锅炉热平衡综合实验指导书

一、实验目的

锅炉热平衡试验的目的是测定锅炉的效率及各种热损失。在新锅炉安装结束后的移交验收鉴定试验中、锅炉使用单位对新投产锅炉按设计负荷试运转结束后的运行试验中、改造后的锅炉进行热工技术性能鉴定试验中、大修后的锅炉进行检修质量鉴定和校正设备运行特性的试验中以及运行锅炉由于燃料种类变化等原因进行的燃烧调整试验中，都必须进行热平衡试验。按热平衡试验进行的方式又可分为正平衡及反平衡试验。

通过本实验，学生可以初步掌握锅炉热平衡实验的方法，获得一次较综合的实验技能训练，具体内容包括：

1、了解热平衡实验系统的组成；

2、掌握锅炉给水温度、压力、流量、排烟温度、灰渣质量、灰渣中可燃物含量、烟气成分等的测量方法，通过分析误差原因，学习减小误差的方法；

3、掌握锅炉各项热损失的计算方法； 4、掌握锅炉正、反平衡实验的方法和步骤。

二、实验对象

热平衡综合实验在我校锅炉房进行，该锅炉为供热链条锅炉，其型号为SZL 4.2-0.7 /95/70-AII 2，锅炉的额定参数见表1。

表1 SZL 4.2-0.7 /95/70-AII 2型锅炉额定参数 项目 额定功率 工作压力 炉排有效面积 本体受热面积 排烟温度 锅炉效率 出水温度 回水温度 单位 MW MPa m2 m2 ℃ ％ ℃ ℃ 数值 4.2 0.7 7.23 157.3 190 81.56 95 70 三、实验原理

锅炉热效率测定实验的基本原理就是锅炉在稳定工况下进出热量的平衡。

1、锅炉热平衡

锅炉工作是将燃料释放的热量最大限度的传递给汽水工质，剩余的没有被利用的热量以各种不同的方式损失掉了。在稳定工况下，其进出热量必平衡，可表示如下：

输入锅炉热量＝锅炉利用热量＋各种热损失 锅炉输入热量以Qr(kJ/kg)或100(%)表示。 锅炉热损失包括以下几项： (1) 排烟热损失Q2(kJ/kg)或q2(%)；

(2) 机械未完全燃烧热损失Q4(kJ/kg)或q4(%)。链条炉包括：炉渣机械未完

lzlz全燃烧热损失Q4、q4，飞灰机械未完全燃烧热损失Q4fh、q4fh与漏煤机械未完全lmlm燃烧热损失Q4、q4等三项；

(3) 化学未完全燃烧热损失Q3(kJ/kg)或q3(%)； (4) 锅炉向环境散热热损失Q5(kJ/kg)或q5(%)； (5) 灰渣物理热损失等其他热损失Q6(kJ/kg)或q6(%)。

国家标准GB/T－2587－1981规定：热平衡基准温度建议为环境温度；燃料

y发热量规定用收到基的低位发热量QDW。

根据锅炉热平衡概念，可画出锅炉热平衡图如图1所示。

QrQQQQQ23456

图1 锅炉热平衡图

2、锅炉热效率

锅炉热效率为锅炉利用热量Q1占输入热量Qr的百分数，用gl(%)表示。它可由输入－输出热量法或热损失法通过实验求得。

输入－输出热量法：

gl热损失法：

Q1 100 % （1）

Qr gl＝100－（q2＋q3＋q4＋q5＋q6） % （2）

工业锅炉的测量误差是在额定负荷下两次热效率实验之间的偏差，对于输入－输出热量法不得大于4%，而对于热损失法不得大于6%。锅炉热效率按两次实验的平均值计算。同时用输入－输出热量法与热损失法时，两种方法所测得的热效率偏差不得大于5%，以输入－输出热量法所得效率值为实验结果值，热损失法作参考。

3、热量计算

(1) 输入热量Qr

y QrQQ r DWx kJ/kg （3） y式中 QDW――燃料收到基低位发热量， kJ/kg

Qrx――燃料物理显热， kJ/kg

本实验中，实验室的基准温度取环境温度，输入热量只计燃料收到基低位发

y热量QDW。

(2) 锅炉有效利用热量Qgl

热水锅炉每小时有效吸热量Qgl按下式计算：

'''QglG(irsirs)103 kJ/h （4）

式中 G――热水锅炉每小时加热水量，kg/h；

''' irs，irs――热水锅炉进水及出水的焓，kJ/kg。

(3) 机械未完全燃烧热损失Q4 链条炉

lzfhcjh Q4Q 4 l m kJ/kg （5） 4Q4Q4Qq4Q4100 % Qr式中

lz Q4――炉渣机械未完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q4fh――飞灰机械未完全燃烧热损失，kJ/kg；

cjh――沉降灰机械未完全燃烧热损失，kJ/kg； Q4lm――炉排漏煤机械未完全燃烧热损失，kJ/kg。 Q4lz本实验中，只计炉渣机械未完全燃烧热损失Q4和飞灰机械未完全燃烧热损

失Q4fh，其计算公式为：

cClzg （6） kJ/k Q327.27Aalzc100Clzlz4yQ4fh327.27AyafhCcfh100Ccfhg （7） kJ/k

c式中 Clz、Ccfh――分别为炉渣和飞灰中可燃物含量百分数，%；

alz、afh――分别为炉渣、飞灰量占入炉煤总灰量的质量份额。

(4) 排烟热损失Q2 排烟热损失按下式计算：

qctlk)](14 ) Q2[IpyapyVk0( kJ/kg （8）

100 q2式中

Q2 100% （9）

Qr Ipy――排烟的焓，kJ/kg，由烟气离开锅炉最后一个受热面处的烟气温度py和该处的过量空气系数apy所决定， py值在热平衡实验中测定；

apy――排烟处的过量空气系数，热平衡实验时，apy值可由烟气分析测定气体成分，然后计算求得；

Vk0——每kg燃料完全燃烧时所需的理论空气量，m3；

(ct)lk——每Nm3干空气连同其带入的10g水蒸气在温度为t℃时的焓； 由于固体不完全燃烧热损失的存在，对1kg燃料所生成的烟气容积需乘以q(14)的修正值。

100通常排烟热损失是锅炉热损失中较大的一项，一般装有省煤器的水管锅炉，

q2约为6%~12%；不装省煤器时，往往高达20%以上。

(5) 化学未完全燃烧热损失Q3

Q3Vgy(126.36CO358.18CH4107.98H2590.79CmHn)(1q4) kJ/kg（10） 100q3Q3100% Qr式中:

Vgy――取样点处干烟气容积，如下式：

Cy0.375Sy Nm3/kg （11） Vgy1.866RO2COCy、Sy――燃料收到基成分质量含量百分数，%；

CO、CH4、H2、CmHn――取样点处干烟气中可燃气体CO、CH4、H2、

CmHn的容积百分比，%。

燃煤锅炉可认为 CH40,H20,CmHn0。 (6) 散热损失 按照附录D计算。 (7) 灰渣物理热损失Q6 Q6Aaralz(ct)lz kJ/kg （12）

Qr100ClzQ6100% （13） Qrq6式中:

tlz——灰渣离开炉膛时的温度，当不直接测量时，链条炉tlz＝600℃；

clz——为炉渣，kJ/（kg℃） 它们由下式计算

kJ/（kg℃） （14） clz0.7 15.024t1l 0z本实验中，只计算灰渣造成的热物理损失。

四、实验仪器

1、元素分析仪：测量燃料中C、H、O、N、S的质量百分比； 2、奥氏烟气分析仪：测量烟气容积成分；

3、热电偶温度计：测量烟气、给水、出水等温度； 4、玻璃管温度计：测量环境温度；

5、弹簧管式压力表：测量给水、出水的压力； 6、超声波流量计：测量给水流量； 7、马弗炉、天平：测量灰渣中的含碳量； 8、数显量热仪：测量燃料的低位发热量。

五、实验方法

1、实验运行工况及测试时间

为了保证测试数据的正确性、真实性，热平衡实验应在锅炉运行稳定工况1小时后进行。根据我国国家标准规定，对于火床燃烧、火室燃烧、沸腾燃烧固体燃料的工业锅炉，试验测试时间应不小于4h。但考虑到我校供热锅炉的运行特点，实验分别安排在上午和下午热负荷稳定后进行，实验测试时间缩短为2小时。

2、正平衡法（输入-输出热量法）实验

(1) 测量项目：

根据热平衡界限图，以及输入、输出热量计算有关公式，正平衡实验所需测量的项目列于表2。

表2 正平衡法（输入-输出热量法）测量项目

序号 1 2 3 4 5 6 7 测定项目 燃煤消耗量 给水流量 给水温度 给水压力 出水温度 出水压力 煤的元素分析成分 磅秤 仪表 超声波流量计 热电偶测温器 压力表 热电偶测温器 压力表 元素分析仪 测定时间 5分钟一次 15分钟一次 15分钟一次 15分钟一次 15分钟一次 实验前测定 备注 锅炉房提供 8 煤的低位发热量 数显量热仪 实验前测定 (2) 测量方法

燃煤消耗量测量：由锅炉房提供；

燃料发热量和元素分析成分测量：由数显量热仪和元素分析仪测量；

给水流量：通过超声波流量计测量； 压力测量：弹簧管压力表测得； 温度测量：热电偶测温器。

3、热损失法热效率实验

（1）测量项目

根据热平衡界限图1、图2及各项热损失的计算公式确定的测量项目见表3。

表3 反平衡实验需测数据

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 测定项目 排烟温度 排烟成分 灰渣重量 灰渣含炭量 飞灰重量 飞灰含炭量 环境温度 仪表 热电偶测温器 奥氏烟气分析仪 磅秤 马弗炉、天平 磅秤 马弗炉、天平 玻璃管温度计 测定时间 15分钟一次 备注 锅炉房提供 锅炉房提供 煤的元素分析成分 元素分析仪 （2）测量方法

排烟温度：由热电偶测温器测得；

实验前测定 烟气成分：从烟道尾部取得烟气样品，由奥氏烟气分析仪测得； 灰渣、飞灰重量：锅炉房提供

灰渣、飞灰含炭量：取得灰渣样品，用马弗炉灼烧，测得其含炭量。

六、实验报告

学生测量完所有数据后，分别用正平衡和反平衡方法计算锅炉热效率，并完成实验报告。实验报告要求写出实验目的、所测量数据、实验结果及结果分析等。

附录A 实验仪器简介

一、超声波流量计

1、工作原理

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小的变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式：

V其中：

MDTsin2TupTdown

 为声束与液体流动方向的夹角

M 为声束在液体的直线传播次数 D 为管道内径

Tup 为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

TTupTdown

2、测量点选择

为了保证测量精度，选择测量点时要求选择流体流场布均匀的部分，一般应遵循下列原则：

（1）要选择充满流体的管段，入管路的垂直部分（流体最好向上流动）或充满流体的水平管段；

（2）测量点要选择距上游10倍直径，下游5倍直径以内均匀直管段，没有任何阀门、弯头、变径等干扰流场装置；

（3）要保证测量点处的温度在可工作范围以内。

（4）充分考虑管内结垢状况，尽量选择无结垢的管段进行测量。实在不能满足时，需把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。

（5）选择管材均匀密致，易于超声波传输的管段。测量点的选择请见图A.1。

图A.1 超声波流量计测量点安装图

3、探头安装方式：

探头安装方式共有4种。这四种方法分别是V法、Z法、N法和W法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确；V法测不到信号或信号质量差时则选用Z法，即当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱，机器不能正常工作时，要选用Z法安装。N法和W法是较少使用方法，适合DN50mm以下细管道。

4、操作步骤：

仪器连接好探头，开机，然后需要进行参数设置。主要需输入参数有：所测量管道外周长、管道外径、管壁厚度、管道材质类型、流体种类、探头类型、

探头安装方式等。输入管道参数必须正确、与实际相符，否则流量计不能正常工作。接着用足够多的耦合计把探头粘贴在管道壁上，一边查看主机显示的信号强度、信号质量值和信号传输时间比值，一边在安装点附近慢慢移动探头直到收到最强的信号、最大的信号质量值以及适当的信号传输时间比值。这时，即可准确测量管道内流体的流速、流量值。

5、典型用途：

（1）水、污水、海水；（2）给水和排水；（3）发电厂（核电、火力和水力）；（4）热力、供暖、供热；（5）冶金、矿山；（6）石油、化工；（7）食品和医药；（8）船造和维护行业；（9）节能监测、节水管理；（10）造纸和制浆行业；（11）泄漏检测；（12）流量巡检、流量跟踪和采集；（13）热量测量、热量平衡；（14）流量、热量化管理、监控网络系统。

如需更详细的了解本仪器，请参阅《XCT-2000型超声波流量计7.50版使用说明书》。

二、奥氏分析仪 1、仪器介绍

奥氏分析仪用来进行烟气分析，测量烟气中各种气体成分的百分比。见图A.2。

5867吸收器三吸收器二吸收器一213

1－量管，2－水套，3水准瓶，4－梳形管，5－三通旋塞，6、7吸收瓶，8－旋塞

图A.2 奥氏分析仪结构图

该仪器由四个吸收器组成，这四个吸收器用来吸收RO2，O，CO，CmHn。

仪器中，量管1用来量度所分析的气体和量度吸收后气体的体积。量管的容积为100ml，最小分度为0.2ml。为了避免温度的急剧波动，量管被放置在水套2中，量管下端由橡皮管与水准瓶3相连，利用水准瓶可将气体充满量管，或将气体自量管排出。

水准瓶和量管中充满了封闭液，封闭液多半是10％的硫酸溶液。量管上端与梳形管（活塞壁）4相连接，而梳形管靠橡皮管与吸收器1、2、3相通。每个吸收器由两个吸收瓶6和7组成。瓶6用来在吸收时承受气体。瓶6内盛有玻璃管，用来增大气体和吸收液的接触面积。瓶7用来在瓶6充满气体时承受吸收液，在梳形管的末端有三通旋塞5，它可用来使分析器与气体来源相通，或与外界隔绝，或与大气相通。如果分析用的气体直接取自烟道，则与管8连接与仪器相通。管8内盛有物质用来清除气体中的尘埃，仪器所有部分应该都用结实的橡皮管对接起来，活塞上都涂抹凡士林。

在分析之前，在水准瓶中注入200ml封闭液。在各吸收器中放入相应的溶液，在进行二氧化碳、氧、一氧化碳的分析时，吸收器中放入下列吸收液：在吸收器1中注入33％的苛性钾溶液，在吸收器2中注入焦性没食子酸钾的碱溶液，在吸收器3中注入氯化亚铜的氨水溶液（氯化亚铜的氨水溶液应注入带有铜丝的吸收器中）。

2、漏气检查

在实验开始之前，将空气（或气体）自仪器排出。首先使吸收液的液面到达瓶6管上部的位置。为此，将三通活塞5转到使仪器与大气相通的位置。升高水准瓶，将气体排到大气中，同时使封闭液到达量管上部的标线。然后将三通活塞转道使仪器与大气隔绝的位置。打开吸收器上的活塞，很慢的放下水准瓶，使吸收瓶中液体的液面上升。必须特别主意，要使吸收器中特别是支管中的液面慢慢上升，并且不使液体进入梳形管，如果液体进入梳形管，则须将仪器拆下，洗涤梳形管并使其干燥。当吸收液在所有的瓶6中都到达细管中时，须检查仪器的严密性。为此，用上述方法使封闭液到达量管上部的标线。此后使仪器与外界隔绝，并把水准瓶放在仪器的底板上。如果吸收瓶内和量管内的液面由于所造成的减压而在开始时稍微下落，而随后即保持不变，这就表示仪器严密不漏气的。

3、气体取样

为了取得有代表性的烟气样品，取样点应安装在烟道无干扰的直管道上。如图A.3 所示取样管是一根25mm的一端封闭的金属管，在其半圆面积上钻有许多4mm的小孔，取样时横插入烟道内，并深入烟道的2/3处，有小孔的一面背向烟气气流，以免烟灰堵塞小孔。

1、2－取样瓶，3－三通旋塞，4－止水夹，5取样管

图A.3 取样装置

取样采用排水替换法。取样瓶为两个具有下口的玻璃瓶，用橡皮管相连。取样瓶内均盛有饱和食盐水。瓶1上部用橡皮管与取样管的一端相连。取样时先提高瓶2，把瓶1内的空气通过旋塞3排出，当瓶1被溶液充满时，即旋转三通旋塞3与烟气接通，同时下降瓶2，烟气就进入瓶1。因考虑到首次进入瓶1的烟气可能有残存于取样管和橡皮管内的空气，因此，应通过上述的方法把取样的气样排掉，然后再第二次吸入烟气。当吸入的烟气占瓶1的2/3的体积时，便可关闭旋塞，用止水夹封闭橡皮管，取下取样瓶即可。

将盛有要分析的气体样品的取样瓶与仪器相连。旋转三通活塞，使量管与取样瓶相通而与大气隔绝。打开取样瓶上的活塞，慢慢放下水准瓶，气体就进入量管。因为在梳形管和支管中有空气，所以所取的气体被空气稀释。为了排除空气，用气体“洗涤”梳形管，即将气体充满量管的一部分（20－25ml），然后将这部分气体经活塞5而自仪器排到大气中。洗涤2－3次，然后进行气体的取样。在量管中吸入气体，其量稍大于100ml。升高水准瓶，将气体压缩，使量管中封闭液的液面达100ml刻度处，用手指按压时，必须使水准瓶移近量管，同时使量管中的液面与水准瓶中的液面处于同一高度，这样可使量管中的压力与大气压力相平衡。在气体取样以后，使仪器与气体来源隔绝。准确的取100ml的分析用气体，可使以后的计算大为方便。

4、操作程序：

在分析RO2时，将气体自量管移至吸收器1。为此，打开吸收器1上的活塞，慢慢的升高水准瓶。当气体迅速的自量管移至吸收器时，可能使气泡进入瓶7，这会使分析结果发生误差。不关闭吸收器1的活塞，放下水准瓶，使气体又移至

量管（必须注意勿使吸收液进入梳形管）。这样重复3－4次，然后使吸器中的液面到达吸收器上部的细管内，并量出所剩气体的体积，为此，把水准瓶移近量管，并把液面调节到同一高度上。记下量得的体积，如果两次所量得的体积相差小于0.2ml。则所量的体积可以认为是恒定的。

用同样的方法在吸收器2和3中分别进行氧和一氧化碳的吸收。 5、注意事项

（1）吸收气体应按下列次序进行，即RO2，O，CO，CmHn，次序不可颠倒； （2）吸收剂有强烈的碱性，不能粘到手上；

（3）分析器是玻璃制品，易于损坏，操作要小心、谨慎； （4）实验用药品不宜过早配制，以免失效。

附录B 热平衡实验数据记录

一、实验燃煤特性（入炉燃煤取样分析）

项目名称 单位 数值 y QDWC y % H y % O y % S y % N y % A y % W y % V y % kJ/kg

二、烟气分析

烟气试样抽取点位置 。

项目名称 单位 数值

三、灰渣可燃物含量

项目名称 符号 单位 数值

炉渣 C lz % 漏煤 C lm % 沉降灰 C cj.h % 飞灰 C fh % RO2(%) % O2(%) % CO(%) % 四、实验期间锅炉运行工况

项目名称 记录 时间 给水温度 （℃） 给水压力 （MPa） 出水温度 （MPa） 出水压力 （MPa） 排烟温度 （℃） 给水流量 （m3/h） 项目名称 记录 时间 给水温度 （℃） 给水压力 （MPa） 出水温度 （MPa） 出水压力 （MPa） 排烟温度 （℃） 给水流量 （m3/h） 附录C 热平衡数据与计算汇总表

序号 名称 符号 单位 （一）燃料特性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 收到基碳 收到基氢 收到基氧 收到基硫 收到基氮 收到基灰分 收到基水分 干燥无灰基挥发分 收到基低位发热量 热水锅炉循环水量 热水锅炉进水温度 热水锅炉出水温度 热水锅炉进水压力 热水锅炉出水压力 热水锅炉进水焓 热水锅炉出水焓 热水锅炉出力 燃料消耗量 输入热量 Car Har Oar Sar Nar Aar Mar Vdaf Qnet,r,ar G Tjs Tcs Pjs pcs Hjs Hcs Q B Qr % % % % % % % % kJ/kg （二）锅炉正平衡效率 kg/h ℃ ℃ MPa MPa kJ/kg kJ/kg MW kg/h kJ/kg 试验数据 试验数据 试验数据 试验数据 试验数据 查水和水蒸气性质表 查水和水蒸气性质表 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 化验数据 计算公式或数据来源 试验数据 1G(hcshjs)105 36试验数据 近似取为收到基低位发热量

序号 20 名称 正平衡效率 符号 ηl 单位 % （三）锅炉反平衡效率 计算公式或数据来源 试验数据 Q100% Qr21 22 23 24 25 26 27 湿炉渣重量 湿炉渣含水量 炉渣重量 炉渣可燃物含量 飞灰可燃物含量 炉渣含灰量占入炉煤总灰量的重量百分比 飞灰含灰量占入炉煤总灰量的重量百分比 固体未完全燃烧热损失 排烟处RO2 排烟处O2 排烟处CO 修正系数 Glzs Mls Glz Clz Cfh αlz αfh kg/h % kg/h % % % % 试验数据 化验数据 sGlz(1 Mls) 100化验数据 化验数据 取经验值，0.8 100lz (lzCfhClz328.6Aar fh)100Clz100CfhQr试验数据 试验数据 试验数据 28 29 30 31 32 q4 RO2’ O2’ CO’ Kq4 % % % % % m3/kg 100q4 10096 排烟处过量空气系数 αpy 21 ''O20.5CO2179''100(RO2O2CO')

序号 97 98 99 101 102 103 104 名称 理论空气量 RO2容积 理论氮气体积 理论水蒸气容积 排烟处水蒸汽体积 排烟处干烟气体积 排烟处烟气体积 符号 V0 VRO2 VN20 VH2O0 VH2O Vgy Vpy 单位 m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg 计算公式或数据来源 试验数据 0.08(Car0.375Sar)0.265Har0.0333Oar 1.866Car0.375Sar 1000.79V00.8Nar 1000.111Har0.0124Mar0.0161V01.24Dwh 0VH0.0161(py1)V0 2O0VRO2VN(py1)V0 2VgyVH2O VgyKq4Qr126.36CO'100 105 气体未完全燃烧热损失 q3 % 106 入炉冷空气温度 tlk ℃ 试验数据 108 排烟温度 tpy ℃ 试验数据 RO2'cRO2N2'cN2O2'cO2CO'cCO109 排烟处干烟气平均定压比热容 cgy kJ/(m3·℃) 100cRO2、cN2、cO2、cCO等按附录E查表

序号 110 111 名称 排烟处烟气焓 入炉冷空气焓 符号 Hpy Hlk 单位 kJ/kg kJ/kg 计算公式或数据来源 试验数据 VgycgytpyVH2OcH2Otpy (cH2O按附录E查表) pyV0(clktlk) (clk按附录E查表） Kq4Qr(HpyHlk)100 按附录D 试验数据或经验数据 112 113 114 118 122 123 124 排烟热损失 散热损失 燃烧室排出炉渣温度 炉渣比热 炉渣焓 灰渣物理热损失 热损失之和 反平衡效率 q2 qs tlz clz (ct)lz q5 ∑q η2 % ℃ kJ/(kg·℃) kJ/kg % % % 600 clz0.715.02104tlz clztlz Aaralz(ct)lz Qr100Clzq2q3q4q5q6 100q