《燃煤机组回转蓄热式换热器传热元件性能测试规程（编制说明）》

燃煤机组回转蓄热式换热器

传热元件性能测试规程编 制 说 明.编制背景加快现役煤电机组节能升级是节能降碳增效行动和实现“双碳”目标的重要技术路径。在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》中，提出要推进重点用能设备节能增效工作，以换热器等设备为重点，全面提升能效标准。电站锅炉回转蓄热式换热器在燃煤发电领域应用广泛，是保证和提高电站锅炉热效率水平的重要换热设备。传热元件是回转蓄热式换热器的核心部件，约占设备总重量的50％。以600MW机组空气预热器为例，单台锅炉换热元件金属耗量约600t；国内现有空气预热器数量超过3000台，传热元件重量近百万吨；传热元件一般使用一个大修期（~6年）就需要更换，金属耗量十分巨大。传热元件的结构型式决定了回转蓄热式换热器的换热、流动及积灰特性。环保超低排放实施后，因回转蓄热式换热器传热元件积灰、腐蚀、堵塞等导致机组限制出力的事件频发，严重影响了机组的能效水平和运行可靠性。回转蓄热式换热器设备制造商有各自的企业标准，产品型号种类繁多，命名规则不统一；即使同一波纹形状系列的传热元件，由于波纹高度、角度、节距等结构参数的细微差别，即引起传热和阻力等性能的巨大差异。各发电集团对回转蓄热式换热器传热元件更换的力度很大，由于没有相应的传热元件性能测试标准，缺乏统一的比较基准作为依据，导致对其选型性能参数不掌握，在元件型式选择上存在极大盲目性，往往导致改造后的节能效果达不到预期。当前，制造企业、科研院所、测试机构都开展了传热元件性能测试业务，但缺乏统一标准，导致测试结果无公信力和说服力，用户莫衷一是。现行国家、行业标准体系中，尚没有针对以电站锅炉回转蓄热式换热器为代表的气-气蓄热式热交换器传热元件制定专门的测试方法标准，且现行的通用换热器和传热元件测试方法，均采用稳态条件下的测试方法和原理。电站锅炉回转蓄热式换热器的工作原理特殊，传热元件在一个周期内分别经历加热和冷却两个过程，流体介质、金属元件温度和流动条件随旋转时间变化；传热元件测试装置系统构成、测试方法和要求，与传热元件通用方法有较大区别，相应在测试数据处理上也存在较大差异。相比于通用的稳态试验方法，瞬态试验方法具有无需测量元件壁温、实验系统简单、投资小、试验过程耗时短等优点，且更符合传热元件的实际工作条件和原理。瞬态试验方法在实践中得到广泛应用，测试的可靠性和精确性被国内外厂家、学者公认，然而，当前尚没有国家、行业标准，对该类性能测试方法进行规范，亟需确立相应的行业标准。2022年10月，中国电力企业联合会下发《关于印发2022年第二批中国电力企业联合会标准制修订计划的通知》（中电联标准〔2022〕287号），《燃煤机组回转蓄热式换热器传热元件性能测试规程》制定计划编号为“T/CEC20222008”，由电力行业电站锅炉标准化技术委员会归口管理，国网湖南省电力有限公司电力科学研究院负责牵头编写。2.编制主要原则《燃煤机组回转蓄热式换热器传热元件性能测试规程》的编制，依据国家标准GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的相关要求进行制定。标准文本的编写，严格参照GB/T1.1的标准编写规则和标准规范结构参考体例进行。本标准编制遵循“统一性、协调性、适用性、一致性、规范性”的原则，尽可能与国际通行标准接轨，注重标准的可操作性。3.与其他标准文件的关系本标准与现行法令、法规一致，与相关标准内容没有矛盾和抵触。4.主要工作过程4.1参编单位本标准由国网湖南省电力有限公司电力科学研究院负责牵头起草，参编单位有：西安交通大学、西安热工研究院有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、哈尔滨锅炉厂预热器有限责任公司、上海锅炉厂有限公司、上海交通大学、国家能源集团永州发电有限公司、南方电网电力科技股份有限公司、华电电力科学研究院有限公司、湖南省湘电试验研究院有限公司。4.2起草人工作及主要编制过程2022年11月，国网湖南省电力有限公司电力科学研究院召开标准编制讨论会，成立了编制组，确定了指导思想、编制原则及保障措施。2022年12月，编制组开展了标准编制相关资料的收集和调研工作。2023年3月，组织召开了技术标准编制启动会，讨论了编制大纲、编写内容，明确了编写分工，制定了工作计划，正式启动编写工作。2023年3月-2023年9月，编制组开展初稿编制，对标准框架及内容进行了深入讨论，对初稿进行反复推敲、修改，形成讨论稿。2023年10月，编制组对讨论稿逐项评审，修改完善形成征求意见稿，并报送至电力行业节能标准化技术委员会。20xx年xx月，电力行业节能标准化技术委员会挂网征求用户、标委会委员和相关方意见，共征集到修改意见xx项。结合反馈意见修改征求意见稿并形成送审稿。20xx年xx月，完成送审稿会议审查。会后，根据专家意见进一步修改，形成报批稿。5.标准结构和内容标准正文部分包括10个章节：第1章规定了适用范围；第2章提出了规范性引用文件；第3章规定了本标准适用的术语和定义；第4章规定了总则；第5章规定了试验前的准备工作；第6章规定了试验装置和实验室技术条件；第7章规定了试验测量参数及测量方法；第8章规定了试验条件、试验要求和试验过程；第9章规定了试验数据处理和计算；第10章规定了试验报告。6.重要技术内容的解释和其它应予说明的事项6.1稳态试验数据处理计算测试段进口空气密度为，ρa,in=patm式中：ρa,in——测试段进口空气密度，kg/m3patmta,in测试段进口空气速度为，wa,m=2∆p式中：wa,in——测试段进口风速，m/s∆pa——流量测量截面的动压差，P测试段进口空气流量为，Ga=ρa,in×式中：Ga——测试段进口空气流量，kg/sAm——测试段进口截面积，m2测试过程中，空气的吸热量为，Qa=cp,a×式中：Qacp,a——空气在测试段定性温度下的定压比热容，J/(kg.K)ta,out传热元件的换热面积，通过称重法进行确定。称量传热元件的质量，测量传热元件厚度，查取传热元件材料的密度，通过下式计算，Ap=mp式中：Ap——传热元件对流换热面积，m2mp——传热元件质量，kgρp——传热元件密度，kg/m3δp测试段的对数传热温差为，∆td=t式中：∆ttb试验过程中，传热元件与空气之间的对流换热系数为，ℎ=QaAp式中：ℎ——传热元件与空气之间的对流换热系数，W/(m2.K)；试验过程的努谢尔特准则数为，Nu=ℎ∙dℎλ式中：Nu——试验过程的努谢尔特准则数，无量纲；λa——空气在测试段定性温度下的导热系数，W/(m.K)试验段空气流速为，wa,t=Ga式中：wa,t——测试段空气流速，m/sρa,t——测试段空气密度，kg/m3At——测试段空气流通截面积，m2At=Hp∙式中：HpWpσp试验段空气雷诺数为，Re=wa,t∙d式中：Re——试验段的空气雷诺数，无量纲；νa,t——试验段的空气动力粘度，m2/s表征传热元件换热性能的无量纲准则数为，j=ℎρa,t∙式中：j——表征传热元件换热性能的准则数，无量纲；Pr——空气在测试段定性温度下的普朗特数，无量纲。根据传热学理论，无量纲准则数j与试验段空气雷诺数Re存在以下关系，j=a∙Reb………………（式中：a——试验传热元件的待求拟合常数，无量纲；b——试验传热元件的待求拟合常数，无量纲。根据各工况测试数据，绘制无量纲准则数j与试验段空气雷诺数Re的关系曲线，采用数值拟合方法，确定各测试传热元件的换热准则数表达式中的常数a、b的数值。表征传热元件阻力性能的无量纲准则数为，f=dℎL∙式中：f——表征传热元件阻力性能的准则数，无量纲；L——测试段长度，m；∆pt——测试段压力降，PaKcKe根据流体力学理论，无量纲准则数f与试验段空气雷诺数Re存在以下关系，f=m∙Ren………………（式中：m——试验传热元件的待求拟合常数，无量纲；n——试验传热元件的待求拟合常数，无量纲。根据各工况测试数据，绘制无量纲准则数f与试验段空气雷诺数Re的关系曲线，采用数值拟合方法，确定各测试传热元件的换热准则数表达式中的常数m、n的数值。6.2瞬态试验数据处理计算瞬态试验数据处理，当系统设置有传热元件壁面温度监测装置时，可采用时间积分计算方法进行；当系统没有设置传热元件壁面温度监测装置时，应采用模型匹配计算方法进行。瞬态试验数据的时间积分计算方法如下：传热元件加热和冷却过程，热空气放热量（冷空气吸热量）为，Qa=0τ0式中：Qacp,a——热空气/冷空气平均比定压热容，J/(kg.K)qm——热空气/冷空气平均质量流量，kg/sτ0传热元件的蓄热量为，Qm=cp,m×M×∆式中：∆tcp,m——传热元件比热容，J/(kg.K)M——传热元件总质量，kg。忽略传热元件试验段向周围环境的散热，有以下关系式，Qa=Qm试验装置测试期间的对流换热率为，q=cp,m×M×∆t式中：q——对流传热率，W。传热元件加热和冷却过程，对流换热系数为，ℎ=qA×∆t………………（式中；ℎ——对流换热系数，W/(m2.K)；A——试验传热元件的对流换热面积，m2；∆t——试验装置的对数换热温差，K。试验段传热元件的流动雷诺数为，Re=wa×d式中：Re——试验段传热元件的流动雷诺数，无量纲；wa——传热元件通道内的空气平均流速，m/sdℎν——传热元件通道内的空气运动粘度，m2/s。绘制对流换热系数与流动雷诺数的关系曲线，通过数值拟合方法，得到二者的关联表达式。瞬态试验数据的模型匹配计算方法如下：试验段传热元件出