有壓與常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的比較

摘 要

摘要：推導(dǎo)了有壓、常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功率的計算式。計算比較了同一供熱系統(tǒng)，分別采用有壓、常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵質(zhì)量流量、功率。關(guān)鍵詞：有壓熱水鍋爐；常壓熱
摘要：推導(dǎo)了有壓、常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功率的計算式。計算比較了同一供熱系統(tǒng)，分別采用有壓、常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵質(zhì)量流量、功率。
關(guān)鍵詞：有壓熱水鍋爐；常壓熱水鍋爐；循環(huán)泵
Comparison of Circulating Pump between Pressured and Atmospheric Pressure Hot Water Boiler Heating Systems
ZHANG Jing-xue
Abstract：The formulas for power of circulating pump for pressured and atmospheric pressure hot water boiler heating systems are derived. The same heating system is calculated and compared. The mass flow rate and power of circulating pump for pressured and atmospheric pressure hot water boiler heating systems are adopted.
Key words：pressured hot water boiler；atmospheric pressure hot water boiler；circulating pump
1 有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)
   ① 系統(tǒng)流程
有壓熱水鍋爐是指鍋爐在運行中承受壓力，承受的壓力等于循環(huán)泵揚程與系統(tǒng)定壓點壓力之和，典型有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)見圖1。由圖1可知，在有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵位于回水干管的末端，點A是系統(tǒng)的定壓點。
 
   ② 循環(huán)泵揚程
有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵揚程H的計算式為：
 
式中H——有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的揚程，m
    Z1、Z2——斷面1-1、2-2的位置水頭，m
    h1、h2——斷面1-1、2-2的壓力水頭，m
    v1、v2——斷面1-1、2-2的介質(zhì)流速，m/s
    g——重力加速度，m/s2
    △h——管網(wǎng)沿程阻力和局部阻力之和，m
    由此可知，循環(huán)泵的揚程完全用于克服管網(wǎng)阻力，而與管網(wǎng)敷設(shè)高度無關(guān)，這是閉路系統(tǒng)的最大特點。
   ③ 循環(huán)泵的質(zhì)量流量
有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵質(zhì)量流量qm的計算式為：
 
式中qm——有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的質(zhì)量流量，kg/s
    Φ——鍋爐的熱功率，W
    cp——熱水的比定壓熱容，J/(kg·K)
    ts——供水溫度，℃
    tr——回水溫度，℃
    由此可知，對于熱功率一定的鍋爐，循環(huán)泵質(zhì)量流量取決于供回水溫差，溫差越大，質(zhì)量流量越小，溫差越小，質(zhì)量流量越大。
   ④ 循環(huán)泵功率
   有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功率P的計算式為：
  
式中P——有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功率，kW
    η——循環(huán)泵的效率
將式(1)、(2)代入式(3)得：
 
2 常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)
   ① 系統(tǒng)流程
   常壓鍋爐在運行中不承受壓力，即鍋爐表壓為0，常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)見圖2。在系統(tǒng)中，循環(huán)泵位于鍋爐出口，即供水干管始端，點B為系統(tǒng)定壓點。
 
   ② 循環(huán)泵的揚程
   系統(tǒng)定壓點B壓力水頭hB的計算式為
    hB=h
式中hB——系統(tǒng)定壓點的壓力水頭，m
    h——膨脹水箱安裝高度，m
常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)循環(huán)泵揚程H′的計算式為：
 
式中H′——常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)循環(huán)泵揚程，m
斷面0-0與2-2有如下關(guān)系：
 
式中△h0-2——斷面0-0至2-2的阻力，m
    Z0——斷面0-0的位置水頭，m
    h0——斷面0-0的壓力水頭，m
    v0——斷面0-0介質(zhì)流速，m/s
由于常壓鍋爐為開口容器，因此h0=0，又由于常壓鍋爐水位始終保持不變，因此v0=0。
 
斷面1-1與定壓點B有如下關(guān)系：
 
式中ZB——定壓點B的位置水頭m
    vB——定壓點B介質(zhì)的流速，m/s
    △h1-B——斷面1-1至定壓點B的阻力，m
將式(8)、(9)代入式(6)得到：
 
由于ZB與Z0近似相等，因此ZB-Z0=0由于hB=h，則有：
 
    ③ 循環(huán)泵質(zhì)量流量
    常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)循環(huán)泵質(zhì)量流量的計算方法與有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)相同。
    ④ 循環(huán)泵的功率
常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功率P′的計算式為：
 
式中P′——常壓熱水鍋爐集中供熱系統(tǒng)循環(huán)泵功
3 循環(huán)泵功率比較
    由以上分析可知，對于同一工程，如果鍋爐熱功率相同，供回水溫度相同，供熱面積相同，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)要比有壓鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的功率高，二者功率差△P的計算式為：
 
式中△P——常壓鍋爐供熱系統(tǒng)與有壓鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵的功率差，kW
    由式(13)可知：供熱系統(tǒng)越大，即鍋爐熱功率越高，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)比有壓鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵多消耗的功率也就越大。供熱區(qū)域內(nèi)地形變化越大，定壓點壓力相應(yīng)增大，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵多消耗的功率越大。
    以某供熱工程為例，該工程共安裝3臺4.2MW有壓熱水鍋爐，供水溫度為95℃，回水溫度為70℃，定壓點水頭為25m。若改為3臺常壓熱水鍋爐，由式(13)計算得，循環(huán)泵多消耗的功率為40kW。供暖期按120d計算，供熱系統(tǒng)24h運行，則一個供暖期多消耗的電量為115.2MW·h。
4 循環(huán)泵的工作狀態(tài)
    在有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵是工作在回水干管末端，循環(huán)泵進水溫度為70℃。常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵工作在鍋爐出口，循環(huán)泵進水溫度為95℃。為了保證循環(huán)泵不發(fā)生汽蝕，不同水溫下循環(huán)泵進水側(cè)需要最小壓力見表1。由表1可知，在常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵工作環(huán)境相對而言是惡劣的，進水側(cè)正壓頭是靠膨脹箱水箱水位與循環(huán)泵軸線高度差來保證的，但鍋爐出水溫度很難保持95℃，在實際運行中由于燃燒狀況、天氣或其他原因室內(nèi)供暖系統(tǒng)暫停運行，會使管網(wǎng)回水溫度增高，而鍋爐出水溫度也相應(yīng)增高。由于常壓鍋爐不承壓，有時出水可能夾帶氣泡，在這種情況下，即使保證了安裝高度也很難保證循環(huán)泵不發(fā)生汽蝕。而在有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，由于定壓點在循環(huán)泵進水側(cè)，因此無論循環(huán)泵運轉(zhuǎn)還是停止都始終保持足夠正壓力，且進水溫度為70℃左右，因此可防止循環(huán)泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。
表1 不同水溫下循環(huán)泵進水側(cè)所需最小壓力
水溫/℃
20
30
40
50
60
75
最大吸水高度/m
5.9
5.4
4.7
3.7
2.7
0.0
最小正壓頭/m
—
—
—
—
—
—
水溫/℃
80
90
100
110
120
 
最大吸水高度/m
—
—
—
—
—
—
最小正壓頭/m
2.0
3.0
6.0
11.0
17.5
—
5 質(zhì)量流量
根據(jù)國內(nèi)外資料和大量實踐經(jīng)驗證明：在熱水供熱系統(tǒng)中，經(jīng)濟的回水溫度為70℃，而供水溫度各不相同。由于常壓熱水鍋爐上部是敞開的，因此最高出水溫度為95℃，供回水溫差為25℃。而大多數(shù)有壓熱水鍋爐的設(shè)計出水溫度為130℃，現(xiàn)場實際運行出水溫度大多為1 15℃，其供回水溫差為45℃。若鍋爐熱功率相同，由于供回水溫差不同，則兩種供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵質(zhì)量流量不同。對于常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)，供水溫度為95℃，回水溫度為70℃，其循環(huán)泵質(zhì)量流量qm′的計算式為：
 
式中qm′——常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵質(zhì)量流量，kg/s
對于有壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)，若供水溫度115℃，回水溫度70℃，其循環(huán)泵質(zhì)量流量qm的計算式為：
 
    當鍋爐熱功率相同時，有：
    qm′=1.8qm    (16)
    由式(16)可知，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)循環(huán)泵質(zhì)量流量為有壓鍋爐供熱系統(tǒng)的1.8倍。對于同一供熱區(qū)域，由于有壓鍋爐供熱系統(tǒng)的供回水溫差大，因此其流量較小，室外管網(wǎng)管徑可相應(yīng)變小，系統(tǒng)造價也可相應(yīng)降低。
6 結(jié)論
    ① 同一供熱工程安裝常壓熱水鍋爐與安裝有壓熱水鍋爐相比，其循環(huán)泵多消耗電能。供熱系統(tǒng)規(guī)模越大，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)比有壓鍋爐供熱系統(tǒng)多消耗的電能也就越多。
    ② 供熱區(qū)域地形變化越大，定壓點壓力相應(yīng)增大，常壓鍋爐供熱系統(tǒng)比有壓鍋爐供熱系統(tǒng)多消耗的電能也就越多。
    ③ 在常壓熱水鍋爐供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵易發(fā)生汽蝕。
 
(本文作者：張景雪 河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 河北石家莊 050021)