水力工況分析論文

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摘要分析了正常和干管堵塞、立管堵塞和閥門關閉等非正常工況下膨脹水箱設在不同位置時，采暖系統內的壓力工況及對系統的影響。指出干管發生堵塞，將導致堵塞點后的系統處于大面積的不正常狀態；立管發生堵塞，將導致被堵立管局部處于不正常狀態；回水干管堵塞，造成的影響比較嚴重。闡述了非正常工況下可能導致散熱器超壓等不安全因素以及在設計、施工運行管理中如何避免這些工況及不良情況。給出了在系統中正確設置水箱，保證良好的水力工況的措施。對其他定壓設備在非正常工況下對采暖系統的影響有參考意義。

關鍵詞膨脹水箱熱水采暖系統定壓水力工況故障

0引言

膨脹水箱是中小型系統和空調水系統常用的定壓設備之一。它具有簡單、安全、不用維護等優點。正確了解膨脹水箱定壓采暖系統在各種工況下的壓力分布對系統的設計及安全運行是非常必要的。膨脹水箱定壓多用于低溫水系統，也可用于高溫水系統。下面用簡單采暖系統為例進行分析，對復雜系統原理相同。

1正常壓力工況的分析

膨脹水箱在采暖系統聽位置以及安裝要求可根據其系統型式、作用半徑、建筑物（或采暖系統）的高度、供水溫度等因素來選擇[1][2]。同時其安裝位置及高度不同，給系統產生的壓力工況也不同。可靠的系統，其壓力工況必須滿足不汽化、不超壓、不倒空，及有足夠循環動力的要求。

1．1膨脹水箱連接在上供下回式系統供水主立管上方

如圖1所示，當采暖系統半徑不大，即AB管長較小時，能保證供水干管末端C點為正壓時，即可采用將膨脹水箱連接在供水主立管上方的安裝形式。水壓圖上c點高于管路C點位置高度，使水管最不利點不汽化，同時要保證靜水壓線j～j到底層散熱器（一般用回水干管D點來考慮）的高差不大于散熱器承壓能力。圖1中圖形abcdefgha為其水壓圖。A點為定壓點，Hjj≤40m。運行時底層散熱器隨的壓力比靜止時低，不會超壓。對一般采暖系統，圖1中水壓圖各點的高差為：熱源設備的阻力損失較大，ΔHgh=10～15mH2O；采暖系統的阻力損失ΔHaf=1～2mH2O。一般散熱器的最大工作壓力為40mH2O，而試驗壓力不大于40mH2O。雖然實際系統的壓力短時間超過其最大工作壓力，而不超過實驗壓力，可能不會泄漏，但長時間會出問題，是不允許的。超壓運行的系統，運行不可行，應極力避免發生。

圖1膨脹水箱連接在供水主立管上方的正常工況水壓圖

1－循環水泵；2－鍋爐或換熱器；3－膨脹水箱；4－集氣罐

（以下圖2～圖9中數字標號的意義與本圖相同）

1．2膨脹水箱連接在上供下回式系統供水主立管末端

膨脹水箱連接在上供下回式系統供水主立管末端時的系統圖及正常工況水壓圖如圖2所示。水溫較高的供水干管末端C點壓力為h(正壓)，可保證95℃以下低溫水采暖系統不汽化，水箱安裝高度比圖1低。該系統只宜用于系統有一個大環路的情況（即A點只有向C點的一個分支）[3]，C點為定壓點。同圖1一樣，運行時回水干線壓力降低，不會超過散熱器的承壓能力。

圖2膨脹水箱連接在供水干管末端的正常工況水壓圖

1．3膨脹水箱連接在上供下回式系統循環水泵入口

膨脹水箱連接在上供下回式系統循環水泵入口時的系統圖及水壓圖如圖3所示。水壓圖上的c點高出系統C點，因此保證不汽化是無問題的。在系統較大（即AC管較長），而且系統的高度（CD間高差）較大（接近40m）時，要考慮運行時立管底層散熱器是否超壓的問題，對高層建筑采暖系統進行分區時也要考慮這一問題。即分區的位置不僅要考慮系統底層散熱器停止運行時不超壓，還要注意系統運行時不超壓。例如：如取Hjj=40m，則運行時HdD>40m。底層散熱器將長期在超壓狀態下工作，經常會有泄漏之處。分區的高度界限應小于40m，使系統運行時底層散熱器承受的壓力不大于40mH2O。

圖3膨脹水箱連接在循環水泵入口的系統及正常工況水壓圖

1．4膨脹水箱連接在下供上回式系統回水總管上方

膨脹水箱連接在下供上回式系統回水總管上方時的系統圖及水壓圖如圖4所示，供水先進入底層供水干管。如用于水較低的高溫水系統（例如水溫為110℃）時，應使供水干管最不利點C點的壓力，即圖中的HcC≤40m。使底層散熱器不超壓，同時可防止汽化。因為110℃水的汽化壓力為4.7m，即建筑物只要為二層以上即不會有汽化問題。由圖可見，這種采暖系統的高度（C、D之間的高差）應比圖3中的還要小一些，才能保證底層散熱器承受的壓力HcC≤40m。在這種系統中，不僅應保證最無立管、而且應該保證最近立管底層散熱器不超壓及HbB≤40m。

圖4膨脹水箱連接在回水總管上方的系統及正常工況水壓圖

2非正常壓力工況的分析

系統可能出現的故障有：由閥芯脫落，施工中焊渣、棍棒、破布、麻團等造成的堵塞，機械碰撞、凍害，水擊等原因造成的散熱器破裂、管道腐蝕泄漏等。這些故障將引起系統壓力工況的變化，甚至停止供熱，下面重點分析由管道堵塞可能導致系統局部或全部停止供熱或損壞的情況[4]。系統堵塞給系統造成的影響及其大小與系統型式及堵塞點位置有關。以圖3所示系統為例進行分析。以下圖中用實線表示設計水壓圖，虛線表示非正常工況下水壓圖。

2．1膨脹水箱與系統相連管道堵塞

水箱用膨脹管或膨脹管加循環管與系統連接。

2．1．1水箱膨脹管堵塞

如水箱膨脹管堵塞，系統水被加熱后膨脹多余的水無去路，系統內壓力升高，設備（含散熱器）和管道將會被破壞。所以施工時應清理該管內污物，安裝時將膨脹管設在水箱側壁而不是底部，可減少事故發生。系統內應備有安全閥或泄水閥，當系統內壓力超過一定限度時，排水降壓，防止管道和散熱器等設備被破壞。在系統投入運行，充水時應該先檢查水箱信號管和膨脹管出水通暢之后才能加熱，即可排除這種工況和防止這種工況造成的影響。

2．1．2水箱循環管堵塞

水箱循環管被堵時，箱內水不循環。短時間對系統安全運行不會有影響；但若時間較長，在嚴寒地區水箱房和水箱保溫不佳時，有可能凍結。膨脹管和循環管上都不允許設閥門，一旦該管被堵塞，需要停止供熱進行疏通和檢修，這將影響正常供熱。因此施工中應注意清理該管內污物；啟動時應檢查該管是否有熱媒流動，以便在初寒期排除這一類故障。

2．2干管堵塞

2．2．1供水干管起點堵塞

如圖5中從泵出口到B點中間的任何一點J點堵塞，系統水不循環，系統全部不熱。管段HJ內壓力升高到HgF（因為大多數離心泵流量為零時，揚程增加；在分析其他工況認為水泵揚程不變），但傳遞不到散熱器，散熱器承受的壓力為HfF，而不會引起散熱器泄漏。供水干和內的水不會汽化，但應采取措施防止鍋爐或換熱器內的水汽化。

圖5供水干管起點堵塞的壓力工況

2．2．2供水干管中段堵塞

如圖6中K點堵塞，水通過堵塞點前面的立管循環，總流量減小，而通路流量增加。堵塞點后面的點不熱。BK管段內壓力增加為Hb′B，但傳遞不到底層散熱器，堵塞點后部的立管底層散熱器隨的壓力為He′E，它不會引起散熱器泄漏。

圖6供水干管中段堵塞的壓力工況

2．2．3回水干管起點堵塞

在圖7中，從E點到水泵入口任何一點（例如J′點）堵塞，系統中的水不循環，系統所有散熱器全部不熱，水泵輸出流量為零，水泵揚程增加，出口壓力為Hg′F，系統內承受的水靜壓力等于供不干管內的高壓，并傳遞到底層散熱器，對所有立管下部散熱器造成威脅，如Hg′F遠大于散熱器的承壓能力，則散熱器泄漏、乃至破壞。是應該嚴禁發生的工況。

圖7回水干管起點堵塞的壓力工況

2．2．4回水干管中段堵塞

在圖8中，從D點到E點之間的K′堵塞，系統內的水通過前面靠近主立管的其他立管循環。K′點以前的立管供熱；K′點以后的立管散熱器不熱。B點以后的系統承受供水干管傳遞來的靜水壓力Hb′E，其各立管底部散熱器有超壓的可能。如Hjj=40mH2O，顯然Hb′D將大于40m。應驗算這種工況下各立管底部壓力，以防止底層散熱器泄漏。

圖8回水干管中段堵塞的壓力工況

2．3立管堵塞

一般采暖系統都由多根立管構成。如果某根立管堵塞，該立管水不循環，通過其他立管的流量有所增加。對系統的影響與被堵立管的位置以及被堵塞點在立管上的位置有關。

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，其水壓圖如圖9（α）虛線的示。被堵立管流量為零，其余各立管流量增加。系統其余立管流量增加，堵塞點的位置對被堵立管本身有影響。如果堵塞點α的高度較低，則傳遞到α點以上各處的水靜壓力Hb′E有可能超過散熱器的最大工作壓力而漏水。但其影響的是局部的散熱器。

2．3．2靠近末梢的立管被堵塞

靠近末梢的立管被堵，其水壓圖如圖9（b）虛線所示。雖然水壓圖與圖9（α）有差別，但對系統的影響與圖9（α）類似。遠端立管被堵塞點α以上各處隨的壓力為Hb′E減去α點的位置高度。如α點位置較低，則α點附近散熱器可能泄漏。

圖9立管堵塞時的壓力工況3水箱與安全運行的關系

3．1非正常工況下系統內壓力工況發生變化，其中以回水干管堵塞影響最大，堵塞點離熱源越近，影響范圍越大，損失也越大。為了防止管道堵塞和杜絕不良工況，可采取以下措施：

（1）施工時注意疏通設備和管內的污物。

（2）下部回水干管低點，特別是過門下返彎的低點設放水閥。

（3）可采取自動補入冷水，降低熱媒溫度，防止供水干管起點堵塞時汽化。對水泵應有空轉時的過載保護。

（4）應在系統啟動之前和運行初期排除各種不良工況，以免在嚴寒期造成損失。

（5）監查回水干、循環水泵入口閥門的狀態，嚴防閥芯脫落，堵塞管道，特別是對有兩個大環路以上的系統，當一個環路供熱比較正常，另一個環路供熱不正常時要考慮是否分支大環路上閥門或管道發生問題。例如圖10中如果閥1堵塞或未開啟，系統左環水不循環，水壓圖由實線變虛線，左環承受A點傳遞過來的不靜壓力HaF，系統內壓力增加，有可能使左環底層散熱器超壓。因此運行時回水干管上閥門狀態應良好，并先開啟閥1、2，再啟動水泵運行。

圖10兩個環路的膨脹水箱定壓采暖系統

3．2多環路膨脹水箱的位置

3.2.1一個采暖系統只用一個水箱。當采用兩個水箱時功能易混亂，因此將中小采暖系統合并成大型系統時，應取消處于低位置的水箱，并將處于高位置的水箱容積擴大。

3．2．2從非正常工況考慮，水箱與系統的連接位置宜選在熱源處循環水泵入口。

膨脹水箱安裝在供水干管末端，如只有一個大環路是可以的。如像圖11中有兩個環路。這種安裝位置在非正常工況下有弊端。正常工況定壓點在C點，水壓圖如實線所示。如圖中閥4未開啟或堵塞，系統右環水不循環，F變為定壓點，水壓圖變成圖（a）虛所示，左邊大環路壓力普遍升高，左環底層散熱器有超壓的可能。如閥2關閉或堵塞，右環不循環，A點變為定壓點，水壓圖變成圖（b）虛線所示，集氣罐所在M點有可能變成負壓，不能正常排氣和供水干管局部產生汽化，系統不能正常運行。如閥3關閉或堵塞，左環不循環，右環流量增加，定壓點不變，左、右環流量增加，定壓點不變，左、右環不會發生散熱器泄漏事件，其水壓圖如圖（c）所示。如閥1關閉或堵塞，左環不循環，右環流量增加，定壓點不變，左環可能發生散熱器泄漏事件，其水壓圖如圖（d）所示。

圖11膨脹水箱安裝在系統一個環路供水干管末端當某閥門被堵時的水壓圖

(a)閥4被堵；(b)閥2被堵；(c)閥3被堵；(d)閥1被堵

3．2．3膨脹水箱起安全作用

在發生水擊時，膨脹水箱可減緩壓力突然增加所產生的破壞作用。

4結論

4．1膨脹水箱簡便、應用廣。如在設計和施工中加以采取措施，在非采暖期進行維護、檢修，可以避免在非正常工況下可能出現的底層散熱器超壓等問題。

4．2所研究的壓力工況對其他定壓方式有參考價值。

4．3關于散熱器是否超壓的問題，不僅要用靜水壓曲線、而且要用動水壓曲線校核。

參考文獻

1賀平、孫剛、供熱工程。北京：中國建筑工業出版社，1993。

2鄒平華、孫宗宇、李祥立，膨脹水箱容積計算與安裝接管問題的探討，暖通空調

3ПНΚаменевидр.Отоплениеивентиляция.Ч.1.М.стройиздат.1976

4石兆玉，供熱系統運行調節與控制，北京：清華大學出版社，1998。