膨胀水箱定压采暖系统的水力工况分析

摘要 分析了正常和干管堵塞、立管堵塞和阀门关闭等非正常工况下膨胀水箱设在不同位置时，采暖系统内的压力工况及对系统的影响。指出干管发生堵塞，将导致堵塞点后的系统处于大面积的不正常状态；立管发生堵塞，将导致被堵立管局部处于不正常状态；回水干管堵塞，造成的影响比较严重。阐述了非正常工况下可能导致散热器超压等不安全因素以及在设计、施工运行管理中如何避免这些工况及不良情况。给出了在系统中正确设置水箱，保证良好的水力工况的措施。对其他定压设备在非正常工况下对采暖系统的影响有参考意义。 　　 　　关键词 膨胀水箱 热水采暖系统 定压 水力工况 故障

0 引言 　　 　　膨胀水箱是中小型系统和空调水系统常用的定压设备之一。它具有简单、安全、不用维护等优点。正确了解膨胀水箱定压采暖系统在各种工况下的压力分布对系统的设计及安全运行是非常必要的。膨胀水箱定压多用于低温水系统，也可用于高温水系统。下面用简单采暖系统为例进行分析，对复杂系统原理相同。 　　 1 正常压力工况的分析 　　 　　膨胀水箱在采暖系统听位置以及安装要求可根据其系统型式、作用半径、建筑物（或采暖系统）的高度、供水温度等因素来选择[1][2]。同时其安装位置及高度不同，给系统产生的压力工况也不同。可靠的系统，其压力工况必须满足不汽化、不超压、不倒空，及有足够循环动力的要求。 　　 　　1．1 膨胀水箱连接在上供下回式系统供水主立管上方 　　如图1所示，当采暖系统半径不大，即AB管长较小时，能保证供水干管末端C点为正压时，即可采用将膨胀水箱连接在供水主立管上方的安装形式。水压图上c点高于管路C点位置高度，使水管最不利点不汽化，同时要保证静水压线j～j到底层散热器（一般用回水干管D点来考虑）的高差不大于散热器承压能力。图1中图形abcdefgha为其水压图。A点为定压点，Hjj≤40m。运行时底层散热器随的压力比静止时低，不会超压。对一般采暖系统，图1中水压图各点的高差为：热源设备的阻力损失较大，ΔHgh=10～15mH2O；采暖系统的阻力损失ΔH af=1～2 mH2O。一般散热器的最大工作压力为40 mH2O，而试验压力不大于40 mH2O。虽然实际系统的压力短时间超过其最大工作压力，而不超过实验压力，可能不会泄漏，但长时间会出问题，是不允许的。超压运行的系统，运行不可行，应极力避免发生。 　　　　　　　 　　　　　　　　　图1 膨胀水箱连接在供水主立管上方的正常工况水压图 　　　　　　　　　1－循环水泵；2－锅炉或换热器；3－膨胀水箱；4－集气罐 　　　　　　　　 　　（以下图2～图9中数字标号的意义与本图相同） 　　 　　1．2 膨胀水箱连接在上供下回式系统供水主立管末端 　　膨胀水箱连接在上供下回式系统供水主立管末端时的系统图及正常工况水压图如图2所示。水温较高的供水干管末端C点压力为h(正压)，可保证95℃以下低温水采暖系统不汽化，水箱安装高度比图1低。该系统只宜用于系统有一个大环路的情况（即A点只有向C点的一个分支）[3]，C点为定压点。同图1一样，运行时回水干线压力降低，不会超过散热器的承压能力。 　　　　　　　　 　　　　　　　　图2 膨胀水箱连接在供水干管末端的正常工况水压图 　　 　　1．3 膨胀水箱连接在上供下回式系统循环水泵入口 　　膨胀水箱连接在上供下回式系统循环水泵入口时的系统图及水压图如图3所示。水压图上的c点高出系统C点，因此保证不汽化是无问题的。在系统较大（即AC管较长），而且系统的高度（CD间高差）较大（接近40m）时，要考虑运行时立管底层散热器是否超压的问题，对高层建筑采暖系统进行分区时也要考虑这一问题。即分区的位置不仅要考虑系统底层散热器停止运行时不超压，还要注意系统运行时不超压。例如：如取H jj=40m，则运行时H d D&>40m。底层散热器将长期在超压状态下工作，经常会有泄漏之处。分区的高度界限应小于40m，使系统运行时底层散热器承受的压力不大于40 mH2O。 　　　　　　　　 　　　　　　　　图3 膨胀水箱连接在循环水泵入口的系统及正常工况水压图 　　 　　1．4 膨胀水箱连接在下供上回式系统回水总管上方 　　膨胀水箱连接在下供上回式系统回水总管上方时的系统图及水压图如图4所示，供水先进入底层供水干管。如用于水较低的高温水系统（例如水温为110℃ ）时，应使供水干管最不利点C点的压力，即图中的HcC≤40m。使底层散热器不超压，同时可防止汽化。因为110℃水的汽化压力为4.7m，即建筑物只要为二层以上即不会有汽化问题。由图可见，这种采暖系统的高度（C、D之间的高差）应比图3中的还要小一些，才能保证底层散热器承受的压力HcC≤40m。在这种系统中，不仅应保证最无立管、而且应该保证最近立管底层散热器不超压及HbB≤40m。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　图4 膨胀水箱连接在回水总管上方的系统及正常工况水压图

2 非正常压力工况的分析
　　
　　系统可能出现的故障有：由阀芯脱落，施工中焊渣、棍棒、破布、麻团等造成的堵塞，机械碰撞、冻害，水击等原因造成的散热器破裂、管道腐蚀泄漏等。这些故障将引起系统压力工况的变化，甚至停止供热，下面重点分析由管道堵塞可能导致系统局部或全部停止供热或损坏的情况^[4]。系统堵塞给系统造成的影响及其大小与系统型式及堵塞点位置有关。以图3所示系统为例进行分析。以下图中用实线表示设计水压图，虚线表示非正常工况下水压图。
　　
　　2．1 膨胀水箱与系统相连管道堵塞
　　水箱用膨胀管或膨胀管加循环管与系统连接。
　　2．1．1 水箱膨胀管堵塞
　　如水箱膨胀管堵塞，系统水被加热后膨胀多余的水无去路，系统内压力升高，设备（含散热器）和管道将会被破坏。所以施工时应清理该管内污物，安装时将膨胀管设在水箱侧壁而不是底部，可减少事故发生。系统内应备有安全阀或泄水阀，当系统内压力超过一定限度时，排水降压，防止管道和散热器等设备被破坏。在系统投入运行，充水时应该先检查水箱信号管和膨胀管出水通畅之后才能加热，即可排除这种工况和防止这种工况造成的影响。
　　2．1．2 水箱循环管堵塞
　　水箱循环管被堵时，箱内水不循环。短时间对系统安全运行不会有影响；但若时间较长，在严寒地区水箱房和水箱保温不佳时，有可能冻结。膨胀管和循环管上都不允许设阀门，一旦该管被堵塞，需要停止供热进行疏通和检修，这将影响正常供热。因此施工中应注意清理该管内污物；启动时应检查该管是否有热媒流动，以便在初寒期排除这一类故障。
　　2．2 干管堵塞
　　2．2．1 供水干管起点堵塞
　　如图5中从泵出口到B点中间的任何一点J点堵塞，系统水不循环，系统全部不热。管段HJ内压力升高到H_gF（因为大多数离心泵流量为零时，扬程增加；在分析其他工况认为水泵扬程不变），但传递不到散热器，散热器承受的压力为H_fF，而不会引起散热器泄漏。供水干和内的水不会汽化，但应采取措施防止锅炉或换热器内的水汽化。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图5 供水干管起点堵塞的压力工况
　　
　　2．2．2 供水干管中段堵塞
　　如图6中K点堵塞，水通过堵塞点前面的立管循环，总流量减小，而通路流量增加。堵塞点后面的点不热。BK管段内压力增加为H_b′B，但传递不到底层散热器，堵塞点后部的立管底层散热器随的压力为H_e′E，它不会引起散热器泄漏。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图6 供水干管中段堵塞的压力工况
　　
　　2．2．3 回水干管起点堵塞
　　在图7中，从E点到水泵入口任何一点（例如J′点）堵塞，系统中的水不循环，系统所有散热器全部不热，水泵输出流量为零，水泵扬程增加，出口压力为H_g′F，系统内承受的水静压力等于供不干管内的高压，并传递到底层散热器，对所有立管下部散热器造成威胁，如H_g′F远大于散热器的承压能力，则散热器泄漏、乃至破坏。是应该严禁发生的工况。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图7 回水干管起点堵塞的压力工况
　　
　　2．2．4 回水干管中段堵塞
　　在图8中，从D点到E点之间的K′堵塞，系统内的水通过前面靠近主立管的其他立管循环。K′点以前的立管供热；K′点以后的立管散热器不热。B点以后的系统承受供水干管传递来的静水压力H_b′E，其各立管底部散热器有超压的可能。如H_jj=40 mH₂O，显然H_b′D将大于40 m。应验算这种工况下各立管底部压力，以防止底层散热器泄漏。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图8 回水干管中段堵塞的压力工况
　　
　　2．3 立管堵塞
　　一般采暖系统都由多根立管构成。如果某根立管堵塞，该立管水不循环，通过其他立管的流量有所增加。对系统的影响与被堵立管的位置以及被堵塞点在立管上的位置有关。
　　2．3．1 靠近主立管的立管被堵塞
　　靠近主立管的立管被堵塞，其水压图如图9（α）虚线的示。被堵立管流量为零，其余各立管流量增加。系统其余立管流量增加，堵塞点的位置对被堵立管本身有影响。如果堵塞点α的高度较低，则传递到α点以上各处的水静压力H_b′E有可能超过散热器的最大工作压力而漏水。但其影响的是局部的散热器。
　　2．3．2 靠近末梢的立管被堵塞
　　靠近末梢的立管被堵，其水压图如图9（b）虚线所示。虽然水压图与图9（α）有差别，但对系统的影响与图9（α）类似。远端立管被堵塞点α以上各处随的压力为H_b′E减去α点的位置高度。如α点位置较低，则α点附近散热器可能泄漏。
　　
　　　　　　　　　　图9 立管堵塞时的压力工况
　　
3 水箱与安全运行的关系
　　
　　3．1 非正常工况下系统内压力工况发生变化，其中以回水干管堵塞影响最大，堵塞点离热源越近，影响范围越大，损失也越大。为了防止管道堵塞和杜绝不良工况，可采取以下措施：
　　（1） 施工时注意疏通设备和管内的污物。
　　（2） 下部回水干管低点，特别是过门下返弯的低点设放水阀。
　　（3）可采取自动补入冷水，降低热媒温度，防止供水干管起点堵塞时汽化。对水泵应有空转时的过载保护。
　　（4） 应在系统启动之前和运行初期排除各种不良工况，以免在严寒期造成损失。
　　（5） 监查回水干、循环水泵入口阀门的状态，严防阀芯脱落，堵塞管道，特别是对有两个大环路以上的系统，当一个环路供热比较正常，另一个环路供热不正常时要考虑是否分支大环路上阀门或管道发生问题。例如图10中如果阀1堵塞或未开启，系统左环水不循环，水压图由实线变虚线，左环承受A点传递过来的不静压力H_aF，系统内压力增加，有可能使左环底层散热器超压。因此运行时回水干管上阀门状态应良好，并先开启阀1、2，再启动水泵运行。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图10 两个环路的膨胀水箱定压采暖系统
　　
　　3．2 多环路膨胀水箱的位置
　　3.2.1 一个采暖系统只用一个水箱。当采用两个水箱时功能易混乱，因此将中小采暖系统合并成大型系统时，应取消处于低位置的水箱，并将处于高位置的水箱容积扩大。
　　3．2．2 从非正常工况考虑，水箱与系统的连接位置宜选在热源处循环水泵入口。
　　膨胀水箱安装在供水干管末端，如只有一个大环路是可以的。如像图11中有两个环路。这种安装位置在非正常工况下有弊端。正常工况定压点在C点，水压图如实线所示。如图中阀4未开启或堵塞，系统右环水不循环，F变为定压点，水压图变成图（a）虚所示，左边大环路压力普遍升高，左环底层散热器有超压的可能。如阀2关闭或堵塞，右环不循环，A点变为定压点，水压图变成图（b）虚线所示，集气罐所在M点有可能变成负压，不能正常排气和供水干管局部产生汽化，系统不能正常运行。如阀3关闭或堵塞，左环不循环，右环流量增加，定压点不变，左、右环流量增加，定压点不变，左、右环不会发生散热器泄漏事件，其水压图如图（c）所示。如阀1关闭或堵塞，左环不循环，右环流量增加，定压点不变，左环可能发生散热器泄漏事件，其水压图如图（d）所示。
　　
　　　　　　图11 膨胀水箱安装在系统一个环路供水干管末端当某阀门被堵时的水压图
　　　　　　　　(a)阀4被堵；(b)阀2被堵；(c)阀3被堵；(d)阀1被堵
　　
　　3．2．3 膨胀水箱起安全作用
　　在发生水击时，膨胀水箱可减缓压力突然增加所产生的破坏作用。
　　
4 结论
　　
　　4．1 膨胀水箱简便、应用广。如在设计和施工中加以采取措施，在非采暖期进行维护、检修，可以避免在非正常工况下可能出现的底层散热器超压等问题。
　　4．2 所研究的压力工况对其他定压方式有参考价值。
　　4．3 关于散热器是否超压的问题，不仅要用静水压曲线、而且要用动水压曲线校核。
　　

参考文献
　　
　　1 贺平、孙刚、供热工程。北京：中国建筑工业出版社，1993。
　　2 邹平华、孙宗宇、李祥立，膨胀水箱容积计算与安装接管问题的探讨，暖通空调
　　3 П Н Κаменев и др.Отопление и вентиляция.Ч.1.М.стройиздат.1976
　　4 石兆玉，供热系统运行调节与控制，北京：清华大学出版社，1998。