常壓熱水鍋爐供熱系統常見問題分析

楊志剛

上海新建設建筑設計有限公司

常壓熱水鍋爐供熱系統常見問題分析

楊志剛

上海新建設建筑設計有限公司

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部開口與大氣相通，與承壓鍋爐相比，有不同的設計、使用要求。水壓圖作為分析水系統壓力工況的基本工具，可直觀、清晰地反映水系統壓力的分布。本文將選取典型的常壓熱水鍋爐供熱系統模型，利用水壓圖工具對該系統中循環泵揚程、系統定壓與熱膨脹等常見問題進行分析。

常壓熱水鍋爐 水壓圖 揚程 定壓

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部設有與大氣相通的開口，與承壓鍋爐相比，具有更加安全、經濟、使用靈活的特點，在熱負荷不大的建筑中，有獨特的使用優勢。也正因為頂部開敞，常壓熱水鍋爐供熱系統的設計、使用要求與承壓鍋爐有各種區別。例如高位膨脹水箱的高度及定壓點位置、循環泵的安裝位置與揚程、水箱或鍋爐的防跑水措施等。水壓圖是水系統壓力工況分析的基本工具，可直觀、清晰地反映各點的壓力分布，指導系統定壓、熱膨脹設計、確定循環泵揚程等。本文將選取典型的常壓熱水鍋爐供熱系統模型，利用水壓圖對系統中常見問題進行剖析。

1 常壓熱水鍋爐的位置對系統的影響

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部開口與大氣相通，鍋爐本體頂部表壓為零。鍋爐在系統中的相對位置對系統形式有很大的影響。

鍋爐設置在系統頂部時，可兼做系統的定壓補水裝置。無論靜態還是動態過程中，鍋筒開口處水壓始終為大氣壓，系統無溢水問題，無需設自動啟閉閥、回水平衡閥。系統形式可設計為簡單的單點定壓系統，由常壓熱水鍋爐、熱水循環泵、過濾裝置等組成。鍋爐、熱用戶、循環泵的不同位置組合方式見圖1~圖4。

圖1 鍋爐在水泵與熱用戶上部、壓入式

圖2 水泵與鍋爐在熱用戶上部、壓入式

圖3 鍋爐在水泵與熱用戶上部、抽吸式

圖4 水泵與鍋爐在熱用戶上部、抽吸式

在圖1~圖4幾種布置方式下，循環泵流量計算與承壓鍋爐供熱系統并無區別，可參見手冊[1]介紹。從水壓圖中可以看到，由于只有一處定壓，系統可視為閉式循環系統，循環泵揚程的計算與承壓系統也無區別。以上4種布置方式最大區別在于系統運行時相對壓力的變化。從水壓圖中水壓線與管道相對位置關系可以看出，水泵壓入式非常不利于保持與外界的相對壓力，尤其是水泵與鍋爐在熱用戶上部的布置方式（圖2），即便將水泵安裝在管道最低處（圖1），也需要鍋爐液面到水泵入口有足夠的高差，能克服熱用戶阻力和近一半的系統管道阻力時，才能保持最低處（水泵入口）的表壓為正壓。水泵抽吸式的水力工況在這方面有明顯改善，水泵與鍋爐在熱用戶上部的布置方式（圖4）中，水泵的灌注水頭比較低，水泵安裝時，一般要保持不小于2m灌注水頭避免水泵吸入口產生汽化現象。相較而言，鍋爐設置在系統頂部時，在工作壓力許可的條件下，鍋爐在水泵與熱用戶上部、水泵抽吸式（圖3）是最為可靠的布置方式。

鍋爐未設置在系統頂部時，由于鍋筒開口處液面低于管道最高點，系統需要設置自動啟閉閥、壓差調節閥，在靜態時將高于鍋筒液面的用戶側管段與鍋筒進行隔離。隔離后管道高處表壓為負壓，考慮到管道、閥門密封問題，系統仍有跑水的隱患，因此一般還會增加用戶側的膨脹、定壓裝置，形成雙點定壓系統。典型的雙點定壓系統包括常壓熱水鍋爐、熱水循環泵、回水平衡閥、自動啟閉閥、高位膨脹水箱等，系統流程見圖5。該系統中有鍋筒、高位膨脹水箱兩個水位面。在回水段設有自動啟閉閥（常閉），由循環水泵聯動開啟。在水泵停止運行時，自動啟閉閥和泵前止回閥將系統分隔為b～e、f～m兩段，分別由鍋筒和高位膨脹水箱進行定壓，此時Pk=h2，Pb=h1。水泵啟動后，聯動開啟自動啟閉閥，通過回水平衡閥調整閥前壓力，使回水管壓力略高于系統充水高度，實現回水管正常連續水流。在額定流量下，回水平衡閥全開（△Ha-b≈0）時，高位膨脹水箱高出鍋筒水位差正好滿足k、b兩點間的水力阻力損失（△Hk-b=△h），k、b兩處水壓Pk、Pb與靜態時一致，此條件下循環泵揚程最低，可視為理想工況，對應的水壓圖見圖5。

圖5 雙點定壓、水泵抽出式

2 高位膨脹水箱的高度、定壓點位置

在雙點定壓系統中，高位膨脹水箱除用于容納熱水的縮脹、提供補水，同時還承擔用戶側的定壓。水系統靜止狀態下，定壓點的位置對用戶側水系統壓力分布并無影響；在水系統運轉狀態下，定壓點將直接影響水壓線的絕對高度，如定壓點不是系統的最低點，沿回水水流方向，隨著定壓點以后的管段系統阻力增加和高度的下降，可能出現負壓段。為防止系統運轉時這一管道倒空現象，定壓點一般設在用戶側（f～m）的較低處（即k點）。水箱的高度可按水面高度高出系統最高點1.0m設置，即h2=h3+1.0m。

3 水箱、鍋爐的防跑水措施

雙點定壓系統中有鍋筒、高位膨脹水箱兩個開敞水面。在手冊[1]中已提到，回水管路中未設置壓差調節閥或壓差調節閥調整不當，會使系統水流在回水管部分未實現正常連續水流，產生倒空現象，鍋爐、水箱溢水。提出安裝并正確調整回水管路中的壓差調節閥，使進壓差閥前的回水壓力高于系統的充水高度來進行解決。通過水壓圖分析，可以得到更多、更全面的跑水問題的解讀。

靜態時，自動啟閉閥保持關閉和泵前止回閥將系統分隔為兩段，a～e為鍋爐側，f～m為用戶側。兩段工作壓力分別為Pb=h1、Pk=h2。系統運轉后，如為理想工況，無需調整平衡閥，即可滿足膨脹水箱定壓點k、鍋爐回水點b兩處的水壓仍保持在h1、h2，鍋筒、高位膨脹水箱兩處水面不會產生波動。實際工程中，Pb、Pk會根據運行工況發生偏離，若Pb-k＞△h（即Pb＜h1或Pk＞h2），會引起鍋爐水面下降、持續補水，以致高位膨脹水箱水面持續上升、跑水。若Pb-k＜△h（即Pb＞h1或Pk＜h2），則鍋爐跑水、膨脹水箱補水。結合水壓圖，對跑水現象原因分析及改善或解決措施建議見表1。

表1 常壓熱水鍋爐供熱系統防跑水措施

4 循環泵的位置與揚程

對于鍋筒開敞且鍋爐不在系統最高處的雙點定壓系統，如采用壓入式，水泵提升的動壓會在鍋筒液面處結束，系統無法正常運轉，所以一般采用水泵抽吸式。水泵安裝的高度不僅要低于鍋筒液面，且液位差要保證系統壓力最低點（水泵入口處）不產生汽化現象，鍋爐液面至水泵吸入口的高差一般不小于2m。循環泵選擇時還要注意，由于冷水泵和熱水泵密封工藝不同，對于水溫高于80℃的供熱系統，循環泵應選擇熱水型，熱水泵密封工藝更符合高溫水要求，且可減少軸承密封處漏水、減輕汽蝕。

在理想工況下，系統無需設置回水平衡閥，△Ha-b≈0，△Hk-b=△Hk-a=△h，循環泵僅需要克服最不利環路總阻力△H，即：

式中：H為水泵計算揚程，mH2O；K1為揚程裕量系數，一般K1取1.10～1.20；△H為最不利環路總阻力，包括供水管阻力（△Hc-f-i）、熱用戶阻力（△Hi-j）、回水管阻力（△Hj-m-a）。

設計工況下，循環泵需要克服最不利環路總阻力、回水平衡閥或壓差調節閥阻力。即：

眾多技術資料中強調，常壓熱水鍋爐供熱系統循環泵的揚程計算需參照開式系統，除克服管路阻力外，還需增加兩處開口的液面高差。根據水壓圖（圖5），結合前章水箱或鍋爐防跑水措施的分析，可以看到，雖然雙點定壓系統中鍋筒處有開敞的液面，但運行時，通過調節回水壓差閥，該液面對系統的定壓作用與膨脹水箱是一致的，整個水力線是延續的、完整的。筆者認為，雙點的液面高差已反映在回水調節閥的設定值中，水泵揚程按閉式系統的方式進行計算即可。

例如，技術措施[2]提供了當鍋爐循環水供熱系統的最高點高于鍋爐的最低水位時，循環水泵的揚程計算：

式中：△h為循環水泵軸線與高位膨脹水箱最高水位之間的位差值，m；△h1為循環系統最不利環路的供、回水母管的阻力，m；△h2為循環系統最不利用戶內部的阻力或調節要求壓差值，m；△h3為鍋爐房內部管道系統阻力，m；△h4為設計富裕量，取2～5m。

該公式中，△h是系統兩個定壓點之間的高差，對應水壓圖k-m-a-b這一管段的壓力降，而△h3一項，同樣包含k-m-a這一管段阻力損失，所以如按該公式計算，將重復計入k-m-a管段的阻力損失，水泵揚程會偏大。按此配置，不僅增加輸配系統能耗，還有可能導致膨脹水箱溢水。

5 結論與建議

對于多層建筑，常壓熱水鍋爐設置在建筑頂部、水泵設置在建筑底部，采用水泵抽吸式的單點定壓供熱系統是相對可靠的布置方式。對于高層建筑或常壓熱水鍋爐無法設置在建筑頂部時，需采用雙點定壓系統供熱，該系統水力工況復雜多變，在系統設計時應繪制水壓圖來確定水泵、膨脹水箱的位置，并應計算回水平衡閥的設定值，保障系統經濟、安全運行。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版).北京:中國建筑工業出版社,2007

[2] 住房和城鄉建設部工程質量安全監管司.全國民用建筑工程設計技術措施——暖通空調·動力(09JSCS-KR)(2009年版).北京:中國計劃出版社,2009

[3] 賀平,孫剛.供熱工程(第四版).北京:中國建筑工業出版社,2009

[4] 蔡增基.流體力學泵與風機(第五版).北京:中國建筑工業出版社,2009

Analysis of Atmospheric Hot-water Boiler Heating System

YANG Zhi-gang
Shanghai New Construction Architectural Design Co.,Ltd.

Atmospheric hot-water boiler is opening to atmosphere.It’s different between atmospheric hot-water boiler and boiler about the system design and requirements.The FAQ circulating pump head,the system constant pressure and thermal expansion has been analyzed by pressure diagram in this article.

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1003-0344（2015）04-068-3

2014-5-26

楊志剛（1981～），男，本科，工程師；上海市普陀區中山北路3000號長城大廈38樓（200063）；E-mail:13918591508@163.com）