板式熱交換器傳熱性能預(yù)測算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 濤，車生文，惠 博，譚世奇

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730314)

板式熱交換器是能源利用過程中的關(guān)鍵設(shè)備，在核電、太陽能高溫熔巖熱發(fā)電以及供熱等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用［1-2］。例如，核電站所有核島設(shè)備都須由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)冷卻，在核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、核島反應(yīng)堆換料堆腔和乏燃料水池的冷卻與處理系統(tǒng)以及核島輔助給水泵系統(tǒng)等重要系統(tǒng)中，均采用板式熱交換器進(jìn)行熱交換［3］。在以高溫熔融鹽為介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，熔巖吸熱回路和蒸汽動(dòng)力回路間也是采用板式熱交換器進(jìn)行換熱。因此，板式熱交換器的可靠性和換熱能力與能源利用效率密切相關(guān)。

在板式熱交換器長期使用過程中，由于自身結(jié)構(gòu)、水質(zhì)及流速等［4］因素影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢。當(dāng)換熱介質(zhì)含有較大顆?；蚶w維物質(zhì)時(shí)，容易堵塞板間通道，導(dǎo)致熱阻增大，熱交換器傳熱能力降低，影響換熱效率。同時(shí)換熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)阻力會(huì)增大，加速設(shè)備的腐蝕和損壞［5］。目前對熱交換器污垢的研究主要集中于污垢的化學(xué)清洗技術(shù)［6-10］和污垢熱阻預(yù)測。 肖調(diào)兵等［6］利用 X 射線熒光光譜對某核電站板式熱交換器結(jié)垢物中不溶物質(zhì)成分進(jìn)行分析，并利用鹽酸加檸檬酸對結(jié)垢物成分開展了化學(xué)溶垢研究，結(jié)果表明鹽酸加檸檬酸對核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式熱交換器結(jié)垢物溶解能力較好。采用污垢熱阻預(yù)測算法，可以根據(jù)溫度、流量等參數(shù)的變化規(guī)律，判定設(shè)備異常狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。目前，污垢預(yù)測算法主要分為基于污垢形成機(jī)制的預(yù)測算法和基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的預(yù)測算法2種。王久生等［11］建立了基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的換熱管污垢熱阻預(yù)測模型，該模型適用于多數(shù)水質(zhì)環(huán)境中污垢熱阻的預(yù)測。張仲彬等［12］基于冷卻水的 pH值、10種水質(zhì)參數(shù)和污垢熱阻建立了3種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，結(jié)果表明基于主成分分析的模型預(yù)測更加準(zhǔn)確。唐健等［13］基于管道流量、入口溫度和壓力建立起污垢熱阻預(yù)測LSTM模型，并與SVM、MLP和 GRU這 3種模型進(jìn)行了比較，表明LSTM模型具有較高的精度。張冠敏等［14］通過試驗(yàn)測量板式熱交換器的顆粒污垢數(shù)據(jù)，理論推導(dǎo)出顆粒污垢增長的努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)變化的準(zhǔn)則方程。徐志明等［15］利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對熱交換器在不同速度條件下的流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明熱交換器內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱存在明顯的不均勻性，導(dǎo)致其進(jìn)、出口的另一側(cè)出現(xiàn)明顯的傳熱死區(qū)。

目前關(guān)于熱交換器結(jié)垢行為的研究主要集中在結(jié)垢生長以及傳熱機(jī)理方面，而鮮有關(guān)于傳熱性能預(yù)測方面的報(bào)道。除污垢影響外，熱交換器運(yùn)行性能也隨系統(tǒng)流量、熱負(fù)荷和流體溫度的變化而變化，導(dǎo)致熱交換器運(yùn)行特性一般無法達(dá)到設(shè)計(jì)工況性能要求，且呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài)，難以通過現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)判斷熱交換器性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。文中依據(jù)傳熱性能計(jì)算基本原理設(shè)計(jì)傳熱性能預(yù)測算法并編寫軟件，根據(jù)某電站1號熱交換器機(jī)組中的熱交換器冷、熱側(cè)輸入工況參數(shù)，采用該軟件對熱交換器傳熱性能進(jìn)行理論計(jì)算，并與根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算所得傳熱性能數(shù)據(jù)加以對比，從而實(shí)現(xiàn)對熱交換器運(yùn)行狀態(tài)的定性分析。

1 熱交換器傳熱性能預(yù)測算法設(shè)計(jì)

1.1 傳熱性能評價(jià)

板式熱交換器換熱基本原理：

式中，Q 為換熱量，W；h 為傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；A為換熱面積，m2；Δt為換熱溫差，℃。

定義總換熱系數(shù)UA=hA （單位為W/℃），用UA表征熱交換器總體換熱效能。

對用于特定場合的板式熱交換器，按要求其在設(shè)計(jì)工況下的UA值需達(dá)到一定值，以保證可通過單臺(tái)設(shè)冷泵和單列熱交換器運(yùn)行帶走系統(tǒng)熱負(fù)荷。但UA值反映的是特定工況下的換熱特性，其隨系統(tǒng)流量、熱負(fù)荷和流體溫度的變化而變化，因而正常運(yùn)行工況時(shí)的UA值無法達(dá)到該定值，無法通過現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)判斷熱交換器性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

為此，文中通過實(shí)測數(shù)據(jù)擬合板式熱交換器熱工性能計(jì)算公式，然后用設(shè)計(jì)工況進(jìn)行校核。通過調(diào)整污垢系數(shù)使公式計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)工況要求且無余量，此時(shí)采用文中傳熱性能計(jì)算軟件計(jì)算的結(jié)果即對應(yīng)熱交換器最低性能。用該軟件計(jì)算得出的UA值即對應(yīng)各工況下的UA限值，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況的UA值小于軟件計(jì)算得出的UA限值時(shí)，即認(rèn)為熱交換器性能下降，需要進(jìn)行干預(yù)維修。

1.2 算法邏輯

UA值反映的是特定工況下熱交換器的傳熱特性，其隨系統(tǒng)流量及工況參數(shù)的變化而變化。根據(jù)GB/T 27698—2011《熱交換器及傳熱元件性能測試方法》［16］，傳熱系數(shù)的理論計(jì)算值與實(shí)際計(jì)算值偏差在10%以內(nèi)均為合理范圍。根據(jù)該要求，當(dāng)根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)計(jì)算的UA值小于理論計(jì)算UA值的90%時(shí)，則說明熱交換器結(jié)垢程度已超出設(shè)計(jì)余量，即熱交換器因結(jié)垢而導(dǎo)致的性能衰減程度已經(jīng)超過設(shè)計(jì)允許值，需進(jìn)行設(shè)備維護(hù)或者更換。通過循環(huán)計(jì)算，不斷對比實(shí)際測試UA值（含設(shè)計(jì)污垢）與理論計(jì)算UA值（含設(shè)計(jì)污垢），設(shè)定循環(huán)計(jì)算結(jié)束條件，最終完成UA（含設(shè)計(jì)污垢）值校核。

熱交換器傳熱性能預(yù)測評價(jià)算法邏輯見圖1。預(yù)測評價(jià)具體步驟為，①熱交換器在設(shè)計(jì)工況下的UA值設(shè)計(jì)余量為10%以上，通過余量轉(zhuǎn)化確定污垢系數(shù)。②假設(shè)熱交換器的兩側(cè)流量、進(jìn)口溫度已知，設(shè)定冷側(cè)出口溫度，通過熱平衡計(jì)算得到含污垢狀態(tài)下的傳熱系數(shù)、熱負(fù)荷與對數(shù)平均溫差，即可計(jì)算出實(shí)際傳熱系數(shù)。③對比實(shí)際測試UA值與理論計(jì)算UA值，若不相等，則繼續(xù)修正冷側(cè)出口溫度，直到二者相等，說明熱交換器結(jié)垢情況已達(dá)設(shè)計(jì)臨界點(diǎn)，此時(shí)可計(jì)算出含污垢狀態(tài)下的UA值。

圖1 熱交換器傳熱性能預(yù)測評價(jià)算法邏輯

1.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，傳熱性能計(jì)算軟件共設(shè)置熱平衡、流程與板型設(shè)置及計(jì)算結(jié)果3個(gè)區(qū)域。通過配置板式熱交換器的兩側(cè)流體介質(zhì)、熱平衡輸入量、流程形式、板型和污垢系數(shù)等參數(shù)，依據(jù)板式熱交換器傳熱計(jì)算理論完成校核計(jì)算。

為了實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)性能評價(jià)計(jì)算，必須提高計(jì)算速度。在圖1所示的循環(huán)計(jì)算體中，可將迭代計(jì)算精度設(shè)置為6級，精度由低到高為2℃、1℃、0.5℃、0.1℃、0.01℃、0.001℃，如果 2個(gè)傳熱系數(shù)值的大小關(guān)系發(fā)生變化，則向上增加一級精度，反向調(diào)整冷側(cè)進(jìn)口溫度進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直到完成性能評價(jià)。

1.4 軟件驗(yàn)證

應(yīng)用上述傳熱性能計(jì)算軟件中采用的準(zhǔn)式方程對某電站1號熱交換器機(jī)組中2臺(tái)板式熱交換器HX-A和HX-B的熱試工況進(jìn)行校核計(jì)算?，F(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)包括熱交換器兩側(cè)熱負(fù)荷 （兩側(cè)熱負(fù)荷偏差在5%以內(nèi)）以及冷、熱側(cè)進(jìn)口溫度，用軟件采用的準(zhǔn)式方程計(jì)算冷、熱側(cè)出口溫度，并根據(jù)計(jì)算得到的出口溫度計(jì)算出該工況下熱交換器的UA值。將理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1。從表1可以看出，UA值偏差均在10%以內(nèi)，故可以認(rèn)為本軟件使用的準(zhǔn)式方程是可信的。

2 板式熱交換器傳熱性能預(yù)測算法應(yīng)用分析

采用傳熱性能計(jì)算軟件，對某型號板式熱交換器性能進(jìn)行了理論計(jì)算并與實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算值進(jìn)行對比。實(shí)測數(shù)據(jù)是根據(jù)板式熱交換器現(xiàn)場全年運(yùn)行海水溫度的變化數(shù)據(jù)，在最低溫度到最高溫度范圍內(nèi)選取18個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行核算得到的，其中工況18為設(shè)計(jì)工況。另外，對比分析中考慮了管路、測點(diǎn)以及設(shè)備精度等問題：①工況1～工況10對應(yīng)熱側(cè)流量為總流量，但管路存在旁路，實(shí)際進(jìn)入熱交換器的流量會(huì)減少。②冷側(cè)入口測溫點(diǎn)距離熱交換器入口段較遠(yuǎn)，與前期熱試數(shù)據(jù)對比，此溫度值比實(shí)際進(jìn)入熱交換器的溫度值偏高。因此在后續(xù)計(jì)算中對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理修正。板式熱交換器的軟件修正UA值與實(shí)測UA值對比見表2。需要說明的是，UA限值是指表2中軟件修正UA值下浮10%。表2中的UA值偏差=（實(shí)測UA值-軟件修正UA值）/實(shí)測UA值，若此數(shù)值低于-10%，則表明實(shí)測UA值小于理論計(jì)算UA值的90%，換熱設(shè)備需要進(jìn)行維修干預(yù)。

表2 板式熱交換器的軟件修正UA值與實(shí)測UA值對比

鑒于實(shí)際測量過程中儀表等不可避免存在誤差，按照《某板式熱交換器換熱性能評估》中確定的驗(yàn)收要求，軟件計(jì)算UA值與現(xiàn)場實(shí)測UA值偏差小于10%可接受。因此，為避免數(shù)據(jù)誤差影響，將軟件計(jì)算得到UA值下浮10%作為對應(yīng)工況的UA限值。如果現(xiàn)場實(shí)測UA數(shù)值低于該UA限值，則說明板片污垢系數(shù)過大，需要進(jìn)行維修干預(yù)。不同工況下板式熱交換器的軟件計(jì)算UA值與實(shí)測UA值對比見圖2。

圖2 不同工況下板式熱交換器軟件修正UA值與實(shí)測UA值對比

從表2和圖2的數(shù)據(jù)可以看出，工況1～工況4的實(shí)測UA值低于軟件計(jì)算的UA值。而實(shí)際上工況1～工況4海水側(cè)溫度低且開有旁流，即使冷側(cè)對應(yīng)設(shè)計(jì)工況最高溫度，熱交換器換熱余量仍較大，因此工況1～工況4的UA值偏差主要是由于實(shí)測數(shù)據(jù)修正后存在一定偏差導(dǎo)致。

對熱側(cè)開有旁流的工況1～工況10進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算。熱側(cè)采用工況1～工況10實(shí)測的海水入口溫度、流量值，冷側(cè)采用設(shè)計(jì)工況的溫度、流量值，計(jì)算分析的結(jié)果見圖3。從圖3看出，在冷側(cè)設(shè)計(jì)工況參數(shù)下，熱交換器仍有較大的溫差余量，表明相比于設(shè)計(jì)工況，熱交換器仍有較大的換熱余量。當(dāng)熱交換器的運(yùn)行出現(xiàn)污垢增加，設(shè)備傳熱性能下降時(shí)，可以通過加大海水流量調(diào)節(jié)熱交換器性能，以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 冷側(cè)為設(shè)計(jì)工況參數(shù)且熱側(cè)有旁流時(shí)熱交換器溫差及余量計(jì)算結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，對熱側(cè)滿流量運(yùn)行時(shí)的熱交換器性能進(jìn)行計(jì)算分析，即熱側(cè)采用工況1～工況10對應(yīng)的實(shí)測海水溫度及海水總流量，冷側(cè)采用設(shè)計(jì)工況的溫度、流量值，計(jì)算結(jié)果見圖4。圖4表明，當(dāng)熱側(cè)不開旁流時(shí)，工況1～工況10對應(yīng)的溫差余量超過100%。

圖4 冷側(cè)為設(shè)計(jì)工況參數(shù)且熱側(cè)無旁流時(shí)熱交換器溫差及余量計(jì)算結(jié)果

由此可以看出，通過板式熱交換器的UA值判定可以有效找出設(shè)備的異常狀態(tài)，并判斷設(shè)備的傳熱性能，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種板式熱交換器傳熱特性理論計(jì)算算法并編制了計(jì)算軟件，通過將軟件計(jì)算理論UA值與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算UA值進(jìn)行對比，可以對板式熱交換器運(yùn)行特性進(jìn)行判斷，有效找出異常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。