工业锅炉热效率测试不确定度评定研究.pdf
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1、问题探讨76节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023工业锅炉热效率测试不确定度评定研究胡玉龙1 李丰泉2 刘长福1 严祯荣3 苏磊1(1.内蒙古自治区特种设备检验研究院,内蒙古 呼和浩特 010020;2.内蒙古电力科学研究院,内蒙古 呼和浩特 010021;3.上海工程技术大学,上海 200335)摘要:对工业锅炉热效率正反平衡测试不确定度评定进行研究,以一台典型工业锅炉热效率为研究对象,分析测试项目的标准不确定度A类、B类评定方法及合成不确定度的计算,依据中心极限定理,采用t分布计算扩展不确定度。结果显示:反平衡法的不确定度较正平衡法小,二者相差小于1%,正平衡测试
2、不确定度分量主要为进、出水温度和燃料消耗量;反平衡测试不确定度分量主要为炉渣可燃物及燃料元素分析收到基氢和灰分含量。研究表明,锅炉热效率正平衡测试主要应提高进出水温度及燃料消耗量的测量精度,反平衡测试主要应提高煤、灰可燃物含量的实验室分析精度。关键词:工业锅炉;热效率;标准不确定度;灵敏系数;合成不确定度中图分类号:TK229 文献标志码:A 文章编号:1004-7948(2023)10-0076-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.022引言我国国家标准规定工业锅炉热效率测试应采用正平衡法和反平衡法,结果取两种方法的平均值,10 t/h(7 MW)
3、以上固体燃料工业锅炉可以仅采用反平衡法1。理论上,与单一方法测试相比,锅炉热效率取两种方法的平均值有更加偏离真值的可能,热效率测试应唯一确定最接近热效率真值的测试方法。测量不确定度可以表征测量结果的可信程度,是国际通用的定量评价测量质量的指标。文中基于不确定度原理,研究工业锅炉热效率正反平衡法测试不确定度的评定方法,对比两种测试方法输入量不确定度的来源及降低标准不确定度的策略,为降低热效率测试不确定度提供参考。1锅炉热效率测试的两种方法1.1正平衡法正平衡法测试直接测量锅炉的输入、输出热量,其比值为锅炉的正平衡热效率。1=Q1BQr100%(1)式中:1锅炉正平衡热效率,%;Q1锅炉的有效利用
4、热,kW;B燃料消耗量,kg/h;Qr锅炉的输入热量,kJ/kg。1.2反平衡法反平衡法间接测量锅炉的各项热损失,该方法下的锅炉热效率2为:2=100-(q2+q3+q4+q5+q6)(2)式中:2锅炉反平衡热效率,%;q2排烟热损失,%;q3可燃气体不完全燃烧热损失,%;q4机械不完全燃烧热损失,%;q5散热损失,%;q6灰渣物理热损失,%。2不确定度评定基本原理不确定度评定的主要内容为被测量数学模型的建立和各输入量标准不确定度的评定、灵敏系数的确定以及合成不确定度、扩展不确定度的计算。2.1标准不确定度A类评定标准不确定度A类评定是对被测量的重复观测获取数据进行统计分析,被测量Xi在重复性
5、条件下进行n次独立观测,得到Xi(i=1,2,n)。-X=1ni=1nxi(3)s(xi)=1n-1i=1n(xi-X)2(4)S(-X)=1n(n-1)i=1n(xi-X)2(5)式中:S(-X)测量结果的A类标准不确定度。一般情况下,观测次数n越多,A类不确定度的评定值越稳定,n通常取大于5,但也不是越多越好。2.2标准不确定度B类评定不确定度B类评定基于已知信息估计测量项目的概率分布,或通过假设分布函数评定标准差,并得到标准不确定度。B类评定的信息来源主要有:以前观测的数据;对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验;生产部门提供的技术说明文件;校准证书、检定证书或其作者简介:胡玉龙(19
6、71),男,硕士,教授级高级工程师,研究方向为锅炉热工性能试验及节能减排技术。基金项目:国家市场监管总局科技计划项目(项目编号:2020MK019)收稿日期:2023-05-24引用本文:胡玉龙,李丰泉,刘长福,等.工业锅炉热效率测试不确定度评定研究 J.节能,2023,42(10):76-79.问题探讨77NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION他文件提供的数据、准确度的等别或级别,包括目前暂在使用的偏差极限等;手册或某些资料给出的参考数据及其不确定度;规定实验方法的国家标准或类似技术文件中给出的重复性限r或复现性限R2。不确定度B类评定一般要确定评定量的概率分布类型
7、,包含因子(置信区间),不确定度B类评定缺乏统一的操作规则,需要依靠评定人员的专业知识和经验。2.3合成标准不确定度当各输入量的标准不确定度评定完毕,测量结果的标准不确定度由各输入量的标准不确定度分量合成,合成标准不确定度uc(y)为:u2c(y)=i=1n(fxi)2u(xi)2+i=1nj=i+1nfxifxju(xi,xj)(6)式中:u(xi)参数xi的标准不确定度;f/xixi的灵敏系数;u(xi,xj)xi、xj之间的相关系数,当分量xi、xj相互独立、不相关时,u(xi,xj)=0。灵敏系数为非线性函数,通常无法用解析方法求解各变量的偏导数,这些偏导数常用数值扰动法估计。fxif
8、(x1,x2,.,xi+xi,.,xm)-f(x1,x2,.,xi,.,xm)xi(7)每次选定一个参数xi,将其改变一个微小量xi(一般取xi的0.1%1.0%),其他参数维持不变,利用扰动值代替标称值,二者计算结果差除以扰动量估计为该参数的偏导数,依次选取其他参数进行其偏导数估计,该过程需要进行多次计算。2.4扩展不确定度为了使测试值以较高的概率落在某一区间,需要将合成标准不确定度与一个大于1的数学因子相乘,以扩展包含区间,该乘积为扩展不确定度,利用UP=kpuc(y)表示,kp为包含因子。由中心极限定理可知,无论样本总体服从什么分布,样本均值均呈现自由度为n-1的t分布,即:-X-Snt
9、(n-1)(8)式中:-X、S2分别为样本均值和样本方差;数学期望;n测量次数。t=y-Yuc(y)(9)式中:y样本均值;Y数学期望;uc(y)样本均值的不确定度。可知tt(n-1),则:P(-tp()ttp()=P(10)P(-tp()y-Yuc(y)tp()=P(11)P(y-tp()uc(y)Yy+tp()uc(y)=P(12)扩展不确定度为:UP=tp()uc(y)=kpuc(y)(13)包含因子:kp=tp(),为t分布的自由度,确定自由度即可确定t分布的临界值,一般取2。3热效率测试不确定度评定分析3.1正平衡测试不确定度评定分析锅炉正平衡测试的现场测量项目主要包括介质流量、进出
10、口温度、压力及燃料消耗量;实验室分析项目为燃料热值。各测试项目的不确定度来源有温度、压力测量时重复读数的A类标准不确定度和仪表精度引入的B类标准不确定度以及流量计精度引入的B类不确定度和燃料热值实验室分析B类不确定度。锅炉正平衡测试输入量不确定度评定方法如表1所示。3.2反平衡测试不确定度评定分析锅炉反平衡测试的现场测量项目主要包括排烟温度、烟气成分及煤、灰取样;实验室分析项目为燃料元素分析及煤、灰可燃物含量。各测试项目的不确定度来源有排烟温度及烟气组分测量时重复读数A类不确定度和分析仪精度的B类不确定度以及实验室煤、灰分析引入的B类不确定度。锅炉反平衡测试输入量不确定度评定方法如表2所示。表
11、1锅炉正平衡测试输入量不确定度评定方法项目流量温度压力燃料量燃料热值不确定度来源流量计精度重复读数标准差及测温仪表精度重复读数标准差及压力表精度称量器具精度实验室分析方法主要影响因素一次元件标定、差压变送器、温度修正、热膨胀、系统偏差TC类型或RTD类型、校准、漂移、温度计的非线性、视差表计类型、漂移、传感器的非线性、视差磅秤精度、称量次数、一次元件标定、取压位置分析方法的重复性限评定方法B类评定A类评定+B类评定A类评定+B类评定B类评定B类评定表2锅炉反平衡测试输入量不确定度评定方法项目燃料元素分析成分煤、灰分析烟气成分烟风温度不确定度来源实验室分析实验室分析重复读数标准差及分析仪精度重复
12、读数标准差及测温仪表精度主要影响因素分析方法的重复性限取样、制样、样品处理、分析仪精度、存储及分析方法分析仪精度、取样干扰、漂移、标定气体、空间、时间变化TC类型或RTD类型,校准、漂移、非线性、视差评定方法B类评定B类评定A类评定+B类评定A类评定+B类评定问题探讨78节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 20234不确定度评定实例对型号为DZL141.0/115/70A的热水锅炉进行正反平衡测试,完成各输入量的标准不确定度评定,计算合成标准不确定度和扩展不确定度。4.1测试项目标准不确定度A类评定锅炉热效率测试温度、压力等重复测量项目采用贝塞尔法进行不确定度A类评定,评定
13、值如表3所示。锅炉热效率测试不确定度A类评定值偏高项目为排烟温度、送风温度、进水温度、出水温度,均为温度指标,而压力及烟气成分指标的不确定度A类评定值较小,说明锅炉热效率测试中影响不确定度A类评定值的主要分量为温度量值,锅炉热效率测试应将各温度量值波动小作为锅炉运行稳定,开始测试的重要参考,以此降低输入量的标准不确定度。4.2测试项目标准不确定度B类评定锅炉热效率测试不确定度B类评定项目主要包括燃料耗量、温度、压力、流量、烟气组分、煤、灰分析等,由仪表精度和实验室分析引入。其中,煤、灰分析不确定度B类评定由实验室分析方法重复性限R3-6计算,取R为2.837。煤、灰分析不确定度B类评定数据如表
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