电厂排烟余热利用系统动态响应仿真测试实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种电厂排烟余热利用系统动态响应仿真测试实验装置及方法，包括离心风机、试验段、仿真部件和测量装置，试验段包括烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段；离心风机设置于进风口处，离心风机的出风口通过管道分为两路，一路设有烟气换热器模拟试验段，另一路上设置有空气预热试验段，空气预热试验段与烟气换热器模拟试验段通过管道连接；管道外设置有仿真部件，仿真部件包括膨胀水箱和恒温水浴，将恒温水浴的进、出水管分别与待测定烟气换热器模拟试验段换热管束、空气预热试验段换热管束的进、出水管连接，形成循环水闭环路，恒温水浴上设有恒温水箱循环泵；本发明可进行排烟余热利用系统在不同影响因素下的动态响应试验，测试方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电厂排烟余热利用系统动态响应仿真测试实验装置及方法。

背景技术

我国的能源结构决定了以燃煤发电为主体的格局在很长一段时间内不会有大的变化。近 年来，我国电力装机容量增速迅猛，截至2013年底，全国电力装机总容量已达12.47亿千瓦， 仅次于美国，其中火电为8.62亿千瓦，占全国总装机容量的69％，并预计在2015年我国火 电装机容量将达9.33亿千瓦，火电发电量约占总发电量的80％以上，年消耗燃煤可达20亿 吨以上。大型火电机组的“节能减排”一直是国家的重要能源政策，各电厂面临着节能的巨大 潜力。

在锅炉的各项损失中，排烟损失是最大的一项，降低排烟温度对于节能减排具有重要的 实际意义。目前锅炉排烟温度通常为120-140℃，排烟温度每降低10～20℃，锅炉热效率提 高约0.6％～1％，相应少耗煤1.2％～2.4％。锅炉尾部排烟余热属于低品位热源，具有烟气量 大、能量密度低、回收困难等特点；但其利用潜力巨大，如果能充分利用，不仅可节约大量 能源，带来可观的社会经济效益，解决能源紧张问题，还可以大幅降低环境污染。目前关于 排烟余热利用的研究很多，可做为回热热量引入蒸汽回热系统，用于加热汽轮机凝结水，或 通过加热空气预热器进口冷空气以引入锅炉，均有一定的节能效果。

目前，虽然“利用排烟余热加热空气预热器进口冷空气以引入锅炉节能系统”的理论研究 已经很充分了，但是实际工程经验仍不足，尤其是电厂现场环境复杂，很多位置不适合安装 测点，测量安装受限制；有些测量装置老化损坏，导致测量结果不准确；仅根据设计工况确 定系统设备容量，没有分析变工况以及极限工况，对于实际运行中的变参数，系统的动态响 应没有指导规程；采用工艺模拟软件进行仿真计算，得到的结果有局限性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种电厂排烟余热利用系统动态响应仿真测试实验装 置及方法，本装置在满足电厂各设备流场相似原则的基础上，简化系统，保证测量准确性； 根据电厂系统实际工况模拟设备的流动、换热特性，对系统进行仿真测试，观测不同影响因 素下系统的动态响应特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电厂排烟余热利用系统动态响应仿真测试实验装置，包括离心风机、试验段、仿真 部件和测量装置，其中：

所述试验段包括电加热试验段、烟气换热器模拟试验段、空气温度调节试验段和空气预 热试验段；

离心风机设置于进风口处，离心风机的出风口通过管道分为两路，分别利用闸板控制风 速，以满足烟气侧与空气侧的流量比；一路上空气先经电加热试验段，用干烧空气电加热管 将空气加热后，进入烟气换热器模拟试验段，进行换热；

另一路上空气先经空气温度调节试验段，将空气加热或冷却后，进入空气预热试验段， 进行换热，空气预热试验段排出的空气与烟气换热器模拟试验段排出的空气一起排出室外， 分别在烟气换热器模拟试验段、电加热试验段、空气预热试验段以及空气温度调节试验段的 矩形风道进出口处设定温度和风速测点；

管道外设置有仿真部件，仿真部件包括恒温水浴、膨胀水箱，将恒温水浴的进、出水管 分别与空气温度调节试验段的换热管束的进、出水管连接，形成循环水闭环路，对空气预热 器入口空气温度进行调节；空气预热试验段和烟气换热器模拟试验段通过下进上出的方式连 接水管，形成闭式循环回路，并在循环水泵入口处设置膨胀水箱，进行补水定压；

空气预热试验段排出的空气与烟气换热器模拟试验段排出的空气一起排出室外，测量装 置测量试验段的参数，并将其传输给数据采集器。

所述烟气换热器模拟试验段采用H型翅片管或螺旋翅片管管束顺列或错列排布，空气预 热试验段采用螺旋翅片管管束顺列或错列排布，管内循环水流动，两试验段均采用下进上出 的方式进行连接水管，循环水在烟气换热器模拟试验段吸热温度上升，在空气预热试验段放 热温度下降，形成闭式循环回路，由循环泵改变流量进行变流量工况试验，并设置开式高位 膨胀水箱进行定压，分别在烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的上下水集箱进出口管 段处设定温度测点，得到水侧各点的进出口温度。

所述空气温度调节试验段采用矩形椭圆翅片管束排布，恒温水浴的水作为在管内流动， 通过调节恒温水浴的水温来调节空气预热试验段前空气入口温度，并在试验段的上下水集箱 进出口管段处设定温度测点，得到水侧的进出口温度。

所述电加热试验段采用干烧空气电加热管对空气进行加热，采用高温空气模拟烟气，为 了保证加热空气温度的恒定，附加控温装置；采用智能PID温控仪和SSR固态继电器的控温 系统，温控仪通过安装在烟道中的热电偶测点实时监测烟道温度，以此为依据控制固态继电 器的吸合与断开，最终达到实验所需温度。

一种基于上述装置的仿真测试实验方法，具体包括以下步骤：

(1)进行空气预热试验段入口空气变温度工况实验；

(2)改变入口烟温，进行烟气换热器模拟试验段变工况实验；

(3)对循环水流量进行控制，进行循环水变工况实验。

所述步骤(1)中，具体方法包括以下步骤：

①恒温水浴充水，并加热到设定温度；

②开启水泵，低速运行，直到试验管束中的空气排空，高速运行水泵，直至工况稳定， 即水侧进出口管段测温相同；

③开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预热试 验段与烟气换热器模拟试验段的流量比为设定值；

④连接电加热管，设定模拟烟气的温度对烟气换热器模拟试验段进行加热；

⑤待工况稳定后，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵水表以及转子 流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截面的平均风速；

⑥调节恒温水浴的水温，重复上述步骤得到不同空气预热试验段入口空气温度下，水侧 和空气侧的进出口温度，水侧流速以及横截面的平均风速。

所述步骤⑤中，工况稳定指运行30min以上。

所述步骤(2)中，变入口烟温的实验方法包括：

a.开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预热试 验段与烟气换热器模拟试验段的流量比为设定值；

b.连接电加热管，改变设定模拟烟气的温度，对烟气换热器模拟试验段进行加热；

c.待工况稳定后，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵水表以及转子 流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截面的平均风速；

d.以5℃为间隔，分别设定不同的模拟烟气温度，对烟气换热器模拟试验段进行加热， 重复上述步骤得到不同烟气换热器模拟试验段入口“烟气”温度下，水侧和空气侧的进出口温 度，水侧流速以及横截面的平均风速。

所述步骤(3)循环水变工况实验的具体步骤包括：

(3-1)开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预 热试验段与烟气换热器模拟试验段的流量比为设定值；

(3-2)连接电加热管，设定模拟烟气的温度对烟气换热器模拟试验段进行加热；

(3-3)调节循环水泵后连接的阀门，对循环水流量进行控制，达到设定流量的50％；

(3-4)待工况稳定后，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵水表以及 转子流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截面的平均风速；

(3-5)调节循环水泵后连接的阀门，对循环水流量进行控制，从50％到100％变化，重 复上述步骤得到不同循环水流量下，水侧和空气侧的进出口温度，水侧流速以及横截面的平 均风速。

所述步骤(3-4)所述工况稳定是指运行30min以上。

本发明的有益效果为：

(1)根据电厂系统实际工况模拟各设备的流动、换热特性，对系统进行仿真；

(2)在满足各相似原则的基础上，简化系统动态响应测试；

(3)在本实验台可进行空气预热试验段入口空气变温度工况实验、烟气换热器模拟试验 段变入口烟温工况实验、循环水变工况实验；

(4)为电厂实际工程的设计、运行提供可靠的试验数据基础，以及变工况预测变化曲线。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，A-进风口；B-风机；C-电加热试验段；D-烟气换热器模拟试验段；E-空气温度调 节试验段；F-空气预热试验段；G-循环水泵；H-高位开式膨胀水箱；J-可设置温度和记录加热 时间的电加热恒温水浴；K-恒温水箱循环泵；L-调节挡板阀；1-12-热电偶温度测点。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本测试平台中的装置包括离心风机B、风道调节闸门、电加热试验段C、 烟气换热器模拟试验段D、空气温度调节试验段E、空气预热试验段F、循环水泵G、高位开 式膨胀水箱H、可设置温度和记录加热时间的电加热恒温水浴J、恒温水浴配套循环泵K；测 量装置包括皮托管、电子微压计、风道测点温度传感器、循环水测量温度传感器、转子流量 计。

不同影响因素下的动态响应试验：

本平台可测量烟气换热器模拟试验段D换热管束、空气预热试验段F换热管束不同影响 因素下系统的动态响应试验，测量时，由风机出口的总风道引出两路空气，分别用闸板控制 风速，以满足烟气侧与空气侧的流量比；其中一路空气先经电加热试验段C，用干烧空气电 加热管将空气加热后，进入烟气换热器模拟试验段D，进行换热；另一路空气先经空气温度 调节试验段E，将空气加热或冷却后，进入空气预热试验段F，进行换热，空气预热试验段F 排出的空气与烟气换热器模拟试验段D排出的空气一起排出室外，分别在烟气换热器模拟试 验段D、电加热试验段C、空气预热试验段F以及空气温度调节试验段E的矩形风道进出口 处设定温度和风速测点，采用“九宫格”法，得到风道各横截面的平均风速以及温度。

其中，烟气换热器模拟试验段D采用H型翅片管或螺旋翅片管管束顺列或错列排布，空 气预热试验段F采用螺旋翅片管管束顺列或错列排布，管内循环水流动，两试验段均采用下 进上出的方式进行连接水管，循环水在烟气换热器模拟试验段D吸热温度上升，在空气预热 试验段F放热温度下降，形成闭式循环回路，由循环泵改变流量进行变流量工况试验，并设 置开式高位膨胀水箱进行定压，分别在烟气换热器模拟试验段D和空气预热试验段F的上下 水集箱进出口管段处设定温度测点，得到水侧各点的进出口温度。

电加热试验段C采用干烧空气电加热管对空气进行加热，采用高温空气模拟烟气，为了 保证加热空气温度的恒定，附加控温装置；采用智能PID温控仪和SSR固态继电器的控温系 统，温控仪通过安装在烟道中的热电偶测点实时监测烟道温度，以此为依据控制固态继电器 的吸合与断开，最终达到实验所需温度。

空气温度调节试验段E采用原有矩形椭圆翅片管束排布，恒温水浴的水作为在管内流动， 通过调节恒温水浴的水温来调节空气预热试验段F前的空气入口温度，并在试验段的上下水 集箱进出口管段处设定温度测点，得到水侧的进出口温度。

实际测量中，按照如下步骤进行测量：

1)空气预热试验段F入口空气变温度工况

①恒温水浴充水，并加热到设定温度；

②开启水泵，低速运行，直到试验管束中的空气排空，高速运行水泵，直至工况稳 定(水侧进出口管段测温相同)；

③开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预 热试验段F与烟气换热器模拟试验段D的流量比为1.52:1；

④连接电加热管，设定模拟烟气的温度对烟气换热器模拟试验段D进行加热；

⑤待工况稳定后(30min)，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵 水表以及转子流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截 面的平均风速；

⑥调节恒温水浴的水温，重复上述步骤得到不同空气预热试验段F入口空气温度下， 水侧和空气侧的进出口温度，水侧流速以及横截面的平均风速。

2)烟气换热器模拟试验段D变工况

①开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预 热试验段F与烟气换热器模拟试验段D的流量比为1.52:1；

②连接电加热管，改变设定模拟烟气的温度，对烟气换热器模拟试验段D进行加热；

③待工况稳定后(30min)，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵 水表以及转子流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截 面的平均风速；

④以5℃为间隔，分别设定不同的模拟烟气温度，对烟气换热器模拟试验段进行加热， 重复上述步骤得到不同烟气换热器模拟试验段D入口“烟气”温度下，水侧和空气侧的进 出口温度，水侧流速以及横截面的平均风速。

3)循环水变工况

①开启风机，分别调整两风道的闸阀，并用微压计测量两风道的风速，直至空气预 热试验段F与烟气换热器模拟试验段D的流量比为1.52:1；

②连接电加热管，设定模拟烟气的温度对烟气换热器模拟试验段D进行加热；

③调节循环水泵G后连接的阀门，对循环水流量进行控制，达到设定流量的50％；

④待工况稳定后(30min)，读取数采仪的水侧和空气侧的进出口温度，读取循环泵 水表以及转子流量计的读数，并采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得横截 面的平均风速；

⑤调节循环水泵G后连接的阀门，对循环水流量进行控制，从50％到100％变化， 重复上述步骤得到不同循环水流量下，水侧和空气侧的进出口温度，水侧流速以及横截 面的平均风速。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。