換熱性能測試平臺的改造

崔云龍 張中清 彭小敏

(合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230031)

換熱性能測試平臺的改造

崔云龍 張中清 彭小敏

(合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230031)

對換熱性能測試工藝的溫度、流量和液位控制方式的創(chuàng)新進(jìn)行詳細(xì)說明，同時對測試平臺組態(tài)軟件系統(tǒng)的設(shè)計思路予以闡述。改造后的換熱性能測試平臺工作穩(wěn)定且自動化程度高，滿足了日常換熱設(shè)備檢測工作和科研任務(wù)對工況、精度的要求。

換熱性能測試 溫度 流量 液位控制方式 組態(tài)軟件

為了滿足工藝流程中熱量變換和節(jié)能減排的需求，換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域。而隨著工業(yè)水平的發(fā)展，換熱器的類型、結(jié)構(gòu)和材料在不斷創(chuàng)新，對其傳熱和阻力性能的要求也不斷提高。工況流量大、溫度范圍廣，使得與之配套的熱工測試平臺的測試性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，部分老式測試平臺已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今換熱器檢驗(yàn)工作的工況和精度要求。近幾年，合肥通用機(jī)械研究院先后在四平、蘭州等地搭建熱工性能測試平臺，在積累并吸收豐富經(jīng)驗(yàn)的同時，技術(shù)水平也得到了提升。

原有換熱性能測試平臺受技術(shù)水平限制，流量控制單純依靠出口節(jié)流，溫控方式單一且不可調(diào)控，數(shù)據(jù)采集依靠人工記錄，同近幾年承建的同類測試平臺有不小差距。此次換熱性能測試平臺的改造工作主要集中于工藝方案、設(shè)備儀表和自動控制方面，目的是提高平臺的試驗(yàn)性能和自動化水平，在流量和溫度方面擴(kuò)大換熱元件檢測覆蓋范圍，滿足換熱器生產(chǎn)廠家委托檢驗(yàn)工作的工況要求，同時為換熱器產(chǎn)品的研制、開發(fā)提供必要的技術(shù)支撐[1，2]。

1 工藝流程的創(chuàng)新①

本套換熱性能測試平臺的主要工作是根據(jù)《換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測定方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，測試換熱器在要求工況下的熱/冷兩側(cè)進(jìn)出口壓力、溫度及流量等參數(shù)。根據(jù)所測參數(shù)計算換熱器的冷/熱兩側(cè)介質(zhì)的換熱量、熱平衡誤差、壓降及總傳熱系數(shù)等的值，擬合出總傳熱系數(shù)與流速的關(guān)系曲線、壓降與流速的關(guān)系曲線，并求解冷/熱兩側(cè)努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)、歐拉數(shù)與雷諾數(shù)的準(zhǔn)則方程以及定性溫度和流速下的總傳熱系數(shù)值和兩側(cè)壓降值[3，4]。

針對原液-液換熱性能測試平臺存在的問題，本次改造在工藝流程上實(shí)現(xiàn)了多處創(chuàng)新，如圖1所示，測試平臺的主要設(shè)備、儀表配置有冷/熱源介質(zhì)容器、加熱裝置、冷卻塔、變頻泵、過濾器、三通調(diào)節(jié)閥、二通調(diào)節(jié)閥、液位計、流量計、進(jìn)出口溫度計及壓力變送器等，分別組成冷/熱側(cè)循環(huán)測定系統(tǒng)。

1.1溫度控制

原測試平臺熱源溫度高于工況要求溫度后，只能等待自然冷卻或由冷側(cè)帶走熱量，浪費(fèi)能量同時也延長了試驗(yàn)周期。本次改造的創(chuàng)新在于引入了三通合流調(diào)節(jié)閥，能夠快捷地實(shí)現(xiàn)對換熱元件進(jìn)口溫度的控制。改造后的測試平臺通過溫度傳感器測量熱交換器進(jìn)口介質(zhì)的溫度，如果溫度高于工況要求，熱側(cè)經(jīng)換熱冷卻后低溫介質(zhì)沿調(diào)節(jié)管路返回三通閥組，與熱源容器出口介質(zhì)混合，通過調(diào)節(jié)三通閥的開度控制混合后的介質(zhì)溫度達(dá)到工況要求的溫度；該部分調(diào)節(jié)管路組成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)回路。此處工藝的改進(jìn)，節(jié)約了試驗(yàn)時間、減少了能量浪費(fèi)[5]。

同時，針對原測試過程中因不斷返回的換熱后溫度較低介質(zhì)而導(dǎo)致的熱源容器內(nèi)介質(zhì)溫度逐漸降低的現(xiàn)象，本次改造在控制介質(zhì)容器容量大小的同時，將熱側(cè)實(shí)時計算換熱量值反饋到PLC，

圖1 改造后的換熱性能測試平臺工藝流程

通過控制管道電加熱器變頻工作，補(bǔ)償試驗(yàn)過程中管路循環(huán)損失的熱量，實(shí)現(xiàn)了熱源介質(zhì)容器內(nèi)介質(zhì)溫度的恒定。本測試平臺共配置了3組電加熱器，一組功率可調(diào)，兩組固定。在試驗(yàn)開始前的熱側(cè)介質(zhì)預(yù)熱階段，可以通過PID控制電加熱器的功率，實(shí)現(xiàn)對熱源介質(zhì)容器初始溫度的控制，同時配合現(xiàn)場用電需求，避免用電功率過大導(dǎo)致的跳閘問題。

冷側(cè)介質(zhì)溫度控制在三通閥的使用上，同熱側(cè)控制方法類似，換熱后返回介質(zhì)通過冷卻塔與空氣換熱，自然冷卻降低返回介質(zhì)的溫度；也可以采用風(fēng)機(jī)變頻和強(qiáng)制對流，實(shí)現(xiàn)對返回介質(zhì)溫度的精準(zhǔn)控制，從而保證冷側(cè)介質(zhì)容器出口工況的穩(wěn)定。

1.2流量控制

測試平臺主要依靠調(diào)節(jié)泵的工作點(diǎn)來滿足不同測試工況的流量要求。原有換熱性能測試平臺的流量控制主要通過出口節(jié)流、手動調(diào)節(jié)閥門開度、改變管路特性來控制流量。改造后的測試平臺通過流量計讀取熱側(cè)、冷側(cè)介質(zhì)流量，以PLC的PID調(diào)節(jié)單元、變頻器和泵組成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)回路，實(shí)現(xiàn)對流量的控制。針對不同的流量測試要求，采用泵變頻調(diào)節(jié)控制流量；同時采用分級方式測量，通過選擇不同管徑的分支管路，各分支管路配置不同量程的流量計，實(shí)現(xiàn)對流量的精準(zhǔn)計量。改造后測試平臺能夠滿足大部分工況對流量的要求。

然而泵變頻也有工作范圍，在頻率過低的情況下，泵出口流量過低，可能出現(xiàn)振動噪聲增大、內(nèi)聚熱增大和泵體發(fā)熱的情況，影響泵的使用壽命。因此在泵變頻調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，測試平臺又設(shè)計了旁路調(diào)節(jié)，由泵出口至分支管路入口之間管段接出旁通管路，當(dāng)變頻泵達(dá)到極限無法滿足更小流量的要求時，通過開啟旁通管路上的球閥，使部分介質(zhì)直接從旁通管路返回介質(zhì)容器，從而減小分支管路中介質(zhì)的流量。

1.3液位控制

介質(zhì)容器內(nèi)介質(zhì)的液位對于維護(hù)測試工況的穩(wěn)定起著重要作用。液位過低可能導(dǎo)致在試驗(yàn)過程中容器內(nèi)介質(zhì)溫度快速偏離要求工況溫度點(diǎn)，致使試驗(yàn)無法繼續(xù)，影響試驗(yàn)進(jìn)度；而且液位過低使泵入口能頭減小，增大了泵汽蝕的可能性，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致出現(xiàn)泵空轉(zhuǎn)、電加熱器干燒等問題。液位過高使得熱源介質(zhì)預(yù)熱時間加長，同時造成能量的浪費(fèi)。

本次改造中，在考慮現(xiàn)場條件后，選取較合適的初始液位，在工況穩(wěn)定性和耗時之間達(dá)到平衡，并且設(shè)計有自動補(bǔ)液功能，當(dāng)介質(zhì)液位低于設(shè)定低位值時開啟自動補(bǔ)液，若液位低于設(shè)定最低液位則強(qiáng)制停止測試平臺工作，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定高位值時停止自動補(bǔ)液。

2 軟件系統(tǒng)

相較于原測試平臺依靠測試人員手動調(diào)節(jié)控制的狀況，改造后換熱性能測試平臺通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)自動控制功能，通過傳感器測量被試系統(tǒng)進(jìn)出口溫度、壓力、介質(zhì)容器內(nèi)溫度及液位等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集器集中采集模擬量信號，并基于Modbus通信協(xié)議與計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時通信[6，7]。

2.1系統(tǒng)主畫面和調(diào)節(jié)界面

本測試系統(tǒng)采用KingVIEW6.53作為計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制軟件，主要實(shí)現(xiàn)測試平臺數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控與處理、人機(jī)控制、處理并保存測試數(shù)據(jù)、完成對報表要求數(shù)據(jù)的計算。通過在軟件主畫面上操作閥門的啟閉，泵、電加熱、蒸汽和冷卻塔風(fēng)機(jī)的開關(guān)及頻率調(diào)節(jié)等選項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)對測試平臺的控制。軟件系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了測試效率和測試平臺的自動化程度。

本測試平臺對于流量和溫度的調(diào)節(jié)支持手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)，如圖2所示(PV值即當(dāng)前測量參數(shù)值，SV值為控制目標(biāo)給定值)。手動調(diào)節(jié)時系統(tǒng)按照給定的數(shù)值輸出；自動調(diào)節(jié)時采用控制平穩(wěn)、高精度的PID調(diào)節(jié)技術(shù)，調(diào)節(jié)回路內(nèi)嵌在PLC中。比如：流速要求達(dá)到0.20m/s，即SV區(qū)域欄中輸入0.20，在自動調(diào)節(jié)模式下，輸出將根據(jù)PID計算結(jié)果自動變化，最終使PV值逼近SV值。

圖2 參數(shù)調(diào)節(jié)界面

2.2系統(tǒng)安全保護(hù)

在系統(tǒng)中通過軟件后臺設(shè)置設(shè)備和儀表間的互鎖，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的安全保護(hù)，盡可能避免人員誤操作。如本測試平臺中為防止人員誤操作，需手動輸入登錄密碼后方可進(jìn)行操作，并且在設(shè)定時間到達(dá)后系統(tǒng)自動鎖定，需要操作人員重新登錄；為了避免電加熱器發(fā)生干燒事故，設(shè)置只有電加熱器循環(huán)管路上的泵、閥開啟后，電加熱器方可啟動，同時在結(jié)束時電加熱器停止工作2min后，相應(yīng)管路上的泵、閥才能關(guān)閉；當(dāng)測點(diǎn)出現(xiàn)故障或接線斷開時，主畫面相應(yīng)測點(diǎn)名稱會閃爍、報警提醒；針對緊急突發(fā)情況，PLC控制柜配有急停按鈕，及時斷電以保證設(shè)備和人員的安全。

3 結(jié)束語

改造后的換熱性能測試平臺經(jīng)過設(shè)計、安裝和調(diào)試后，目前已投入使用。平臺運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，測試結(jié)果精準(zhǔn)，整個測試過程自動化程度有了質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)了對流量和溫度的手動、自動調(diào)節(jié)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動采集、處理功能，降低了對操作人員的要求，同時還節(jié)約了時間成本。本次改造工程在現(xiàn)有技術(shù)、場地和投資的基礎(chǔ)上，完成了測試平臺的改造工作，在提高了測試平臺測試性能的同時爭取覆蓋最大的檢測范圍，滿足了日常換熱設(shè)備檢測工作和新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計對工況和精度的雙重要求。

[1] 張明艷.換熱器性能測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2006.

[2] 朱云鵬.換熱元件試驗(yàn)系統(tǒng)改造[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[3] JB/T 10379-2002,換熱器熱工性能和流體阻力特性通用測定方法[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4] GB/T 27698-2011,熱交換器及傳熱元件性能測試方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[5] 張中清,陳永東.液-液換熱器熱工性能及流體阻力測試裝置[P].中國:201110059514.0,2011-09-07.

[6] 盧福寧,龐海鋒,蒙艷玫,等.基于組態(tài)軟件的換熱器性能測試平臺[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(2):19～21.

[7] 李娜,王曉榮.基于LabVIEW的風(fēng)洞試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2011,38(9):1122～1124.

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1000-3932(2016)10-1101-04

2015-12-18(修改稿)