广东省地方标准《换热压力容器能效测试及评价规范》实施时应注意的问题

黄桂林　陈建勋　杨宁祥

摘要：对广东省地方标准DB 44/T 2000—2017《换热压力容器能效测试及评价规范》实施过程中能效测试流程、测试环境和仪器、现场实施步骤、能效指标计算方法、能效评级规则等方面进行了详细解读，有助于换热压力容器设计人员、设备使用人员和检验人员对标准中所述能效测试方法和测试流程的理解，有利于该标准进一步推广应用，提高换热压力容器节能管理水平。

关键词：热交换器 能效 传热系数 标准

Abstract： The local standard “Energy efficiency test and evaluation specification for heat exchanging pressure vessel” of Guangdong Province was explained in detail in energy efficiency test procedures， test environment， instruments， on-site implementation steps， energy efficiency indexes calculation method and energy efficiency rating rules， etc. This paper is beneficial for the heat exchanger pressure vessel designers， equipments users and inspectors to understand the energy efficiency test method and test procedure described in this standard， and is conducive to further popularization and application of the standard and to improve the energy management level of the heat exchange pressure vessel.

Key words： heat exchanger， energy efficiency， heat transfer coefficient， standard

换热器又称热交换器，其中换热压力容器属于多腔压力容器的一种，是将热流体的部分热量传递给冷流体的一类特殊结构压力容器，其在化工、空调、石油、动力、食品及诸多工业生产过程中占有重要地位。根据冷热流程换热介质和换热效果的不同，换热器通常以冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等形式存在，应用广泛。《中华人民共和国特种设备安全法释义》[1]指出换热压力容器是一类高耗能型特种设备，同时，《中华人民共和国特种设备安全法》第三条也明确规定了特种设备安全工作的“节能环保”原则。

目前，我国在石油、化工、冶金和电力四大行业中共有换热压力容器约30万台，然而换热效率却普遍不到70%，若将上述行业中一半的换热压力容器换热效率在原有基础上提高20%，则每年多回收热量可相当于数千万吨标准煤的能量，具有很大的节能空间和经济价值。国家市场监督管理总局于2019年1月发布了特种设备安全技术规程TSG R0010—2019《热交换器能效测试与评价规则》[2]，该版规程仅規定了在液-液工况状态下的可拆卸板式热交换器、半焊式板式热交换器、钎焊板式热交换器产品的能效测试与评价，关于其他型式的换热器能效测试和评价过程尚待完善。在锅炉能效测试方面我国已有较完善的体系文件，而同属于高耗能承压设备的换热压力容器在能效测试方面相应的法律法规、标准体系支撑力度尚不足。

广东省特种设备检测研究院珠海检测院依据原广东省质量技术监督局下达的标准起草任务，编制出广东省地方标准DB 44/T 2000—2017《换热压力容器能效测试及评价规范》[3]，该标准自正式实施以来，已在多家单位推广应用。标准起草小组所在单位基于标准中所述换热压力容器能效计算与评价方法研发出换热压力容器在线能效监测系统，可实现能效的在线测试与评估，并开发出对应的能效离线计算软件，可实现标准中相关数据自动计算[4-5]。为使该标准及相应成果更好地应用于企业，本文对标准实施过程中应注意的一些问题做了进一步分析和总结。

1 确定标准适用范围

该地方标准适用于TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[6]规定范围内的在用管壳式换热压力容器、蛇管式换热压力容器、套管式换热压力容器的能效测试和评价。具体包括如下几类：管壳式无相变换热压力容器、管壳式蒸发器、管壳式冷凝器、蛇管式无相变换热压力容器、蛇管式蒸发器、蛇管式冷凝器、套管式无相变换热压力容器和套管式冷凝器。其余类型热交换器，如直接火焰加热型热交换器、板式热交换器、空调行业中另有国家标准或行业标准规定的热交换器等不适用于本标准。标准中涉及的相关术语符合GB/T 26929—2011《压力容器术语》[7]的界定范围。

2 明确能效测试流程

由于工业现场不同换热器结构和尺寸存在差异，测试机构应在实施能效测试前根据具体的测试任务和要求收集相关资料，并由具有相应测试经验和专业知识的检验人员编制测试大纲。为保证测试工作的完备性和可追溯性，测试大纲应记录测试任务、目的、测试项目、测点位置与所需仪器仪表、测试进度安排等信息。

测试人员在完成现场测试用仪器准备、与设备使用方沟通安排时间等工作后，需通过压力容器铭牌、设计资料、使用登记证等资料中采集换热压力容器基本参数，如换热压力容器结构尺寸参数和冷热流程介质参数。随后在冷热流程进出口处布置测试点、进行现场数据记录，数据经分析后计算得出能效特征参数，随后进行能效评级并编制测试报告。

3 确认现场测试环境

为确保测试过程安全和测试结果可靠性，所有测试应在下述正常环境和条件下进行：环境温度应在0℃～60℃范围内，相对湿度不大于9%;换热压力容器在额定或运行工况（不低于额定负荷的 75%）参数下处于安全、工况稳定的正常运行状态;换热压力容器不存在跑、冒、滴、漏现象。

4 选用合适的仪器

所用仪器包括流量测量仪器、温度测量仪器和压力测量仪器，确保仪器电量充足、外观完好，检定或校准合格且在有效期内。针对换热器冷热流程中不同物理状态的介质可选用不同类型流量计。水等其他液体介质可采用超声流量计、涡轮流量计和电磁流量计等，蒸汽流量监测可采用涡街流量计，而对于一般气体流量测试可采用超声流量计、涡轮流量计或涡街流量计。此外，也应注意仪器的精度要求。换热器冷热流程温度测试应选用精度不低于0.5级或分度值可达到0.1℃的测温仪表，如热电偶、铂电阻或红外测温仪等。相对于介质温度来说，介质压力对流体热流量影响较小，所用压力表精度应不低于1.5级，可采用指针式压力表直接读数或通过电子式压力传感器获取压力数据。如果需要从换热压力容器本身自带仪表中获取测试温度、压力或流量数据，其仪表也应满足上述精度要求。

5注意数据的可靠性

应按测试大纲中测点布置图的要求安装流量、温度、压力测试仪器或仪表。本标准5.3.2规定数据获取方法为“不同的测试项目，分别依据仪器、仪表技术规范或使用说明书要求按点位进行不少于6组测试。在额定或运行工况（不低于额定负荷的75%）参数下稳定运行1 h后进行，每隔10 min～15 min读数记录一次，间隔时间应一致”。对于测试数据组数的要求，以及对于运行负荷和稳定运行时间的要求，目的都在于保证数据的可靠性，形成统计规律，避免换热压力容器运行时介质物性参数波动、设备开机或参数改变后运行尚未达到稳定状态等因素对能效测试结果的影响。根据现场换热器测试环境的不同，数据的记录过程可采用每间隔一定时间读数的数据记录方法，亦可通过专用监测系统记录，如采用笔者所在单位开发的换热压力容器能效监测系统进行自动连续记录，同步记录流量、温度和压力数据的采样周期可达每秒1次。

需根据热平衡相对误差判断测试数据是否稳定可信，热平衡相对误差小于8%的数据应不少于有效数据总数的一半，热平衡相对误差小于10%的数据应不少于有效数据总数的80%，为形成统计规律，有效采集数据总数一般不少于6组。例如，已获取10组有效数据，则热平衡相对误差小于8%的数据应不少于5组，热平衡相对误差小于10%的数据至少应有8组。

6 选择合适的计算参数

结合换热压力容器结构参数，根据现场记录的换热压力容器冷热流体各自进出口端的温度、压力以及冷热流程中流量数据进行能效参数计算。能效参数包括压力差和传热系数，压力差为换热压力容器冷热流体进口与出口之间的压力变化量，傳热系数为稳定传热条件下，冷热流体间温度相差1℃时，通过单位传热面积、单位时间所传递的热量。计算传热系数前需根据传热公式分别计算出热流体热流量和冷流体热流量，对于无相变换热压力容器，热流量可根据体积流量、定压比热容、密度和温差数据计算出，冷凝器或蒸发器的蒸汽测热流量可根据体积流量、密度和气化潜热计算。由于介质的密度、定压比热容等物性参数会随温度和压力的变化而改变，故计算时不能简单地采用标准状况下物性参数数据，计算热流量前应根据温度、压力为变量的二维表进行物性参数的查询或插值计算。根据流体的雷诺数判断流体类型，对于雷诺数小于或等于2000的层流介质，查表所用温度数据为该流程进出口端温度平均值，对于雷诺数大于2000的过渡流或湍流介质，该温度为0.4倍流程热端温度与0.6倍流程冷端温度的和。

在数据满足上述比例要求前提下才可根据热流量、传热面积和有效平均温差计算传热系数，其中，传热面积应按照GB/T 151—2014《热交换器》[8]中的说明进行计算，有效平均温差可用对数平均温差表示。

7 进行能效评级与原因分析

根据计算出的压力差和传热系数进行能效状况的分析与评价。能效评价等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三个级别。不低于传热系数基准值上限的换热压力容器的能效级别评为Ⅰ级，高于或等于基准数值下限但低于上限的换热压力容器的能效级别评为Ⅱ级，低于传热系数基准值下限的换热压力容器的能效级别评为Ⅲ级。换热压力容器首次进行能效测试时，以设计时的传热系数基准值作为参考值;再次进行能效测试时，以首次能效测试的结果作为参考值。由于结垢堵塞等原因，若传热系数与参考值相比明显减小超过10%或者压力差与参考值相比明显增大超过10%时，应进行原因分析，可采取开罐检修、改变运行参数等措施提高设备的换热效率。

8 结语

本标准主要涉及“管式”换热压力容器的能效测试及评价规范，也可为其他相关能量交换设备能效评价提供参考。根据该标准推广实施过程中遇到的问题，对其进行分析与总结，有利于提高高耗能压力容器节能管理水平，进一步发挥标准化促进检验检测的重要作用，推动特种设备节能环保事业发展。

参考文献

[1] 阚珂， 蒲长城， 刘平均. 中华人民共和国特种设备安全法释义[M]. 北京：中国法制出版社， 2013. （2019-1-15）[2019-12-23].http：//www.gkml.samr.gov.cn/nsjg/bgt/201902/w020190216629892180222.pdf.

[3] 广东省质量技术监督局. 换热压力容器能效测试及评价规则：DB 44/T 2000—2017[S/OL].（2018-1-26）[2019-12-23].http：//std.sacinfo.org.cn/gnocDb/queryInfo？id=E4ACOEBEFF4A89E54A56122EE2047557.

[4] 陈建勋，贾晓东，高建明，等.基于多传感器检测的换热压力容器运行状况在线诊断系统[J].工业仪表与自动化装置，2019（04）：7-11.

[5] 贾晓东，陈建勋，高建明，等.基于传热系数的管壳式换热器在线能效监测技术[J].石油和化工设备，2019，22（8）：85-88.

[6] 国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局. 固定式压力容器安全技术监察规程. TSG 21—2016[Z/OL].（2016-2-22）[2019-12-23].http：//www.samr.gov.cn/tzsbj/tzgg/zjwh/201603/t20160301_283551.html.

[7] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. 压力容器术语：GB/T 26929—2011[S]. 北京：中国标准出版社， 2011.

[8] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. 热交换器：GB/T 151—2014[S]. 北京：中国标准出版社， 2015.