蓄热式电锅炉效能测试方法

魏剑啸，徐亮，陈晨

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

0 引 言

电锅炉的本身属于耗能设备，从节约资源的角度考虑，对蓄热式电锅炉能效和效率进行测量评价，能够有效的对现有电锅炉及蓄热产品进行设计优化，提升锅炉系统效率。由于蓄热式电锅炉系统由控制系统、电加热模块、蓄热等多个单元协调工作，国内暂时还没有明确的指标定义和统一评测方法，因此需要通过建立测试系统平台，在特定的环境条件下，从锅炉加热、蓄热时间、释热时间、蓄热量、释热量、释蓄热量比、蓄热速率、释热速率等多个关键指标进行综合测试评价[1-6]。

1 测试系统

1.1 测试系统构成

整个测试系统包括电锅炉、蓄热罐、蓄水箱、散热器、一次水泵、二次水泵、温度测试设备、流量测试设备及其相关的管道等[7-9]。电锅炉与蓄热罐由一次侧进回水管道相连，其中回水管道上设有一次水泵，蓄热罐与蓄水箱由二次侧进回水管道相连，其中回水管道上设有二次水泵。一、二次系统管道相关部位设有进回水温度测试点和流量测点，蓄热罐设有高精度温度测点，电锅炉进线处设有电功率测点。蓄水箱用于模拟用户侧，供蓄热罐放热使用。测试平台示意图如图1所示。

图1中，P为供电测试(电压、电流、功率等)；T1为锅炉进口水温；T2为锅炉出口水温；T3为蓄热罐一次侧进口/二次侧出口水温；T4为蓄热罐一次侧出口/二次侧进口水温；Txb为蓄热罐内相变材料温度；Ts为蓄水箱内水温度[10]。

图1 电(蓄热)锅炉综合测试平台示意图

测试的设备电锅炉型号100 kW，蓄热罐采用不锈钢材质，外加保温材料，容积为2立方米。蓄水罐容积3立方米，采用不锈钢材质外加保温材料。管道为32管，主要作用是通过调整水泵达到调整流量的目的。清水泵(含电机)扬程20米，流量25吨每小时，采用变频调节。散热器带电动风扇，散热系数>100 W/(K·m2)。

1.2 测试工具及内容

数据检验需要用到功率分析仪，用来测量水泵的功率、效率等参量；温度记录仪，用来测量记录进回水温度、蓄热罐温度等参量；液体涡轮流量计、电磁流量计和超声波流量计用来测量水管中水的流量和总量。

2 测试内容

测试的内容包括蓄热过程的指标测试、静置阶段的指标测试和释热过程的指标测试。其中蓄热阶段主要测试内容有：锅炉的供电电压、供电电流、锅炉耗电功率、进水温度，出水温度，蓄热单元内介质温度，水流量，蓄热材料温度以及环境温度等，蓄热材料需要测量多个测点以保证测量结果的准确性。

静置阶段需要测试的内容有：蓄热单元的表面温度，相变蓄热材料温度以及环境温度。

释热阶段需要测试的内容有：蓄热罐的进水温度、蓄热罐出水温度，水流量，相变蓄热材料温度和环境温度。蓄热材料需要测量多个测点以保证测量结果准确性。

3 热性能试验方法

3.1 蓄热单元蓄热性能测试

蓄热时，经电锅炉加热介质(水)经过管道流入蓄热罐，将热量传递给相变蓄热材料，后经一次水泵循环回锅炉。测试步骤如下：

第一步，向蓄热单元持续通入经过加热的水，使蓄热单元内介质温度达到20 ℃停止，维持蓄热介质20 ℃并稳定30 min。过程中每隔5 s记录一次蓄热单元进水温度、出水温度，蓄热单元介质温度和水流量，同时持续记录环境温度。

第二步，开始向蓄热单元持续通入热水，直到其蓄热单元温度达到规定温度(≥相变温度)试验结束。过程中每隔5 s记录一次蓄热单元进水温度、出水温度，蓄热单元介质温度和水流量，同时持续记录环境温度。

第三步，绘制充热曲线图，应包含蓄热体进水温度，出水温度，蓄热单元内介质温度。计算蓄热单元蓄热量、蓄热时间、蓄热密度，具体如下：

(1)蓄热单元蓄热量。

(1)

式中Q1为蓄热单元蓄热量；m为循环水流量；Cp为水的定压比热；t3为循环水进水温度；t4为循环水出水温度；t7为蓄热单元内蓄热介质温度；Δt为记录时间间隔。

(2)蓄热时间ΔT1。

蓄热时间为蓄热单元内蓄热介质从20 ℃上升到规定温度(≥相变温度)的时间。

(3)蓄热密度。

(2)

式中ρ为蓄热密度；V为蓄热单元体积，根据产品设计图纸计算。

(4)蓄热速率。

(3)

(5)电锅炉效率。

(4)

式中P1为电锅炉蓄热阶段消耗电能。

3.2 蓄热单元保温性能测试

蓄热单元蓄热过程完成后，放置规定时间(峰谷电价相隔时间)，用热成像仪测量蓄热单元表面温度分布和相变蓄热材料温度，评估其保温特性。同时测量环境温度。

3.3 蓄热单元释热性能测试

释热阶段测试步骤如下：

第一步，开启二次侧水泵，将蓄水箱内水泵入蓄热单元内，吸收蓄热单元内热量面，后回到蓄水箱内。或者通过散热器将蓄热单元内热量释放出来。从蓄热单元内介质温度达到规定温度(≧相变温度)开始记录，直到储能装置内部温度降低到20 ℃后试验结束。每隔5 s记录一次蓄热单元进水温度、出水温度，蓄热单元内介质温度和水流量，同时持续记录环境温度。

第二步：绘制释热曲线图，应包含：进水温度，出水温度，蓄热单元内介质温度。计算蓄热单元释热量、释热时间、释蓄热量比，具体如下：

(1)蓄热单元释热量。

(5)

式中Q2为蓄热单元释热量；m为循环水流量；Cp为水的定压比热；t5为循环水进水温度；t6为循环水出水温度；t7为蓄热单元内蓄热介质温度；Δt为记录时间间隔。

(2)释热时间Δt2。

蓄热时间为蓄热单元内蓄热介质从规定温度(≥相变温度)下降到20 ℃的时间。

(3)释蓄热量比。

(6)

(4)释热速率。

(7)

(5)系统效率。

(8)

4 测试结果

根据测试内容对该系统平台各项数值进行测试，结果见表1。

表1 蓄热单元蓄热性能测试结果

5 结束语

通过对蓄热电锅炉不同阶段的能效指标进行测试，验证了所述方法的合理性，且数据客观准确。随着电能替代技术的推广，电锅炉设备的能效和效率也成为研究的热点。本文从一个具体的蓄热式电锅炉系统出发，给出蓄热式电锅炉热性能试验测量的方法。该测试方法在目前蓄热式电锅炉的能效测试还没有完善的行业、地方或国家标准可依的情况下，为蓄热式电锅炉的能效评测对比提供了一个有实际价值的参考。电锅炉是一个完整的系统，要实现对整个系统能效的测定和效率评价，还有许多技术问题需要解决，对电锅炉能效测评技术的研究必须是一个持续、渐进、发展的过程。随着电能替代技术的发展，电锅炉能效测评技术和方法会受到越来越多的重视也研究，相关的标准和完善的测试方法也会随之出台，并将指导着蓄热式电锅炉行业的健康发展。