基于參數評估的熱水供應系統故障處理

趙穎

(重慶大學建筑設計研究院，重慶 400045)

0 引言

熱水供應系統的基本目標是水質、水溫、水量滿足使用要求。熱水系統容易滋生細菌[1]，尤其是軍團菌，影響熱水使用安全;熱水冷熱不均，可能產生燙傷情況或不能保溫[2－3];由于供給與需求的不平衡，熱水常出現供應不足或造成能量浪費。[4－10]所以，集中熱水供應系統在長期運行中，應進行必要的調試與維護管理。

有關熱水水質、溫度、負荷控制[4－7]等方面的研究很多，但對熱水供應系統運行故障排除研究的報導較少。文章對某賓館熱水供應系統在維護后、高峰用水時發生斷水故障的原因進行探究，揭示熱水參數的指導作用，以期為熱水供應系統的運行維護管理提供參考。

1 研究對象

某賓館熱水供應系統(如圖1所示)。客房數折算為152個標準間。熱水供應系統采用2臺容積式換熱器，2臺熱水循環泵;管材為襯塑鋼管，卡箍連接;投入使用5年，運轉正常，滿足使用要求。

在對熱水供應機房巡檢中，管理人員發現圖1中節點A處卡箍管件的螺桿變形、滲漏滴水。隨即組織維修人員泄空管網、替換了管件。但就在管件維護后，客人反映熱水不能持續供應、時有時無。對這種斷水故障，管理人員嘗試了多種措施，都未能取得效果。

難以想象這難道是一個簡單的卡箍管件維護引起的?或許是由于客人特別集中入住、熱水使用高峰異常凸起、需要更大的供熱能力，原設計存在缺陷[10－11]，為此，需對熱水供應系統進行調試，通過試驗找出原因，提出解決辦法。

2 方法與結果

2.1 放水試驗

賓館熱負荷具有穩定而持續的特點[12]，通過用水需求模式的分析，沐浴是熱水需求的主要影響因素[13]。所以，高峰用水主要考察沐浴的用水情況。

根據圖1熱水供應系統管路特點，放水試驗淋浴器的數量與分布如圖1虛線方框范圍內的3種情況:①距主供水立管最近、最高用水區(M1);② 距主供水立管最遠、較高的用水區(M2);③距主供水立管最遠、最低的用水區(M3)。

每次開啟試驗區的所有淋浴器的時間控制在30s內。試驗中觀察淋浴器流量與水溫的變化、記錄每組試驗從第1個淋浴器放水到出現1個淋浴器斷水的時間。

用水區(M1)、(M2)、(M3)開啟的淋浴器數量分別為13、18、18個，都觀察到了斷水現象。持續出水的時間約3～8min，試驗區(M1)最短、試驗區(M3)最長。但斷水后，關閉所有淋浴器，約10min后，打開淋浴器，又開始出水。

盡管試驗區開啟的淋浴器(18個)僅約為總數(152個)的11.80%、能否代表高峰用水的情況還值得探討，盡管放水試驗記錄的時間可能存在誤差，但可以看出，試驗區的持續出水時間都小于一個人正常淋浴所需的時間。也就是說，熱水系統供應的熱水量不能滿足使用要求。

2.2 氣塞試驗

氣塞是造成管路斷水[14]的重要原因之一，應進行氣塞試驗、弄清氣塞的影響情況。試驗步驟如下:①關閉閥門(FM1)、開啟閥門(FM2、FM3)泄空管網中的水;②開啟所有水龍頭、淋浴器和排氣閥，盡可能向管路補氣;③ 在節點B處臨時增設一個閥門;④關閉閥門(FM2、FM3)和節點B處臨時閥門，關閉所有水龍頭、淋浴器和排氣閥;⑤ 打開閥門(FM1)供水;⑥充水穩定后，開啟淋浴器放水[15]。

圖1 熱水供應系統示意

氣塞試驗集中在3個用水點:靜水壓力最低的最高用水點(N1);距主供水立管最遠的較高用水點(N2);位于系統中部的不利用水點(N3)。

試驗的3個用水點(N1)、(N2)、(N3)在開啟淋浴器后，都產生氣－水流噴濺現象、并伴隨“咔咔”聲，但都能順利出水。這表明:向熱水系統補水的生活冷水箱設置標高所提供的水壓能夠把管路中的氣體從用水點推出來[11，14]。所以，氣塞不是造成熱水系統高峰用水時、發生斷水現象的原因。

2.3 熱水系統參數值的變化

2.3.1 溫度的變化

在放水試驗中，先放出支管中的冷水、然后出熱水，斷水前水量較小、水溫偏低，但出水中間過程的水溫能滿足使用要求。這說明，換熱器和熱水循環泵運轉正常，能夠補充管路的熱損失。斷水前水溫偏低是由于支管未參與循環、熱水量小、攜帶的熱量少，管路熱損失后，水溫降低了。

在對換熱器的溫度觀測中，發現其水溫變化的快慢、變化的趨勢與故障前不同。以晚上觀測的溫度變化為例，如圖2所示。故障時，從19:00—23:00時，換熱器的溫度大約下降6℃;而故障前，僅從19:00—21:15時，換熱器的溫度大約下降8℃、降到了需要加熱的最低溫度。故障時，從設定的最低溫度加熱至最高溫度需要約33min;而故障前，需要約50min。由此可見，故障時換熱器的降溫比故障前慢、而加熱升溫比故障前快。

圖2 故障前后換熱器內水溫變化對比

2.3.2 熱水循環泵出口壓力的變化

熱水循環泵出口壓力觀測主要在3種不同工況:①靜態壓力。熱水循環泵停止運轉，關閉閥門(FM1)，此時壓力為向熱水系統補水的生活冷水箱設置標高所提供的靜水壓力，約0.79×103kPa。②故障后的動態壓力。強制啟動熱水循環泵，壓力約0.83×103kPa。③ 故障前的動態壓力。熱水循環泵啟動后，壓力在約0.78×103kPa左右變化。

壓力觀測可能存在誤差，但很明顯:故障后熱水循環泵運轉時的出口壓力比故障前高。

2.3.3 熱水系統參數值變化的評估

換熱器內水溫的不同變化主要是受進出水狀態的影響[16－17]。靜態時沒有進出水，溫度的變化取決于換熱器的絕熱條件和是否啟動熱媒。動態時既有進水、也有出水，溫度的變化不僅取決于絕熱條件，更主要取決于進出水量和是否啟動熱媒。在不啟動熱媒時，進出水量小、溫度下降慢;進出水量大、溫度下降快。在啟動熱媒時，進出水量小、溫度上升快;進出水量大、溫度上升慢。在相同的時間段內，圖2中故障時換熱器的降溫過程線比故障前平緩、下降到設定溫度的時間較長;加熱升溫過程線比故障前陡，上升到設定溫度的時間較短。由此可以判定，故障時進出換熱器的水量較小。也就是說，故障時熱水供應系統的供水量較小。

熱水循環泵出口壓力的變化可利用圖解法[18]求解熱水供應系統的運行工況進行分析。從圖1可知，熱水供應系統由回水管路、冷水補給管路和熱水供水管路組成，其管路特性曲線如圖3所示。回水管路特性曲線由熱水泵的流量－揚程曲線(a)減去相等流量下的回水管路水頭損失而得，即曲線(b);冷水補給管路特性曲線為(c);由于回水管路與冷水補給管路屬于并聯工作，把曲線(b)與(c)在等壓力下、流量疊加得曲線(d);供水管路特性曲線為(e);向熱水系統補水的生活冷水箱設置標高決定的靜水壓力線為(f)。則曲線(e)與(b)、(c)、(d)的交點R、S、T分別為純回水、純補水、既回水又補水的3種運行方式的工況點，位于曲線(b)與靜水壓力線(f)的交點U的右側，各工況點的壓力(Hr、Hs、Ht)均小于靜水壓力(Ho)。而在故障時觀測的熱水泵出口壓力(0.83×103kPa)高于靜水壓力(Ho=0.79×103kPa)。這說明，故障時水泵的工況點應在圖3中曲線(b)上點U的左側、如點V，其管路特性曲線為(g)。也就是說，供水管路特性曲線變陡了、管路阻力增大了。曲線(g)與(b)、(c)交于點V、W，點V、W即為故障時的純回水、純補水工況點。其流量(Qv、Qw)均小于供水管路曲線(e)相同工況的流量(Qr、Qs)。

圖3 熱水供應系統管路特征性曲線

綜上可知，熱水供應系統供水管路特性曲線變陡，管路阻力增大，供水量較小。這表明，在熱水供水管路中存在局部堵塞現象，局部堵塞是造成熱水供應系統供水量不足、高峰用水時發生斷水故障的根本原因。

2.4 通水試驗

熱水系統的供水能力主要決定于冷水補給管、換熱器和熱水主供水管路。為了檢驗其水力條件，分段進行通水試驗。具體方法是:① 冷水補給管。關閉閥門(FM4)、卸下止回閥(ZHF)，然后逐漸開啟閥門(FM4)，觀察不同開啟度的水流變化。②換熱器。關閉閥門(FM1)、開啟閥門(FM5)，觀察不同開啟度的水流變化。③熱水主供水管路。關閉閥門(FM1)、開啟閥門(FM2)，泄空主供水立管;然后逐一卸下伸縮節;關閉閥門(FM2)、開啟閥門(FM1)供水。觀察各伸縮節處的水流變化。

通水試驗中，冷水補給管路與換熱器在控制閥門的不同開啟度下，觀察到很明顯的流量變化。而在熱水主供水立管上節點C處，閥門(FM1)開啟度變化過程中，流量變化不明顯，尤其是在逐漸完全開啟閥門(FM1)的后階段，流量基本不變。據此判斷堵塞物位于主供水立管中。

通過光照觀察，發現在節點C的下方有堵塞物，為襯塑鋼管的內襯塑料松脫、翻卷而形成的硬塊。其形成原因是:① 安裝與伸縮節連接的法蘭時，破壞了內襯塑料與鋼管的粘接、使內襯塑料松脫。②在熱水系統長期正常運轉中，內襯塑料的松脫區自連接伸縮節的法蘭口向下擴展，松脫區越來越大。③在正常的上向流供水中，下端粘貼在鋼管壁上、上端松脫的內襯塑料浮游在熱水中，沒有對供水造成影響。④ 在管件維修、泄空管道時，下向水流使松脫的內襯塑料翻卷變形。⑤熱水泄空后，溫度降低、翻卷的塑料變硬，堵塞了管道。

在替換堵塞管段后，重新恢復供水，再沒有斷水的反映。這表明，熱水供應系統已正常運轉，原設計管路合理，能滿足不同時段的用水要求。

3 結論

通過故障前后換熱器內水溫變化快慢的對比、熱水循環泵出口壓力的高低變化對比，弄清了熱水系統高峰用水時發生斷水故障的根本原因。這表明，溫度、壓力等參數指示了熱水供應系統的運行工況，為系統故障處理提供了指導。這也說明，研究和掌握熱水參數的變化情況，對熱水供應系統的運行維護管理具有重要的現實意義。

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