常壓鍋爐供熱系統(tǒng)的工程實踐及問題探討

孫憲鋒（上海交通大學規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司，上海200030）

常壓鍋爐供熱系統(tǒng)的工程實踐及問題探討

孫憲鋒
（上海交通大學規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司，上海200030）

通過對常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的工程實踐，結(jié)合基礎(chǔ)理論，給出鍋爐膨脹水箱設(shè)置高度的計算方法，出水溫度的確定方法，水泵揚程的選取方法以及緊湊的鍋爐設(shè)備布置方案。同時給出系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗取值。

常壓熱水鍋爐；膨脹水箱；出水水溫；汽化；水泵揚程；灌注高度；飽和壓力

0 引言

圖1 項目效果圖

目前，燃氣鍋爐房設(shè)置位置規(guī)范中要求嚴格，但常（負）壓燃氣鍋爐房的位置選擇要求較寬松，可設(shè)置在屋頂上，距離通向屋頂?shù)陌踩隹诓粦∮?m[1]。真空鍋爐其系統(tǒng)運行嚴重依賴真空泵連續(xù)穩(wěn)定的安全運行，真空度要求較高，長時間運行真空度的保證率降低，而常壓鍋爐本體開孔與大氣相通，在任何工況下，鍋爐水位線處表壓力均為零，鍋爐本體始終處于常壓狀態(tài)運行，故常壓熱水鍋爐在工程中有較廣泛的應用。圖1為上海閔行區(qū)某商業(yè)辦公項目，項目施工過程中熱源形式由電蓄熱鍋爐調(diào)整為燃氣熱水鍋爐，電蓄熱鍋爐設(shè)置地下三層，無法直接調(diào)整為燃氣鍋爐房，熱源位置最終調(diào)整于地上單體建筑的屋面。工程實踐中，隨之產(chǎn)生了諸多問題和思考。利用暖通專業(yè)基礎(chǔ)理論對常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)設(shè)計時出現(xiàn)的問題進行分析并闡述解決方法，以供類似項目工程設(shè)計時參考。

1 機房面積受限時常壓熱水鍋爐的平面布置解決方案

熱源總熱量為6.3MW，建設(shè)方要求4臺鍋爐配套使用，熱功率分別為:2.1MW2臺，0.7MW和1.4MW各1臺。鍋爐房的面積須控制在74m2且形狀不規(guī)則的房間內(nèi)，既有建筑改造，泄爆口大小宜受限，如圖2a）所示。如何解決狹小空間的設(shè)備布置問題，方法如下:

方法一:燃氣鍋爐與水泵、補水定壓設(shè)備等輔機分隔設(shè)置在不同房間，以減少泄爆面積以及避免過多采用防爆型設(shè)備。循環(huán)水泵等設(shè)備分割設(shè)置于常壓熱水鍋爐房的下層。

方法二:常壓鍋爐立式與臥式相結(jié)合布置，相同熱功率的立式常壓熱水鍋爐（≤0.7MW可為立式）比臥式節(jié)省的占地面積約為40%。單臺0.7MW選用立式常壓熱水鍋爐，其余三臺為臥式常壓熱水鍋爐，實現(xiàn)了74m2鍋爐房布置4臺鍋爐的需求，且鍋爐與建筑凈距均滿足G B50041-2008表4.4.6[2]要求。如圖2b）所示。

結(jié)論1:工程應用中，常壓熱水鍋爐立式比臥式節(jié)省占地面積，當機房面積受限時可搭配布置。燃氣鍋爐的輔機設(shè)備可分隔設(shè)置在不同房間，以減少泄爆面積。

圖2 鍋爐房平面圖及鍋爐布置平面圖a）鍋爐房平面圖b）鍋爐布置平面圖

2 常壓鍋爐的膨脹水箱設(shè)置高度的確定

膨脹水箱高位設(shè)置以達容納膨脹水，補水以及定壓的功能。對于常壓鍋爐而言，爐體頂部通常不承受供熱系統(tǒng)的水柱靜壓力，膨脹水箱的設(shè)置高度越低越經(jīng)濟。如何確定其合理的設(shè)置高度，即讓爐筒內(nèi)水不發(fā)生局部汽化，又能保證循環(huán)水泵入口處不發(fā)生氣蝕。常壓熱水鍋爐系統(tǒng)模型簡圖如圖3、圖4所示[3]。

依圖3示建立膨脹水箱最低液位O-O斷面和頂部出水管S-S斷面之間的伯努利方程式[4]:

式中P0—當?shù)囟敬髿鈮毫?，P a；

VO—水箱液面處流速，m/s，可取0；

Vs—鍋爐出水管處流速，m/s；

ZO—水箱最低液位標高，m；

Zs—鍋爐出水管中心標高，ZO-Zs=h，m；

圖3 常壓熱水鍋爐出水管及膨脹水箱設(shè)置位置

圖4 常壓熱水鍋爐循環(huán)水泵設(shè)置位置

Ps—鍋爐出水管處的壓強[2]，P a；

g—自由落體加速度，m2/s；

ρ—設(shè)計出水溫度下水的密度，k g/m3；

ΔhS—水箱至鍋爐出水管段（最高點）斷面S-S的水頭損失，m。

在工程設(shè)計中，公式（3）中的有關(guān)參數(shù)可做簡單量化處理:

常規(guī)設(shè)計，常壓熱水鍋爐的額定熱功率范圍為0.25-2.8MW，出水管管徑為DN65-DN200；鍋爐出水管處流速Vs可結(jié)合管內(nèi)水流速限值要求取0.9-2.3m/s[5]；（Vs）2/2g取值范圍可近似為0.041-0.27m；Δhs包含沿程水頭損失hf和局部水頭損失hm，沿程水頭損失hf可應用水力計算表[5]，比摩阻59.27-326.05P a/m，直管段長度范圍為1.28-2.64m，給出hf取值范圍0.008-0.086m，局部水頭損失hm包括:1）鍋爐水側(cè)水頭損失0.1-0.4m，2）進出水圓彎管及水箱出口局部水頭損失0.09-0.59m（單個彎管ξ=0.72，2支；水箱出口ξ=0.75）。故hm取值范圍為0.19-0.99m。其中（Vs）2/2g+Δhs取值范圍為0.24-1.34m，（Ps-P0/ρg）取值越小，h的取值越小。Ps-P0=0時，即可保證鍋爐運行不超壓，膨脹水箱設(shè)置高度亦越小。綜述，對于常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)而言，膨脹水箱的液面設(shè)置高度h為1.34m時，各類常壓鍋爐爐筒內(nèi)水不發(fā)生局部汽化，臥式常壓鍋爐最小型號h0高度為1.16m，灌注高度HZ〉1.34+1.16=2.5m〉2m[3]（最小灌注高度限值），可保證循環(huán)水泵入口處液體不汽化，避免產(chǎn)生汽蝕。

結(jié)論2-1:工程設(shè)計中，當循環(huán)水泵設(shè)置高度不高于鍋爐所在平面時，膨脹水箱最低水位至出水管的高差h取1.34m可滿足常規(guī)設(shè)計要求。

結(jié)論2-2:膨脹水箱設(shè)置高度受限仍需降低時，可通過公式（3）計算確定h值并校對HZ值是否滿足要求。

因建筑條件受限，水箱擬設(shè)置于該建筑角樓高出處，角樓為穹頂構(gòu)造，選用的立式鍋爐與臥式鍋爐因構(gòu)造不同，設(shè)備高度h0（mm）差距較大，立式常壓鍋爐Φ1500×3500（h0），臥式常壓鍋爐3700×1880×2080（h0），常壓熱水鍋爐即不能承壓的開式熱水器[6]，同一個高位膨脹水箱定壓對臥式常壓熱水鍋爐來說是不安全的，且合用膨脹水箱體積大，對于穹頂構(gòu)筑物，水箱高度設(shè)置就更受限，故立式和臥式鍋爐分別設(shè)置膨脹水箱，分設(shè)于兩個角樓內(nèi)（角樓剖面如圖5、圖6所示）。

將常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)簡化如圖3所示，膨脹水箱最小容積的計算如下。

式中Vmin—水箱的最小有效容積，m3；

Vp—系統(tǒng)膨脹水量，m3；

Vt—水箱的調(diào)節(jié)容積（考慮系統(tǒng)泄漏補水的調(diào)

節(jié)容積），m3。

式中α—熱膨脹系數(shù)，K-1，α取值0.0005；

dT—溫度的變化，K。

計算立式和臥式鍋爐水系統(tǒng)膨脹水箱的設(shè)置高度，首先計算分設(shè)于兩個角樓內(nèi)的膨脹水箱最小容積。

2.1 臥式常壓鍋爐供熱系統(tǒng)膨脹水箱容積Vmin計算

已知:系統(tǒng)內(nèi)水的總體積（保有水量）V=17.1m3，鍋爐運行前水溫按照5℃計算，系統(tǒng)加熱后水溫按照供回水的平均水溫計取70℃，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和公式（5），可計算Vp=0.57m3；

供熱系統(tǒng)小時補水量按照系統(tǒng)水容量5%計，調(diào)節(jié)容積Vt按照1小時補水量計算，可計算Vt=0.86m3；由公式（4）計算Vmin=1.43m2。依《03R401-2開式水箱》選擇2.0m3方形開式水箱，箱體尺寸長×寬×高（mm）: 1400×1400×1200，結(jié)合結(jié)論2-1，h取1.34m，膨脹水箱的布置剖面圖如圖5所示。

圖5 臥式鍋爐膨脹水箱布置剖面圖

圖6 立式鍋爐膨脹水箱布置剖面圖

2.2 立式常壓鍋爐供熱系統(tǒng)膨脹水箱容積Vmin計算

已知:系統(tǒng)內(nèi)水的總體積（保有水量）V=1.6m3，鍋爐運行前水溫按照5℃計算，系統(tǒng)加熱后水溫按照供回水的平均水溫計取70℃，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和公式（5），可計算Vp=0.05m3；

供熱系統(tǒng)小時補水量按照系統(tǒng)水容量5%計，調(diào)節(jié)容積Vt按照1小時補水量計算，可計算Vt=0.08m3；由公式（4）計算Vmin=0.13m2。依《03R401-2開式水箱》選擇0.5m3方形開式水箱，箱體尺寸長×寬×高（mm）: 900×900×900，結(jié)合結(jié)論2-2，h取1.34m無法實現(xiàn)（高出角樓最高點），故結(jié)合公式（3）計算h=0.7m，因循環(huán)水泵設(shè)置高度低于鍋爐，水泵設(shè)置標高-13.88m，鍋爐設(shè)置標高19.32m，灌注高度HZ滿足要求。膨脹水箱的布置剖面如圖6所示。

結(jié)論2-3:工程應用中，常壓熱水鍋爐立式與臥式搭配布置時，應盡可能搭配高度相近的臥式和立式鍋爐，減少定壓系統(tǒng)的數(shù)量。

3 常壓熱水鍋爐出水溫度的確定

觀點一:常壓熱水鍋爐房可用于供水溫度≤95℃的熱水介質(zhì)供應系統(tǒng)，鍋爐的單臺功率≤2.8MW[7]；

觀點二:常壓熱水鍋爐，額定熱功率≤2.8MW，額定出口水溫不宜大于85℃[3]；

觀點三:熱水鍋爐的出口水壓，不應小于鍋爐最高供水溫度加20攝氏度相應的飽和壓力[2]。

因熱水鍋爐運行時，鍋爐出力與外部熱負荷不相適應，或因鍋爐本身的熱力或水力不均勻性，會使鍋爐出水溫度或局部受熱面中的水溫超出設(shè)計出水溫度。運行實踐證明[2]，溫度富裕度高于20℃時，可防止汽化的產(chǎn)生。常壓鍋爐本體開孔與大氣相通，膨脹水箱的設(shè)置高度越低越好，減小鍋爐爐筒靜水壓力，結(jié)合問題2的結(jié)論當（PS-P0）近似為零時，對系統(tǒng)正常運行是較為有力的。所以出口水溫度可根據(jù)當?shù)卮髿鈮毫吞厥馐褂脳l件進行調(diào)整。鍋爐的出水溫度建議取值為當?shù)囟敬髿鈮簩娘柡退疁囟鹊?0℃。作為適用于全國各地區(qū)的實施規(guī)范而言，觀點三描述較為嚴謹，我國地域遼闊，冬季室外大氣壓[8]范圍較廣58390（那曲）-102710P a（天津），相應的飽和水物理參數(shù)[9]范圍為85-100.3℃（等差值法計算），常壓熱水鍋爐的出水溫度建議65-80.3℃較為合適，標準大氣壓下，若常壓熱水鍋爐出水溫度設(shè)置為85℃，安全余度為15℃＜20℃，發(fā)生爐筒內(nèi)水汽化的概率仍會加大，亦不安全。當大氣壓力為一定值時，降低水泵入口處的水溫（水的汽化壓力）是影響膨脹水箱的設(shè)置高度的主要因素[10]，所以在滿足末端用水水溫和水泵灌注高度HZ前提下，通過加大安全富裕度，降低出水溫度亦可降低膨脹水箱的設(shè)置高度，降低水柱靜壓力對爐體的影響。結(jié)合上述分析，結(jié)合上海冬季大氣壓值立式與臥式常壓熱水鍋爐的出水溫度設(shè)計為80℃。

結(jié)論3:工程應用中，鍋爐出口水溫度建議根據(jù)當?shù)卮髿鈮毫吞厥馐褂脳l件進行確定，給予系統(tǒng)運行足夠的富裕度[11]（〉20℃）、安全度。

4 常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)時循環(huán)水泵參數(shù)的選取

常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)的簡單描述:系統(tǒng)配置換熱器，將不能承壓的常壓鍋爐水循環(huán)與承壓的末端供暖系統(tǒng)分開[12]。常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的配置包含三個方面，一是流量，二是水泵承壓，三是揚程H，有關(guān)循環(huán)水泵流量的選取暖通書籍中所描述的計算方法均一致，但設(shè)計過程中應注意供熱系統(tǒng)溫差要與鍋爐額定溫差相匹配[3]；循環(huán)水泵的承壓能力與其設(shè)置位置有著密切的關(guān)系，選型時應確保其承壓能力大于水系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最高壓力，尤其是水泵設(shè)置高度低于鍋爐所在平面時，一定要考慮水柱靜水壓力對水泵的影響；循環(huán)水泵的揚程，設(shè)計過程中套用措施[7]公式（6）時，因水泵設(shè)置平面遠低于鍋爐所在平面，循環(huán)水泵軸線與鍋爐的最高水位的位差較大，水泵揚程計算過大。手冊[3]及措施[7]中對循環(huán)水泵揚程的描述較有差異，但具有其各自的適用范圍，所以設(shè)計中不可盲目套用。

描述一:常壓熱水鍋爐系統(tǒng)循環(huán)水泵的配置，當鍋爐房設(shè)置在供熱系統(tǒng)最高建筑屋頂時，或循環(huán)水泵的安裝高度高于供熱系統(tǒng)的最高點時:

式中H—循環(huán)水泵揚程，m；

由于科學技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子技術(shù)的日新月異，目前，幾乎所有系統(tǒng)或設(shè)備都可以采用嵌入式計算機技術(shù)來完成過去很多只停留在美妙的想法上、而實際又無法實現(xiàn)的工作。當前，3G應用，傳感器，機器人，網(wǎng)絡安全，身份識別技術(shù)，工業(yè)安全等各方面都應用了嵌入式系統(tǒng)。總之，由于嵌入式系統(tǒng)的可移植性，實時性，可靠性及價格等方面的優(yōu)勢，使得家庭、工作場所甚至娛樂場所等領(lǐng)域到處都有嵌入式系統(tǒng)的存在。

h′—循環(huán)水泵軸線和鍋爐（或與鍋爐通氣管連為一體的鍋爐水箱）的最高水位位差，m；

Δh1—循環(huán)系統(tǒng)最不利環(huán)路的供、回水母管的阻力，m；

Δh2—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；

Δh3—鍋爐房內(nèi)部管道系統(tǒng)阻力，m；

Δh4—設(shè)計富裕量，m，取2-5m。

描述二:常壓熱水鍋爐系統(tǒng)循環(huán)熱水泵揚程按以下公式計算:

式中K2—揚程富裕系數(shù)，取1.1-1.2；

h0—用戶系統(tǒng)最高點與鍋爐水位的高差，m；

a—附加富裕壓力，m，取2-3m；

H1—鍋爐房內(nèi)部系統(tǒng)壓力損失（包括集分水器，除污器，無壓鍋爐等），m，一般可按照5-8m估算；

H2—室外供熱管網(wǎng)最不利環(huán)路供回水管壓力損失，m；

H3—用戶內(nèi)部供暖系統(tǒng)壓力損失，m。

描述一，不具備廣泛性，對熱水循環(huán)泵設(shè)置高度低于鍋爐所在平面的間接連結(jié)供熱系統(tǒng)而言，此算法會使水泵揚程偏離實際值較大。公式（6）對循環(huán)水泵與鍋爐設(shè)置于同一層面的系統(tǒng)較實用；描述二對常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)時應用起來較復雜，不夠簡潔，但具備普遍性。通過流體力學模型，對常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連接的循環(huán)水泵揚程可進行簡化計算。

常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)的一次側(cè)采用較低的開式膨脹水箱定壓，建筑物的二次供熱系統(tǒng)則另外配置循環(huán)水泵及定壓裝置。將此系統(tǒng)一次側(cè)循環(huán)系統(tǒng)簡化如圖7所示。

圖7 常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)簡化模型

建立有能量輸入的1-1與2-2斷面的恒定總流能量方程式:

式中P1，P2—當?shù)囟敬髿鈮毫?，可視為PO，P a；

V1，V2—1，2斷面的平均流速，m/s，鍋爐連通大氣液面處流速，可取0m/s；

Z1，Z2—1，2斷面相對于選定基準面的高程，Z2-Z1=h，m；

α1，α2—1，2斷面的動能修正系數(shù)，α=1.05-1.1[4]，實際工程中取1；

hl1-2—1，2兩斷面間的平均單位水頭損失，含沿程水頭損失和局部水頭損失，m；

可拆分為h1、h2、h3:

h1:鍋爐房各種設(shè)備（包括換熱器，除污器，集分水器，常壓鍋爐等）阻力損失，m；

h2:最不利管路的沿程水頭損失，m；

h3:最不利管路閥門及管件的局部水頭損失，m。

考慮到工程實際應用，水管處流速V可結(jié)合管內(nèi)水流速限值取≤2.3m/s[5]，并考慮一定的富裕值K2（K2= 1.1-1.2），公式（10）可簡化為:

結(jié)論4:措施與手冊中的常壓熱水鍋爐揚程計算方法均有其實用條件，不可盲目套用。常壓鍋爐與供暖系統(tǒng)間接連結(jié)的形式在工程設(shè)計中較為常用，且水泵設(shè)置高度一般不高于鍋爐所在平面，其循環(huán)水泵的揚程計算可做相應簡化，一般不會超過15m，具體項目實施過程中可按照公式（11）詳細核算。

5 結(jié)語

常壓熱水鍋爐較其他鍋爐因其諸多優(yōu)勢在實際工程中較多采用，前輩們對該供熱系統(tǒng)設(shè)計及運行中應該注意的問題做過大量總結(jié)，但工程應用中還會出現(xiàn)不同問題，特將某工程常壓鍋爐供熱系統(tǒng)設(shè)計中遇到的問題及解決方法整理供類似設(shè)計參考。

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Engineering Practice and Discussion on Its Problem of Atmospheric Hot Waterboiler Heat Supply System

SUN Xian-feng
（Shanghai Jiaotong University Planning&Architectural Design Insitute Co.，Ltd，Shanghai 200030，China）

B a s e d on a com b ination o f t h eoretical b a s i s a s w ell a s t h e en g ineerin g p ractice o f h ot w ater b oiler h eat s u pp ly s y s tem，t h i s t h e s i s p re s ent s a met h o d o f d eterminin g t h e in s tallation h ei gh t o f e xp an s ion tan k s f or t h e b oiler，a met h o d o f d eterminin g w ater tem p erature，a s w ell a s a met h o d o f s electin g p um p h ea d an d t h e com p act d ra w in g o f t h e b oiler equi p ment layout.I n a dd ition，t h i s t h e s i s p re s ent s em p irical v alue s o f h eatin g s y s tem d e s i g n.

atmo sph eric h ot w ater b oiler；e xp an s ion tan k；outlet w ater tem p erature；v a p ori z ation；p um p h ea d；p er f u s ion h ei gh t；s aturation p re ss ure

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.017

T U833

B

2095-3429（2017）03-0065-06

2017-05-15

修回日期：2017-06-06

孫憲鋒（1984-），男，遼寧大連人，本科，工程師，從事暖通空調(diào)設(shè)計工作。