常壓鍋爐供熱系統的工程實踐及問題探討

孫憲鋒（上海交通大學規劃建筑設計有限公司，上海200030）

常壓鍋爐供熱系統的工程實踐及問題探討

孫憲鋒
（上海交通大學規劃建筑設計有限公司，上海200030）

通過對常壓熱水鍋爐供熱系統的工程實踐，結合基礎理論，給出鍋爐膨脹水箱設置高度的計算方法，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備布置方案。同時給出系統設計的經驗取值。

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，燃氣鍋爐房設置位置規范中要求嚴格，但常（負）壓燃氣鍋爐房的位置選擇要求較寬松，可設置在屋頂上，距離通向屋頂的安全出口不應小于6m[1]。真空鍋爐其系統運行嚴重依賴真空泵連續穩定的安全運行，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為上海閔行區某商業辦公項目，項目施工過程中熱源形式由電蓄熱鍋爐調整為燃氣熱水鍋爐，電蓄熱鍋爐設置地下三層，無法直接調整為燃氣鍋爐房，熱源位置最終調整于地上單體建筑的屋面。工程實踐中，隨之產生了諸多問題和思考。利用暖通專業基礎理論對常壓熱水鍋爐供熱系統設計時出現的問題進行分析并闡述解決方法，以供類似項目工程設計時參考。

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且形狀不規則的房間內，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備布置問題，方法如下:

方法一:燃氣鍋爐與水泵、補水定壓設備等輔機分隔設置在不同房間，以減少泄爆面積以及避免過多采用防爆型設備。循環水泵等設備分割設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。

結論1:工程應用中，常壓熱水鍋爐立式比臥式節省占地面積，當機房面積受限時可搭配布置。燃氣鍋爐的輔機設備可分隔設置在不同房間，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置高度的確定

膨脹水箱高位設置以達容納膨脹水，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的水柱靜壓力，膨脹水箱的設置高度越低越經濟。如何確定其合理的設置高度，即讓爐筒內水不發生局部汽化，又能保證循環水泵入口處不發生氣蝕。常壓熱水鍋爐系統模型簡圖如圖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—當地冬季大氣壓力，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置位置

圖4 常壓熱水鍋爐循環水泵設置位置

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。

在工程設計中，公式（3）中的有關參數可做簡單量化處理:

常規設計，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可結合管內水流速限值要求取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，膨脹水箱設置高度亦越小。綜述，對于常壓熱水鍋爐供熱系統而言，膨脹水箱的液面設置高度h為1.34m時，各類常壓鍋爐爐筒內水不發生局部汽化，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），可保證循環水泵入口處液體不汽化，避免產生汽蝕。

結論2-1:工程設計中，當循環水泵設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可滿足常規設計要求。

結論2-2:膨脹水箱設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，水箱擬設置于該建筑角樓高出處，角樓為穹頂構造，選用的立式鍋爐與臥式鍋爐因構造不同，設備高度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，對于穹頂構筑物，水箱高度設置就更受限，故立式和臥式鍋爐分別設置膨脹水箱，分設于兩個角樓內（角樓剖面如圖5、圖6所示）。

將常壓熱水鍋爐供熱系統簡化如圖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—系統膨脹水量，m3；

Vt—水箱的調節容積（考慮系統泄漏補水的調

節容積），m3。

式中α—熱膨脹系數，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膨脹水箱的設置高度，首先計算分設于兩個角樓內的膨脹水箱最小容積。

2.1 臥式常壓鍋爐供熱系統膨脹水箱容積Vmin計算

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

供熱系統小時補水量按照系統水容量5%計，調節容積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，結合結論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膨脹水箱容積Vmin計算

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

供熱系統小時補水量按照系統水容量5%計，調節容積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，結合結論2-2，h取1.34m無法實現（高出角樓最高點），故結合公式（3）計算h=0.7m，因循環水泵設置高度低于鍋爐，水泵設置標高-13.88m，鍋爐設置標高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，減少定壓系統的數量。

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℃的熱水介質供應系統，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，可防止汽化的產生。常壓鍋爐本體開孔與大氣相通，膨脹水箱的設置高度越低越好，減小鍋爐爐筒靜水壓力，結合問題2的結論當（PS-P0）近似為零時，對系統正常運行是較為有力的。所以出口水溫度可根據當地大氣壓力和特殊使用條件進行調整。鍋爐的出水溫度建議取值為當地冬季大氣壓對應的飽和水溫度低20℃。作為適用于全國各地區的實施規范而言，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[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置為85℃，安全余度為15℃＜20℃，發生爐筒內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置高度，降低水柱靜壓力對爐體的影響。結合上述分析，結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計為80℃。

結論3:工程應用中，鍋爐出口水溫度建議根據當地大氣壓力和特殊使用條件進行確定，給予系統運行足夠的富裕度[11]（〉20℃）、安全度。

4 常壓鍋爐與供暖系統間接連結時循環水泵參數的選取

常壓鍋爐與供暖系統間接連結的簡單描述:系統配置換熱器，將不能承壓的常壓鍋爐水循環與承壓的末端供暖系統分開[12]。常壓熱水鍋爐供熱系統循環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，有關循環水泵流量的選取暖通書籍中所描述的計算方法均一致，但設計過程中應注意供熱系統溫差要與鍋爐額定溫差相匹配[3]；循環水泵的承壓能力與其設置位置有著密切的關系，選型時應確保其承壓能力大于水系統可能出現的最高壓力，尤其是水泵設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；循環水泵的揚程，設計過程中套用措施[7]公式（6）時，因水泵設置平面遠低于鍋爐所在平面，循環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，所以設計中不可盲目套用。

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

式中H—循環水泵揚程，m；

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

h′—循環水泵軸線和鍋爐（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—循環系統最不利環路的供、回水母管的阻力，m；

Δh2—循環系統最不利用戶內部的阻力或調節

要求壓差值，m；

Δh3—鍋爐房內部管道系統阻力，m；

Δh4—設計富裕量，m，取2-5m。

描述二:常壓熱水鍋爐系統循環熱水泵揚程按以下公式計算:

式中K2—揚程富裕系數，取1.1-1.2；

h0—用戶系統最高點與鍋爐水位的高差，m；

a—附加富裕壓力，m，取2-3m；

H1—鍋爐房內部系統壓力損失（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—室外供熱管網最不利環路供回水管壓力損失，m；

H3—用戶內部供暖系統壓力損失，m。

描述一，不具備廣泛性，對熱水循環泵設置高度低于鍋爐所在平面的間接連結供熱系統而言，此算法會使水泵揚程偏離實際值較大。公式（6）對循環水泵與鍋爐設置于同一層面的系統較實用；描述二對常壓鍋爐與供暖系統間接連結時應用起來較復雜，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間接連接的循環水泵揚程可進行簡化計算。

常壓鍋爐與供暖系統間接連結的一次側采用較低的開式膨脹水箱定壓，建筑物的二次供熱系統則另外配置循環水泵及定壓裝置。將此系統一次側循環系統簡化如圖7所示。

圖7 常壓鍋爐與供暖系統間接連結簡化模型

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—當地冬季大氣壓力，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，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可結合管內水流速限值取≤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間接連結的形式在工程設計中較為常用，且水泵設置高度一般不高于鍋爐所在平面，其循環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 結語

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

[1]G B50016-2014，建筑設計防火規范[S].

[2]G B50041-2008，鍋爐房設計規范[S].

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

[4]蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].4版.北京:中國建筑工業出版社，1999.

[5]馬最良，姚楊.民用建筑空調設計[M].3版.北京:化工工業出版社，2015.

[6]張錫虎，張嵐，羅立寒.關于常壓熱水鍋爐及其系統配置[J].暖通空調，2007，37（7）:31-33.

[7]全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力2009[S].

[8]G B50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[9]動力管道設計手冊[M].北京:機械工業出版社，2006.

[10]祝俊，劉金祥，丁高.常壓熱水鍋爐供暖系統中鍋爐膨脹水箱設置高度探討[J].暖通空調，2009，39（2）:105-107.

[11]T S GG0001-2012，鍋爐安全技術監察規程[S].

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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，從事暖通空調設計工作。