燃?xì)饫淠藉仩t尾部煙氣溫濕度測(cè)量方法

王志強(qiáng)，楊 石

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

天然氣是一種以甲烷等低碳烷烴為主要組分的能源，具有環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，天然氣作為一種具有廣泛應(yīng)用前景的資源，開(kāi)發(fā)和利用日益受到重視[1]。燃用天然氣時(shí)，為了充分利用高溫?zé)煔夂蜔煔庵兴魵馓N(yùn)含的汽化潛熱，一般在鍋爐尾部加載冷凝換熱系統(tǒng)，能夠提升熱效率10%～15%[2]，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃?xì)饫淠藉仩t進(jìn)行了大量研究。在鍋爐開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方面，柳鵬飛[3]、岳東方[4]等根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)原理，對(duì)燃?xì)饫淠藉仩t進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，燃?xì)饫淠藉仩t，經(jīng)濟(jì)性、熱效率和環(huán)保性能都有所提高。羅賢壽[5]等在煙氣冷凝余熱利用的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行和理論計(jì)算，明確了燃?xì)饫淠藉仩t節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)。劉賀佳[6]發(fā)現(xiàn)直接接觸式相對(duì)于間接接觸式換熱效果明顯，更容易把煙氣降到露點(diǎn)溫度以下，且成本較低。在冷凝換熱方面，田茂誠(chéng)[7]等使用高速攝像機(jī)對(duì)水蒸氣-空氣混合氣體在等溫鋁板上的冷凝過(guò)程進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)隨著壁面過(guò)冷度和空氣濃度的變化，冷凝會(huì)經(jīng)歷4種模型變化。馬學(xué)虎[8-10]等研究了冷凝的形式對(duì)換熱的影響，發(fā)現(xiàn)不論是膜狀冷凝還是滴狀冷凝，液固表面自由能差越大，強(qiáng)化換熱的效果越明顯。劉泉[11]、仝勇昂[12]、Wang[13]等研究了不凝空氣的含量對(duì)冷凝換熱的影響，發(fā)現(xiàn)不凝空氣含量越少越好，含量越高，冷凝換熱效果越差。劉民科[14]、Grooten[15]、Seok[16]等研究了換熱表面變化對(duì)冷凝換熱的影響，發(fā)現(xiàn)增大表面粗糙度、增加涂層會(huì)對(duì)冷凝換熱產(chǎn)生較大的影響。Schmidt[17-19]等對(duì)珠狀冷凝開(kāi)展了廣泛的理論模型研究，發(fā)現(xiàn)珠狀冷凝是一種高效的凝結(jié)換熱形式。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在燃?xì)饫淠藉仩t方面已深耕多年，并取得了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)關(guān)于燃?xì)饫淠藉仩t的研究起步較晚，更沒(méi)有衡量燃?xì)饫淠藉仩t能效水平的標(biāo)準(zhǔn)和方法，我國(guó)目前現(xiàn)行的《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T 10180-2003)，并不適用于燃?xì)饫淠藉仩t，但是隨著國(guó)家“煤改氣”工程的持續(xù)推進(jìn)，冷凝式燃?xì)忮仩t將得到大范圍的推廣應(yīng)用，為防止國(guó)內(nèi)外效率低、能耗高的產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，需要建立燃?xì)饫淠藉仩t的熱工測(cè)試方法。相對(duì)于傳統(tǒng)鍋爐，燃?xì)饫淠藉仩t為了利用余熱(高溫?zé)煔夂退魵馄瘽摕?，排煙溫度較低，低于煙氣的露點(diǎn)溫度，余熱利用后的煙氣富含大量的冷凝液滴，呈現(xiàn)出氣液兩相流狀態(tài)，常規(guī)的直接接觸式測(cè)量裝置，由于大量冷凝液滴的存在，會(huì)附著在溫度探頭上，液膜存在溫度梯度且有二次冷卻現(xiàn)象，測(cè)量的煙氣溫度并不是真實(shí)的煙氣溫度，會(huì)低于真實(shí)煙氣溫度，濕度測(cè)量更是無(wú)法進(jìn)行。要建立燃?xì)饫淠藉仩t的熱工測(cè)試方法，首先就要解決氣液兩相流體的分離問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高含濕煙氣的溫濕度測(cè)量，為解決此問(wèn)題，本文提出了一種溫濕度測(cè)量裝置：在線伴熱夾層抽氣式測(cè)量裝置，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和不確定度分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為提供持續(xù)的氣液兩相流體，在燃?xì)忮仩t尾部搭建了直接深冷式換熱系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1。

圖1 直接深冷式換熱系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 測(cè)量裝置

1.2.1 測(cè)量裝置的構(gòu)成和原理

高含濕煙氣中，冷凝液滴相對(duì)不凝氣體具有較大的慣性，采用逆向取樣的方法，不僅能夠抽取煙氣還能夠達(dá)到濾除冷凝液滴的目的，BBO方程[20]液滴在氣液兩相流體介質(zhì)變方向時(shí)跟隨性降低也證實(shí)此種方法的可行性，高含濕煙氣經(jīng)過(guò)氣液分離，濾除液滴后的煙氣完成溫度的測(cè)量，溫度測(cè)量完成后的煙氣經(jīng)后續(xù)在線伴熱，利用煙氣在等濕加熱過(guò)程絕對(duì)含濕量不變的原理，完成煙氣濕度的測(cè)量，設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 設(shè)計(jì)原理

圖3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

由圖3可知，測(cè)量裝置由雙層套管構(gòu)成，內(nèi)外層管路開(kāi)口方向相反，逆向取樣時(shí)，多次濾除冷凝液滴，外層套管起著支撐和絕熱作用，由強(qiáng)度高導(dǎo)熱性能差的304號(hào)鋼構(gòu)成，內(nèi)層套管由導(dǎo)熱性能較好的紫銅管構(gòu)成，這樣外層管路抽取的煙氣又能對(duì)內(nèi)層管路抽取的煙氣起到保溫作用，內(nèi)層管路入口內(nèi)部水平等距設(shè)置3個(gè)PT100鉑電阻，外層套管入口外部設(shè)置1個(gè)PT100鉑電阻(常規(guī)接觸式測(cè)量)，和內(nèi)層平均測(cè)量煙溫作對(duì)比。伴熱管經(jīng)由絕熱性能較好的管箍(聚四氟乙烯材料)與內(nèi)層套管相連，由導(dǎo)熱性能較好的紫銅管構(gòu)成，在經(jīng)外部伴熱(等濕加熱過(guò)程、絕對(duì)含濕量不變)時(shí)，既能防止對(duì)內(nèi)層管路測(cè)溫產(chǎn)生影響，又能抑制后續(xù)濕度測(cè)量過(guò)程中發(fā)生冷凝，完成煙氣濕度的換算測(cè)量。測(cè)試裝置連同所用儀器設(shè)備連接后如圖4。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)

由圖4可知，溫度巡檢儀完成PT100鉑電阻的實(shí)時(shí)測(cè)量記錄；溫度調(diào)節(jié)儀對(duì)伴熱管進(jìn)行溫度調(diào)控；濕度儀完成濾除液滴后煙氣濕度的測(cè)量；等速采樣儀和煙氣分析儀提供內(nèi)外管路采樣的動(dòng)力，并對(duì)采樣速度進(jìn)行調(diào)控。

1.2.2 測(cè)量方法

(1)調(diào)節(jié)燃?xì)忮仩t尾部直接接觸式換熱系統(tǒng)，促使尾部煙氣經(jīng)深度冷卻，達(dá)到露點(diǎn)溫度以下，實(shí)現(xiàn)冷凝換熱；

(2)保持實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，取樣冷凝換熱后的煙氣，分別對(duì)外管抽氣流量、內(nèi)管抽氣流量、外伴熱溫度進(jìn)行設(shè)置，探究其對(duì)溫濕度測(cè)量的影響，找到最佳測(cè)量設(shè)置參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)臺(tái)工況：室溫為27℃，煙氣入口溫度為103.2℃，煙氣出口溫度為61.4℃，水壓為100 kPa，入水溫度53℃，出水溫度59℃，煙氣量800 m3/h。

按照ASME PTC 4-2008中規(guī)定的在圓形煙道取樣標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置開(kāi)孔位置和取樣點(diǎn)數(shù)及位置，調(diào)節(jié)外管抽氣流量分別為1 m3/h、4 m3/h、7 m3/h，對(duì)內(nèi)管抽氣流量和伴熱溫度作以固定設(shè)置，經(jīng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理后，如圖5所示。

圖5 外層管路抽氣流量對(duì)煙氣溫度的影響

發(fā)生凝結(jié)換熱后的煙氣為含凝結(jié)液滴的氣-液兩相煙氣，液滴在氣相煙氣中運(yùn)動(dòng)滿足BBO方程[20]。在逆向采樣的條件下，當(dāng)抽汽流量為1 m3/h時(shí)，液滴的慣性較大，煙氣變方向時(shí)跟隨性較差，在該抽氣流量下液滴得以被濾除，僅有氣相煙氣進(jìn)入套管，但在該抽氣流量下煙氣對(duì)內(nèi)管伴熱效果較差，導(dǎo)致測(cè)量溫度時(shí)間較長(zhǎng)。

當(dāng)抽氣流量為7 m3/h時(shí)，大量煙氣抽入套管，煙氣對(duì)內(nèi)層套管伴熱效果較好，測(cè)量達(dá)到穩(wěn)定歷時(shí)較短。但在該抽氣流量下，采樣速度較大，慣性的影響小于取樣速度的影響，逆向采樣速度已經(jīng)高于采樣點(diǎn)的實(shí)際煙氣流速，冷凝液滴不能被有效濾除，此時(shí)PT100熱電阻測(cè)得的是液滴的溫度，而非氣相煙氣真實(shí)溫度，導(dǎo)致在該取樣流量下測(cè)得的穩(wěn)定值比抽氣流量為1 m3/h測(cè)得的穩(wěn)定值低3.0℃。同時(shí)，孫志浩[21]等人在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定條件下通過(guò)模擬燃?xì)鉄煔庵兴魵饽Y(jié)產(chǎn)生液滴，采用紅外熱像儀獲得了凝結(jié)液滴表面溫度場(chǎng)，凝結(jié)液滴存在3.0℃至5.0℃的過(guò)冷度，這與本文在此取樣抽氣流量下測(cè)得結(jié)果相一致。

當(dāng)抽氣流量為4 m3/h時(shí)，流速合適，伴熱效果較好，并且不破壞液滴的慣性，冷凝液滴得以被逆向采樣濾除，此時(shí)內(nèi)層管路設(shè)置的PT100熱電阻測(cè)得煙溫為真實(shí)的氣相煙氣溫度。實(shí)驗(yàn)所用煙道半徑150 mm、測(cè)點(diǎn)選取在煙道中心、測(cè)量裝置外管內(nèi)徑20 mm和內(nèi)管內(nèi)徑10 mm，通過(guò)計(jì)算其最佳抽氣流量為4～5 m3/h，抽氣量與本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的煙氣量800 m3/h相比，含量較低，僅為0.5%～0.625%，對(duì)煙道真實(shí)流場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生影響。

基于和外層套管抽氣流量相同的考慮，由于內(nèi)外層套管取樣口大小一樣，內(nèi)管最佳抽氣流量同樣為4～5 m3/h。

伴熱溫度的設(shè)置通過(guò)溫控儀來(lái)調(diào)控，每隔20℃設(shè)置一次溫度，測(cè)得煙氣溫濕度如圖6。

圖6 伴熱溫度對(duì)煙氣溫濕度測(cè)量的影響

從圖6可以看出伴熱溫度在110℃以下的時(shí)候，煙氣的濕度無(wú)法測(cè)量，仍為99.9%；在110～140℃的時(shí)候，煙氣無(wú)明顯的升溫，且濕度變化較快；在140～170℃時(shí)，煙氣有明顯的升溫，而且濕度的變化相對(duì)平緩，處于最佳的測(cè)量狀態(tài)；當(dāng)伴熱溫度的設(shè)定高于170℃的時(shí)候，煙氣溫度已經(jīng)高于100℃，而濕度儀的溫度探頭測(cè)溫上限為125℃，加熱后的煙氣溫度過(guò)高，對(duì)于設(shè)備損害較大，即最佳伴熱溫度為140～170℃。

在內(nèi)外層抽氣流量為4.3 m3/h、伴熱溫度為160℃的情況下，循環(huán)給水量對(duì)煙氣溫度測(cè)量的影響，以及不同測(cè)量方式之間的區(qū)別，如圖7所示。

圖7 不同給水壓下兩種測(cè)量方式煙溫的變化

在本實(shí)驗(yàn)中，給水流量不可直接測(cè)量，但能通過(guò)給水壓力的顯示調(diào)節(jié)水流量，給水壓力與流量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

由圖7可以看出，不論哪種煙溫測(cè)量方式，在給水壓力60 kPa前后，煙溫變化呈現(xiàn)出兩種不同的變化速率，給水壓力低于60 kPa時(shí)，煙溫變化速率較快；當(dāng)給水壓高于60 kPa時(shí)，煙溫變化速率慢，主要是此時(shí)冷卻水和煙氣之間的換熱已經(jīng)達(dá)到飽和，處于一種換熱平衡狀態(tài)，此時(shí)兩種測(cè)量方式下，抽氣式測(cè)量比接觸式測(cè)量測(cè)得的煙溫高3～5℃，測(cè)量的是真實(shí)的氣相煙氣溫度，此時(shí)煙氣中的水蒸氣已經(jīng)冷凝，處于一種過(guò)冷狀態(tài)，直接接觸式測(cè)量的是冷凝液滴的溫度，證明逆向采樣，設(shè)置合適的取樣速度，能夠?yàn)V除冷凝液滴的影響。

為探究煙道橫截面濕度的分布，維持現(xiàn)有工況參數(shù)：800 m3/h煙氣量；直接深冷式換熱系統(tǒng)，進(jìn)口煙溫104.7℃、出口煙溫63.4℃、進(jìn)口水溫53℃、出口水溫59℃；夾層抽氣式測(cè)量裝置系統(tǒng)，溫控儀伴熱溫度160℃、內(nèi)外套管抽氣流量4.3 m3/h。使用在線伴熱夾層抽氣式測(cè)量裝置，每隔50 mm逆向取樣測(cè)試，整理數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 煙道橫截面濕度分布

由圖8可以看出，整個(gè)煙道橫截面濕度分布較為均勻，能夠完成冷凝式燃?xì)忮仩t濕度的測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析

為了驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)可靠程度，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析，即測(cè)量數(shù)據(jù)在置信概率下的置信區(qū)間，本文將依據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》、JJF 1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)和定義》和JJF 1059.2-2012《用蒙特卡羅法評(píng)定測(cè)量不確定度》，對(duì)測(cè)量裝置完成的煙氣溫濕度進(jìn)行不確定度分析[22-23]。

3.1 煙氣出口溫度的不確定度分析

煙氣溫度測(cè)量誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：儀表的分辨力和精度、PT100熱電阻的補(bǔ)償和漂移、人為讀數(shù)。

根據(jù)誤差建立的測(cè)量模型如下

tx=t0+c1×t1+c2×t2+c3×t3

式中t0——讀數(shù)參考輸入量；

t1——精度誤差；

c1——精度靈敏度系數(shù)；

t2——分辨力誤差；

c2——分辨力靈敏度系數(shù)；

t3——熱電阻漂移誤差;

c3——熱電阻靈敏度系數(shù)。

煙溫測(cè)量獲得的5組穩(wěn)定數(shù)據(jù)：63℃、63.1℃、63.2℃、63.2℃、63.2℃，溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表2。

表2 煙氣溫度不確定度匯總表

5次煙氣溫度測(cè)量，相互獨(dú)立，煙氣溫度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定為

式中u0(tx)，u1(tx)，u2(tx)，u3(tx)——分量不確定度。

根據(jù)韋爾奇-薩特思韋特公式，對(duì)測(cè)得的煙氣溫度進(jìn)行擴(kuò)展不確定度的自由度計(jì)算，得出煙氣溫度的自由度為7.71，由于總體分布滿足正態(tài)分布，則樣本分布滿足t分布，在95%的置信概率下，包含因子k95=t95(7.71)=2.323，則擴(kuò)展不確定度為

U(tx)=kuc(tx)=0.109 7 ℃

5次煙氣溫度測(cè)量的平均值為63.14℃，當(dāng)置信概率為95%時(shí)，校準(zhǔn)的煙氣溫度(即置信區(qū)間)為63.14±0.109 7℃。

3.2 煙氣出口濕度的不確定度分析

煙氣相對(duì)濕度測(cè)量誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：儀表的精度和分辨力、人為讀數(shù)。

根據(jù)誤差建立的測(cè)量模型如下

RHx=RH0+r1RH1+r2RH2

式中RHx——被測(cè)量相對(duì)濕度；

RH0——讀數(shù)參考輸入量；

RH1——精度誤差；

r1——精度靈敏度系數(shù)；

RH2——分辨力誤差；

r2——分辨力靈敏度系數(shù)。

煙氣相對(duì)濕度測(cè)量獲得的5次穩(wěn)定數(shù)據(jù)：19.6%RH、19.9%RH、19.9%RH、19.8%RH、19.6%RH，濕度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表3。

5次煙氣相對(duì)濕度測(cè)量，相互獨(dú)立，煙氣相對(duì)濕度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

式中u0(RHx)，u1(RHx)，u2(RHx)——分量不確定度。

表3 煙氣濕度不確定度匯總表

根據(jù)韋爾奇-薩特思韋特公式，對(duì)測(cè)得的煙氣相對(duì)濕度進(jìn)行擴(kuò)展不確定度的自由度計(jì)算，得出煙氣相對(duì)濕度的自由度為19.977，由于總體分布滿足正態(tài)分布，則樣本分布滿足t分布，在95%的置信概率下，包含因子k95=t95(19.977)=2.087，則擴(kuò)展不確定度為

U(RHx)=kuc(RHx)=0.196%RH

5次煙氣相對(duì)濕度測(cè)量的平均值為19.76%RH，當(dāng)置信概率為95%時(shí)，校準(zhǔn)的煙氣相對(duì)濕度(即置信區(qū)間)為19.76%RH±0.196%RH。

4 結(jié)論

(1)在線伴熱夾層抽氣式測(cè)量裝置，在逆向取樣、內(nèi)外管抽氣流速為4～5 m3/h、溫控儀設(shè)置伴熱溫度為140～170℃的條件下，能夠?yàn)V除冷凝液滴的影響，完成真實(shí)的氣相煙氣溫度和濕度的測(cè)量，測(cè)得的煙溫比接觸式測(cè)量高3～5 ℃，煙氣溫度的測(cè)量不確定度為0.109 7℃，煙氣相對(duì)濕度的測(cè)量不確定度為0.196%RH。

(2)此實(shí)驗(yàn)工況下的內(nèi)外管最佳抽氣流速為4～5 m3/h，在此抽氣流量下，取樣速度的影響小于冷凝液滴慣性，能夠?yàn)V除冷凝液滴的影響，且對(duì)內(nèi)層套管的自伴熱效果較好，能夠較好的完成氣相煙氣真實(shí)溫度的測(cè)量。

(3)此實(shí)驗(yàn)工況下的溫控儀最佳伴熱溫度為140～170℃，在此伴熱溫度下，既能抑制后續(xù)相對(duì)濕度測(cè)量過(guò)程中發(fā)生二次冷凝，又能保證不超過(guò)濕度儀的測(cè)溫上限，較好的完成煙氣相對(duì)濕度的測(cè)量。

(4)由于煙道橫截面較小，經(jīng)直接冷凝換熱后的尾部煙氣濕度分布較為均勻。