《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-3燃气热水锅炉系统综合实验

燃气热水锅炉系统综合实验1.实验目的①通过对燃气热水锅炉机组及其系统变工况调节和实测，锻炼对锅炉系统操作、调节、测试的动手实践能力，掌握锅炉机组、热源系统性能测试的方法。②）通过燃气热水锅炉机组不同供水温度、水流量的工况测试和数据分析，建立理论知识与实际应用的联系，深入了解冷燃气热水锅炉机组及其系统运行性能的因素及其影响机理。③通过实体实验学习，锻炼分析思考能力，小组协作能力，培养解决工程问题的能力。2.实验原理锅炉供热量是评价锅炉系统是否满足用户使用需求的重要指标，一般对一段时间的累积供热量进行测试。热水锅炉累计供热量 Qr=c0t式中Qr——锅炉累计供热量，kJV——热水平均小时流量，m³/s；tr1——热水小时平均供水温度，℃tr2——热水小时平均回水温度，℃ρ——水平均密度，kg/m³；c——平均温度下水的比热容，kJ/（kg·℃）。采暖锅炉的输入测量反映锅炉系统的能耗。在进行锅炉供热量测试的同时，进行锅炉能耗测试。燃气耗气量应连续累计计量。 Qi=G∙Qcy （2）式中Qi——锅炉累积能耗，kJ；Qcy——测试时间内燃用气的平均低位发热值，kJ／Nm锅炉的省煤器均属于间壁式热质交换设备，其换热量计算如下式所示： Q=K0A0∆t=KiAi∆tK0，Ki——换热器管外表面传热系数、换热器管内表面传热系数，A0，Ai——换热器管外表面面积、换热器管内表面面积，m∆t——冷、热流体总温差。传热系数计算公式如下： K0=1d0 Ki=1d0式中d0，di——换热器管的外径、内径，λ——换热器管壁导热系数，W/K·℃；h0，hi——换热器管外流体对流换热系数、管内流体对流换热系数，根据传热学，流体温度和流速均匀是影响流体对流换热系数的重要因素。当冷冻水温度、流量变化时，将影响冷水机组蒸发器换热量；当冷却水温度、流量变化时，将影响冷水机组冷凝器换热量；当热水温度、流量变化时，将影响锅炉省煤器换热量。采暖锅炉测试时间内平均运行效率，按下式计算： η1=（6）式中η1——Qr——测试时间内采暖锅炉的供入热量，kJQi——测试时间内采暖锅炉的输入热量，kJ热源系统测试时间内平均能效比，按下式计算： η2=QrQ式中η1——Qr——测试时间内采暖锅炉的供入热量，kJQi——测试时间内采暖锅炉的输入热量，kJW——热源系统其他设备耗电量，kW·h。锅炉高效供水温度不一定与空调（供暖）末端设备适宜温度相符，锅炉热水系统往往设置了换热器进行水温控制。板式换热器两侧换热量，是评估板式换热器是否达到设计换热量的指标，其计算公式如下： ϕc=qmcc ϕh=qmhc式中ϕc，ϕh——冷、热流体热流量，qmc，qmh——冷、热流体质量流量，cpc，cph——冷、热流体的定压比热容，kJ/（tc1，tc2——冷流体进、出口温度，th1，th2——热流体进、出口温度，由能量守恒定律，理论上板式换热器两侧换热量应该相等，即冷、热流体热流量数值一致，但由于实际系统波动性、热损失及测试误差等因素，二者往往存在偏差，工程上以二者的相对误差作为测试准确性的判断，热平衡相对误差不应超过5%。 Δφ=ϕh-ϕ式中Δφ——板式换热器热平衡相对误差；ϕh——热流体热流量，kWϕc——冷流体热流量，kW传热系数是反映换热器传热效果的重要指标。每款换热器产品均具有出厂经过检测评估的标准工况下额定传热系数，在实际使用中，由于冷、热流体参数变化、年久设备结垢老化等因素，实际换热系数往往与产品额定传热系数不同，通过测试实际运行工况传热系数，可判断换热器实际运行换热能力是否理想。 Kcxp=ϕh+ ∆tm=∆t式中Kcxp——测试总传热系数；W/（㎡·Kϕc、ϕh——冷、热流体热流量，A——板式换热器换热面积，由产品资料提供；∆tm——对数平均温差，℃∆t1——冷热流体进出口最大温差，℃∆t2——冷热流体进出口最小温差，℃板式换热器阻力是影响输配系统能耗的重要因素。通过阻力测试可作为判断板式换热器是否需要除垢清洗。通过测试流体进、出板式换热量的压力之差可得板式换热量的阻力 ∆Pc=Pc1 ∆Ph=Ph1式中∆Pc，∆Ph——板式换热量冷、热流体侧的阻力，Pc1，Pc2——冷流体侧进、出口压力，Ph1，Ph2——热流体侧进、出口压力，3.实验系统及装置实验系统由热源系统和末端空调（供暖）系统组成，本次实验主要对热源系统及其设备进行测试。热源主机为燃气热水锅炉，锅炉通过燃烧天然气生成热水，热水经过板式换热器一次侧将热量传递给二次侧水系统，降温后由一次侧热水泵送回至锅炉，如此反复循环制热。板式换热器二次侧吸收一次侧热量后由分水器送至末端系统进行供暖，降温后由二次侧热水泵送至板式换热器二次侧进行换热升温，如此循环供热。系统中热水锅炉控制面板可设置锅炉热水供水温度，锅炉热水进出口处设置有压力表和温度计，可实时测试水压和水温。板式换热量一次侧热水回水干管上安装有恒温控制阀阀体，恒温阀温度传感器安装在板式换热器二次侧供水干管上。控制阀可进行温度设定，通过阀门温度传感器监测板式二次侧热水出水温度自动调节阀门开度，控制一次侧水流量，维持二次侧供水温度稳定。板式换热器两侧流体进出口侧均设置有温度计和压力表，可实时测试流体温度和压力。一次侧热水泵为变频泵，可通过变频器调节水泵流量，二次侧水泵为定流量水泵，一次侧和二次侧热水泵均设置有电功率表检测耗电量。燃气管路设置有气表监测天然气消耗累计量。热水一次侧和二次侧回水干管上设置了具有累积计量功能的流量计，可记录水流量累计值。燃气热水锅炉系统性能实验系统原理图如下：图1实验系统原理图4.实验步骤及方法本实验可开展燃气热水锅炉变供水温度、变水流量的单因素或多因素变工况实验。水系统测试方法详见第5章测试内容。1）实验前的准备实验前，学生提前学习实验指示书，了解实验内容，实验系统操作方法，复习本实验所涉及的专业理论知识，并应提前预习实验教材设备及系统性能测试的相关内容，掌握实验测试方法和原理。2）启动实验系统（1）检查系统设备通电状态是否正常，手动阀门开闭状态是否正常。（2）打开总电源开关。（3）按顺序启动设备（末端设备——二次侧热水泵——一次侧热水泵——锅炉）。3）调试系统锅炉热水供水温度的设定应根据锅炉的高效运行范围确定，一般锅炉的额定供水温度为95℃。板式换热器二次侧热水出水温度设定应结合末端空调或功能设备的适宜的供水温度范围确定。风机盘管、新风机、空气处理机组冬季供暖供水温度一般为45~60℃。散热器系统热水供水温度宜75℃，不宜超过85℃。热水地面辐射供暖系统的热水供水温度宜35~45℃，不应大于60℃。毛细管网辐射系统顶棚敷设时供水温度宜25~35℃，墙面敷设时宜25~35℃，地面敷设时宜30~40℃。实验以锅炉热水供水温度95℃，一次侧热水泵满频率运行，二次侧热水供温度设定为60℃为第一个实验工况。（1）水泵流量调节通过一次侧水泵变频器，调节锅炉循环水（板式换热器一次侧流体）流量，将变频器频率调节为100%。（2）锅炉供水温度调节通过调节锅炉控制面板上进行热水供水温度调节，将热水供水温度调节为95℃。（3）二次侧热水温度调节通过板式换热器恒温控制阀设置稳定，控制二次侧热水温度，将设定温度调节为75℃。（4）等待系统稳定在工程中，采暖锅炉供热量测试应在采暖系统正常运行120h后进行，检测持续时间不应少于24h。本实验可结合系统实际情况酌情考虑，但应在系统稳定状态下进行测试，以提高实验准确性，锅炉累积供热量按1h累积供热量进行测试。水温、水流量达到设定工况，且无大幅波动，水流量波动不超±0.2%，热水温度波动不超±0.7℃，认为系统稳定。测量开始后不允许对机组和系统做任何调节。4）进行实验测试①在开始实验时，记录一次侧热水泵、二次侧热水泵电功率表初始读数，待实验测试结束时，再次记录其电功率表结束时刻读数。②在开始实验时，记录锅炉燃气系统燃气计量表初始读数，待实验测试结束时，再次记录燃气计量表结束时刻读数。③在开始实验时，通过一次侧热水和二次侧热水回水干管流量计读取流量计初始读数，待实验测试结束时，再次记录流量计结束时刻读数。④同时，通过锅炉机组出口、进口处温度计读取锅炉热水供回水温度。通过板式换热器一次侧和二次侧温度计读取换热器两侧冷热流量进出口温度，每隔10min读1次数，连续测量60min，取每次读数的平均值作为测试的测定值。⑤在系统稳定时，记录板式换热器两侧进出口压力表读数。⑥系统电功率测试、水流量和水温测试应在相同的时间段内进行，以保证实验的准确性。5）热平衡校验实验通过板式换热器两侧热平衡校验实验测试的准确性。热平衡相对误差不超过5%，则可进行后续实验，如热平衡率Δ超过5%，则需检查测试仪器是否存在问题，测试过程是否不规范，或者系统是否尚未稳定，排除问题后，再重新进行实验。6）变工况调节（1）供水温度调节锅炉热水供水温度通过锅炉控制面板进行设置，本实验供水温度调节范围宜取95~75℃之间。（2）热水流量调节热水流量通过一次侧水泵变频器进行调节。在进行水泵变流量调节时，应保证水泵流量不得低于锅炉允许的最低水流量。（3）根据实验设计内容，完成单一因素调节或多因素组合调节后，按步骤（3）、（4）、（5）进行实验。7）关闭系统实验结束后，按顺序关闭设备：（锅炉——一次侧热水泵——二次侧热水泵——末端设备）。记录锅炉、板式换热器铭牌参数及实验测试时间。5.实验数据记录表1锅炉机组铭牌参数参数数值额定制热量/kW额定供回水温度/℃额定循环水流量/(m3·h-1)额定冷天然气耗量/(Nm3·h-1)锅炉效率表2板式换热器铭牌参数参数数值额定换热量/kW额定热流水温/℃额定冷流水温/℃额定流量/(m3·h-1)水阻力/Pa换热面积/m2表3标准工况实验数据记录表参数123456平均值锅炉热水供水tr1/锅炉热水回水tr2/板式换热器一次侧进水th1/板式换热器一次侧出水th2/板式换热器二次侧进水tc1/板式换热器二次侧出水tc2/板式换热器一次侧进水压力Ph1/板式换热器一次侧出水压力Ph板式换热器二次侧进水压力Pc1/板式换热器二次侧出水压力Pc2/一次侧循环水流量计初始值/m3一次侧循环水流量计结束值/m3二次侧循环水流量计初始值/m3二次侧循环水流量计初始值/m3一次侧热水泵功率表初始值/（W·h-1）一次侧热水泵功率表结束值/（W·h-1）二次侧热水泵功率表初始值/（W·h-1）二次侧热水泵功率表初始值/（W·h-1）燃气表初始值G1/Nm3燃气表结束值G2/Nm3系统测试时间h其他工况实验数据记录表同表3。6.实验数据处理及分析1）实验数据处理表4标准工况实验数据计算表参数123456平均值锅炉供热量Qr/锅炉能耗Qi