《燃煤機(jī)組回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器傳熱元件性能測試規(guī)程（編制說明）》

燃煤機(jī)組回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器

傳熱元件性能測試規(guī)程編?制?說?明.編制背景加快現(xiàn)役煤電機(jī)組節(jié)能升級是節(jié)能降碳增效行動和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)路徑。在國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中，提出要推進(jìn)重點用能設(shè)備節(jié)能增效工作，以換熱器等設(shè)備為重點，全面提升能效標(biāo)準(zhǔn)。電站鍋爐回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器在燃煤發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是保證和提高電站鍋爐熱效率水平的重要換熱設(shè)備。傳熱元件是回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器的核心部件，約占設(shè)備總重量的50％。以600MW機(jī)組空氣預(yù)熱器為例，單臺鍋爐換熱元件金屬耗量約600t；國內(nèi)現(xiàn)有空氣預(yù)熱器數(shù)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(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器的換熱、流動及積灰特性。環(huán)保超低排放實施后，因回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器傳熱元件積灰、腐蝕、堵塞等導(dǎo)致機(jī)組限制出力的事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的能效水平和運行可靠性?；剞D(zhuǎn)蓄熱式換熱器設(shè)備制造商有各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品型號種類繁多，命名規(guī)則不統(tǒng)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(jié)距等結(jié)構(gòu)參數(shù)的細(xì)微差別，即引起傳熱和阻力等性能的巨大差異。各發(fā)電集團(tuán)對回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器傳熱元件更換的力度很大，由于沒有相應(yīng)的傳熱元件性能測試標(biāo)準(zhǔn)，缺乏統(tǒng)一的比較基準(zhǔn)作為依據(jù)，導(dǎo)致對其選型性能參數(shù)不掌握，在元件型式選擇上存在極大盲目性，往往導(dǎo)致改造后的節(jié)能效果達(dá)不到預(yù)期。當(dāng)前，制造企業(yè)、科研院所、測試機(jī)構(gòu)都開展了傳熱元件性能測試業(yè)務(wù)，但缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致測試結(jié)果無公信力和說服力，用戶莫衷一是?，F(xiàn)行國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系中，尚沒有針對以電站鍋爐回轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，且現(xiàn)行的通用換熱器和傳熱元件測試方法，均采用穩(wěn)態(tài)條件下的測試方法和原理。電站鍋爐回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器的工作原理特殊，傳熱元件在一個周期內(nèi)分別經(jīng)歷加熱和冷卻兩個過程，流體介質(zhì)、金屬元件溫度和流動條件隨旋轉(zhuǎn)時間變化；傳熱元件測試裝置系統(tǒng)構(gòu)成、測試方法和要求，與傳熱元件通用方法有較大區(qū)別，相應(yīng)在測試數(shù)據(jù)處理上也存在較大差異。相比于通用的穩(wěn)態(tài)試驗方法，瞬態(tài)試驗方法具有無需測量元件壁溫、實驗系統(tǒng)簡單、投資小、試驗過程耗時短等優(yōu)點，且更符合傳熱元件的實際工作條件和原理。瞬態(tài)試驗方法在實踐中得到廣泛應(yīng)用，測試的可靠性和精確性被國內(nèi)外廠家、學(xué)者公認(rèn)，然而，當(dāng)前尚沒有國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對該類性能測試方法進(jìn)行規(guī)范，亟需確立相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2022年10月，中國電力企業(yè)聯(lián)合會下發(fā)《關(guān)于印發(fā)2022年第二批中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃的通知》（中電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)〔2022〕287號），《燃煤機(jī)組回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器傳熱元件性能測試規(guī)程》制定計劃編號為“T/CEC20222008”，由電力行業(yè)電站鍋爐標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口管理，國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院負(fù)責(zé)牽頭編寫。2.編制主要原則《燃煤機(jī)組回轉(zhuǎn)蓄熱式換熱器傳熱元件性能測試規(guī)程》的編制，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的相關(guān)要求進(jìn)行制定。標(biāo)準(zhǔn)文本的編寫，嚴(yán)格參照GB/T1.1的標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范結(jié)構(gòu)參考體例進(jìn)行。本標(biāo)準(zhǔn)編制遵循“統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性、規(guī)范性”的原則，盡可能與國際通行標(biāo)準(zhǔn)接軌，注重標(biāo)準(zhǔn)的可操作性。3.與其他標(biāo)準(zhǔn)文件的關(guān)系本標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行法令、法規(guī)一致，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容沒有矛盾和抵觸。4.主要工作過程4.1參編單位本標(biāo)準(zhǔn)由國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院負(fù)責(zé)牽頭起草，參編單位有：西安交通大學(xué)、西安熱工研究院有限公司、東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司、哈爾濱鍋爐廠預(yù)熱器有限責(zé)任公司、上海鍋爐廠有限公司、上海交通大學(xué)、國家能源集團(tuán)永州發(fā)電有限公司、南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司、華電電力科學(xué)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(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院召開標(biāo)準(zhǔn)編制討論會，成立了編制組，確定了指導(dǎo)思想、編制原則及保障措施。2022年12月，編制組開展了標(biāo)準(zhǔn)編制相關(guān)資料的收集和調(diào)研工作。2023年3月，組織召開了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制啟動會，討論了編制大綱、編寫內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)框架及內(nèi)容進(jìn)行了深入討論，對初稿進(jìn)行反復(fù)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(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會。20xx年xx月，電力行業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會掛網(wǎng)征求用戶、標(biāo)委會委員和相關(guān)方意見，共征集到修改意見xx項。結(jié)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(jù)專家意見進(jìn)一步修改，形成報批稿。5.標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)正文部分包括10個章節(jié)：第1章規(guī)定了適用范圍；第2章提出了規(guī)范性引用文件；第3章規(guī)定了本標(biāo)準(zhǔn)適用的術(shù)語和定義；第4章規(guī)定了總則；第5章規(guī)定了試驗前的準(zhǔn)備工作；第6章規(guī)定了試驗裝置和實驗室技術(shù)條件；第7章規(guī)定了試驗測量參數(shù)及測量方法；第8章規(guī)定了試驗條件、試驗要求和試驗過程；第9章規(guī)定了試驗數(shù)據(jù)處理和計算；第10章規(guī)定了試驗報告。6.重要技術(shù)內(nèi)容的解釋和其它應(yīng)予說明的事項6.1穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)處理計算測試段進(jìn)口空氣密度為，ρa(bǔ),in=patm式中：ρa(bǔ),in——測試段進(jìn)口空氣密度，kg/m3patmta,in測試段進(jìn)口空氣速度為，wa,m=2?p式中：wa,in——測試段進(jìn)口風(fēng)速，m/s?pa——流量測量截面的動壓差，P測試段進(jìn)口空氣流量為，Ga=ρa(bǔ),in×式中：Ga——測試段進(jìn)口空氣流量，kg/sAm——測試段進(jìn)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(jìn)行確定。稱量傳熱元件的質(zhì)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(zhì)量，kgρp——傳熱元件密度，kg/m3δp測試段的對數(shù)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(shù)為，?=QaAp式中：?——傳熱元件與空氣之間的對流換熱系數(shù)，W/(m2.K)；試驗過程的努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)為，Nu=??d?λ式中：Nu——試驗過程的努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)，無量綱；λa——空氣在測試段定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，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(bǔ),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(shù)為，Re=wa,t?d式中：Re——試驗段的空氣雷諾數(shù)，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(zhǔn)則數(shù)為，j=?ρa(bǔ),t?式中：j——表征傳熱元件換熱性能的準(zhǔn)則數(shù)，無量綱；Pr——空氣在測試段定性溫度下的普朗特數(shù)，無量綱。根據(jù)傳熱學(xué)理論，無量綱準(zhǔn)則數(shù)j與試驗段空氣雷諾數(shù)Re存在以下關(guān)系，j=a?Reb………………（式中：a——試驗傳熱元件的待求擬合常數(shù)，無量綱；b——試驗傳熱元件的待求擬合常數(shù)，無量綱。根據(jù)各工況測試數(shù)據(jù)，繪制無量綱準(zhǔn)則數(shù)j與試驗段空氣雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線，采用數(shù)值擬合方法，確定各測試傳熱元件的換熱準(zhǔn)則數(shù)表達(dá)式中的常數(shù)a、b的數(shù)值。表征傳熱元件阻力性能的無量綱準(zhǔn)則數(shù)為，f=d?L?式中：f——表征傳熱元件阻力性能的準(zhǔn)則數(shù)，無量綱；L——測試段長度，m；?pt——測試段壓力降，PaKcKe根據(jù)流體力學(xué)理論，無量綱準(zhǔn)則數(shù)f與試驗段空氣雷諾數(shù)Re存在以下關(guān)系，f=m?Ren………………（式中：m——試驗傳熱元件的待求擬合常數(shù)，無量綱；n——試驗傳熱元件的待求擬合常數(shù)，無量綱。根據(jù)各工況測試數(shù)據(jù)，繪制無量綱準(zhǔn)則數(shù)f與試驗段空氣雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線，采用數(shù)值擬合方法，確定各測試傳熱元件的換熱準(zhǔn)則數(shù)表達(dá)式中的常數(shù)m、n的數(shù)值。6.2瞬態(tài)試驗數(shù)據(jù)處理計算瞬態(tài)試驗數(shù)據(jù)處理，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置有傳熱元件壁面溫度監(jiān)測裝置時，可采用時間積分計算方法進(jìn)行；當(dāng)系統(tǒng)沒有設(shè)置傳熱元件壁面溫度監(jiān)測裝置時，應(yīng)采用模型匹配計算方法進(jìn)行。瞬態(tài)試驗數(shù)據(jù)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(zhì)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(zhì)量，kg。忽略傳熱元件試驗段向周圍環(huán)境的散熱，有以下關(guān)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(shù)為，?=qA×?t………………（式中；?——對流換熱系數(shù)，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(shù)換熱溫差，K。試驗段傳熱元件的流動雷諾數(shù)為，Re=wa×d式中：Re——試驗段傳熱元件的流動雷諾數(shù)，無量綱；wa——傳熱元件通道內(nèi)的空氣平均流速，m/sd?ν——傳熱元件通道內(nèi)的空氣運動粘度，m2/s。繪制對流換熱系數(shù)與流動雷諾數(shù)的關(guān)系曲線，通過數(shù)值擬合方法，得到二者的關(guān)聯(lián)表達(dá)式。瞬態(tài)試驗數(shù)據(jù)的模型匹配計算方法如下：試驗段傳熱元件出