常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題分析

楊志剛

上海新建設(shè)建筑設(shè)計(jì)有限公司

常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題分析

楊志剛

上海新建設(shè)建筑設(shè)計(jì)有限公司

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部開(kāi)口與大氣相通，與承壓鍋爐相比，有不同的設(shè)計(jì)、使用要求。水壓圖作為分析水系統(tǒng)壓力工況的基本工具，可直觀、清晰地反映水系統(tǒng)壓力的分布。本文將選取典型的常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)模型，利用水壓圖工具對(duì)該系統(tǒng)中循環(huán)泵揚(yáng)程、系統(tǒng)定壓與熱膨脹等常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析。

常壓熱水鍋爐 水壓圖 揚(yáng)程 定壓

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部設(shè)有與大氣相通的開(kāi)口，與承壓鍋爐相比，具有更加安全、經(jīng)濟(jì)、使用靈活的特點(diǎn)，在熱負(fù)荷不大的建筑中，有獨(dú)特的使用優(yōu)勢(shì)。也正因?yàn)轫敳块_(kāi)敞，常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用要求與承壓鍋爐有各種區(qū)別。例如高位膨脹水箱的高度及定壓點(diǎn)位置、循環(huán)泵的安裝位置與揚(yáng)程、水箱或鍋爐的防跑水措施等。水壓圖是水系統(tǒng)壓力工況分析的基本工具，可直觀、清晰地反映各點(diǎn)的壓力分布，指導(dǎo)系統(tǒng)定壓、熱膨脹設(shè)計(jì)、確定循環(huán)泵揚(yáng)程等。本文將選取典型的常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)模型，利用水壓圖對(duì)系統(tǒng)中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行剖析。

1 常壓熱水鍋爐的位置對(duì)系統(tǒng)的影響

常壓熱水鍋爐鍋筒頂部開(kāi)口與大氣相通，鍋爐本體頂部表壓為零。鍋爐在系統(tǒng)中的相對(duì)位置對(duì)系統(tǒng)形式有很大的影響。

鍋爐設(shè)置在系統(tǒng)頂部時(shí)，可兼做系統(tǒng)的定壓補(bǔ)水裝置。無(wú)論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)過(guò)程中，鍋筒開(kāi)口處水壓始終為大氣壓，系統(tǒng)無(wú)溢水問(wèn)題，無(wú)需設(shè)自動(dòng)啟閉閥、回水平衡閥。系統(tǒng)形式可設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的單點(diǎn)定壓系統(tǒng)，由常壓熱水鍋爐、熱水循環(huán)泵、過(guò)濾裝置等組成。鍋爐、熱用戶、循環(huán)泵的不同位置組合方式見(jiàn)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(huán)泵流量計(jì)算與承壓鍋爐供熱系統(tǒng)并無(wú)區(qū)別，可參見(jiàn)手冊(cè)[1]介紹。從水壓圖中可以看到，由于只有一處定壓，系統(tǒng)可視為閉式循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)泵揚(yáng)程的計(jì)算與承壓系統(tǒng)也無(wú)區(qū)別。以上4種布置方式最大區(qū)別在于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相對(duì)壓力的變化。從水壓圖中水壓線與管道相對(duì)位置關(guān)系可以看出，水泵壓入式非常不利于保持與外界的相對(duì)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(tǒng)管道阻力時(shí)，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(shí)，一般要保持不小于2m灌注水頭避免水泵吸入口產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。相較而言，鍋爐設(shè)置在系統(tǒng)頂部時(shí)，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(shè)置在系統(tǒng)頂部時(shí)，由于鍋筒開(kāi)口處液面低于管道最高點(diǎn)，系統(tǒng)需要設(shè)置自動(dòng)啟閉閥、壓差調(diào)節(jié)閥，在靜態(tài)時(shí)將高于鍋筒液面的用戶側(cè)管段與鍋筒進(jìn)行隔離。隔離后管道高處表壓為負(fù)壓，考慮到管道、閥門(mén)密封問(wèn)題，系統(tǒng)仍有跑水的隱患，因此一般還會(huì)增加用戶側(cè)的膨脹、定壓裝置，形成雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)。典型的雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)包括常壓熱水鍋爐、熱水循環(huán)泵、回水平衡閥、自動(dòng)啟閉閥、高位膨脹水箱等，系統(tǒng)流程見(jiàn)圖5。該系統(tǒng)中有鍋筒、高位膨脹水箱兩個(gè)水位面。在回水段設(shè)有自動(dòng)啟閉閥（常閉），由循環(huán)水泵聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟。在水泵停止運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)啟閉閥和泵前止回閥將系統(tǒng)分隔為b～e、f～m兩段，分別由鍋筒和高位膨脹水箱進(jìn)行定壓，此時(shí)Pk=h2，Pb=h1。水泵啟動(dòng)后，聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟自動(dòng)啟閉閥，通過(guò)回水平衡閥調(diào)整閥前壓力，使回水管壓力略高于系統(tǒng)充水高度，實(shí)現(xiàn)回水管正常連續(xù)水流。在額定流量下，回水平衡閥全開(kāi)（△Ha-b≈0）時(shí)，高位膨脹水箱高出鍋筒水位差正好滿足k、b兩點(diǎn)間的水力阻力損失（△Hk-b=△h），k、b兩處水壓Pk、Pb與靜態(tài)時(shí)一致，此條件下循環(huán)泵揚(yáng)程最低，可視為理想工況，對(duì)應(yīng)的水壓圖見(jiàn)圖5。

圖5 雙點(diǎn)定壓、水泵抽出式

2 高位膨脹水箱的高度、定壓點(diǎn)位置

在雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)中，高位膨脹水箱除用于容納熱水的縮脹、提供補(bǔ)水，同時(shí)還承擔(dān)用戶側(cè)的定壓。水系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下，定壓點(diǎn)的位置對(duì)用戶側(cè)水系統(tǒng)壓力分布并無(wú)影響；在水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，定壓點(diǎn)將直接影響水壓線的絕對(duì)高度，如定壓點(diǎn)不是系統(tǒng)的最低點(diǎn)，沿回水水流方向，隨著定壓點(diǎn)以后的管段系統(tǒng)阻力增加和高度的下降，可能出現(xiàn)負(fù)壓段。為防止系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)這一管道倒空現(xiàn)象，定壓點(diǎn)一般設(shè)在用戶側(cè)（f～m）的較低處（即k點(diǎn)）。水箱的高度可按水面高度高出系統(tǒng)最高點(diǎn)1.0m設(shè)置，即h2=h3+1.0m。

3 水箱、鍋爐的防跑水措施

雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)中有鍋筒、高位膨脹水箱兩個(gè)開(kāi)敞水面。在手冊(cè)[1]中已提到，回水管路中未設(shè)置壓差調(diào)節(jié)閥或壓差調(diào)節(jié)閥調(diào)整不當(dāng)，會(huì)使系統(tǒng)水流在回水管部分未實(shí)現(xiàn)正常連續(xù)水流，產(chǎn)生倒空現(xiàn)象，鍋爐、水箱溢水。提出安裝并正確調(diào)整回水管路中的壓差調(diào)節(jié)閥，使進(jìn)壓差閥前的回水壓力高于系統(tǒng)的充水高度來(lái)進(jìn)行解決。通過(guò)水壓圖分析，可以得到更多、更全面的跑水問(wèn)題的解讀。

靜態(tài)時(shí)，自動(dòng)啟閉閥保持關(guān)閉和泵前止回閥將系統(tǒng)分隔為兩段，a～e為鍋爐側(cè)，f～m為用戶側(cè)。兩段工作壓力分別為Pb=h1、Pk=h2。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，如為理想工況，無(wú)需調(diào)整平衡閥，即可滿足膨脹水箱定壓點(diǎn)k、鍋爐回水點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。實(shí)際工程中，Pb、Pk會(huì)根據(jù)運(yùn)行工況發(fā)生偏離，若Pb-k＞△h（即Pb＜h1或Pk＞h2），會(huì)引起鍋爐水面下降、持續(xù)補(bǔ)水，以致高位膨脹水箱水面持續(xù)上升、跑水。若Pb-k＜△h（即Pb＞h1或Pk＜h2），則鍋爐跑水、膨脹水箱補(bǔ)水。結(jié)合水壓圖，對(duì)跑水現(xiàn)象原因分析及改善或解決措施建議見(jiàn)表1。

表1 常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)防跑水措施

4 循環(huán)泵的位置與揚(yáng)程

對(duì)于鍋筒開(kāi)敞且鍋爐不在系統(tǒng)最高處的雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)，如采用壓入式，水泵提升的動(dòng)壓會(huì)在鍋筒液面處結(jié)束，系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，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(tǒng)壓力最低點(diǎn)（水泵入口處）不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，鍋爐液面至水泵吸入口的高差一般不小于2m。循環(huán)泵選擇時(shí)還要注意，由于冷水泵和熱水泵密封工藝不同，對(duì)于水溫高于80℃的供熱系統(tǒng)，循環(huán)泵應(yīng)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(tǒng)無(wú)需設(shè)置回水平衡閥，△Ha-b≈0，△Hk-b=△Hk-a=△h，循環(huán)泵僅需要克服最不利環(huán)路總阻力△H，即：

式中：H為水泵計(jì)算揚(yáng)程，mH2O；K1為揚(yáng)程裕量系數(shù)，一般K1取1.10～1.20；△H為最不利環(huán)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(shè)計(jì)工況下，循環(huán)泵需要克服最不利環(huán)路總阻力、回水平衡閥或壓差調(diào)節(jié)閥阻力。即：

眾多技術(shù)資料中強(qiáng)調(diào)，常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的揚(yáng)程計(jì)算需參照開(kāi)式系統(tǒng)，除克服管路阻力外，還需增加兩處開(kāi)口的液面高差。根據(jù)水壓圖（圖5），結(jié)合前章水箱或鍋爐防跑水措施的分析，可以看到，雖然雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)中鍋筒處有開(kāi)敞的液面，但運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)回水壓差閥，該液面對(duì)系統(tǒng)的定壓作用與膨脹水箱是一致的，整個(gè)水力線是延續(xù)的、完整的。筆者認(rèn)為，雙點(diǎn)的液面高差已反映在回水調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值中，水泵揚(yáng)程按閉式系統(tǒng)的方式進(jìn)行計(jì)算即可。

例如，技術(shù)措施[2]提供了當(dāng)鍋爐循環(huán)水供熱系統(tǒng)的最高點(diǎn)高于鍋爐的最低水位時(shí)，循環(huán)水泵的揚(yáng)程計(jì)算：

式中：△h為循環(huán)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(huán)系統(tǒng)最不利環(huán)路的供、回水母管的阻力，m；△h2為循環(huán)系統(tǒng)最不利用戶內(nèi)部的阻力或調(diào)節(jié)要求壓差值，m；△h3為鍋爐房?jī)?nèi)部管道系統(tǒng)阻力，m；△h4為設(shè)計(jì)富裕量，取2～5m。

該公式中，△h是系統(tǒng)兩個(gè)定壓點(diǎn)之間的高差，對(duì)應(yīng)水壓圖k-m-a-b這一管段的壓力降，而△h3一項(xiàng)，同樣包含k-m-a這一管段阻力損失，所以如按該公式計(jì)算，將重復(fù)計(jì)入k-m-a管段的阻力損失，水泵揚(yáng)程會(huì)偏大。按此配置，不僅增加輸配系統(tǒng)能耗，還有可能導(dǎo)致膨脹水箱溢水。

5 結(jié)論與建議

對(duì)于多層建筑，常壓熱水鍋爐設(shè)置在建筑頂部、水泵設(shè)置在建筑底部，采用水泵抽吸式的單點(diǎn)定壓供熱系統(tǒng)是相對(duì)可靠的布置方式。對(duì)于高層建筑或常壓熱水鍋爐無(wú)法設(shè)置在建筑頂部時(shí)，需采用雙點(diǎn)定壓系統(tǒng)供熱，該系統(tǒng)水力工況復(fù)雜多變，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)繪制水壓圖來(lái)確定水泵、膨脹水箱的位置，并應(yīng)計(jì)算回水平衡閥的設(shè)定值，保障系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——暖通空調(diào)·動(dòng)力(09JSCS-KR)(2009年版).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009

[3] 賀平,孫剛.供熱工程(第四版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009

[4] 蔡增基.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)(第五版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(qū)中山北路3000號(hào)長(zhǎng)城大廈38樓（200063）；E-mail:13918591508@163.com）