“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

張偉 王建友 于云祖 劉創(chuàng) 李斌

[摘 要] 基于“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，搭建了由燃?xì)庠罹弑倔w、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的燃?xì)庠罹咝阅軠y(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)除用于“鍋爐原理”課程的基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還可用于研究鍋架高度、鍋體結(jié)構(gòu)、擋風(fēng)聚能罩、火孔結(jié)構(gòu)等對(duì)燃?xì)庠罹邿嵝省O排放等的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合。學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，訓(xùn)練了工程實(shí)踐能力和探索求真精神，平臺(tái)在培養(yǎng)能動(dòng)專業(yè)復(fù)合型人才中發(fā)揮了積極作用。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái);燃?xì)庠罹?提效措施;實(shí)踐能力

[基金項(xiàng)目] 2020年度中國(guó)石油大學(xué)（華東）校級(jí)教改項(xiàng)目“‘熱工實(shí)驗(yàn)’教材建設(shè)”（KC-202031）;2020年度山東省專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目“‘高等工程熱力學(xué)’教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)”（SDYAL20038）

[作者簡(jiǎn)介] 張 偉（1978—），男，黑龍江龍江人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院副教授，主要從事鍋爐節(jié)能減排技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] TK175;TE81 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）52-0133-04 ? [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

能源是指能夠提供能量的資源，是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。在當(dāng)今快速發(fā)展的時(shí)代，能源消費(fèi)與GDP增長(zhǎng)高度相關(guān)，可以說(shuō)能源是支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力中樞[1]。正因?yàn)槿绱?，與能源相關(guān)的學(xué)科專業(yè)受到了前所未有的關(guān)注，對(duì)能源相關(guān)專業(yè)人才的需求也達(dá)到了新的高度[2]。能源與動(dòng)力工程專業(yè)屬能源動(dòng)力類專業(yè)，以培養(yǎng)掌握能源轉(zhuǎn)化與利用的基本理論和基本技能的工程技術(shù)人才為目標(biāo)。顯而易見(jiàn)，能動(dòng)專業(yè)的畢業(yè)生是落實(shí)國(guó)家“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國(guó)內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”四大能源戰(zhàn)略[3]的中堅(jiān)力量。

我國(guó)于2016年6月被國(guó)際工程聯(lián)盟批準(zhǔn)為《華盛頓協(xié)議》第18個(gè)成員，標(biāo)志著工程教育人才培養(yǎng)得到了其他成員“實(shí)質(zhì)等效”認(rèn)可[4]。

當(dāng)今世界正進(jìn)行新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨重大機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。為適應(yīng)以新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)，迫切需要深化高等工程教育改革[6]。為此，教育部于2017年6月發(fā)布了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，標(biāo)志著新工科建設(shè)正式進(jìn)入探索階段。指南中明確提出，要推進(jìn)基于成果導(dǎo)向的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[7]。

綜上所述，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力已然成為當(dāng)下高等教育的緊迫任務(wù)。相對(duì)于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性、創(chuàng)新性的特點(diǎn)[8]，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[9]。鍋爐是最重要的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，我國(guó)75%以上的煤炭由鍋爐通過(guò)燃燒過(guò)程轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用[ 10 ]，可以說(shuō)“鍋爐原理”和“工程燃燒學(xué)”兩門課程是能動(dòng)專業(yè)最重要的專業(yè)核心課程，對(duì)培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新性人才發(fā)揮不可替代的作用。然而，由于條件有限多年來(lái)我校本科生一直未能開設(shè)與鍋爐相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，本次借助學(xué)校優(yōu)化學(xué)科布局[ 11 ]的機(jī)會(huì)，建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，以便更好地服務(wù)于國(guó)家能源戰(zhàn)略。

二、“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

在建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，重點(diǎn)考慮了以下三個(gè)問(wèn)題。首先，從平臺(tái)功能上看，除了能完成煙氣成分測(cè)試及熱平衡（或熱效率）分析兩個(gè)基本實(shí)驗(yàn)外，盡量有更多的擴(kuò)展功能;其次，從服務(wù)對(duì)象上看，平臺(tái)除了能滿足本科及部分研究生教學(xué)應(yīng)用外，最好能兼顧自主創(chuàng)新和科學(xué)研究;最后，從投資角度看，平臺(tái)需滿足占用場(chǎng)地小、危險(xiǎn)性低、投資少的要求。由此看來(lái)，購(gòu)置小型整裝工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本體并不合適，因?yàn)橥顿Y高、危險(xiǎn)性大（鍋爐屬于壓力容器）、占用場(chǎng)地多、可調(diào)節(jié)功能少等。所以，以燃?xì)庠?、鍋具為主體，搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)更為可行。因?yàn)樵撈脚_(tái)除具備整裝工業(yè)鍋爐平臺(tái)的所有功能（燃燒及傳熱測(cè)試）外，還具有容易擴(kuò)展、便于觀察、貼近生活等特點(diǎn)，這些功能和特點(diǎn)有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)和研究興趣。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置如圖1所示，該裝置由燃?xì)庠罹弑倔w、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。燃?xì)庠罹弑倔w包括商用燃?xì)庠睢⒓獾族伨?、攪拌器等，其中燃?xì)庠钸x用液化氣類型，以方便搭配罐裝液化氣，避免鋪設(shè)燃?xì)夤芫€。燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)由燃?xì)夤?、減壓閥、壓力表、輸氣管等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心，通過(guò)數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)燃?xì)庠罹叩男阅埽瑵M足教學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新研究要求;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括Scion氣相色譜儀、氣體流量表、Mru煙氣分析儀、Testo紅外熱像儀、S型熱電偶、Agilent數(shù)據(jù)采集儀等構(gòu)成;燃?xì)饨M分由色譜儀分析以計(jì)算燃?xì)鉄嶂?，煙氣分析儀測(cè)定煙氣成分以評(píng)價(jià)燃?xì)庠钊紵隣顩r，熱電偶測(cè)試溫度分布以評(píng)價(jià)灶具傳熱狀況，紅外熱像儀拍攝整體熱場(chǎng)輔助分析燃?xì)庠罹咝阅?。為了確保安全，實(shí)驗(yàn)室安裝有燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，防止燃?xì)夤扌孤┍ㄊ鹿拾l(fā)生。

三、燃?xì)庠罹邿嵝始癈O排放實(shí)驗(yàn)方法

燃?xì)庠罹叩男阅馨嵝省⑷紵实葻峁ば阅芤约癈O、NOx等排放性能，其中熱效率和CO排放是衡量燃?xì)庠罹咦钪饕膬蓚€(gè)性能指標(biāo)[ 12 ]。影響兩者的因素很多，如燃?xì)庠钛劭讖?、孔?shù)、傾斜角，以及鍋具形狀、大小等。作為案例，按照下面的方法，可完成鍋架高度影響燃?xì)庠罹咝阅艿膶?shí)驗(yàn)。

基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，遵循的步驟為：（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，檢查燃?xì)庑孤﹫?bào)警器及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各設(shè)備是否工作正常，開啟實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)換氣系統(tǒng)，鍋具加裝一定量的冷水，燃?xì)獠蓸硬⑦M(jìn)行成分測(cè)定等;（2）實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)，燃?xì)庠铧c(diǎn)火，調(diào)節(jié)火量旋鈕、一次風(fēng)門擋板、鍋架高度等參量，滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)定條件;（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將鍋具放在鍋架上并開始計(jì)時(shí)，監(jiān)測(cè)水的升溫過(guò)程，至水升溫到設(shè)定溫度時(shí)停止計(jì)時(shí)。在此期間，進(jìn)行火焰溫度測(cè)試、煙氣成分測(cè)定（測(cè)點(diǎn)滿足《家用燃?xì)庠罹摺稧B 16410-2007要求）、熱場(chǎng)紅外拍攝，記錄水的溫升、加熱時(shí)間、燃?xì)饬髁康?（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，所有實(shí)驗(yàn)工況完成后，關(guān)閉儲(chǔ)氣罐及燃?xì)庠?，清空鍋具?nèi)的水，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其他設(shè)備，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)換氣系統(tǒng)。

基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的水量、水的溫升、燃?xì)饬?、燃?xì)獬煞?、煙氣成分等?shù)據(jù)，計(jì)算了燃?xì)庠罹叩臒嵝屎虲O排放濃度隨鍋架高度的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3中可以看出，隨著鍋架高度（火蓋上表面與尖鍋底之間距離）的增加，熱效率和CO排放呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，變化規(guī)律與黃亞繼等人與薛治家等人在文獻(xiàn)中的表述一致[ 13，14 ]。但相比于上述文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，本文的CO排放濃度偏高、熱效率偏低?？赡艿脑蛴校罕緦?shí)驗(yàn)中燃?xì)鉃橐夯蜌猓啾扔谔烊粴怆y燃燒;鍋體為尖底鍋，鍋底與火焰距離小，影響了燃燒過(guò)程;商用燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)不同，燃燒傳熱性能有差異。

從節(jié)能的角度看，熱效率是最受關(guān)注的性能指標(biāo)，為了探討鍋架高度影響熱效率的原因，測(cè)試了鍋壁周圍的煙氣溫度分布（見(jiàn)圖4a、圖4b）。煙氣溫度分布圖中，橫坐標(biāo)X=0處代表鍋具兩側(cè)壁面位置，煙氣溫度以此呈左右大體對(duì)稱分布;圖4中Z代表測(cè)點(diǎn)高度，隨著Z的增加，煙氣將熱量傳遞給鍋具而溫度降低。圖4b相較于圖4a，鍋架升高了2cm，若以鍋具作為參照物，圖4b中Z=6.5cm處與圖4a中Z=4.5cm處是同一位置，表明鍋架升高后，與鍋體接觸傳熱的煙氣溫度低了約150℃。另外，鍋架高意味著火焰接觸鍋壁面積更小。更低的煙氣溫度、更小的接觸面積，導(dǎo)致燃?xì)庠罹邿嵝孰S鍋架升高而降低（見(jiàn)圖2）。此外，因鍋架升高，火蓋與鍋底間距拉大，火焰燃燒空間變大，外界大氣更容易擴(kuò)散進(jìn)入火焰，表現(xiàn)為煙氣O2濃度更高，燃燒會(huì)更加徹底，因而CO排放濃度降低（見(jiàn)圖3）。

本實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的熱效率和CO排放規(guī)律與已有文獻(xiàn)相同，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性;除此之外，實(shí)驗(yàn)裝置中的煙溫測(cè)試和紅外成像，豐富了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探討。因此，燃?xì)庠罹咝阅軠y(cè)試裝置是較好的教學(xué)與科研平臺(tái)。

四、“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

天然氣作為一種清潔能源，對(duì)國(guó)家的節(jié)能減排、低碳發(fā)展極為重要，在國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)中，天然氣所占比重逐年增加。2017年生活消費(fèi)天然氣、液化石油氣占比分別為17.6%、59.1%。從絕對(duì)量上看，2017年生活消費(fèi)天然氣、液化石油氣分別為420.3億立方米、3225萬(wàn)噸，將液化氣（熱值50179kJ/kg）按熱量折算成天然氣（熱值38931kJ/m3）約為415.7億立方米，兩項(xiàng)以天然氣計(jì)量達(dá)836億立方米。如此看來(lái)，生活消費(fèi)的天然氣量相當(dāng)驚人，而前面的實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)表明，當(dāng)前燃?xì)庠畹臒嵝蕛H為50%左右，與燃?xì)忮仩t熱效率90%相比，燃?xì)庠顭嵝拭黠@偏低、浪費(fèi)清潔燃料嚴(yán)重[ 12-14 ]。所以，開展燃?xì)庠罟?jié)能提效研究是一項(xiàng)非常有價(jià)值的工作，也是應(yīng)用鍋爐原理知識(shí)，解決工程問(wèn)題的典型研究方向。

基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以開動(dòng)腦筋、提出增效措施（例如加裝擋風(fēng)節(jié)能罩、優(yōu)選燃?xì)饨M分等）、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成自主創(chuàng)新內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用“鍋爐原理”課程知識(shí)，分析燃?xì)庠罹咛嵝У脑?。這些工作會(huì)極大地培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維習(xí)慣和孜孜以求的科研創(chuàng)新精神。因此，“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在支撐學(xué)生申報(bào)科研創(chuàng)新項(xiàng)目、參加國(guó)家大學(xué)生節(jié)能減排競(jìng)賽等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

五、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“鍋爐原理”“工程燃燒學(xué)”等課程無(wú)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以及民用燃?xì)庠罹邿嵝实?、浪費(fèi)清潔能源天然氣的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)搭建了燃?xì)庠罹咝阅軠y(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，為深化理解鍋爐原理知識(shí)、探究燃?xì)庠罹吖?jié)能提效措施、實(shí)現(xiàn)民用天然氣清潔高效利用提供了研究平臺(tái)。

本文建設(shè)的“鍋爐原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，系統(tǒng)完備、功能齊全。基于該平臺(tái)，本科生可進(jìn)行熱平衡測(cè)試和煙氣成分分析實(shí)驗(yàn)，研究生可進(jìn)行燃燒焓驗(yàn)證實(shí)驗(yàn);此外，學(xué)生還可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，完成綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，體現(xiàn)了科學(xué)研究與教學(xué)應(yīng)用相結(jié)合的思路，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力發(fā)揮了積極作用。

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