黃桂林　陳建勛　楊寧祥

摘要：對廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 44/T 2000—2017《換熱壓力容器能效測試及評(píng)價(jià)規(guī)范》實(shí)施過程中能效測試流程、測試環(huán)境和儀器、現(xiàn)場實(shí)施步驟、能效指標(biāo)計(jì)算方法、能效評(píng)級(jí)規(guī)則等方面進(jìn)行了詳細(xì)解讀，有助于換熱壓力容器設(shè)計(jì)人員、設(shè)備使用人員和檢驗(yàn)人員對標(biāo)準(zhǔn)中所述能效測試方法和測試流程的理解，有利于該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，提高換熱壓力容器節(jié)能管理水平。

關(guān)鍵詞：熱交換器 能效 傳熱系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)

Abstract： The local standard “Energy efficiency test and evaluation specification for heat exchanging pressure vessel” of Guangdong Province was explained in detail in energy efficiency test procedures， test environment， instruments， on-site implementation steps， energy efficiency indexes calculation method and energy efficiency rating rules， etc. This paper is beneficial for the heat exchanger pressure vessel designers， equipments users and inspectors to understand the energy efficiency test method and test procedure described in this standard， and is conducive to further popularization and application of the standard and to improve the energy management level of the heat exchange pressure vessel.

Key words： heat exchanger， energy efficiency， heat transfer coefficient， standard

換熱器又稱熱交換器，其中換熱壓力容器屬于多腔壓力容器的一種，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的一類特殊結(jié)構(gòu)壓力容器，其在化工、空調(diào)、石油、動(dòng)力、食品及諸多工業(yè)生產(chǎn)過程中占有重要地位。根據(jù)冷熱流程換熱介質(zhì)和換熱效果的不同，換熱器通常以冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等形式存在，應(yīng)用廣泛?！吨腥A人民共和國特種設(shè)備安全法釋義》[1]指出換熱壓力容器是一類高耗能型特種設(shè)備，同時(shí)，《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》第三條也明確規(guī)定了特種設(shè)備安全工作的“節(jié)能環(huán)?！痹瓌t。

目前，我國在石油、化工、冶金和電力四大行業(yè)中共有換熱壓力容器約30萬臺(tái)，然而換熱效率卻普遍不到70%，若將上述行業(yè)中一半的換熱壓力容器換熱效率在原有基礎(chǔ)上提高20%，則每年多回收熱量可相當(dāng)于數(shù)千萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，具有很大的節(jié)能空間和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國家市場監(jiān)督管理總局于2019年1月發(fā)布了特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)程TSG R0010—2019《熱交換器能效測試與評(píng)價(jià)規(guī)則》[2]，該版規(guī)程僅規(guī)定了在液-液工況狀態(tài)下的可拆卸板式熱交換器、半焊式板式熱交換器、釬焊板式熱交換器產(chǎn)品的能效測試與評(píng)價(jià)，關(guān)于其他型式的換熱器能效測試和評(píng)價(jià)過程尚待完善。在鍋爐能效測試方面我國已有較完善的體系文件，而同屬于高耗能承壓設(shè)備的換熱壓力容器在能效測試方面相應(yīng)的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)體系支撐力度尚不足。

廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院依據(jù)原廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局下達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)起草任務(wù)，編制出廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 44/T 2000—2017《換熱壓力容器能效測試及評(píng)價(jià)規(guī)范》[3]，該標(biāo)準(zhǔn)自正式實(shí)施以來，已在多家單位推廣應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)起草小組所在單位基于標(biāo)準(zhǔn)中所述換熱壓力容器能效計(jì)算與評(píng)價(jià)方法研發(fā)出換熱壓力容器在線能效監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能效的在線測試與評(píng)估，并開發(fā)出對應(yīng)的能效離線計(jì)算軟件，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算[4-5]。為使該標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)成果更好地應(yīng)用于企業(yè)，本文對標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中應(yīng)注意的一些問題做了進(jìn)一步分析和總結(jié)。

1 確定標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

該地方標(biāo)準(zhǔn)適用于TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]規(guī)定范圍內(nèi)的在用管殼式換熱壓力容器、蛇管式換熱壓力容器、套管式換熱壓力容器的能效測試和評(píng)價(jià)。具體包括如下幾類：管殼式無相變換熱壓力容器、管殼式蒸發(fā)器、管殼式冷凝器、蛇管式無相變換熱壓力容器、蛇管式蒸發(fā)器、蛇管式冷凝器、套管式無相變換熱壓力容器和套管式冷凝器。其余類型熱交換器，如直接火焰加熱型熱交換器、板式熱交換器、空調(diào)行業(yè)中另有國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱交換器等不適用于本標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中涉及的相關(guān)術(shù)語符合GB/T 26929—2011《壓力容器術(shù)語》[7]的界定范圍。

2 明確能效測試流程

由于工業(yè)現(xiàn)場不同換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸存在差異，測試機(jī)構(gòu)應(yīng)在實(shí)施能效測試前根據(jù)具體的測試任務(wù)和要求收集相關(guān)資料，并由具有相應(yīng)測試經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的檢驗(yàn)人員編制測試大綱。為保證測試工作的完備性和可追溯性，測試大綱應(yīng)記錄測試任務(wù)、目的、測試項(xiàng)目、測點(diǎn)位置與所需儀器儀表、測試進(jìn)度安排等信息。

測試人員在完成現(xiàn)場測試用儀器準(zhǔn)備、與設(shè)備使用方溝通安排時(shí)間等工作后，需通過壓力容器銘牌、設(shè)計(jì)資料、使用登記證等資料中采集換熱壓力容器基本參數(shù)，如換熱壓力容器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和冷熱流程介質(zhì)參數(shù)。隨后在冷熱流程進(jìn)出口處布置測試點(diǎn)、進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)經(jīng)分析后計(jì)算得出能效特征參數(shù)，隨后進(jìn)行能效評(píng)級(jí)并編制測試報(bào)告。

3 確認(rèn)現(xiàn)場測試環(huán)境

為確保測試過程安全和測試結(jié)果可靠性，所有測試應(yīng)在下述正常環(huán)境和條件下進(jìn)行：環(huán)境溫度應(yīng)在0℃～60℃范圍內(nèi)，相對濕度不大于9%;換熱壓力容器在額定或運(yùn)行工況（不低于額定負(fù)荷的 75%）參數(shù)下處于安全、工況穩(wěn)定的正常運(yùn)行狀態(tài);換熱壓力容器不存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。

4 選用合適的儀器

所用儀器包括流量測量儀器、溫度測量儀器和壓力測量儀器，確保儀器電量充足、外觀完好，檢定或校準(zhǔn)合格且在有效期內(nèi)。針對換熱器冷熱流程中不同物理狀態(tài)的介質(zhì)可選用不同類型流量計(jì)。水等其他液體介質(zhì)可采用超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)等，蒸汽流量監(jiān)測可采用渦街流量計(jì)，而對于一般氣體流量測試可采用超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)或渦街流量計(jì)。此外，也應(yīng)注意儀器的精度要求。換熱器冷熱流程溫度測試應(yīng)選用精度不低于0.5級(jí)或分度值可達(dá)到0.1℃的測溫儀表，如熱電偶、鉑電阻或紅外測溫儀等。相對于介質(zhì)溫度來說，介質(zhì)壓力對流體熱流量影響較小，所用壓力表精度應(yīng)不低于1.5級(jí)，可采用指針式壓力表直接讀數(shù)或通過電子式壓力傳感器獲取壓力數(shù)據(jù)。如果需要從換熱壓力容器本身自帶儀表中獲取測試溫度、壓力或流量數(shù)據(jù)，其儀表也應(yīng)滿足上述精度要求。

5注意數(shù)據(jù)的可靠性

應(yīng)按測試大綱中測點(diǎn)布置圖的要求安裝流量、溫度、壓力測試儀器或儀表。本標(biāo)準(zhǔn)5.3.2規(guī)定數(shù)據(jù)獲取方法為“不同的測試項(xiàng)目，分別依據(jù)儀器、儀表技術(shù)規(guī)范或使用說明書要求按點(diǎn)位進(jìn)行不少于6組測試。在額定或運(yùn)行工況（不低于額定負(fù)荷的75%）參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行1 h后進(jìn)行，每隔10 min～15 min讀數(shù)記錄一次，間隔時(shí)間應(yīng)一致”。對于測試數(shù)據(jù)組數(shù)的要求，以及對于運(yùn)行負(fù)荷和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的要求，目的都在于保證數(shù)據(jù)的可靠性，形成統(tǒng)計(jì)規(guī)律，避免換熱壓力容器運(yùn)行時(shí)介質(zhì)物性參數(shù)波動(dòng)、設(shè)備開機(jī)或參數(shù)改變后運(yùn)行尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)等因素對能效測試結(jié)果的影響。根據(jù)現(xiàn)場換熱器測試環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)的記錄過程可采用每間隔一定時(shí)間讀數(shù)的數(shù)據(jù)記錄方法，亦可通過專用監(jiān)測系統(tǒng)記錄，如采用筆者所在單位開發(fā)的換熱壓力容器能效監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)記錄，同步記錄流量、溫度和壓力數(shù)據(jù)的采樣周期可達(dá)每秒1次。

需根據(jù)熱平衡相對誤差判斷測試數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定可信，熱平衡相對誤差小于8%的數(shù)據(jù)應(yīng)不少于有效數(shù)據(jù)總數(shù)的一半，熱平衡相對誤差小于10%的數(shù)據(jù)應(yīng)不少于有效數(shù)據(jù)總數(shù)的80%，為形成統(tǒng)計(jì)規(guī)律，有效采集數(shù)據(jù)總數(shù)一般不少于6組。例如，已獲取10組有效數(shù)據(jù)，則熱平衡相對誤差小于8%的數(shù)據(jù)應(yīng)不少于5組，熱平衡相對誤差小于10%的數(shù)據(jù)至少應(yīng)有8組。

6 選擇合適的計(jì)算參數(shù)

結(jié)合換熱壓力容器結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場記錄的換熱壓力容器冷熱流體各自進(jìn)出口端的溫度、壓力以及冷熱流程中流量數(shù)據(jù)進(jìn)行能效參數(shù)計(jì)算。能效參數(shù)包括壓力差和傳熱系數(shù)，壓力差為換熱壓力容器冷熱流體進(jìn)口與出口之間的壓力變化量，傳熱系數(shù)為穩(wěn)定傳熱條件下，冷熱流體間溫度相差1℃時(shí)，通過單位傳熱面積、單位時(shí)間所傳遞的熱量。計(jì)算傳熱系數(shù)前需根據(jù)傳熱公式分別計(jì)算出熱流體熱流量和冷流體熱流量，對于無相變換熱壓力容器，熱流量可根據(jù)體積流量、定壓比熱容、密度和溫差數(shù)據(jù)計(jì)算出，冷凝器或蒸發(fā)器的蒸汽測熱流量可根據(jù)體積流量、密度和氣化潛熱計(jì)算。由于介質(zhì)的密度、定壓比熱容等物性參數(shù)會(huì)隨溫度和壓力的變化而改變，故計(jì)算時(shí)不能簡單地采用標(biāo)準(zhǔn)狀況下物性參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算熱流量前應(yīng)根據(jù)溫度、壓力為變量的二維表進(jìn)行物性參數(shù)的查詢或插值計(jì)算。根據(jù)流體的雷諾數(shù)判斷流體類型，對于雷諾數(shù)小于或等于2000的層流介質(zhì)，查表所用溫度數(shù)據(jù)為該流程進(jìn)出口端溫度平均值，對于雷諾數(shù)大于2000的過渡流或湍流介質(zhì)，該溫度為0.4倍流程熱端溫度與0.6倍流程冷端溫度的和。

在數(shù)據(jù)滿足上述比例要求前提下才可根據(jù)熱流量、傳熱面積和有效平均溫差計(jì)算傳熱系數(shù)，其中，傳熱面積應(yīng)按照GB/T 151—2014《熱交換器》[8]中的說明進(jìn)行計(jì)算，有效平均溫差可用對數(shù)平均溫差表示。

7 進(jìn)行能效評(píng)級(jí)與原因分析

根據(jù)計(jì)算出的壓力差和傳熱系數(shù)進(jìn)行能效狀況的分析與評(píng)價(jià)。能效評(píng)價(jià)等級(jí)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三個(gè)級(jí)別。不低于傳熱系數(shù)基準(zhǔn)值上限的換熱壓力容器的能效級(jí)別評(píng)為Ⅰ級(jí)，高于或等于基準(zhǔn)數(shù)值下限但低于上限的換熱壓力容器的能效級(jí)別評(píng)為Ⅱ級(jí)，低于傳熱系數(shù)基準(zhǔn)值下限的換熱壓力容器的能效級(jí)別評(píng)為Ⅲ級(jí)。換熱壓力容器首次進(jìn)行能效測試時(shí)，以設(shè)計(jì)時(shí)的傳熱系數(shù)基準(zhǔn)值作為參考值;再次進(jìn)行能效測試時(shí)，以首次能效測試的結(jié)果作為參考值。由于結(jié)垢堵塞等原因，若傳熱系數(shù)與參考值相比明顯減小超過10%或者壓力差與參考值相比明顯增大超過10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行原因分析，可采取開罐檢修、改變運(yùn)行參數(shù)等措施提高設(shè)備的換熱效率。

8 結(jié)語

本標(biāo)準(zhǔn)主要涉及“管式”換熱壓力容器的能效測試及評(píng)價(jià)規(guī)范，也可為其他相關(guān)能量交換設(shè)備能效評(píng)價(jià)提供參考。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)推廣實(shí)施過程中遇到的問題，對其進(jìn)行分析與總結(jié)，有利于提高高耗能壓力容器節(jié)能管理水平，進(jìn)一步發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)檢驗(yàn)檢測的重要作用，推動(dòng)特種設(shè)備節(jié)能環(huán)保事業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 闞珂， 蒲長城， 劉平均. 中華人民共和國特種設(shè)備安全法釋義[M]. 北京：中國法制出版社， 2013.?（2019-1-15）[2019-12-23].http：//www.gkml.samr.gov.cn/nsjg/bgt/201902/w020190216629892180222.pdf.

[3] 廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 換熱壓力容器能效測試及評(píng)價(jià)規(guī)則：DB 44/T 2000—2017[S/OL].（2018-1-26）[2019-12-23].http：//std.sacinfo.org.cn/gnocDb/queryInfo？id=E4ACOEBEFF4A89E54A56122EE2047557.

[4] 陳建勛，賈曉東，高建明，等.基于多傳感器檢測的換熱壓力容器運(yùn)行狀況在線診斷系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2019（04）：7-11.

[5] 賈曉東，陳建勛，高建明，等.基于傳熱系數(shù)的管殼式換熱器在線能效監(jiān)測技術(shù)[J].石油和化工設(shè)備，2019，22（8）：85-88.

[6] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局. 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程. TSG 21—2016[Z/OL].（2016-2-22）[2019-12-23].http：//www.samr.gov.cn/tzsbj/tzgg/zjwh/201603/t20160301_283551.html.

[7] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 壓力容器術(shù)語：GB/T 26929—2011[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2011.

[8] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 熱交換器：GB/T 151—2014[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015.