蓄熱式電鍋爐效能測(cè)試方法

魏劍嘯，徐亮，陳晨

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

電鍋爐的本身屬于耗能設(shè)備，從節(jié)約資源的角度考慮，對(duì)蓄熱式電鍋爐能效和效率進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，能夠有效的對(duì)現(xiàn)有電鍋爐及蓄熱產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提升鍋爐系統(tǒng)效率。由于蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、電加熱模塊、蓄熱等多個(gè)單元協(xié)調(diào)工作，國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒(méi)有明確的指標(biāo)定義和統(tǒng)一評(píng)測(cè)方法，因此需要通過(guò)建立測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，在特定的環(huán)境條件下，從鍋爐加熱、蓄熱時(shí)間、釋熱時(shí)間、蓄熱量、釋熱量、釋蓄熱量比、蓄熱速率、釋熱速率等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合測(cè)試評(píng)價(jià)[1-6]。

1 測(cè)試系統(tǒng)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括電鍋爐、蓄熱罐、蓄水箱、散熱器、一次水泵、二次水泵、溫度測(cè)試設(shè)備、流量測(cè)試設(shè)備及其相關(guān)的管道等[7-9]。電鍋爐與蓄熱罐由一次側(cè)進(jìn)回水管道相連，其中回水管道上設(shè)有一次水泵，蓄熱罐與蓄水箱由二次側(cè)進(jìn)回水管道相連，其中回水管道上設(shè)有二次水泵。一、二次系統(tǒng)管道相關(guān)部位設(shè)有進(jìn)回水溫度測(cè)試點(diǎn)和流量測(cè)點(diǎn)，蓄熱罐設(shè)有高精度溫度測(cè)點(diǎn)，電鍋爐進(jìn)線處設(shè)有電功率測(cè)點(diǎn)。蓄水箱用于模擬用戶側(cè)，供蓄熱罐放熱使用。測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1中，P為供電測(cè)試(電壓、電流、功率等)；T1為鍋爐進(jìn)口水溫；T2為鍋爐出口水溫；T3為蓄熱罐一次側(cè)進(jìn)口/二次側(cè)出口水溫；T4為蓄熱罐一次側(cè)出口/二次側(cè)進(jìn)口水溫；Txb為蓄熱罐內(nèi)相變材料溫度；Ts為蓄水箱內(nèi)水溫度[10]。

圖1 電(蓄熱)鍋爐綜合測(cè)試平臺(tái)示意圖

測(cè)試的設(shè)備電鍋爐型號(hào)100 kW，蓄熱罐采用不銹鋼材質(zhì)，外加保溫材料，容積為2立方米。蓄水罐容積3立方米，采用不銹鋼材質(zhì)外加保溫材料。管道為32管，主要作用是通過(guò)調(diào)整水泵達(dá)到調(diào)整流量的目的。清水泵(含電機(jī))揚(yáng)程20米，流量25噸每小時(shí)，采用變頻調(diào)節(jié)。散熱器帶電動(dòng)風(fēng)扇，散熱系數(shù)>100 W/(K·m2)。

1.2 測(cè)試工具及內(nèi)容

數(shù)據(jù)檢驗(yàn)需要用到功率分析儀，用來(lái)測(cè)量水泵的功率、效率等參量；溫度記錄儀，用來(lái)測(cè)量記錄進(jìn)回水溫度、蓄熱罐溫度等參量；液體渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)用來(lái)測(cè)量水管中水的流量和總量。

2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試的內(nèi)容包括蓄熱過(guò)程的指標(biāo)測(cè)試、靜置階段的指標(biāo)測(cè)試和釋熱過(guò)程的指標(biāo)測(cè)試。其中蓄熱階段主要測(cè)試內(nèi)容有：鍋爐的供電電壓、供電電流、鍋爐耗電功率、進(jìn)水溫度，出水溫度，蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度，水流量，蓄熱材料溫度以及環(huán)境溫度等，蓄熱材料需要測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

靜置階段需要測(cè)試的內(nèi)容有：蓄熱單元的表面溫度，相變蓄熱材料溫度以及環(huán)境溫度。

釋熱階段需要測(cè)試的內(nèi)容有：蓄熱罐的進(jìn)水溫度、蓄熱罐出水溫度，水流量，相變蓄熱材料溫度和環(huán)境溫度。蓄熱材料需要測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

3 熱性能試驗(yàn)方法

3.1 蓄熱單元蓄熱性能測(cè)試

蓄熱時(shí)，經(jīng)電鍋爐加熱介質(zhì)(水)經(jīng)過(guò)管道流入蓄熱罐，將熱量傳遞給相變蓄熱材料，后經(jīng)一次水泵循環(huán)回鍋爐。測(cè)試步驟如下：

第一步，向蓄熱單元持續(xù)通入經(jīng)過(guò)加熱的水，使蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度達(dá)到20 ℃停止，維持蓄熱介質(zhì)20 ℃并穩(wěn)定30 min。過(guò)程中每隔5 s記錄一次蓄熱單元進(jìn)水溫度、出水溫度，蓄熱單元介質(zhì)溫度和水流量，同時(shí)持續(xù)記錄環(huán)境溫度。

第二步，開(kāi)始向蓄熱單元持續(xù)通入熱水，直到其蓄熱單元溫度達(dá)到規(guī)定溫度(≥相變溫度)試驗(yàn)結(jié)束。過(guò)程中每隔5 s記錄一次蓄熱單元進(jìn)水溫度、出水溫度，蓄熱單元介質(zhì)溫度和水流量，同時(shí)持續(xù)記錄環(huán)境溫度。

第三步，繪制充熱曲線圖，應(yīng)包含蓄熱體進(jìn)水溫度，出水溫度，蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度。計(jì)算蓄熱單元蓄熱量、蓄熱時(shí)間、蓄熱密度，具體如下：

(1)蓄熱單元蓄熱量。

(1)

式中Q1為蓄熱單元蓄熱量；m為循環(huán)水流量；Cp為水的定壓比熱；t3為循環(huán)水進(jìn)水溫度；t4為循環(huán)水出水溫度；t7為蓄熱單元內(nèi)蓄熱介質(zhì)溫度；Δt為記錄時(shí)間間隔。

(2)蓄熱時(shí)間ΔT1。

蓄熱時(shí)間為蓄熱單元內(nèi)蓄熱介質(zhì)從20 ℃上升到規(guī)定溫度(≥相變溫度)的時(shí)間。

(3)蓄熱密度。

(2)

式中ρ為蓄熱密度；V為蓄熱單元體積，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算。

(4)蓄熱速率。

(3)

(5)電鍋爐效率。

(4)

式中P1為電鍋爐蓄熱階段消耗電能。

3.2 蓄熱單元保溫性能測(cè)試

蓄熱單元蓄熱過(guò)程完成后，放置規(guī)定時(shí)間(峰谷電價(jià)相隔時(shí)間)，用熱成像儀測(cè)量蓄熱單元表面溫度分布和相變蓄熱材料溫度，評(píng)估其保溫特性。同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度。

3.3 蓄熱單元釋熱性能測(cè)試

釋熱階段測(cè)試步驟如下：

第一步，開(kāi)啟二次側(cè)水泵，將蓄水箱內(nèi)水泵入蓄熱單元內(nèi)，吸收蓄熱單元內(nèi)熱量面，后回到蓄水箱內(nèi)?；蛘咄ㄟ^(guò)散熱器將蓄熱單元內(nèi)熱量釋放出來(lái)。從蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度達(dá)到規(guī)定溫度(≧相變溫度)開(kāi)始記錄，直到儲(chǔ)能裝置內(nèi)部溫度降低到20 ℃后試驗(yàn)結(jié)束。每隔5 s記錄一次蓄熱單元進(jìn)水溫度、出水溫度，蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度和水流量，同時(shí)持續(xù)記錄環(huán)境溫度。

第二步：繪制釋熱曲線圖，應(yīng)包含：進(jìn)水溫度，出水溫度，蓄熱單元內(nèi)介質(zhì)溫度。計(jì)算蓄熱單元釋熱量、釋熱時(shí)間、釋蓄熱量比，具體如下：

(1)蓄熱單元釋熱量。

(5)

式中Q2為蓄熱單元釋熱量；m為循環(huán)水流量；Cp為水的定壓比熱；t5為循環(huán)水進(jìn)水溫度；t6為循環(huán)水出水溫度；t7為蓄熱單元內(nèi)蓄熱介質(zhì)溫度；Δt為記錄時(shí)間間隔。

(2)釋熱時(shí)間Δt2。

蓄熱時(shí)間為蓄熱單元內(nèi)蓄熱介質(zhì)從規(guī)定溫度(≥相變溫度)下降到20 ℃的時(shí)間。

(3)釋蓄熱量比。

(6)

(4)釋熱速率。

(7)

(5)系統(tǒng)效率。

(8)

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容對(duì)該系統(tǒng)平臺(tái)各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蓄熱單元蓄熱性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)蓄熱電鍋爐不同階段的能效指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了所述方法的合理性，且數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。隨著電能替代技術(shù)的推廣，電鍋爐設(shè)備的能效和效率也成為研究的熱點(diǎn)。本文從一個(gè)具體的蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)出發(fā)，給出蓄熱式電鍋爐熱性能試驗(yàn)測(cè)量的方法。該測(cè)試方法在目前蓄熱式電鍋爐的能效測(cè)試還沒(méi)有完善的行業(yè)、地方或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可依的情況下，為蓄熱式電鍋爐的能效評(píng)測(cè)對(duì)比提供了一個(gè)有實(shí)際價(jià)值的參考。電鍋爐是一個(gè)完整的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能效的測(cè)定和效率評(píng)價(jià)，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決，對(duì)電鍋爐能效測(cè)評(píng)技術(shù)的研究必須是一個(gè)持續(xù)、漸進(jìn)、發(fā)展的過(guò)程。隨著電能替代技術(shù)的發(fā)展，電鍋爐能效測(cè)評(píng)技術(shù)和方法會(huì)受到越來(lái)越多的重視也研究，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和完善的測(cè)試方法也會(huì)隨之出臺(tái)，并將指導(dǎo)著蓄熱式電鍋爐行業(yè)的健康發(fā)展。