熱空氣/冷空氣平均質量流量，kg/sτ0傳熱元件的蓄熱量為，Qm=cp,m×M×?式中：?tcp,m——傳熱元件比熱容，J/(kg.K)M——傳熱元件總質量，kg。忽略傳熱元件試驗段向周圍環境的散熱，有以下關系式，Qa=Qm試驗裝置測試期間的對流換熱率為，q=cp,m×M×?t式中：q——對流傳熱率，W。傳熱元件加熱和冷卻過程，對流換熱系數為，?=qA×?t………………（式中；?——對流換熱系數，W/(m2.K)；A——試驗傳熱元件的對流換熱面積，m2；?t——試驗裝置的對數換熱溫差，K。試驗段傳熱元件的流動雷諾數為，Re=wa×d式中：Re——試驗段傳熱元件的流動雷諾數，無量綱；wa——傳熱元件通道內的空氣平均流速，m/sd?ν——傳熱元件通道內的空氣運動粘度，m2/s。繪制對流換熱系數與流動雷諾數的關系曲線，通過數值擬合方法，得到二者的關聯表達式。瞬態試驗數據的模型匹配計算方法如下：試驗段傳熱元件出