CN104777008A - 一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置，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，一路上依次设有电加热试验段、烟气换热器模拟试验段，烟气换热器模拟试验段连接高位开式膨胀水箱，烟气换热器模拟试验段与高位开式膨胀水箱的连接管道上设有自动调节阀和循环水泵；另一路上依次设置有空气温度调节试验段和空气预热试验段，空气预热试验段与烟气换热器模拟试验段通过管道连接，循环水泵通过管道连接空气预热试验段；本发明可进行各换热管束的换热、阻力特性试验，不同影响因素下的动态响应试验，以及系统可靠性的调节特性试验。

Description

一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置

技术领域

本发明涉及一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置。

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，导致系统可靠性不完善；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，提出了一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置，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各设备的流动、换热特性，对系统进行仿真。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置，包括离心风机、试验段、仿真部件、自动调节阀和测量装置，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，一路上依次设有电加热试验段、烟气换热器模拟试验段；

另一路上依次设置有空气温度调节试验段和空气预热试验段，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、循环水泵和恒温水浴，与试验段连接；

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。

所述离心风机的出风口处设有调节挡板阀，电加热试验段和空气温度调节试验段的进风口端设有调节挡板阀。

1、用于换热管束的换热、阻力特性测试的仿真测试实验装置，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；

管道外设置有仿真部件，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；

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。

所述测量装置包括皮托管、电子微压计和转子流量计，其中，烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段后端各设置一个皮托管，皮托管连接电子微压计，恒温水箱循环泵与待测试验段之间水环路设有转子流量计。

所述恒温水浴的进、出水管分别与烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的待测定换热管束的总进、出水管连接，形成循环水闭环路；待测换热管束的风道调节闸阀开启，另一风道调节闸阀闭合。

所述皮托管和微压计测量试验段的稳流横截面的平均风速，并在烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段前后两侧设置温度传感器，用数据采集器逐时测定试验段进、出口风温。

所述恒温水浴与换热管束相连并经过离心水泵、转子流量计向换热管束供水，在恒温水浴于换热管束之间的连接进、出水管上安装进水、出水温度传感器，用数据采集器逐时测定试验段进、出口水温。

2、用于不同影响因素下的动态响应试验的仿真测试实验装置，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。

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。

3、用于系统可靠性的调节特性试验的仿真测试实验装置，包括离心风机、试验段、仿真部件、自动调节阀和测量装置，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，一路上依次设有电加热试验段、烟气换热器模拟试验段；

另一路上依次设置有空气温度调节试验段和空气预热试验段，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，膨胀水箱和烟气换热器模拟试验段出口分别引出支管，并配置自动调节阀，接入烟气换热器模拟试验段入口处；将恒温水浴的进、出水管与空气温度调节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；

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。

所述空气温度调节试验段连接恒温水浴，恒温水浴连接恒温水箱循环泵，恒温水箱循环泵连接空气温度调节试验段，形成循环，且恒温水箱循环泵与空气温度调节试验段之间设有转子流量计。

所述烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的风道出口处设置温度传感器，借助自动调节阀对支管流量进行反馈控制调节，分别控制烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的风道出口温度恒定。

本发明的有益效果为：

针对“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”的电厂节能排烟余热利用系统进行模拟仿真，在满足电厂各设备流场相似原则的基础上，简化系统，可以保证测量准确性；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；在本实验台可进行各换热管束的换热、阻力特性试验，不同影响因素下的动态响应试验，以及系统可靠性的调节特性试验；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是电厂节能系统仿真测试试验系统示意图；

图2是本发明用于换热管束的换热、阻力特性测试示意图；

图3是本发明用于不同影响因素下的动态响应试验示意图；

图4是本发明用于系统可靠性的调节特性试验示意图。

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；M-排风口；N-数据采集器；S-自动调节阀；1-12-热电偶温度测点；13-16-皮托管；17-电子微压计；18-转子流量计，图中虚线框表示本实验工况该部分试验段不需要运行。

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、数据采集器N、自动调节阀S；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。

为了清楚表述本实验台的测量工况，以附图为基准分为三个部分进行说明具体实施方式。

1、换热管束的换热、阻力特性测试

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换热管束的换热、阻力特性，测量时，分别将恒温水浴的进、出水管分别与待测定换热管束的总进、出水管连接，形成循环水闭环路；待测换热管束的风道调节闸阀开启，另一风道调节闸阀闭合。

采用“九宫格”法，用皮托管和微压计测量得到取得稳流横截面的平均风速，并在换热管束试验段先后两侧设置温度传感器，用数据采集器N逐时测定试验段进、出口风温。

可设置温度和记录加热时间的电加热恒温水浴J与换热管束相连并经过离心水泵、转子流量计向换热管束供水，在恒温水浴于换热管束之间的连接进、出水管上安装进水、出水温度传感器，用数据采集器N逐时测定试验段进、出口水温。

恒温水浴采用电加热的方式，有内置加热管束运行计时的功能，可准确计算电加热功率，用于热平衡计算；可自行调节恒温水温度，精度可达±0.5℃。

2、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。

3、系统可靠性的调节特性试验

本平台可测量不同影响因素下系统可靠性的调节特性试验，测量时，自高位开式膨胀水箱H和烟气换热器模拟试验段D出口分别引出支管，并配置自动调节阀S，接入烟气换热器模拟试验段D入口处；分别在烟气换热器模拟试验段D和空气预热试验段F的风道出口处设置温度传感器，借助自动调节阀S对支管流量进行反馈控制调节，分别控制烟气换热器模拟试验段D和空气预热试验段F的风道出口温度恒定，并记录动态试验各测点的参数变化情况，得到系统可靠性的调节特性试验结果。

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。

Claims (10)

1.一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置，其特征是：包括离心风机、试验段、仿真部件、自动调节阀和测量装置，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，一路上依次设有电加热试验段、烟气换热器模拟试验段；

另一路上依次设置有空气温度调节试验段和空气预热试验段，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、循环水泵和恒温水浴，与试验段连接；

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。

2.如权利要求1所述的一种电厂烟气余热利用系统性能仿真测试实验装置，其特征是：所述离心风机的出风口处设有调节挡板阀，电加热试验段和空气温度调节试验段的进风口端设有调节挡板阀。

3.一种用于换热管束的换热、阻力特性测试的仿真测试实验装置，其特征是：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；

管道外设置有仿真部件，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；

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。

4.如权利要求3所述的仿真测试实验装置，其特征是：所述测量装置包括皮托管、电子微压计和转子流量计，其中，烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段后端各设置一个皮托管，皮托管连接电子微压计，恒温水箱循环泵与待测试验段之间水环路设有转子流量计；

所述恒温水浴的进、出水管分别与烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的待测定换热管束的总进、出水管连接，形成循环水闭环路；待测换热管束的风道调节闸阀开启，另一风道调节闸阀闭合；

所述皮托管和微压计测量试验段的稳流横截面的平均风速，并在烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段前后两侧设置温度传感器，用数据采集器逐时测定试验段进、出口风温。

5.用于不同影响因素下的动态响应试验的仿真测试实验装置，其特征是：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。

6.如权利要求5所述的用于不同影响因素下的动态响应试验的仿真测试实验装置，其特征是：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。

7.如权利要求5所述的用于不同影响因素下的动态响应试验的仿真测试实验装置，其特征是：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。

8.如权利要求5所述的用于不同影响因素下的动态响应试验的仿真测试实验装置，其特征是：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。

9.用于系统可靠性的调节特性试验的仿真测试实验装置，其特征是：包括离心风机、试验段、仿真部件、自动调节阀和测量装置，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，一路上依次设有电加热试验段、烟气换热器模拟试验段；

另一路上依次设置有空气温度调节试验段和空气预热试验段，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，膨胀水箱和烟气换热器模拟试验段出口分别引出支管，并配置自动调节阀，接入烟气换热器模拟试验段入口处；将恒温水浴的进、出水管与空气温度调节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；

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。

10.如权利要求9所述的用于系统可靠性的调节特性试验的仿真测试实验装置，其特征是：所述空气温度调节试验段连接恒温水浴，恒温水浴连接恒温水箱循环泵，恒温水箱循环泵连接空气温度调节试验段，形成循环，且恒温水箱循环泵与空气温度调节试验段之间设有转子流量计；

所述烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的风道出口处设置温度传感器，借助自动调节阀对支管流量进行反馈控制调节，分别控制烟气换热器模拟试验段和空气预热试验段的风道出口温度恒定。