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供热循环系统中的阻力分析及循环泵选择

发布日期:2017-01-07 中国油脂网

 供热循环系统的阻力主要来自两个方面,一是热水在输送管道中流动产生的阻力,叫做沿程阻力;二是由于各种水利元件和供热设备对水的流动产生的阻力,叫做局部阻力。对于沿程阻力,根据规范中规定:最不利环路的比摩阻应在30-60Pa/m,其它环路的比摩阻应小于等于300Pa/m,同时循环水的流速小于等于3m/s。对于各种供热设备的局部阻力,不同的产品有不同的标准。供热系统最不利环路中的局部阻力和沿程阻力的大小决定了选用循环水泵扬程的大小,循环水泵扬程的大小直接影响着水泵电耗的大小,因此,有必要对供热系统中,涉及最不利环路的各种阻力进行仔细的分析。
 
一、 热力站的阻力
 
供热系统的热力站有两种主要形式,一种是热水锅炉直接供暖的形式,另一种是换热器换热间接供暖的形式。
 
1、 锅炉
 
供热系统中使用的锅炉大多是热水锅炉,根据其额定发热量的大小分为7Mw、14Mw、29Mw、58Mw等多种规格,根据其热媒参数可分为95/70°C、115/70°C、150/90°C等,其中95/70°C、115/70°C的两种参数的锅炉应用比较多。锅炉在通过额定水量的情况下,锅炉的阻力应在40-80Kpa之间。在供暖实际中,造成锅炉阻力增大的原因主要是锅炉通过的实际水量大于其额定的循环水量。
 
在锅炉的铭牌参数里,并没有提供额定循环水量的数据,具体到一台锅炉具体的循环水量是多少呢?可以通过下面的公式进行计算:
 
G=860*Q/(tg-th)
 
G:锅炉的额定循环水量,单位m3/h
 
Q:锅炉的额定发热量,单位Mw.
 
tg-th:锅炉的额定进水温度与出水温度之差,单位°C。
 
对于锅炉的循环水量允许有一定的波动,波动的范围应小于20%。当实际流量超过额定流量过多时,大大增加锅炉的阻力;当实际流量低于额定流量过多时,会使锅炉内的部分管束流量发生偏流,造成局部汽化或爆管。
 
我国的锅炉标准最低热媒参数是95/70°C,供回水温差是25°C,而实际供热运行中,供回水的温度一般在10-20°C之间,即使是20°C的供回水温差,与锅炉的额定温差相比还差5°C,当锅炉满负荷运行时,根据锅炉产热和热用户散热的平衡关系可以计算出锅炉的循环水量为:
 
对于14Mw,95/70°C的锅炉,在温差25°C和20°C时的相应流量是:
 
额定流量:860*14/25=482m3/h
 
实际流量:860*14/20=602m3/h
 
对于14Mw,115/70°C的锅炉,在温差45°C和20°C时的相应流量是:
 
相应流量:860*14/45=268m3/h
 
实际流量:860*14/20=602m3/h
 
假如锅炉在额定水量下运行,其阻力是50Kpa,在上述实际流量下运行时的阻力是:
 
对于14Mw,95/70°C的锅炉实际阻力是:
 
(50/482)*602*602=79Kpa
 
对于14mw,115/70°C的锅炉实际阻力是:
 
(50/268)*602*602=252Kpa
 
两种不同参数的锅炉阻力分别增长了29Kpa和202Kpa。
 
锅炉阻力的增加也就是增加了循环泵的负担,增加了电耗,因此要把锅炉的阻力降低到合理的程度,具体的方法是根据锅炉流量增加的程度,增加一条与锅炉并联的分流管道,分流的管径应通过合理的水力计算确定,分流管道上安装的阀门应该使调节阀、平衡阀或自力式流量控制阀,不应是闸板阀。应用时使用流量计测定锅炉的实际水量来决定阀门的开启程度。
 
2、 换热器
 
供热系统中常用的换热器是板式换热器,换热器对于热媒参数和循环流量的要求不向锅炉那样严格,但过高的流量同样会大大增加换热器的阻力,影响水泵出力。换热器的阻力一般是20-50Kpa。
 
如吉林省锅炉房,两台循环泵流量600m3/h,扬程55m,电机功率132Kw,三台7Mw热水锅炉。运行中发现水泵的流量仅370m3/h,通过仔细查找,发现因为只运行一台锅炉,370m3/h的循环水全部通过锅炉,而根据计算锅炉的额定水量仅仅是240m3/h,由于实际流量达到额定流量的154%,使得锅炉的实际阻力达到160Kpa。为减少锅炉阻力将第二台锅炉打开进行分流,同时打开两台锅炉后,锅炉阻力下降到60Kpa,水泵的流量增加到550m3/h,每台锅炉通过的水量为275m3/h,是额定流量的115.8%,系统工作良好。
 
二、 除污器
 
在循环泵的进口前,都安装有除污器,目的是清除管道中的杂质,保证水泵和锅炉的安全运行。除污器的阻力一般在10-20Kpa之间。出现除污器阻力增大的原因有以下几个方面:第一,除污器堵塞,这种原因在现场见到的比较多,第二,非正常原因,如用原有的两个小型号的除污器并联安装在大一号的管道上;使用自制的除污器在制作当中流道或流通面积制作不合理。
 
如吉林省某锅炉房,回水母管管径是DN500,采用原来以俩的两台DN350的除污器,在供热面积近70%时,发现除污器阻力已达50Kpa,第二年供热面积要达到100%,根据计算,其阻力将达到102Kpa。
 
三、循环泵进出口的阻力
 
水泵进出口阻力的大小取决于水泵进出口各种水利元件的阻力和进出口管道的阻力,正常情况下,从水泵进水管与回水母管连接处到水泵出水管与系统供水母管的连接处,之间的阻力损失在30-60Kpa之间,而实际在供热系统中,这个阻力多达到50-100Kpa之间,只是由于这段阻力在现场不容易发现而被人忽略。
 
水泵的进口管径比出口管径一般情况下要小一号,进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,这样的流速对于管道来讲比摩阻将达到200Pa/m-300Pa/m以上,所以无论对于管道还是对于水利元件,都将产生巨大的阻力。
 
如:某单位水泵,型号SB-ZL-250-200-340A,进水管DN200,出水管DN250,流量800m3/h,扬程32米,电机功率90Kw,泵的效率86%,转速1450转/分。
 
先按进水管DN250,出水管DN200扩一号也是DN250进行计算。
 
进水管的水利元件有三通一个,闸阀一个,软连接一个。局部阻力系数:
 
1+0.5+2=3.5
 
出水管的水利元件有大小头一个,软连接一个,止回阀一个,闸阀一个,三通一个,局部阻力系数:
 
0.3+2+3+0.5+1.5=7.3
 
当水的流量是800m3/h时,流速为4.145m/s,
 
水泵进出口连接母管的管道DN250的比摩阻是796Pa/m,按水泵进出口管道总长度20米计算:796*20/10000=16Kpa
 
进水管的阻力: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
 
进出口阻力合计为31+64+16=111Kpa
 
再按进水管和出水管都扩大到DN300进行计算:
 
水的流速为2.927m/s.
 
水泵进出口连接母管的管道DN300的比摩阻是294Pa/m,按水泵进出口管道总长度20米计算,294*20/10000=6Kpa。
 
进水管的阻力: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
 
进出口阻力合计为1.5+3.2+0.6=53Kpa
 
规范中规定:供热系统最不利环路中的比摩阻为30pa/m-60pa/m,其它环路的比摩阻不能大于300Pa/m,同时水的流速不能高于3m/s。对于供热循环泵的进出口的管道,属于供热系统中所有环路包括最不利环路中的一部分,它的比摩阻如何取规范中没有明确规定。在上面的分析中,当管道比摩阻294Pa/m时,水泵进出口的阻力是53Kpa,比上例减少了58Kpa。因此,我个人观点,在条件许可的情况下,水泵进出口的管道管径还应适当加大。
 
四、 热用户
 
对于热用户,一般情况下以热用户的入口阀门井为界,阀门井以里属于热用户系统,这里的热用户指的是一般住宅。根据热用户室内系统的不同形式,其阻力大小也不同。传统的上给下回单管串联系统,它的阻力大小是5Kpa-20Kpa,新建的立管在楼梯间的分户控制一户一环系统,它的阻力一般是20Kpa-40Kpa,原上给下回式单管串联系统改造成的一户一环分户控制系统,它的阻力一般是20Kpa-60Kpa。以上给出的都是根据多个热力公司的实际得出的数据。
 
五、 阀门井
 
传统的阀门井里面的水力元件有供、回水阀门和除污器,其中供回水阀门的阻力小于10Kpa,除污器的阻力略大,一般10Kpa左右。多数热力公司,除污器在经过一个采暖期运行之后,都会拆除不用。
 
随着集中供热的发展,供热面积越来越大,“近热远冷”的水力失调现象很是严重,为此,很多热力公司在阀门井里安装了自力式流量控制阀,用以解决水力失调现象的发生。而自力式流量控制阀是一个阻力可变的水力元件,根据生产厂家的不同、阀体大小的不同,其阻力值也不相同,好的产品其最低阻力不到30Kpa,质量差的低档产品其最低阻力达到70Kpa。现在供热系统的外网压差一般才10-15Kpa,因此,这个阻力对系统有很大影响。在选择该产品时,一定要选择阻力比较小的产品,虽然价格高一点,但不增加水泵的电耗。
 
由于自力式流量控制阀的阻力比较大,我们一般不在最不利环路上进行安装,而只将其安在前端和中端用户,这样安装自立式流量控制阀不会增加循环泵的扬程,但具体哪些地方需要安装、那些地方不需要安装需要根据水利计算进行确定。
 
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间拐弯、变径、三通、分支、补偿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长度的乘积。根据规范的要求,管道的比摩阻应在30-60Pa/m之间。根据管道通过的流量,通过查水利计算表可以得出管道的比摩阻,再计算出管道的实际长度,就可以知道管道的阻力。
 
局部阻力计算起来相当麻烦,一般的设计手册上面都给除了估算比例,一般20%-50%。根据经验,设计手册上面局部阻力的估算比例过高,实际中10%-20%比较准确。
 
七、 循环泵的选择
 
对于供热系统而言,循环泵需要选择的参数有两个,一个是流量,一个是扬程。
 
流量参数是由供热系统的需要决定的,经验数据是每平米小时2.5-3.5公斤。对于使用高档次自力式流量控制阀的系统不需增加富裕量,没有使用自力式流量控制阀增加15%,使用低档自力式流量控制阀的系统增加7%,间歇供暖系统增加20%,分户改造系统增加15%。对于全部是地热的供热系统系统,流量应该增加30%或更多。
 
循环泵的扬程实际作用是克服供热系统中的各种阻力。根据前面的论述,对于锅炉房锅炉的阻力40-80Kpa,换热器的阻力20-50Kpa,水泵的进出口阻力30-50Kpa,除污器的阻力10-20Kpa,对于最不利环路阀门井里的阻力10Kpa,用热户的阻力40Kpa,管道的比摩阻30-60Pa/m另加10%-20%的局部阻力。根据这些数据,参考设备的具体情况可以计算出合适的水泵扬程,扬程参数可以增加5%的富裕量。
 

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