常压热水锅炉供热系统常见问题分析

杨志刚

上海新建设建筑设计有限公司

常压热水锅炉供热系统常见问题分析

杨志刚

上海新建设建筑设计有限公司

常压热水锅炉锅筒顶部开口与大气相通，与承压锅炉相比，有不同的设计、使用要求。水压图作为分析水系统压力工况的基本工具，可直观、清晰地反映水系统压力的分布。本文将选取典型的常压热水锅炉供热系统模型，利用水压图工具对该系统中循环泵扬程、系统定压与热膨胀等常见问题进行分析。

常压热水锅炉 水压图 扬程 定压

常压热水锅炉锅筒顶部设有与大气相通的开口，与承压锅炉相比，具有更加安全、经济、使用灵活的特点，在热负荷不大的建筑中，有独特的使用优势。也正因为顶部开敞，常压热水锅炉供热系统的设计、使用要求与承压锅炉有各种区别。例如高位膨胀水箱的高度及定压点位置、循环泵的安装位置与扬程、水箱或锅炉的防跑水措施等。水压图是水系统压力工况分析的基本工具，可直观、清晰地反映各点的压力分布，指导系统定压、热膨胀设计、确定循环泵扬程等。本文将选取典型的常压热水锅炉供热系统模型，利用水压图对系统中常见问题进行剖析。

1 常压热水锅炉的位置对系统的影响

常压热水锅炉锅筒顶部开口与大气相通，锅炉本体顶部表压为零。锅炉在系统中的相对位置对系统形式有很大的影响。

锅炉设置在系统顶部时，可兼做系统的定压补水装置。无论静态还是动态过程中，锅筒开口处水压始终为大气压，系统无溢水问题，无需设自动启闭阀、回水平衡阀。系统形式可设计为简单的单点定压系统，由常压热水锅炉、热水循环泵、过滤装置等组成。锅炉、热用户、循环泵的不同位置组合方式见图1~图4。

图1 锅炉在水泵与热用户上部、压入式

图2 水泵与锅炉在热用户上部、压入式

图3 锅炉在水泵与热用户上部、抽吸式

图4 水泵与锅炉在热用户上部、抽吸式

在图1~图4几种布置方式下，循环泵流量计算与承压锅炉供热系统并无区别，可参见手册[1]介绍。从水压图中可以看到，由于只有一处定压，系统可视为闭式循环系统，循环泵扬程的计算与承压系统也无区别。以上4种布置方式最大区别在于系统运行时相对压力的变化。从水压图中水压线与管道相对位置关系可以看出，水泵压入式非常不利于保持与外界的相对压力，尤其是水泵与锅炉在热用户上部的布置方式（图2），即便将水泵安装在管道最低处（图1），也需要锅炉液面到水泵入口有足够的高差，能克服热用户阻力和近一半的系统管道阻力时，才能保持最低处（水泵入口）的表压为正压。水泵抽吸式的水力工况在这方面有明显改善，水泵与锅炉在热用户上部的布置方式（图4）中，水泵的灌注水头比较低，水泵安装时，一般要保持不小于2m灌注水头避免水泵吸入口产生汽化现象。相较而言，锅炉设置在系统顶部时，在工作压力许可的条件下，锅炉在水泵与热用户上部、水泵抽吸式（图3）是最为可靠的布置方式。

锅炉未设置在系统顶部时，由于锅筒开口处液面低于管道最高点，系统需要设置自动启闭阀、压差调节阀，在静态时将高于锅筒液面的用户侧管段与锅筒进行隔离。隔离后管道高处表压为负压，考虑到管道、阀门密封问题，系统仍有跑水的隐患，因此一般还会增加用户侧的膨胀、定压装置，形成双点定压系统。典型的双点定压系统包括常压热水锅炉、热水循环泵、回水平衡阀、自动启闭阀、高位膨胀水箱等，系统流程见图5。该系统中有锅筒、高位膨胀水箱两个水位面。在回水段设有自动启闭阀（常闭），由循环水泵联动开启。在水泵停止运行时，自动启闭阀和泵前止回阀将系统分隔为b～e、f～m两段，分别由锅筒和高位膨胀水箱进行定压，此时Pk=h2，Pb=h1。水泵启动后，联动开启自动启闭阀，通过回水平衡阀调整阀前压力，使回水管压力略高于系统充水高度，实现回水管正常连续水流。在额定流量下，回水平衡阀全开（△Ha-b≈0）时，高位膨胀水箱高出锅筒水位差正好满足k、b两点间的水力阻力损失（△Hk-b=△h），k、b两处水压Pk、Pb与静态时一致，此条件下循环泵扬程最低，可视为理想工况，对应的水压图见图5。

图5 双点定压、水泵抽出式

2 高位膨胀水箱的高度、定压点位置

在双点定压系统中，高位膨胀水箱除用于容纳热水的缩胀、提供补水，同时还承担用户侧的定压。水系统静止状态下，定压点的位置对用户侧水系统压力分布并无影响；在水系统运转状态下，定压点将直接影响水压线的绝对高度，如定压点不是系统的最低点，沿回水水流方向，随着定压点以后的管段系统阻力增加和高度的下降，可能出现负压段。为防止系统运转时这一管道倒空现象，定压点一般设在用户侧（f～m）的较低处（即k点）。水箱的高度可按水面高度高出系统最高点1.0m设置，即h2=h3+1.0m。

3 水箱、锅炉的防跑水措施

双点定压系统中有锅筒、高位膨胀水箱两个开敞水面。在手册[1]中已提到，回水管路中未设置压差调节阀或压差调节阀调整不当，会使系统水流在回水管部分未实现正常连续水流，产生倒空现象，锅炉、水箱溢水。提出安装并正确调整回水管路中的压差调节阀，使进压差阀前的回水压力高于系统的充水高度来进行解决。通过水压图分析，可以得到更多、更全面的跑水问题的解读。

静态时，自动启闭阀保持关闭和泵前止回阀将系统分隔为两段，a～e为锅炉侧，f～m为用户侧。两段工作压力分别为Pb=h1、Pk=h2。系统运转后，如为理想工况，无需调整平衡阀，即可满足膨胀水箱定压点k、锅炉回水点b两处的水压仍保持在h1、h2，锅筒、高位膨胀水箱两处水面不会产生波动。实际工程中，Pb、Pk会根据运行工况发生偏离，若Pb-k＞△h（即Pb＜h1或Pk＞h2），会引起锅炉水面下降、持续补水，以致高位膨胀水箱水面持续上升、跑水。若Pb-k＜△h（即Pb＞h1或Pk＜h2），则锅炉跑水、膨胀水箱补水。结合水压图，对跑水现象原因分析及改善或解决措施建议见表1。

表1 常压热水锅炉供热系统防跑水措施

4 循环泵的位置与扬程

对于锅筒开敞且锅炉不在系统最高处的双点定压系统，如采用压入式，水泵提升的动压会在锅筒液面处结束，系统无法正常运转，所以一般采用水泵抽吸式。水泵安装的高度不仅要低于锅筒液面，且液位差要保证系统压力最低点（水泵入口处）不产生汽化现象，锅炉液面至水泵吸入口的高差一般不小于2m。循环泵选择时还要注意，由于冷水泵和热水泵密封工艺不同，对于水温高于80℃的供热系统，循环泵应选择热水型，热水泵密封工艺更符合高温水要求，且可减少轴承密封处漏水、减轻汽蚀。

在理想工况下，系统无需设置回水平衡阀，△Ha-b≈0，△Hk-b=△Hk-a=△h，循环泵仅需要克服最不利环路总阻力△H，即：

式中：H为水泵计算扬程，mH2O；K1为扬程裕量系数，一般K1取1.10～1.20；△H为最不利环路总阻力，包括供水管阻力（△Hc-f-i）、热用户阻力（△Hi-j）、回水管阻力（△Hj-m-a）。

设计工况下，循环泵需要克服最不利环路总阻力、回水平衡阀或压差调节阀阻力。即：

众多技术资料中强调，常压热水锅炉供热系统循环泵的扬程计算需参照开式系统，除克服管路阻力外，还需增加两处开口的液面高差。根据水压图（图5），结合前章水箱或锅炉防跑水措施的分析，可以看到，虽然双点定压系统中锅筒处有开敞的液面，但运行时，通过调节回水压差阀，该液面对系统的定压作用与膨胀水箱是一致的，整个水力线是延续的、完整的。笔者认为，双点的液面高差已反映在回水调节阀的设定值中，水泵扬程按闭式系统的方式进行计算即可。

例如，技术措施[2]提供了当锅炉循环水供热系统的最高点高于锅炉的最低水位时，循环水泵的扬程计算：

式中：△h为循环水泵轴线与高位膨胀水箱最高水位之间的位差值，m；△h1为循环系统最不利环路的供、回水母管的阻力，m；△h2为循环系统最不利用户内部的阻力或调节要求压差值，m；△h3为锅炉房内部管道系统阻力，m；△h4为设计富裕量，取2～5m。

该公式中，△h是系统两个定压点之间的高差，对应水压图k-m-a-b这一管段的压力降，而△h3一项，同样包含k-m-a这一管段阻力损失，所以如按该公式计算，将重复计入k-m-a管段的阻力损失，水泵扬程会偏大。按此配置，不仅增加输配系统能耗，还有可能导致膨胀水箱溢水。

5 结论与建议

对于多层建筑，常压热水锅炉设置在建筑顶部、水泵设置在建筑底部，采用水泵抽吸式的单点定压供热系统是相对可靠的布置方式。对于高层建筑或常压热水锅炉无法设置在建筑顶部时，需采用双点定压系统供热，该系统水力工况复杂多变，在系统设计时应绘制水压图来确定水泵、膨胀水箱的位置，并应计算回水平衡阀的设定值，保障系统经济、安全运行。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版).北京:中国建筑工业出版社,2007

[2] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.全国民用建筑工程设计技术措施——暖通空调·动力(09JSCS-KR)(2009年版).北京:中国计划出版社,2009

[3] 贺平,孙刚.供热工程(第四版).北京:中国建筑工业出版社,2009

[4] 蔡增基.流体力学泵与风机(第五版).北京:中国建筑工业出版社,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

杨志刚（1981～），男，本科，工程师；上海市普陀区中山北路3000号长城大厦38楼（200063）；E-mail:13918591508@163.com）