燃气冷凝式锅炉尾部烟气温湿度测量方法

第38卷,总第222期2020年7月,第4期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Vol.38,Sum.No.222
Jul.2020,No.4　
燃气冷凝式锅炉尾部烟气温湿度测量方法
王志强1,2,杨　石1
(1.煤科院节能技术有限公司,北京　100013;2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,
黑龙江　哈尔滨　150001)
摘　要:为了解决高含湿烟气温湿度难以测量的问题,通过搭建直接深冷式换热系统,产生高含湿烟气,采用设计的夹层抽气式测量装置,按照ASME PTC4-2008中规定的圆形烟道标准进行取样,通过逆向取样气液分离、原位烟气在线伴热的原理,调节测量装置内外管流速和外伴热温度,达到滤除烟气中冷凝液滴和防止烟气中水蒸气二次冷凝的目的,得出实验条件下测量装置的最佳抽气流速为4~5m3/h、最佳伴热温度为140~170℃,在此条件下完成了真实温湿度的测量,测得的烟温比常规接触式测量装置测得的烟温高3.0~5.0℃,并进行不确定度分析,验证了测量结果的可靠程度。

关键词:天然气;冷凝锅炉;烟气;气-液两相流;温湿度测量
中图分类号:TK311 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2020)04-0333-06 Method for Measuring Temperature and Humidity of Flue Gas in the Tail
of Condensing Gas Boiler
WANG Zhi-qiang1,2,YANG Shi1
(1.China Coal Research Institute Company of Energy Conservation Co.,Ltd.,Beijing100013,China;
2.School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)
Abstract:Currently,the humidity and temperature of high moisture flue gas is difficult to measured.In order to solve this problem,a new method for measuring the humidity and temperature of high moisture flue gas was put forward in this article.A direct cryogenic heat exchange system was built up.From the system,high moisture flue gas was generated.A mezzanine extraction measuring device was used to measure the humidity and temperature of flue gas.The measuring position was arranged according to ASME PTC4-2008.By reverse sampling and the principle of gas-liquid separation and on-line heat tracing of in-situ flue gas,the condensing droplet was filtered out and the secondary condensation of wa⁃ter vapor was avoided.During the measurement,the optimal extraction flow rate is4~5m3/h,the opti⁃mal heat tracing temperature is140~170℃.The measuring results show that:the flue gas temperature measured by this method is3~5℃higher than that measured by the conventional contact measuring de⁃vice.Meanwhile,the reliability of the measurement results was verified by uncertainty analysis.
Key words:natural gas;condensing boiler;flue gas;gas-liquid two phase flow;temperature&humidi⁃ty measurement
收稿日期　2019-10-18 修订稿日期　2019-11-19
作者简介:王志强(1990~),男,硕士研究生,助理研究员,煤炭清洁高效燃烧。

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天然气是一种以甲烷等低碳烷烃为主要组分的能源,具有环保、高效的优点,近年来随着环境问题的日益严重,天然气作为一种具有广泛应用前景的资源,开发和利用日益受到重视[1]。

燃用天然气时,为了充分利用高温烟气和烟气中水蒸气蕴含的汽化潜热,一般在锅炉尾部加载冷凝换热系统,能够提升热效率10%~15%[2],目前国内外关于燃气冷凝式锅炉进行了大量研究。

在锅炉开发设计方面,柳鹏飞[3]、岳东方[4]等根据锅炉设计原理,对燃气冷凝式锅炉进行了开发设计,发现相对于传统燃气锅炉,燃气冷凝式锅炉,经济性、热效率和环保性能都有所提高。

罗贤寿[5]等在烟气冷凝余热利用的基础上,通过实际运行和理论计算,明确了燃气冷凝式锅炉节能的关键点。

刘贺佳[6]发现直接接触式相对于间接接触式换热效果明显,更容易把烟气降到露点温度以下,且成本较低。

在冷凝换热方面,田茂诚[7]等使用高速摄像机对水蒸气-空气混合气体在等温铝板上的冷凝过程进行了观察,发现随着壁面过冷度和空气浓度的变化,冷凝会经历4种模型变化。

马学虎[8-10]等研究了冷凝的形式对换热的影响,发现不论是膜状冷凝还是滴状冷凝,液固表面自由能差越大,强化换热的效果越明显。

刘泉[11]、仝勇昂[12]、Wang[13]等研究了不凝空气的含量对冷凝换热的影响,发现不凝空气含量越少越好,含量越高,冷凝换热效果越差。

刘民科[14]、Groo⁃ten[15]、Seok[16]等研究了换热表面变化对冷凝换热的影响,发现增大表面粗糙度、增加涂层会对冷凝换热产生较大的影响。

Schmidt[17-19]等对珠状冷凝开展了广泛的理论模型研究,发现珠状冷凝是一种高效的凝结换热形式。

目前,西方发达国家在燃气冷凝式锅炉方面已深耕多年,并取得了广泛的应用,国内关于燃气冷凝式锅炉的研究起步较晚,更没有衡量燃气冷凝式锅炉能效水平的标准和方法,我国目前现行的《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T 10180-2003),并不适用于燃气冷凝式锅炉,但是随着国家“煤改气”工程的持续推进,冷凝式燃气锅炉将得到大范围的推广应用,为防止国内外效率低、能耗高的产品进入我国工业应用领域,需要建立燃气冷凝式锅炉的热工测试方法。

相对于传统锅炉,燃气冷凝式锅炉为了利用余热(高温烟气和水蒸气汽化潜热),排烟温度较低,低于烟气的露点温度,余热利用后的烟气富含大量的冷凝液滴,呈现出气液两相流状态,常规的直接接触式测量装置,由于大量冷凝液滴的存在,会附着在温度探头上,液膜存在温度梯度且有二次冷却现象,测量的烟气温度并不是真实的烟气温度,会低于真实烟气温度,湿度测量更是无法进行。

要建立燃气冷凝式锅炉的热工测试方法,首先就要解决气液两相流体的分离问题,实现高含湿烟气的温湿度测量,为解决此问题,本文提出了一种温湿度测量装置:在线伴热夹层抽气式测量装置,并对此进行了实验验证和不确定度分析。

1　实验系统及测量方法
1.1　实验系统
为提供持续的气液两相流体,在燃气锅炉尾部搭建了直接深冷式换热系统,系统如图
1。

图1　直接深冷式换热系统
实验系统主要参数如表1所示。

表1　实验系统主要参数
序号项目数值
1额定蒸发量/t·h-11.0
2给水温度/℃50
3锅炉排烟温度/℃105
4换热烟道半径/mm150 1.2　测量装置
1.2.1　测量装置的构成和原理
高含湿烟气中,冷凝液滴相对不凝气体具有较大的惯性,采用逆向取样的方法,不仅能够抽取烟气还能够达到滤除冷凝液滴的目的,BBO方程[20]液滴在气液两相流体介质变方向时跟随性降低也证实此种方法的可行性,高含湿烟气经过气液分离,滤除液滴后的烟气完成温度的测量,温度测量完成后的烟气经后续在线伴热,利用烟气在等湿加热过程绝对含湿量不变的原理,完成烟气湿度的测量,设计原理和设计结构如图2和图3所示。

图2　设计原理
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图3　设计结构
由图3可知,测量装置由双层套管构成,内外层管路开口方向相反,逆向取样时,多次滤除冷凝液滴,外层套管起着支撑和绝热作用,由强度高导热性能差的304号钢构成,内层套管由导热性能较好的紫铜管构成,这样外层管路抽取的烟气又能对内层管路抽取的烟气起到保温作用,内层管路入口内部水平等距设置3个PT100铂电阻,外层套管入口外部设置1个PT100铂电阻(常规接触式测量),和内层平均测量烟温作对比。

伴热管经由绝热性能较好的管箍(聚四氟乙烯材料)与内层套管相连,由导热性能较好的紫铜管构成,在经外部伴热(等湿加热过程、绝对含湿量不变)时,既能防止对内层管路测温产生影响,又能抑制后续湿度测量过程中发生冷凝,完成烟气湿度的换算测量。

测试装置连同所用仪器设备连接后如图
4。

图4　测试系统
由图4可知,温度巡检仪完成PT100铂电阻的实时测量记录;温度调节仪对伴热管进行温度调控;湿度仪完成滤除液滴后烟气湿度的测量;等速采样仪和烟气分析仪提供内外管路采样的动力,并对采样速度进行调控。

1.2.2　测量方法(1)调节燃气锅炉尾部直接接触式换热系统,促使尾部烟气经深度冷却,达到露点温度以下,实现冷凝换热;
(2)保持实验台系统稳定运行,取样冷凝换热
后的烟气,分别对外管抽气流量、内管抽气流量、外伴热温度进行设置,探究其对温湿度测量的影响,找到最佳测量设置参数。

2　实验结果与分析
实验台工况:室温为27℃,烟气入口温度为
103.2℃,烟气出口温度为61.4℃,水压为100kPa,
入水温度53℃,出水温度59℃,烟气量800m 3/h。

按照ASME PTC 4-2008中规定的在圆形烟道
取样标准,设置开孔位置和取样点数及位置,调节外管抽气流量分别为1m 3/h、4m 3/h、7m 3/h,对内管
抽气流量和伴热温度作以固定设置,经测试和数据处理后,如图5所示。

图5　外层管路抽气流量对烟气温度的影响
发生凝结换热后的烟气为含凝结液滴的气-液两相烟气,液滴在气相烟气中运动满足BBO 方
程[20]。

在逆向采样的条件下,当抽汽流量为1m 3/h 时,液滴的惯性较大,烟气变方向时跟随性较差,在该抽气流量下液滴得以被滤除,仅有气相烟气进入套管,但在该抽气流量下烟气对内管伴热效果较差,导致测量温度时间较长。

当抽气流量为7m 3/h 时,大量烟气抽入套管,
烟气对内层套管伴热效果较好,测量达到稳定历时较短。

但在该抽气流量下,采样速度较大,惯性的影响小于取样速度的影响,逆向采样速度已经高于采
样点的实际烟气流速,冷凝液滴不能被有效滤除,此时PT100热电阻测得的是液滴的温度,而非气相烟气真实温度,导致在该取样流量下测得的稳定值比
抽气流量为1m 3/h 测得的稳定值低3.0℃。

同时,孙志浩[21]等人在实验室稳定条件下通过模拟燃气烟气中水蒸气凝结产生液滴,采用红外热像仪获得了凝结液滴表面温度场,凝结液滴存在3.0℃至5.0℃的过冷度,这与本文在此取样抽气流量下测得结果相一致。

当抽气流量为4m 3/h 时,流速合适,伴热效果
较好,并且不破坏液滴的惯性,冷凝液滴得以被逆向
采样滤除,此时内层管路设置的PT100热电阻测得烟温为真实的气相烟气温度。

实验所用烟道半径
150mm、测点选取在烟道中心、测量装置外管内径20mm 和内管内径10mm,通过计算其最佳抽气流量为4~5m 3/h,抽气量与本实验产生的烟气量
800m 3/h 相比,含量较低,仅为0.5%~0.625%,对
·
533·
烟道真实流场不会产生影响。

基于和外层套管抽气流量相同的考虑,由于内
外层套管取样口大小一样,内管最佳抽气流量同样
为4~5m 3/h。

伴热温度的设置通过温控仪来调控,每隔20℃
设置一次温度,测得烟气温湿度如图
6。

图6　伴热温度对烟气温湿度测量的影响
从图6可以看出伴热温度在110℃以下的时候,烟气的湿度无法测量,仍为99.9%;在110~
140℃的时候,烟气无明显的升温,且湿度变化较快;在140~170℃时,烟气有明显的升温,而且湿度的变化相对平缓,处于最佳的测量状态;当伴热温度的设定高于170℃的时候,烟气温度已经高于100℃,而湿度仪的温度探头测温上限为125℃,加热后的烟气温度过高,对于设备损害较大,即最佳伴热温度为140~170℃。

在内外层抽气流量为4.3m 3/h、伴热温度为
160℃的情况下,循环给水量对烟气温度测量的影响,以及不同测量方式之间的区别,如图7所示。

图7　不同给水压下两种测量方式烟温的变化
在本实验中,给水流量不可直接测量,但能通过给水压力的显示调节水流量,给水压力与流量呈现
出正相关关系。

由图7可以看出,不论哪种烟温测量方式,在给水压力60kPa 前后,烟温变化呈现出两种不同的变化速率,给水压力低于60kPa 时,烟温变化速率较快;当给水压高于60kPa 时,烟温变化速率慢,主要是此时冷却水和烟气之间的换热已经达到饱和,处于一种换热平衡状态,此时两种测量方式下,抽气式测量比接触式测量测得的烟温高3~5℃,测量的是真实的气相烟气温度,此时烟气中的水蒸气已经冷凝,处于一种过冷状态,直接接触式测量的是冷凝液滴的温度,证明逆向采样,设置合适的取样速度,能够滤除冷凝液滴的影响。

为探究烟道横截面湿度的分布,维持现有工况
参数:800m 3/h 烟气量;直接深冷式换热系统,进口烟温104.7℃、出口烟温63.4℃、进口水温53℃、出口水温59℃;夹层抽气式测量装置系统,温控仪伴
热温度160℃、内外套管抽气流量4.3m 3/h。

使用
在线伴热夹层抽气式测量装置,每隔50mm 逆向取样测试,整理数据,如图8所示。

图8　烟道横截面湿度分布
由图8可以看出,整个烟道横截面湿度分布较为均匀,能够完成冷凝式燃气锅炉湿度的测量。

3　实验结果的不确定度分析
为了验证测量数据可靠程度,需要对测量数据进行不确定度分析,即测量数据在置信概率下的置信区间,本文将依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》、JJF 1001-2011《通用计量术语和定义》和JJF 1059.2-2012《用蒙特卡罗法评定测量不确定度》,对测量装置完成的烟气温湿度进行不
确定度分析[22-23]。

3.1　烟气出口温度的不确定度分析
烟气温度测量误差主要来源于以下几个方面:
仪表的分辨力和精度、PT100热电阻的补偿和漂移、人为读数。

根据误差建立的测量模型如下t x =t 0+c 1×t 1+c 2×t 2+c 3×t 3
式中　t 0———读数参考输入量;
t 1———精度误差;c 1———精度灵敏度系数;
t 2———分辨力误差;
·
633·
c2———分辨力灵敏度系数;
t3———热电阻漂移误差;
c3———热电阻灵敏度系数。

烟温测量获得的5组稳定数据:63℃、63.1℃、63.2℃、63.2℃、63.2℃,温度测量的标准不确定度如表2。

表2　烟气温度不确定度汇总表
输入量估计
值/℃
灵敏度
系数
标准不确
定度/℃
概率分布
分量不确
定度/℃
自由度
t063.1410.04正态分布0.044 t100.1520.176均匀分布0.01850 t200.0770.058均匀分布0.00550 t3010.017均匀分布0.01750 5次烟气温度测量,相互独立,烟气温度的合成标准不确定为
u c(t x)=u20(t x)+u21(t x)+u22(t x)+u23(t x)= 0.0472℃
式中　u0(t x),u1(t x),u2(t x),u3(t x)———分量不确定度。

根据韦尔奇-萨特思韦特公式,对测得的烟气温度进行扩展不确定度的自由度计算,得出烟气温度的自由度为7.71,由于总体分布满足正态分布,则样本分布满足t分布,在95%的置信概率下,包含因子k95=t95(7.71)=2.323,则扩展不确定度为
U(t x)=ku c(t x)=0.1097℃
5次烟气温度测量的平均值为63.14℃,当置信概率为95%时,校准的烟气温度(即置信区间)为63.14±0.1097℃。

3.2　烟气出口湿度的不确定度分析
烟气相对湿度测量误差主要来源于以下几个方面:仪表的精度和分辨力、人为读数。

根据误差建立的测量模型如下
RH x=RH0+r1RH1+r2RH2
式中　RH x———被测量相对湿度;
RH0———读数参考输入量;
RH1———精度误差;
r1———精度灵敏度系数;
RH2———分辨力误差;
r2———分辨力灵敏度系数。

烟气相对湿度测量获得的5次稳定数据: 19.6%RH、19.9%RH、19.9%RH、19.8%RH、19.6%RH,湿度测量的标准不确定度如表3。

5次烟气相对湿度测量,相互独立,烟气相对湿度的合成标准不确定度为
u c(RH x)=u20(RH x)+u21(RH x)+u22(RH x)= 0.094%RH
式中　u0(RH x),u1(RH x),u2(RH x)———分量不确定度。

表3　烟气湿度不确定度汇总表
输入量
估计值/
[%]RH
灵敏度
系数
标准不确
定度/[%]RH
概率
分布
分量不确
定度/[%]RH
自由
度RH019.7610.068正态分布0.0684 RH1010.058均匀分布0.05850 RH2010.029均匀分布0.02950 根据韦尔奇-萨特思韦特公式,对测得的烟气相对湿度进行扩展不确定度的自由度计算,得出烟气相对湿度的自由度为19.977,由于总体分布满足正态分布,则样本分布满足t分布,在95%的置信概率下,包含因子k95=t95(19.977)=2.087,则扩展不确定度为
U(RH x)=k u c(RH x)=0.196%RH
5次烟气相对湿度测量的平均值为19.76%RH,当置信概率为95%时,校准的烟气相对湿度(即置信区间)为19.76%RH±0.196%RH。

4　结论
(1)在线伴热夹层抽气式测量装置,在逆向取样、内外管抽气流速为4~5m3/h、温控仪设置伴热温度为140~170℃的条件下,能够滤除冷凝液滴的影响,完成真实的气相烟气温度和湿度的测量,测得的烟温比接触式测量高3~5℃,烟气温度的测量不确定度为0.1097℃,烟气相对湿度的测量不确定度为0.196%RH。

(2)此实验工况下的内外管最佳抽气流速为4~5m3/h,在此抽气流量下,取样速度的影响小于冷凝液滴惯性,能够滤除冷凝液滴的影响,且对内层套管的自伴热效果较好,能够较好的完成气相烟气真实温度的测量。

(3)此实验工况下的温控仪最佳伴热温度为140~170℃,在此伴热温度下,既能抑制后续相对湿度测量过程中发生二次冷凝,又能保证不超过湿度仪的测温上限,较好的完成烟气相对湿度的测量。

(4)由于烟道横截面较小,经直接冷凝换热后的尾部烟气湿度分布较为均匀。

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