锅炉热平衡实验是判断锅炉设计和运行情况，提高锅炉经济性有效的途径，查明影响锅炉效率的主要因素，作为改进锅炉的依据。通过本课程的学习，使学生掌握电厂锅炉的基本结构、测试原理、锅炉调节和运行等方面的知识；掌握解决工程实际问题的计算技能和锅炉热平衡测试技术；为学生从事火力发电厂有关的运行、检修、安装工作奠定基础。
以燃气锅炉为模拟电厂锅炉，并加以改造，研制了一台能通过正平衡和反平衡确定锅炉效率的实验装置。锅炉热平衡实验台建成能够更好的为热能动力工程专业提供教学条件，使教师讲课对锅炉及其设备更加方便、灵活、透彻，学生更容易听得懂，更容易接受。
1、装置设计方案
1.1 设计原理
直接测量燃气带入热锅炉的热量与热水器有效利用热量而求得热效率的一种方法，叫正平衡法，也称直接测量法。
正热平衡效率：
ηz=G（Ics-Ijs）/BQr×100%
式中：B—每小时燃气消耗量Nm3/h；
G—热水器加热水量kg/h；
Ijs—热水器进水焓kJ/kg；
Ics—热水器出水焓kJ/kg；
Qr—燃气的低位发热量kJ/m3。
通过测定锅炉的各项热损失，然后间接求出锅炉热效率，叫反平衡法，也叫间接测量法或热损失法。
反平衡热效率：
ηf=100-（q2+q3+ q5）
式中：q2—排烟热损失（%）；
q3—气体不完全燃烧热损失（%）；
q5—散热损失（%）。
（1）排烟热损失q2的计算

式中：Ipy—在排烟温度tpy及排烟过剩空气系数αpy下，相当于1Nm3燃气的排烟焓kJ/Nm3；

αpy—在排烟处的过剩空气系数，此项由烟气分析仪测得；
I i k°—在送入燃气锅炉的空气温度下，1Nm3燃气所需要的理论空气焓kJ/Nm3；
Ipy= VRO2(cθ)RO2+VCO(cθ)CO+VCH4(cθ)CH4+VN2(cθ)N2+VO2(cθ)O2+VH2(cθ)H2+VH2O(cθ)H2O
式中：VRO2、VCO、VCH4、VN2、VO2、V H 2、及VH 2O—分别为排烟中三原子气体、一氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氢气及水蒸气的容积Nm3，其值根据烟气分析仪测得。
其中(cθ)RO2、(cθ)CO、(cθ)CH4、(cθ)N2、(cθ)O2、(cθ)H2及(cθ)H2O—分别为1Nm3的三原子气体、一氧化碳、甲烷、氮气、氧气、氢气及水蒸气在排烟温度下的焓值/Nm3。
Iik°=Vk°(cθ)ik
式中：Vk°—理论空气量，此值由各元素含量计算。
（2）气体不完全燃烧热损失q3的计算
当燃气锅炉运行调整不当，风量不足，燃烧器结构设计不合理时，将会导致燃气不能完全燃烧，在烟气中就会存在一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体。这部分可燃气体的热能将会随烟气排走，从而形成气体不完全燃烧热损失q3式中：

Vgy—为感言起容积（可由烟气分析仪测得）；CO、H2、CH4—分别为烟气分析仪测得烟气中一氧化碳、氢气、甲烷站干烟气容积的容积百分数；QCO、QH2、QCH4—为一氧化碳、氢气、甲烷气体的低位发热量kJ/Nm3。
（3）散热损失q5的计算
燃气锅炉在额定负荷下运行时，可通过查阅相关图标得出散热损失q5的值。目前，一些设计较好的小型燃气锅炉，散热损失q5在额定工况下可以达到1％以下。
1.2 设计方案
（1） 实验台柜体： 实验台柜体材料：08AL，表面做防腐处理，配有脚轮，台体移动方便。规格：1500×2350×600，实验台柜体形状详见图纸。
（2）实验台中安装流量计位置区段应设计规范、合理，以满足不同型式流量仪表更换、安装方便。
（3）水路连接的管路采用PPR管材，能承受的压力为1MPa。气路连接的管路采用钢骨架聚乙烯塑料复合管材，具有防爆特点。
（4）管路尤其是气路必须做水密性试验，无泄漏情况。
（5）实验台应具有当一个测量装置出现故障时不影响其他参数测量的功能。
（ 6 ） 涡轮流量计： 其特点是精确度较高（±0.5%） ， 测量范围宽（6∶1~20∶1），重复性好，安装维修方便，便于远距离传送数据，抗干扰能力强，无零点漂移等。
涡轮流量计被测流体温度：-20℃~120℃，相对湿度：5%~95%，供电方式：+24VDC三线制（常标），型式：传感器采用轴流叶轮式。
（7）涡街流量计：其特点是精确度较高（±1%~±2%），测量范围宽（10∶1或20∶1），可靠性高，压损小，安装维护方便，输出为脉冲频率，无零点漂移等。涡街流量计测量介质：燃气，螺纹连接，DN25，测量精度：1.5级，被测介质温度：-20℃~100℃，材质：不锈钢，电源：DC24V，防爆标志：EXdⅡBTC。
（8）压力变送器
压力变送器测量介质：燃气，测量精度：0.1级，防爆要求：普通型，测量范围：0.01MPa~1MPa，零点温度漂移：0.02%FS/℃（>100kPa），满度温度漂移：0.02%FS/℃（>100kPa），供电电压：12~36VDC。
（9）微差压变送器
微差压变送器测量介质：烟气，材质：316不锈钢，31/2LED数字显示器，供电电压：24VDC，精度：调校量程±0.2%，包括线性、变性和重复性综合误差。
（10）温度变送器
温度变送器分辨率：0.1℃，4位红色显示，材质：不锈钢，输出恒流信号（4~20Ma），抗干扰能力强，变送器可带就地LCD显示，信号转换器与温度传感器可以安装，也可以分开安装，方便用户使用。
（11）燃气锅炉
燃气锅炉数码恒温智能控制，保证出水温度恒定，进口高精度燃气比例阀，实现三段火力控制，强鼓密闭燃烧室结构，高纯度无氧铜水箱，不锈钢拉丝银色表面，流量：16L/min。微电脑智能化控制，对水路、气路、电路进行全程监控，不同工况时燃气量与空气量的合适配比，过量空气系数的控制，点火方式：全自动连续脉冲放电点火，适用水压：0.02MPa~0.8MPa，额定热负荷：36kW，额定电压：AC220，额定燃气压力：2800Pa。
（12）非接触式红外线测温仪红外线测温仪
测温范围：-22℃~110℃，显示：0.1℃，精度：±1℃，测温时间：1秒，测量距离：0.05m~0.5m。
2、锅炉热平衡实验台结构（图1）
3、使用效果
锅炉热平衡实验台已经应用热能与动力工程专业动力0641～动力0645班的独立性综合实验，使用效果良好。该实验台便于掌握锅炉正平衡和反平衡求效率的基本原理和方法，为学生将来从事此项工作打下良好的基础。
该实验台适用于热动专业、建环专业本科教学。锅炉热平衡实验台针对大中专院校锅炉类课程的专业进行开发，改善教学环境，提高教学质量。本装置为培养学生动手能力和工程应用型人才重要意义的需要，可以作为教学仪器推广，对校外培训，与其他院校交流，必将带来良好的社会效益。