Kalkulator sprawności podgrzewacza powietrza

Sprawność APH wygląda na ekranie jak jeden procent; w terenie nie czyta się jej w ten sposób. Jeśli temperatura wejściowa gazu, temperatura wyjściowa gazu, temperatura wejściowa powietrza i temperatura wyjściowa powietrza nie pochodzą z tego samego momentu pracy, otrzymana wartość jest tylko ładnie sformatowanym oszacowaniem. Zwłaszcza gdy w rotary air preheater występuje leakage, temperatura wyjściowa gazu może na pierwszy rzut oka wprowadzać w błąd. Niska temperatura spalin widoczna w DCS daje dobre wrażenie, ale jeśli strona seal przepuszcza, ta korzyść pozostaje tylko na papierze.

Z jakiej różnicy temperatur pochodzi procent sprawności?

Air preheater to wymiennik ciepła, który zbliża do siebie gorące spaliny i zimne powietrze do spalania. Strona gazowa się ochładza, strona powietrzna się nagrzewa. Zadaniem kalkulatora jest odczytanie tej zmiany temperatury z dwóch różnych kierunków: jako sprawność po stronie gazu albo sprawność po stronie powietrza.

Wspólnym punktem obu metod jest różnica temperatur między wejściami:

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

Jeśli gaz wchodzi do APH przy 340 °C, a powietrze przy 30 °C, dostępna różnica temperatur wynosi 310 K. Tutaj różnica w kelwinach i stopniach Celsjusza daje tę samą wielkość; tyle, ile wynosi 340 - 30, wynosi też 613,15 - 303,15. Kalkulator pokazuje tę różnicę również w wyniku, ponieważ to na niej opiera się procent sprawności.

Dla sprawności po stronie gazu obliczenie ustawia się tak:

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Sprawność po stronie powietrza patrzy natomiast na temperaturę uzyskaną przez powietrze:

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Mimo tego samego mianownika oba wyniki nie muszą być takie same. W większości rzeczywistych danych wręcz takie same nie są. Przepływy gazu i powietrza nie są równe, ciepła właściwe są różne, pomiar leakage nie jest uwzględniony w tym obliczeniu, a rozkład temperatury wewnątrz kanału nie zawsze jest równomierny. Dlatego właściwiej jest traktować sprawność po stronie gazu i po stronie powietrza jako dwa oddzielne odczyty.

Jeśli w notatce inżynierskiej zapisano „sprawność 80%”, obok tej linii trzeba dopisać także metodę. Strona gazowa czy strona powietrzna? Ten sam procent przy innej metodzie może oznaczać coś zupełnie innego.

Obliczenie po stronie gazu: jak bardzo schłodziły się spaliny?

Metoda po stronie gazu mierzy, ile temperatury tracą spaliny przechodzące przez APH. Jeśli wejście gazu wynosi 340 °C, wyjście gazu 150 °C, a wejście powietrza 30 °C, wzór działa tak:

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

Wynik wynosi 61,29%.

To obliczenie daje dość praktyczny pierwszy odczyt dla strony gazowej. Jeśli APH jest zabrudzony, powierzchnie basket są wypełnione osadami, działanie sootblower osłabło albo po stronie cold-end zaczęło się zatykanie, temperatura wyjściowa gazu pozostaje wysoka. Gaz nie ochładza się wystarczająco. Licznik we wzorze maleje, a sprawność spada.

Nie należy jednak patrzeć na temperaturę wyjściową gazu zbyt romantycznie. W rotary APH, jeśli powietrze przechodzi ze strony powietrznej na stronę gazową, zmierzone wyjście gazu wygląda na zimne. Może to zostać odebrane tak, jakby rzeczywisty transfer ciepła wzrósł. Niska wartość na ekranie DCS dobrze wygląda w raporcie; później, gdy na stole pojawia się pomiar leakage, zaufanie do tej samej wartości nie jest już tak duże.

Ten kalkulator nie wykonuje korekty leakage. Nie generuje też temperatury wyjściowej gazu no-leakage. Jeśli masz surową temperaturę wyjściową gazu, sprawność po stronie gazu również jest obliczana z surowych danych temperaturowych. Tak właśnie trzeba to zapisać. W przeciwnym razie procent wygląda zbyt pewnie.

Sprawność po stronie gazu jest szczególnie przydatna przy śledzeniu tej samej jednostki w czasie. Wczoraj, w zeszłym tygodniu, przed konserwacją, po konserwacji. Aby porównanie miało sens, punkt obciążenia powinien być jednak podobny. Jeśli zmieniło się paliwo, przesunął się nadmiar powietrza albo przepustnica wentylatora została w innej pozycji, trudno jest położyć obok siebie dwie sprawności i wydać osąd. W Excelu dwa wiersze ustawiają się równo; w eksploatacji już nie.

Niech kolejny przykład będzie bardziej realistyczny: wejście gazu 346,7 °C, wyjście gazu 158,4 °C, wejście powietrza 32,1 °C. Sprawność po stronie gazu wynosi około 59,85%. Nie ma tu porządku zaokrąglonych przykładów. W terenie zwykle też go nie ma.

Obliczenie po stronie powietrza: do jakiej temperatury nagrzało się powietrze do spalania?

Metoda po stronie powietrza sprawdza, o ile APH podnosi temperaturę powietrza do spalania. Jeśli obliczenie wykonuje się dla wejścia gazu 340 °C, wejścia powietrza 30 °C i wyjścia powietrza 280 °C:

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

Wynik wynosi 80,65%.

W tym samym zestawie temperatur strona gazowa dała 61,29%, a strona powietrzna 80,65%. Samo w sobie nie jest to oznaką awarii. Spadek temperatury po stronie gazu wynosi 190 °C, wzrost temperatury po stronie powietrza 250 °C. Ponieważ przepływ i \(C_p\) nie wchodzą do obliczenia, odczytywanie tych dwóch procentów jako bilansu energii byłoby błędne.

Sprawność po stronie powietrza mówi bardziej bezpośrednio do kogoś, kogo interesuje temperatura powietrza idącego do palnika. Jeśli temperatura wyjściowa powietrza jest niska, może to być stan wymagający śledzenia po stronie spalania pod kątem paliwa, stabilności płomienia lub sprawności kotła. Ale tutaj także znaczenie ma położenie czujnika. W dużych kanałach powietrznych mieszanie nie zawsze jest jednorodne. Temperatura zmierzona w jednym punkcie może nie reprezentować całego kanału.

Temperatura wejściowa powietrza zależy od pory roku. Powietrze wchodzące zimą przy 5 °C i powietrze wchodzące latem przy 35 °C mogą w tym samym APH dawać różne procenty. Dlatego przy porównaniach między miesiącami trzeba zapytać: „wejście powietrza się zmieniło, ale czy sprawność pozostała taka sama?” Niektóre raporty pomijają to rozróżnienie. Potem nie wiadomo, dlaczego wartości się poruszyły.

W obliczeniu po stronie powietrza temperatura wyjściowa gazu nie występuje we wzorze. Mimo to obserwuje się ją kątem oka. Jeśli wyjście powietrza wygląda dobrze, a wyjście gazu jest również nietypowo niskie, podejrzenie leakage nie znika ze stołu. To, że powietrze dobrze się nagrzało, nie oznacza, że historia po stronie gazu jest zakończona.

Gdzie najczęściej pojawiają się błędy w danych wejściowych?

W kalkulatorze są cztery pola temperatury: wejście gazu, wyjście gazu, wejście powietrza, wyjście powietrza. Jest też wybór metody. Gdy wybrana jest strona gazowa, używane są wartości wejścia gazu, wyjścia gazu i wejścia powietrza. Gdy wybrana jest strona powietrzna, na pierwszy plan wychodzą wejście gazu, wejście powietrza i wyjście powietrza. Różnica temperatur w każdym przypadku pochodzi z różnicy między wejściem gazu a wejściem powietrza.

Jednostką może być °C, °F albo K. Jeśli konwersja jest poprawna, procent się nie zmienia. Błąd częściej tkwi w samej wartości: na przykład wpisanie 340 K zamiast 340 °C. 340 K to około 66,85 °C. Kalkulator nie może odczytać intencji użytkownika; bierze liczbę, wykonuje obliczenie i podaje wynik. Potem w raporcie pojawia się dziwny procent.

Czas pomiaru jest tak samo kłopotliwy jak jednostka. Jeśli wejście gazu to średnia z 10:00, wyjście powietrza to wartość chwilowa z 10:30, a wyjście gazu zostało pobrane podczas spadku obciążenia, obliczenie wygląda poprawnie, ale dane nie opowiadają tej samej historii. Przy stabilnym obciążeniu średnia z 15-30 minut wygląda lepiej dla większości praktycznych kontroli. Krótsze interwały czasem wystarczają, zwłaszcza przy szybkiej kontroli zmianowej. Dla raportu wydajności potrzeba trochę więcej cierpliwości.

Należy również odnotować rozmieszczenie czujników. Jeśli profil temperatury na wejściu APH nie jest równomierny, jedna sonda może nie wystarczyć. Jeśli na wyjściu gazu występuje stratification, wartość pobrana z jednego narożnika nie reprezentuje całego przekroju. Na wyjściu powietrza występuje podobny problem; jedna strona kanału może być cieplejsza, druga chłodniejsza. Wzór o tym nie wie.

Czasami to, co nazywamy błędem obliczeniowym, jest w rzeczywistości błędem układu pomiarowego.

Ten procent nie jest bilansem energii

Trzeba powiedzieć to jasno i bez nadmiernego wydłużania: ten kalkulator nie używa przepływu ani ciepła właściwego. Wyznacza tylko sprawność po stronie gazu lub powietrza z różnic temperatur. Brak X-ratio. Brak korekty leakage. Brak temperatury no-leakage.

Nie oznacza to, że obliczenie jest bezużyteczne; taki jest jego zakres.

Jeśli ma zostać obliczona moc cieplna, potrzebne są przepływ i \(C_p\). Po stronie powietrza przybliżony zysk ciepła znajduje się tak:

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

Po stronie gazu wykonuje się podobny odczyt:

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

Te dwa obliczenia nie są tym samym co sprawność temperaturowa. Sprawność po stronie powietrza może wynieść 80%, a sprawność po stronie gazu 61%; bez znajomości przepływów nie wyciąga się stąd wniosku, że „energia zniknęła” albo „obliczenie jest błędne”. Bilansu energii nie da się zbudować, dopóki do tabeli nie trafią przepływ powietrza, przepływ gazu, ciepła właściwe i informacja o leakage.

W kotle węglowym założenie dla gazowego \(C_p\) zachowuje się inaczej, w gazie ziemnym inaczej, a w biomasie jeszcze inaczej. Współczynnik nadmiaru powietrza, wilgoć, skład paliwa, obciążenie; wszystko to wpływa na stronę gazową. To, co robi ten kalkulator, jest węższe: daje szybki procent sprawności APH na podstawie różnicy temperatur.

Jak czytać wynik w terenie

Niska sprawność od razu przywodzi na myśl zabrudzenie. Powierzchnie basket mogą być zapełnione, układ sootblower może działać słabo, mógł nadejść czas mycia APH albo po stronie cold-end zaczęło się zatykanie. To realne możliwości. Mimo to bezpośrednie otwieranie zlecenia konserwacji po spadku sprawności byłoby pochopne.

Jeśli temperatura wejściowa gazu wyszła niska, zmienia się mianownik. Jeśli przepływ powietrza wzrósł, wyjście powietrza spada. Jeśli leakage wzrosło, wyjście gazu może wyglądać dziwnie dobrze. Jeśli pressure drop wzrósł, podejrzenie zabrudzenia się wzmacnia. Do tego samego procentu można dojść różnymi drogami; to właśnie niepokojąca strona obliczenia APH.

Wysoka sprawność również sama w sobie nie jest certyfikatem sukcesu. Czujnik wyjścia powietrza może czytać za wysoko. Sonda wejścia gazu mogła trafić w gorącą strefę. Czas uśredniania mógł być za krótki. Wartość, która wygląda jasno na DCS, w terenie bywa produktem słabego układu pomiarowego.

Jeśli ma być wykonane porównanie z wartością projektową lub odbiorową, można dodatkowo użyć obliczenia odchyłki:

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

Jeśli bieżąca sprawność po stronie gazu wynosi 61,29%, a odniesienie projektowe 65%, odchyłka wynosi około -5,71%. Ta linia może trafić do raportu. Jeśli obok nie zapisano obciążenia, paliwa, nadmiaru powietrza i przedziału pomiarowego, nie będzie zbyt przekonująca.

Gdybym ja pisał raport, zamiast długiego wyjaśnienia wstawiłbym kilka twardych danych: metodę, cztery temperatury, obciążenie, pressure drop i ewentualną notatkę o leakage. Sześć linii często przydaje się bardziej niż dwa akapity. Zwłaszcza na spotkaniu utrzymania ruchu nikt nie czyta długich, ozdobnych zdań; patrzy się na to, skąd wzięła się wartość.

Krótka uwaga przy używaniu narzędzia

Zacznij od wyboru metody. Jeśli potrzebna jest sprawność po stronie gazu, skup się na temperaturze wejścia gazu, wyjścia gazu i wejścia powietrza. Przy sprawności po stronie powietrza obliczenie niosą wejście gazu, wejście powietrza i wyjście powietrza. Czwarta temperatura nadal pozostaje na ekranie; przydaje się w interpretacji.

340 °C wejścia gazu, 150 °C wyjścia gazu i 30 °C wejścia powietrza daje po stronie gazu 61,29%. Przy tych samych wartościach wejścia gazu i wejścia powietrza, jeśli wyjście powietrza zostanie wpisane jako 280 °C, strona powietrzna daje 80,65%. Te dwa obliczenia testowe wystarczają, aby sprawdzić logikę różnicy temperatur narzędzia.

Jeśli dane mają być wprowadzane w innej jednostce, najpierw sprawdź wybór jednostki. Jeśli °F pomiesza się z °C, wynik mocno odjedzie. Przy używaniu kelwinów również trzeba upewnić się, że wartości bezwzględne są wpisane poprawnie; wpisywanie danych bez konwersji tylko dlatego, że „K wygląda bardziej technicznie”, nie jest dobrym pomysłem.

Ostatnią linię uczciwiej zostawić tak: nie czytaj uzyskanego procentu samodzielnie, lecz razem z trendami w tym samym punkcie obciążenia. Jeśli temperatura wyjściowa gazu, temperatura wyjściowa powietrza i pressure drop mówią w tym samym kierunku, obliczenie jest użyteczne. Jeśli jedno z nich idzie gdzie indziej, najpierw pogrzeb po stronie pomiaru.