锅炉热平衡综合实验
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。
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
Q(kJ/kg)或100(%)表示。
锅炉输入热量以
r
锅炉热损失包括以下几项：
(1) 排烟热损失2Q (kJ/kg)或2q (%)；
(2) 机械未完全燃烧热损失4Q (kJ/kg)或4q (%)。
链条炉包括：炉渣机械未完全燃烧热损失4lz Q 、4lz
q ，飞灰机械未完全燃烧热损失4fh Q 、
4fh q 与漏煤机械未完全燃烧热损失4lm Q 、4lm
q 等三项；
(3) 化学未完全燃烧热损失3Q (kJ/kg)或3q (%)； (4) 锅炉向环境散热热损失5Q (kJ/kg)或5q (%)； (5) 灰渣物理热损失等其他热损失6Q (kJ/kg)或6q (%)。
国家标准GB/T －2587－1981规定：热平衡基准温度建议为环境温度；燃料发热量规定用收到基的低位发热量y
DW Q 。
根据锅炉热平衡概念，可画出锅炉热平衡图如图1所示。
2、锅炉热效率
锅炉热效率为锅炉利用热量1Q 占输入热量r Q 的百分数，用gl η(%)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：
1
100gl r
Q Q η=
⨯ % （1） 热损失法：
gl η＝100－（2q ＋3q ＋4q ＋5q ＋6q ） % （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r Q
y
r DW
rx Q Q Q =+ kJ/kg （3） 式中 y
DW Q ――燃料收到基低位发热量， kJ/kg
rx Q ――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热量y DW Q 。
(2) 锅炉有效利用热量gl Q
热水锅炉每小时有效吸热量gl Q 按下式计算：
'''
3()10gl rs rs Q G i i =-⨯ kJ/h （4）
式中 G ――热水锅炉每小时加热水量，kg/h ；
'rs i ，''
rs i ――热水锅炉进水及出水的焓，kJ/kg 。
(3) 机械未完全燃烧热损失4Q 链条炉
44444lz fh cjh lm
Q Q Q Q Q =+++ kJ/kg （5）
4
4100r
Q q Q =
⨯ % 式中
4lz
Q ――炉渣机械未完全燃烧热损失，kJ/kg ；
4fh Q ――飞灰机械未完全燃烧热损失，kJ/kg ；
4cjh
Q ――沉降灰机械未完全燃烧热损失，kJ/kg ； 4lm Q ――炉排漏煤机械未完全燃烧热损失，kJ/kg 。
本实验中，只计炉渣机械未完全燃烧热损失4lz
Q 和飞灰机械未完全燃烧热损失4fh Q ，其计算公式为：
c
lz c
lz
lz
y
lz C C a A Q -=10027.3274
/kJ kg （6） c
fh
c fh fh
y fh C
C a A Q -=10027.3274 /kJ kg （7）式中 c
lz C 、c fh C ――分别为炉渣和飞灰中可燃物含量
百分数，%；
lz a 、fh a ――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2Q 排烟热损失按下式计算：
04
2[()](1)100
py py k lk q Q I a V ct =--
kJ/kg （8）
2
2100%r
Q q Q =⨯ （9） 式中
py I ――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 ϑ和该处的过量空气系数py a 所决定， py ϑ值在热平衡实验中测定；
py a ――排烟处的过量空气系数，热平衡实验时，py a 值可由烟气分析测定气体成分，然后计算求得；
0k V ——每kg 燃料完全燃烧时所需的理论空气量，m 3；
()lk ct ——每3Nm 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4
(1)100
q -
的修正值。
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，2q 约为%12~%6；不装省煤器时，往往高达20%以上。
(5) 化学未完全燃烧热损失3Q
4
342(126.36358.18107.98590.79)(1)100
gy m n q Q V CO CH H C H =+++- kJ/kg （10） 3
3100%r
Q q Q =
⨯ 式中:
gy V ――取样点处干烟气容积，如下式：
20.3751.866
y y
gy C S V RO CO
+=+ 3/Nm kg （11） y C 、y S ――燃料收到基成分质量含量百分数，%；
CO 、4CH 、2H 、m n C H ――取样点处干烟气中可燃气体CO 、4CH 、2H 、m n C H 的容积百分比，%。
燃煤锅炉可认为 420,0,0m n CH H C H ===。
(6) 散热损失 按照附录D 计算。
(7) 灰渣物理热损失6Q 6()100ar lz lz
r lz
A a ct Q Q C =
- kJ/kg （12）
6
6100%r
Q q Q =
⨯ （13） 式中:
lz t ——灰渣离开炉膛时的温度，当不直接测量时，链条炉lz t ＝600℃； lz c ——为炉渣，/kJ （⋅kg ℃） 它们由下式计算
40.71 5.0210lz lz c t -=+⨯ /kJ （⋅kg ℃） （14）
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
(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
（2）测量方法
排烟温度：由热电偶测温器测得；
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）。