换热性能测试平台的改造

崔云龙 张中清 彭小敏

(合肥通用机械研究院，合肥 230031)

换热性能测试平台的改造

崔云龙 张中清 彭小敏

(合肥通用机械研究院，合肥 230031)

对换热性能测试工艺的温度、流量和液位控制方式的创新进行详细说明，同时对测试平台组态软件系统的设计思路予以阐述。改造后的换热性能测试平台工作稳定且自动化程度高，满足了日常换热设备检测工作和科研任务对工况、精度的要求。

换热性能测试 温度 流量 液位控制方式 组态软件

为了满足工艺流程中热量变换和节能减排的需求，换热器广泛应用于石油、化工及医药等领域。而随着工业水平的发展，换热器的类型、结构和材料在不断创新，对其传热和阻力性能的要求也不断提高。工况流量大、温度范围广，使得与之配套的热工测试平台的测试性能面临严峻挑战，部分老式测试平台已经无法满足现今换热器检验工作的工况和精度要求。近几年，合肥通用机械研究院先后在四平、兰州等地搭建热工性能测试平台，在积累并吸收丰富经验的同时，技术水平也得到了提升。

原有换热性能测试平台受技术水平限制，流量控制单纯依靠出口节流，温控方式单一且不可调控，数据采集依靠人工记录，同近几年承建的同类测试平台有不小差距。此次换热性能测试平台的改造工作主要集中于工艺方案、设备仪表和自动控制方面，目的是提高平台的试验性能和自动化水平，在流量和温度方面扩大换热元件检测覆盖范围，满足换热器生产厂家委托检验工作的工况要求，同时为换热器产品的研制、开发提供必要的技术支撑[1，2]。

1 工艺流程的创新①

本套换热性能测试平台的主要工作是根据《换热器热工性能和流体阻力特性通用测定方法》等相关标准的要求，测试换热器在要求工况下的热/冷两侧进出口压力、温度及流量等参数。根据所测参数计算换热器的冷/热两侧介质的换热量、热平衡误差、压降及总传热系数等的值，拟合出总传热系数与流速的关系曲线、压降与流速的关系曲线，并求解冷/热两侧努塞尔数与雷诺数、欧拉数与雷诺数的准则方程以及定性温度和流速下的总传热系数值和两侧压降值[3，4]。

针对原液-液换热性能测试平台存在的问题，本次改造在工艺流程上实现了多处创新，如图1所示，测试平台的主要设备、仪表配置有冷/热源介质容器、加热装置、冷却塔、变频泵、过滤器、三通调节阀、二通调节阀、液位计、流量计、进出口温度计及压力变送器等，分别组成冷/热侧循环测定系统。

1.1温度控制

原测试平台热源温度高于工况要求温度后，只能等待自然冷却或由冷侧带走热量，浪费能量同时也延长了试验周期。本次改造的创新在于引入了三通合流调节阀，能够快捷地实现对换热元件进口温度的控制。改造后的测试平台通过温度传感器测量热交换器进口介质的温度，如果温度高于工况要求，热侧经换热冷却后低温介质沿调节管路返回三通阀组，与热源容器出口介质混合，通过调节三通阀的开度控制混合后的介质温度达到工况要求的温度；该部分调节管路组成闭环反馈调节回路。此处工艺的改进，节约了试验时间、减少了能量浪费[5]。

同时，针对原测试过程中因不断返回的换热后温度较低介质而导致的热源容器内介质温度逐渐降低的现象，本次改造在控制介质容器容量大小的同时，将热侧实时计算换热量值反馈到PLC，

图1 改造后的换热性能测试平台工艺流程

通过控制管道电加热器变频工作，补偿试验过程中管路循环损失的热量，实现了热源介质容器内介质温度的恒定。本测试平台共配置了3组电加热器，一组功率可调，两组固定。在试验开始前的热侧介质预热阶段，可以通过PID控制电加热器的功率，实现对热源介质容器初始温度的控制，同时配合现场用电需求，避免用电功率过大导致的跳闸问题。

冷侧介质温度控制在三通阀的使用上，同热侧控制方法类似，换热后返回介质通过冷却塔与空气换热，自然冷却降低返回介质的温度；也可以采用风机变频和强制对流，实现对返回介质温度的精准控制，从而保证冷侧介质容器出口工况的稳定。

1.2流量控制

测试平台主要依靠调节泵的工作点来满足不同测试工况的流量要求。原有换热性能测试平台的流量控制主要通过出口节流、手动调节阀门开度、改变管路特性来控制流量。改造后的测试平台通过流量计读取热侧、冷侧介质流量，以PLC的PID调节单元、变频器和泵组成闭环反馈调节回路，实现对流量的控制。针对不同的流量测试要求，采用泵变频调节控制流量；同时采用分级方式测量，通过选择不同管径的分支管路，各分支管路配置不同量程的流量计，实现对流量的精准计量。改造后测试平台能够满足大部分工况对流量的要求。

然而泵变频也有工作范围，在频率过低的情况下，泵出口流量过低，可能出现振动噪声增大、内聚热增大和泵体发热的情况，影响泵的使用寿命。因此在泵变频调节的基础上，测试平台又设计了旁路调节，由泵出口至分支管路入口之间管段接出旁通管路，当变频泵达到极限无法满足更小流量的要求时，通过开启旁通管路上的球阀，使部分介质直接从旁通管路返回介质容器，从而减小分支管路中介质的流量。

1.3液位控制

介质容器内介质的液位对于维护测试工况的稳定起着重要作用。液位过低可能导致在试验过程中容器内介质温度快速偏离要求工况温度点，致使试验无法继续，影响试验进度；而且液位过低使泵入口能头减小，增大了泵汽蚀的可能性，严重时可能导致出现泵空转、电加热器干烧等问题。液位过高使得热源介质预热时间加长，同时造成能量的浪费。

本次改造中，在考虑现场条件后，选取较合适的初始液位，在工况稳定性和耗时之间达到平衡，并且设计有自动补液功能，当介质液位低于设定低位值时开启自动补液，若液位低于设定最低液位则强制停止测试平台工作，当液位达到设定高位值时停止自动补液。

2 软件系统

相较于原测试平台依靠测试人员手动调节控制的状况，改造后换热性能测试平台通过组态软件实现自动控制功能，通过传感器测量被试系统进出口温度、压力、介质容器内温度及液位等参数，利用数据采集器集中采集模拟量信号，并基于Modbus通信协议与计算机进行实时通信[6，7]。

2.1系统主画面和调节界面

本测试系统采用KingVIEW6.53作为计算机数据采集和控制软件，主要实现测试平台数据的实时监控与处理、人机控制、处理并保存测试数据、完成对报表要求数据的计算。通过在软件主画面上操作阀门的启闭，泵、电加热、蒸汽和冷却塔风机的开关及频率调节等选项，即可实现对测试平台的控制。软件系统的应用显著提高了测试效率和测试平台的自动化程度。

本测试平台对于流量和温度的调节支持手动调节和自动调节，如图2所示(PV值即当前测量参数值，SV值为控制目标给定值)。手动调节时系统按照给定的数值输出；自动调节时采用控制平稳、高精度的PID调节技术，调节回路内嵌在PLC中。比如：流速要求达到0.20m/s，即SV区域栏中输入0.20，在自动调节模式下，输出将根据PID计算结果自动变化，最终使PV值逼近SV值。

图2 参数调节界面

2.2系统安全保护

在系统中通过软件后台设置设备和仪表间的互锁，实现对系统的安全保护，尽可能避免人员误操作。如本测试平台中为防止人员误操作，需手动输入登录密码后方可进行操作，并且在设定时间到达后系统自动锁定，需要操作人员重新登录；为了避免电加热器发生干烧事故，设置只有电加热器循环管路上的泵、阀开启后，电加热器方可启动，同时在结束时电加热器停止工作2min后，相应管路上的泵、阀才能关闭；当测点出现故障或接线断开时，主画面相应测点名称会闪烁、报警提醒；针对紧急突发情况，PLC控制柜配有急停按钮，及时断电以保证设备和人员的安全。

3 结束语

改造后的换热性能测试平台经过设计、安装和调试后，目前已投入使用。平台运行状态稳定，测试结果精准，整个测试过程自动化程度有了质的飞跃，实现了对流量和温度的手动、自动调节和试验数据的自动采集、处理功能，降低了对操作人员的要求，同时还节约了时间成本。本次改造工程在现有技术、场地和投资的基础上，完成了测试平台的改造工作，在提高了测试平台测试性能的同时争取覆盖最大的检测范围，满足了日常换热设备检测工作和新产品研发设计对工况和精度的双重要求。

[1] 张明艳.换热器性能测试系统的设计与开发[D].兰州:兰州理工大学,2006.

[2] 朱云鹏.换热元件试验系统改造[D].大连:大连理工大学,2005.

[3] JB/T 10379-2002,换热器热工性能和流体阻力特性通用测定方法[S].北京:机械工业出版社,2002.

[4] GB/T 27698-2011,热交换器及传热元件性能测试方法[S].北京:中国标准出版社,2011.

[5] 张中清,陈永东.液-液换热器热工性能及流体阻力测试装置[P].中国:201110059514.0,2011-09-07.

[6] 卢福宁,庞海锋,蒙艳玫,等.基于组态软件的换热器性能测试平台[J].实验室研究与探索,2012,31(2):19～21.

[7] 李娜,王晓荣.基于LabVIEW的风洞试验控制系统设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(9):1122～1124.

TH89

B

1000-3932(2016)10-1101-04

2015-12-18(修改稿)