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供熱循環系統中的阻力分析及循環泵選擇

發布日期:2017-01-07 中國油脂網

 供熱循環系統的阻力主要來自兩個方面,一是熱水在輸送管道中流動產生的阻力,叫做沿程阻力;二是由于各種水利元件和供熱設備對水的流動產生的阻力,叫做局部阻力。對于沿程阻力,根據規范中規定:最不利環路的比摩阻應在30-60Pa/m,其它環路的比摩阻應小于等于300Pa/m,同時循環水的流速小于等于3m/s。對于各種供熱設備的局部阻力,不同的產品有不同的標準。供熱系統最不利環路中的局部阻力和沿程阻力的大小決定了選用循環水泵揚程的大小,循環水泵揚程的大小直接影響著水泵電耗的大小,因此,有必要對供熱系統中,涉及最不利環路的各種阻力進行仔細的分析。
 
一、 熱力站的阻力
 
供熱系統的熱力站有兩種主要形式,一種是熱水鍋爐直接供暖的形式,另一種是換熱器換熱間接供暖的形式。
 
1、 鍋爐
 
供熱系統中使用的鍋爐大多是熱水鍋爐,根據其額定發熱量的大小分為7Mw、14Mw、29Mw、58Mw等多種規格,根據其熱媒參數可分為95/70°C、115/70°C、150/90°C等,其中95/70°C、115/70°C的兩種參數的鍋爐應用比較多。鍋爐在通過額定水量的情況下,鍋爐的阻力應在40-80Kpa之間。在供暖實際中,造成鍋爐阻力增大的原因主要是鍋爐通過的實際水量大于其額定的循環水量。
 
在鍋爐的銘牌參數里,并沒有提供額定循環水量的數據,具體到一臺鍋爐具體的循環水量是多少呢?可以通過下面的公式進行計算:
 
G=860*Q/(tg-th)
 
G:鍋爐的額定循環水量,單位m3/h
 
Q:鍋爐的額定發熱量,單位Mw.
 
tg-th:鍋爐的額定進水溫度與出水溫度之差,單位°C。
 
對于鍋爐的循環水量允許有一定的波動,波動的范圍應小于20%。當實際流量超過額定流量過多時,大大增加鍋爐的阻力;當實際流量低于額定流量過多時,會使鍋爐內的部分管束流量發生偏流,造成局部汽化或爆管。
 
我國的鍋爐標準最低熱媒參數是95/70°C,供回水溫差是25°C,而實際供熱運行中,供回水的溫度一般在10-20°C之間,即使是20°C的供回水溫差,與鍋爐的額定溫差相比還差5°C,當鍋爐滿負荷運行時,根據鍋爐產熱和熱用戶散熱的平衡關系可以計算出鍋爐的循環水量為:
 
對于14Mw,95/70°C的鍋爐,在溫差25°C和20°C時的相應流量是:
 
額定流量:860*14/25=482m3/h
 
實際流量:860*14/20=602m3/h
 
對于14Mw,115/70°C的鍋爐,在溫差45°C和20°C時的相應流量是:
 
相應流量:860*14/45=268m3/h
 
實際流量:860*14/20=602m3/h
 
假如鍋爐在額定水量下運行,其阻力是50Kpa,在上述實際流量下運行時的阻力是:
 
對于14Mw,95/70°C的鍋爐實際阻力是:
 
(50/482)*602*602=79Kpa
 
對于14mw,115/70°C的鍋爐實際阻力是:
 
(50/268)*602*602=252Kpa
 
兩種不同參數的鍋爐阻力分別增長了29Kpa和202Kpa。
 
鍋爐阻力的增加也就是增加了循環泵的負擔,增加了電耗,因此要把鍋爐的阻力降低到合理的程度,具體的方法是根據鍋爐流量增加的程度,增加一條與鍋爐并聯的分流管道,分流的管徑應通過合理的水力計算確定,分流管道上安裝的閥門應該使調節閥、平衡閥或自力式流量控制閥,不應是閘板閥。應用時使用流量計測定鍋爐的實際水量來決定閥門的開啟程度。
 
2、 換熱器
 
供熱系統中常用的換熱器是板式換熱器,換熱器對于熱媒參數和循環流量的要求不向鍋爐那樣嚴格,但過高的流量同樣會大大增加換熱器的阻力,影響水泵出力。換熱器的阻力一般是20-50Kpa。
 
如吉林省鍋爐房,兩臺循環泵流量600m3/h,揚程55m,電機功率132Kw,三臺7Mw熱水鍋爐。運行中發現水泵的流量僅370m3/h,通過仔細查找,發現因為只運行一臺鍋爐,370m3/h的循環水全部通過鍋爐,而根據計算鍋爐的額定水量僅僅是240m3/h,由于實際流量達到額定流量的154%,使得鍋爐的實際阻力達到160Kpa。為減少鍋爐阻力將第二臺鍋爐打開進行分流,同時打開兩臺鍋爐后,鍋爐阻力下降到60Kpa,水泵的流量增加到550m3/h,每臺鍋爐通過的水量為275m3/h,是額定流量的115.8%,系統工作良好。
 
二、 除污器
 
在循環泵的進口前,都安裝有除污器,目的是清除管道中的雜質,保證水泵和鍋爐的安全運行。除污器的阻力一般在10-20Kpa之間。出現除污器阻力增大的原因有以下幾個方面:第一,除污器堵塞,這種原因在現場見到的比較多,第二,非正常原因,如用原有的兩個小型號的除污器并聯安裝在大一號的管道上;使用自制的除污器在制作當中流道或流通面積制作不合理。
 
如吉林省某鍋爐房,回水母管管徑是DN500,采用原來以倆的兩臺DN350的除污器,在供熱面積近70%時,發現除污器阻力已達50Kpa,第二年供熱面積要達到100%,根據計算,其阻力將達到102Kpa。
 
三、循環泵進出口的阻力
 
水泵進出口阻力的大小取決于水泵進出口各種水利元件的阻力和進出口管道的阻力,正常情況下,從水泵進水管與回水母管連接處到水泵出水管與系統供水母管的連接處,之間的阻力損失在30-60Kpa之間,而實際在供熱系統中,這個阻力多達到50-100Kpa之間,只是由于這段阻力在現場不容易發現而被人忽略。
 
水泵的進口管徑比出口管徑一般情況下要小一號,進口管道的水流速度在2.5-3m/s以上,出口管道的水流速度一般2-2.5m/s以上,這樣的流速對于管道來講比摩阻將達到200Pa/m-300Pa/m以上,所以無論對于管道還是對于水利元件,都將產生巨大的阻力。
 
如:某單位水泵,型號SB-ZL-250-200-340A,進水管DN200,出水管DN250,流量800m3/h,揚程32米,電機功率90Kw,泵的效率86%,轉速1450轉/分。
 
先按進水管DN250,出水管DN200擴一號也是DN250進行計算。
 
進水管的水利元件有三通一個,閘閥一個,軟連接一個。局部阻力系數:
 
1+0.5+2=3.5
 
出水管的水利元件有大小頭一個,軟連接一個,止回閥一個,閘閥一個,三通一個,局部阻力系數:
 
0.3+2+3+0.5+1.5=7.3
 
當水的流量是800m3/h時,流速為4.145m/s,
 
水泵進出口連接母管的管道DN250的比摩阻是796Pa/m,按水泵進出口管道總長度20米計算:796*20/10000=16Kpa
 
進水管的阻力:P=S*V2/2g=3.5*4.145*4.145/2*9.8=31Kpa
 
出水管的阻力:P=S*V2/2g=7.3*4.145*4.145/2*9.8=64Kpa
 
進出口阻力合計為31+64+16=111Kpa
 
再按進水管和出水管都擴大到DN300進行計算:
 
水的流速為2.927m/s.
 
水泵進出口連接母管的管道DN300的比摩阻是294Pa/m,按水泵進出口管道總長度20米計算,294*20/10000=6Kpa。
 
進水管的阻力:P=S*V2/2g=3.5*2.927*2.927/2*9.8=15Kpa
 
出水管的阻力:P=S*V2/2g=7.3*2.927*4.145/2*9.8=32Kpa
 
進出口阻力合計為1.5+3.2+0.6=53Kpa
 
規范中規定:供熱系統最不利環路中的比摩阻為30pa/m-60pa/m,其它環路的比摩阻不能大于300Pa/m,同時水的流速不能高于3m/s。對于供熱循環泵的進出口的管道,屬于供熱系統中所有環路包括最不利環路中的一部分,它的比摩阻如何取規范中沒有明確規定。在上面的分析中,當管道比摩阻294Pa/m時,水泵進出口的阻力是53Kpa,比上例減少了58Kpa。因此,我個人觀點,在條件許可的情況下,水泵進出口的管道管徑還應適當加大。
 
四、 熱用戶
 
對于熱用戶,一般情況下以熱用戶的入口閥門井為界,閥門井以里屬于熱用戶系統,這里的熱用戶指的是一般住宅。根據熱用戶室內系統的不同形式,其阻力大小也不同。傳統的上給下回單管串聯系統,它的阻力大小是5Kpa-20Kpa,新建的立管在樓梯間的分戶控制一戶一環系統,它的阻力一般是20Kpa-40Kpa,原上給下回式單管串聯系統改造成的一戶一環分戶控制系統,它的阻力一般是20Kpa-60Kpa。以上給出的都是根據多個熱力公司的實際得出的數據。
 
五、 閥門井
 
傳統的閥門井里面的水力元件有供、回水閥門和除污器,其中供回水閥門的阻力小于10Kpa,除污器的阻力略大,一般10Kpa左右。多數熱力公司,除污器在經過一個采暖期運行之后,都會拆除不用。
 
隨著集中供熱的發展,供熱面積越來越大,“近熱遠冷”的水力失調現象很是嚴重,為此,很多熱力公司在閥門井里安裝了自力式流量控制閥,用以解決水力失調現象的發生。而自力式流量控制閥是一個阻力可變的水力元件,根據生產廠家的不同、閥體大小的不同,其阻力值也不相同,好的產品其最低阻力不到30Kpa,質量差的低檔產品其最低阻力達到70Kpa。現在供熱系統的外網壓差一般才10-15Kpa,因此,這個阻力對系統有很大影響。在選擇該產品時,一定要選擇阻力比較小的產品,雖然價格高一點,但不增加水泵的電耗。
 
由于自力式流量控制閥的阻力比較大,我們一般不在最不利環路上進行安裝,而只將其安在前端和中端用戶,這樣安裝自立式流量控制閥不會增加循環泵的揚程,但具體哪些地方需要安裝、那些地方不需要安裝需要根據水利計算進行確定。
 
六、 管道的阻力
 
管的的阻力,包括管道本身的沿程阻力和管道中間拐彎、變徑、三通、分支、補償器等形成的局部阻力。
 
沿程阻力的值等于管道的比摩阻和管道長度的乘積。根據規范的要求,管道的比摩阻應在30-60Pa/m之間。根據管道通過的流量,通過查水利計算表可以得出管道的比摩阻,再計算出管道的實際長度,就可以知道管道的阻力。
 
局部阻力計算起來相當麻煩,一般的設計手冊上面都給除了估算比例,一般20%-50%。根據經驗,設計手冊上面局部阻力的估算比例過高,實際中10%-20%比較準確。
 
七、 循環泵的選擇
 
對于供熱系統而言,循環泵需要選擇的參數有兩個,一個是流量,一個是揚程。
 
流量參數是由供熱系統的需要決定的,經驗數據是每平米小時2.5-3.5公斤。對于使用高檔次自力式流量控制閥的系統不需增加富裕量,沒有使用自力式流量控制閥增加15%,使用低檔自力式流量控制閥的系統增加7%,間歇供暖系統增加20%,分戶改造系統增加15%。對于全部是地熱的供熱系統系統,流量應該增加30%或更多。
 
循環泵的揚程實際作用是克服供熱系統中的各種阻力。根據前面的論述,對于鍋爐房鍋爐的阻力40-80Kpa,換熱器的阻力20-50Kpa,水泵的進出口阻力30-50Kpa,除污器的阻力10-20Kpa,對于最不利環路閥門井里的阻力10Kpa,用熱戶的阻力40Kpa,管道的比摩阻30-60Pa/m另加10%-20%的局部阻力。根據這些數據,參考設備的具體情況可以計算出合適的水泵揚程,揚程參數可以增加5%的富裕量。
 

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