NB∕T 10301-2019 往复式内燃燃气发电机组热平衡试验方法(能源).pdf

ICS 29.160.40 F 24 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 GB/T103012019 往复式内燃燃气发电机组热平衡试验方法 Thermal balance experiment method for reciprocating internal combustion gas generating set 2019 - 11 - 04 发布 2020- 05 - 01 实施 国家能源局国家能源局 发布发布 GB/T 103012019 I 目 次 前言 . III 引言 . IV 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 . 1 4 符号和单位 . 2 5 热平衡模型 . 2 6 热平衡试验基本要求 . 3 6.1 试验处所 . 3 6.2 标准基准状况及环境条件 . 3 6.3 冷却介质及燃料 . 3 6.4 测量设备及仪器仪表的安装 . 4 6.5 测量设备及仪器仪表的精准度 . 4 7 试验方法 . 4 7.1 一般检查 . 4 7.2 基本步骤 . 4 7.3 测试方法 . 4 8 计算方法 . 5 8.1 燃气机组热平衡 . 5 8.2 燃料热能 . 5 8.3 燃烧消耗的空气质量 . 6 8.4 燃烧排气的焓 . 6 8.5 燃烧所需的空气焓 . 6 8.6 排气的热能 . 7 8.7 高温冷却水热能 . 7 8.8 低温冷却水热能 . 7 8.9 对流和辐射热能 . 7 8.10 热效率 . 7 附录 A（规范性附录） 符号与单位 . 9 附录 B（资料性附录） 测试数据 . 11 附录 C（资料性附录） 热平衡 . 12 GB/T 103012019 II 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。 本标准由中国电器工业协会提出。 本标准由全国往复式内燃燃气发电设备标准化技术委员会(SAC/TC372)归口。 本标准起草单位： 河南柴油机重工有限责任公司、 中国石油集团济柴动力有限公司、 大连理工大学、青岛凯能环保科技股份有限公司。 本标准主要起草人：任晓辉、刘文斌、聂志斌、隆武强、李慧、王宁会、王波、田华、俞晓燕、董志伟、朱海丽、崔靖晨、黄超伟、刘庆雷、葛坚、孟亮虎、韩莉、焦会英、梁刚、贺玮玮、李永康、刘小婷、牛晓晓。 本标准为首次发布。 GB/T 103012019 III 引 言 考虑热力学中热量的热平衡试验方法、 计算方法多种多样， 即使假定在相同的条件下对同一或认为是同一的内燃燃气发电机组进行测试， 一般不会得到相同的结果， 这主要是因为每个测量程序中不可避免地会出现随机误差。 而那些影响测量结果的因素并不能被完全控制， 很多不同的因素都能够引起测量方法的结果变异，他们（它们）包括： a) 环境温度、湿度、大气压力、空气污染； b) 燃气成分、温度、热值； c) 不同测量的时间间隔； d) 使用的设备； e) 设备的校准； f) 操作员等。 尽管随机误差对内燃燃气发电机组热平衡的试验方法、 计算方法产生影响， 人们可能不会确切知道真值，但有可能知道所测量特性的一个接受参考值。 在众多的热平衡研究中， 人们采用焓值差计算或者采用比热容计算的方法确定热量， 为使人们得到可接受的内燃燃气发电机组热平衡测量特性参考值， 测量及计算应采用同样的方法， 测量及计算方法应标准化。所有测量都应该根据规定的标准方法进行，这就意味着应有一个书面的文件，规定有关如何进行测量的所有环节和计算公式的同一。 为便于使用，本标准规定的内燃燃气发电机组热平衡主要采用比热容计算方法。 采用这一方法的优点是， 相同或同类内燃燃气发电机组制造厂和鉴定机构， 都可合理地使用本标准，取得协调一致。 GB/T 103012019 1 往复式内燃燃气发电机组热平衡试验方法 1 范围 本标准规定了往复式内燃燃气发电机组（以下简称“燃气机组”）的热平衡试验模型、试验基本条件、试验方法及计算方法。 本标准适用于以可燃燃气为燃料的燃气机组的热平衡试验， 推荐尚无合适标准可使用的其他用途燃气机组使用本标准。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 2820.5-2009 往复式内燃机驱动的发电机组 第5部分： 发电机组 GB/T 6072.3-2008 往复式内燃机 性能 第3部分：试验测量 GB/T 21404-2008 内燃机 发动机功率的确定和测量方法 一般要求 GB/T 33340 往复式内燃燃气发电机组安全设计规范 GB/T 33347 往复式内燃燃气发电机组 气体燃料分类及组分分析方法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 热平衡 thermal balance 在确定体系内和指定时间内的标定工况， 进入体系的能量与离开体系的能量在数值上通常视为稳定平衡，燃烧的燃料能量等于能量支出的总和。 3.2 体系 system 燃气机组热平衡试验的对象和边界线。一般情况下，通过一部分边界线的对象和物质均称体系外。 3.3 燃气机组热平衡测定 test for thermal balance of gas generator set 在燃气机组体系内， 对燃烧的燃料能量与能量转换的分布与使用状态， 通过测试手段和一定的程序方法，进行定量的测量与计算分析。 3.4 GB/T 103012019 2 燃气机组热效率 thermal efficiency of gas generator set 燃气机组在确定体系内和指定时间内的标定工况，燃气机组的输出电能占供给燃料能量的百分数。 3.5 高温冷却水 high-temperature cooling water 用于冷却燃气机组气缸套和（或）润滑油的水。 3.6 低温冷却水 low-temperature cooling water 用于冷却燃气机组增压后空气和（或）润滑油的水。 4 符号和单位 GB/T 6072.3-2008界定的以及附录A中的符号和单位适用于本标准。 为了便于使用，附录A重复列出了GB/T 6072.3-2008中的常用单位和符号。 5 热平衡模型 5.1 应确定燃气机组热平衡试验的控制体系。能量输入和输出流向特征热平衡模型，见图 1。 5.2 输入能量流包含： 1) 燃料的热能； 2) 消耗的空气所携带的热能。 5.3 输出能量流包含： 1) 燃气机组的电能输出； 2) 燃烧排气的热能； 3) 高温水的热能； 4) 低温水的热能； 5) 传给周围的对流和辐射的热能。 注1： 注：图中虚线以内为体系内，虚线以外为体系外。 图1 输入输出能量流 GB/T 103012019 3 6 热平衡试验基本要求 6.1 试验处所 6.1.1 燃气机组制造厂应有满足地方环境保护要求和消防安全要求的试验场地，职业安全健康保护满足企业要求。 6.1.2 试验现场通风良好，并有燃气泄露检测及安全保护措施。 6.1.3 燃气机组安全设计满足 GB/T 33340 规定。 6.1.4 燃气机组按 GB/T 21404-2008 中表 1 的规定，应安装保证其安全运行所必须的从属辅助装置和安全防护装置，各装置的性能指标满足制造厂批量生产技术规格要求。 6.1.5 燃气机组的振动、噪声满足制造厂技术条件。 6.1.6 燃气机组应进行足够时间的磨合和试验，试验用负载应连续可调。 6.1.7 应检查测试仪表、测试设备及系统管线的稳定性，宜采用能保证压力稳定的供给系统和（或）稳压装置。 6.1.8 高温或低温冷却水既可通过发动机散热器也可通过外部循环来冷却。通过外部循环组成的循环系统，该系统的压力损失及水泵流量与发动机自带冷却系统的数据保持基本相同。 6.1.9 宜在排气管道上安装热交换器，利用冷却水换热的方法测量排气热能。 6.1.10 体系内的流体管路和（或）测试设备应做保温处理。经保温材料处理后，排气管路表面温度不大于 120 ，冷却水管路和（或）测试设备表面温度不大于 45 。 6.2 标准基准状况及环境条件 6.2.1 为了便于使用，重复列出了 GB/T 21404-2008 第 5 章中规定的标准基准状况： 1) 标准基准总压 ： = 100 kPa； 2) 标准空气绝对温度 ： = 298 K（ =25 ）； 3) 标准相对湿度 ： = 30%。 6.2.2 为了限制测量结果的不确定度，试验时的大气状况应在下列规定范围内： 1) 环境干气压力 ： 90 kPa 110 kPa； 2) 环境空气绝对温度 ：288 K 308 K； 3) 环境相对湿度 ： 30% 60%。 6.3 冷却介质及燃料 6.3.1 用于燃气机组热平衡试验的冷却水指标应符合表 1 的要求。 表1 冷却水指标 项 目 单 位 指 标 冷却水 悬浮颗粒物含量 mg/L 25 硬度 mgCaCO3/kgH2O 3070 酸碱度 pH 值（无量纲） 88.4 6.3.2 当使用符合表 1 中要求的冷却水时，其比热容wC取值为 4.1868 kJ/kg K； 6.3.3 当使用冷却液 （乙二醇作为水的添加剂， 乙二醇的比热容为 2.28 kJ/ kg K， 密度为 1.128 kg/m3）时，可用公式（1）计算其比热容。 C=（A 4.1868）+（B 2.28 1.128）（1） rprpdprrTrTrrtyTyTyydpGB/T 103012019 4 式中： C-冷却液的比热容,单位为千焦每千克开尔文，kJ/kg K； A-水的体积比,用百分比表示，%； B-乙二醇的体积比，用百分比表示，%。 6.3.4 以单一燃料甲烷 CH4为燃料时，低热值取值为 35906 kJ/Nm3，密度取值为 0.7174 kg/Nm3。 6.3.5 以混合气为燃料时，按 GB/T 33347 规定的气体燃料分类及组分分析方法计算低热值及密度。 6.4 测量设备及仪器仪表的安装 6.4.1 仪器仪表应是国家计量部门认可的产品，并在计量部门鉴定的有效期内使用。 6.4.2 仪器仪表应在规定的适用范围内，测量值应不小于 1/3 的测量满量程。 6.4.3 用于流量测量的流量计安装应满足其使用说明书要求。 6.4.4 用于燃气机组本体外部测量流体温度或压力的传感器，测点前后直线段长度应大于 2 倍的管路直径；当压力传感器测点位置不符合规定时，应安装缓冲管。 6.4.5 宜采用图形可视化自动采集系统记录热平衡体系试验数据。可视化显示特征应表征热平衡模型属性，在画面中直观显示设备形状、可视化结果、图表等热平衡试验对象信息。 6.5 测量设备及仪器仪表的精准度 6.5.1 燃气机组的温度测量装置应满足 GB/T 21404-2008 中 6.3.2 的精准度。 6.5.2 燃气机组的功率测量装置应具有 0.2%的精准度。 6.5.3 热平衡试验的冷却水流量测量装置应具有 0.5%的精准度。 6.5.4 热平衡试验的冷却水压力测量装置应具有 0.2%的精准度。 6.5.5 测量参数的结果符合 GB/T 21404-2008 中表 4 给出的允差范围。 7 试验方法 7.1 一般检查 按燃气机组制造厂技术文件规定，对测试体系的一般检查应至少包括以下内容： 1) 燃气机组外观清洁，固定件紧固无松动，无漏水、漏油、漏气现象。 2) 燃气机组与外部循环系统、排气管等可靠连接。 3) 测试用设备、仪表、仪器工作正常，操作良好。 4) 燃气机组与测试设备及测试仪器可靠连接。 5) 燃气机组性能指标应满足制造厂要求，制造、装配记录齐全。 7.2 基本步骤 为了保证与规范的一致性，燃气机组制造厂应遵循以下试验步骤： 1) 确定参与热平衡试验的燃气机组的型号和额定参数。 2) 建立热平衡模型，确定热平衡试验的控制体系。 3) 取得燃料低热值及成分数据。 4) 根据负荷点测量燃气消耗量、输出功率。 5) 取一个或多个测量点，测量环境温度、燃烧排气温度、冷却水进入和流出的温度和流量。 6) 根据测试数据计算热效率和热平衡。 7.3 测试方法 GB/T 103012019 5 7.3.1 在满足 6.2.2 条规定的环境条件内，燃气机组启动并调整到额定频率，保证频率稳定在所要求的稳态频率带，再进行热平衡试验。 7.3.2 逐渐增加机组负载达到 100%额定功率，测定热平衡试验控制体系的运行参数。当高温水和低温水进、出水温差的波动率宜小于 0.1 /min 时，即认为发动机处于热平衡状态。 7.3.3 分别在 0%、25%、50%、75%、100%的稳定工况进行测定，应保证负载增加或减小的单调性。 7.3.4 燃气机组在 7.3.3 条规定的稳定工况下，连续测定三次热平衡试验控制体系的运行参数，每次测定时间不少于 5 min。 7.3.5 应在空燃比控制系统前安装流量计测量消耗的燃料量。 7.3.6 根据燃气发动机设计特征，在冷却水进机口或出机口测量高温冷却水和低温冷却水的流量。冷却水的流速范围 1.5 m/s 3 m/s，依靠重力循环水流速不大于 0.6 m/s。 7.3.7 调整排气管道上热交换器的流量和流速，保持离开热交换器的排气温度不大于 90 。 7.3.8 宜采用铂电阻（PT100 或 PT1000）温度传感器测量高温冷却水和低温冷却水的温度。 7.3.9 宜采用 K 分度热电偶温度传感器测量排气温度。 7.3.10 测定后根据第 8 章给出的计算方法计算热能， 计算结果录入相应的测试报告中， 测试报告参见附录 B 和附录 C。 8 计算方法 8.1 燃气机组热平衡 8.1.1 在燃气机组热平衡体系内，输入的燃料能量等于输出的各种不同的能量总和。 8.1.2 稳定的热平衡方程用公式（2）表示各能量之间的关系： 4321QQQQWQ . (2) 式中： - 输入的燃料热能，单位为千瓦，kW； - 机组的输出电能，单位为千瓦，kW； - 排气的热能，单位为千瓦，kW； - 高温冷却水的热能，单位为千瓦，kW； - 低温冷却水的热能，单位为千瓦，kW； - 对流和辐射的热能，单位为千瓦，kW。 注：为了便于使用，直接采用能量单位千瓦，kW，1kW=1kJ/s。 8.2 燃料热能 输入的燃料热能（Q）用公式（3）、公式（4）计算： 3600uHqQmf . (3) GVfmfqq . (4) 式中： Q - 输入的燃料热能，单位为千瓦，kW； - 消耗的燃料量，单位为千克每小时，kg/h； - 燃料的低热值，单位为千焦每千克，kJ/kg； QW1QmfqUH2Q3Q4QGB/T 103012019 6 qvf - 标定工况燃料流量，单位为标准立方米每小时，Nm3/h； - 燃料的密度，单位为千克每标准立方米，kg/Nm3。 8.3 燃烧消耗的空气质量 空气的质量流量（ ）用公式（5）计算： 1.29AVfmaqq . (5) 式中： -燃烧消耗的空气量，单位为千克每小时，kg/h； -消耗的燃料量，单位为标准立方米每小时，Nm3/h； - 过量空气系数，通过在排气管上安装氧传感器测得； A - 燃料的空燃比，无量纲。 注：空气的密度为1.29 kg/Nm3。 8.4 燃烧排气的焓 燃烧排气的焓（1H）用公式（6）计算： 3600121copmamfccwmeTCqqTTCqH . (6) gcoT 273 T . (7) 式中： - 燃烧排气的焓，单位为千瓦，kW； - 排气热交换器冷却水的质量流量，单位为千克每小时，kg/h； - 水的比热容，单位为千焦每千克开尔文，kJ/kgK； - 排气热交换器冷却水入口温度，单位为摄氏度，K； - 排气热交换器冷却水出口温度，单位为摄氏度，K； - 消耗的燃料量，单位为千克每小时，kg/h； - 燃烧消耗的空气量，单位为千克每小时，kg/h； - 空气的比定压热容，单位为千焦每千克开尔文，kJ/kgK，取值1.003 kJ/kgK； - 排气温度，单位为开尔文，K； - 离开热交换器后的排气温度，单位为摄氏度，。 8.5 燃烧所需的空气焓 燃烧所需的空气焓（2H）用公式（8）计算： 3600a2TCqHpma . (8) xat273T . (9) 式中： - 燃烧所需的空气焓，单位为千瓦，kW； - 燃烧消耗的空气量，单位为千克每小时，kg/h； - 空气的比定压热容，单位为千焦每千克开尔文，kJ/kgK，取值1.003 kJ/kgK； - 进气温度，单位为开尔文，K； - 环境温度，单位为摄氏度，。 1HmeqwCcT1cT2pCcoTgT2HaTxtGpCamqamqfVqfmqamqamqGB/T 103012019 7 8.6 排气的热能 排气的热能用公式（10）计算： 211HHQ . (10) 式中： - 排气的热能，单位为千瓦，kW； - 燃烧排气的焓，单位为千瓦，kW； - 燃烧所需的空气焓，单位为千瓦，kW。 8.7 高温冷却水热能 高温冷却水的热能（2Q）用公式（11）计算： 3600122wwwmwTTCqQ . (1) 式中： 2Q - 高温冷却水的热能，单位为千瓦，kW； - 高温冷却水的质量流量，单位为千克每小时，kg/h； - 水的比热容，单位为千焦每千克开尔文，kJ/kgK； - 高温冷却水入口温度，单位为摄氏度，K； - 高温冷却水出口温度，单位为摄氏度，K。 8.8 低温冷却水热能 低温冷却水的热能（3Q）用公式（12）计算： 3600123wlwlwmwlTTCqQ . (2) 式中： - 低温冷却水的热能，单位为千瓦，kW； - 低温冷却水的质量流量，单位为千克每小时，kg/h； - 水的比热容，单位为千焦每千克开尔文，kJ/kgK； - 低温冷却水入口温度，单位为摄氏度，K； - 低温冷却水出口温度，单位为摄氏度，K。 8.9 对流和辐射热能 对流和辐射的热能（4Q）用公式（13）计算： 3214QQQWQQ . (3) 式中： 4Q- 对流和辐射的热能，单位为千瓦，kW； - 输入的燃料热能，单位为千瓦，kW； - 机组的输出电能，单位为千瓦，kW； - 排气的热能，单位为千瓦，kW； - 高温冷却水的热能，单位为千瓦，kW； - 低温冷却水的热能，单位为千瓦，kW。 8.10 热效率 1Q1H2HmwqwCwT1wT2mwlqwCwlT1wlT23QQW1Q2Q3QGB/T 103012019 8 燃气机组的热效率（th）用公式（14）计算： %100QWth . (4) 式中： - 燃气机组的热效率，用百分比表示，%； - 机组的输出电能，单位为千瓦，kW； - 输入的燃料热能，单位为千瓦，kW。 thQWGB/T 103012019 9 A A 附 录 A （规范性附录） 符号与单位 常用符号与单位见表A.1。 表A.1 常用符号与单位 序号 参数 文本表示 电子数据表示 单位名称 单位 1 输入的燃料热能 Q Q 千瓦 kW 2 燃烧排气的焓 H1 H1 千瓦 kW 3 燃烧所需的空气焓 H2 H2 千瓦 kW 4 排气热能 Q1 Q1 千瓦 kW 5 机组的输出电能 W W 千瓦 kW 6 高温冷却水的热能 Q2 Q2 千瓦 kW 7 低温冷却水的热能 Q3 Q3 千瓦 kW 8 对流和辐射的热能 Q4 Q4 千瓦 kW 9 消耗的燃料量 qmf QMF 千克每小时 kg/h 10 燃烧消耗的空气量 qma QMA 千克每小时 kg/h 11 高温冷却水的质量流量 qmw QMW 千克每小时 kg/h 12 低温冷却水的质量流量 qmwl QMWL 千克每小时 kg/h 13 排气热交换器冷却水的质量流量 qme QME 千克每小时 kg/h 14 燃料的低热值 Hu HU 千焦每千克 kJ/kg 15 水的比热容 Cw CW 千焦每千克开尔文 kJ/kgK 16 空气的比定压热容 Cp CP 千焦每千克开尔文 kJ/kgK 17 过量空气系数 无量纲 18 排气温度 Tco TCO 开尔文 K 19 进气温度 Ta TA 开尔文 K 20 排气热交换器冷却水入口温度 T1c T1C 开尔文 K 21 排气热交换器冷却水出口温度 T2c T2C 开尔文 K 22 离开热交换器后的排气温度 Tg TG 摄氏度 23 高温冷却水入口温度 T1w T1W 开尔文 K 24 高温冷却水出口温度 T2w T2W 开尔文 K 25 低温冷却水入口温度 T1wl T1WL 开尔文 K 26 低温冷却水出口温度 T2wl T2WL 开尔文 K 27 环境温度 tx TX 摄氏度 28 标准基准总压 pr PR 千帕 kPa 29 标准空气绝对温度 Tr TR 开尔文 K 30 标准相对湿度 r R 百分比 % 31 环境干气压力 pd PD 千帕 kPa 32 环境空气绝对温度 Ty TY 开尔文 K 33 环境相对湿度 y Y 百分比 % GB/T 103012019 10 表A.1 常用符号与单位（续） 序号 参数 文本表示 电子数据表示 单位名称 符号 34 标定工况燃气流量 qVf QVL 标准立方米每小时 Nm3/h 35 燃料的密度 G PG 千克每标准立方米 kg/Nm3 36 燃气机组的热效率 th NTH 百分比 % GB/T 103012019 11 B B 附 录 B （资料性附录） 测试数据 往复式内燃燃气发电机组热平衡测试数据报告见表B.1、表B.2、表B.3。 表B.1 往复式内燃燃气发电机组基本信息 1 型号 2 编号 3 形式 4 气缸数 5 压缩比 6 混合方式 7 缸径 mm 8 冲程 mm 9 单缸排量 mm3 10 总排量 mm3 11 额定转速 r/min 12 额定功率 kW 13 机组频率 Hz 14 机组额定功率 kW 表B.2 燃气特性 燃料组分： 燃料低热值Hu： kJ/Nm3 燃料密度G： kg/Nm3 表B.3 试验数据及计算 序号 名称 符号 单位 运行工况 0% 25% 50% 75% 100% 1 环境温度 tx 2 环境干气压力 pd kPa 3 环境相对湿度 y % 4 机组功率 Ps kW 5 标定工况燃料流量 qVf Nm3/h 6 消耗的燃料量（计算值） qmf kg/h 7 过量空气系数 - 8 燃烧消耗的空气量（计算值） qma kg/h 9 高温冷却水入口温度 T1w K 10 高温冷却水出口温度 T2w K 11 高温冷却水的质量流量 qmw kg/h 12 低温冷却水入口温度 T1wl K 13 低温冷却水出口温度 T2wl K 14 低温冷却水的质量流量 qmwl kg/h 15 排气热交换器冷却水入口温度 T1c K 16 排气热交换器冷却水出口温度 T2c K 17 排气热交换器冷却水的质量流量 qme kg/h 18 离开热交换器后的排气温度 Tg C GB/T 103012019 12 C D 附 录 C （资料性附录） 热平衡 往复式内燃燃气发电机组热平衡能量平衡测试报告见表C.1。 表 C.1 往复式内燃燃气发电机组热平衡能量平衡 1 型号 2 编号 3 形式 4 气缸数 5 压缩比 6 混合方式 7 缸径 mm 8 冲程 mm 9 单缸排量 mm3 10 总排量 mm3 11 额定转速 r/min 12 额定功率 kW 13 机组频率 Hz 14 机组额定功率 kW 往复式内燃燃气发电机组制造厂 输 入 能 量 输 出 能 量 项 目 符号 数值 kW 百分比（%） 项 目 符号 数值 kW 百分比（%） 燃料热能 Q 机组的输出电能 W 排气的热能 Q1 高温冷却水的热能 Q2 低温冷却水的热能 Q3 对流和辐射的热能 Q4 合计 合计 燃气机组的热效率th _