有压与常压热水锅炉供热系统循环泵的比较

摘 要

摘要：推导了有压、常压热水锅炉供热系统循环泵功率的计算式。计算比较了同一供热系统，分别采用有压、常压热水锅炉供热系统的循环泵质量流量、功率。关键词：有压热水锅炉；常压热
摘要：推导了有压、常压热水锅炉供热系统循环泵功率的计算式。计算比较了同一供热系统，分别采用有压、常压热水锅炉供热系统的循环泵质量流量、功率。
关键词：有压热水锅炉；常压热水锅炉；循环泵
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 有压热水锅炉供热系统
   ① 系统流程
有压热水锅炉是指锅炉在运行中承受压力，承受的压力等于循环泵扬程与系统定压点压力之和，典型有压热水锅炉供热系统见图1。由图1可知，在有压热水锅炉供热系统中，循环泵位于回水干管的末端，点A是系统的定压点。
 
   ② 循环泵扬程
有压热水锅炉供热系统循环泵扬程H的计算式为：
 
式中H——有压热水锅炉供热系统循环泵的扬程，m
    Z1、Z2——断面1-1、2-2的位置水头，m
    h1、h2——断面1-1、2-2的压力水头，m
    v1、v2——断面1-1、2-2的介质流速，m/s
    g——重力加速度，m/s2
    △h——管网沿程阻力和局部阻力之和，m
    由此可知，循环泵的扬程完全用于克服管网阻力，而与管网敷设高度无关，这是闭路系统的最大特点。
   ③ 循环泵的质量流量
有压热水锅炉供热系统循环泵质量流量qm的计算式为：
 
式中qm——有压热水锅炉供热系统循环泵的质量流量，kg/s
    Φ——锅炉的热功率，W
    cp——热水的比定压热容，J/(kg·K)
    ts——供水温度，℃
    tr——回水温度，℃
    由此可知，对于热功率一定的锅炉，循环泵质量流量取决于供回水温差，温差越大，质量流量越小，温差越小，质量流量越大。
   ④ 循环泵功率
   有压热水锅炉供热系统循环泵功率P的计算式为：
  
式中P——有压热水锅炉供热系统循环泵功率，kW
    η——循环泵的效率
将式(1)、(2)代入式(3)得：
 
2 常压热水锅炉集中供热系统
   ① 系统流程
   常压锅炉在运行中不承受压力，即锅炉表压为0，常压热水锅炉供热系统见图2。在系统中，循环泵位于锅炉出口，即供水干管始端，点B为系统定压点。
 
   ② 循环泵的扬程
   系统定压点B压力水头hB的计算式为
    hB=h
式中hB——系统定压点的压力水头，m
    h——膨胀水箱安装高度，m
常压热水锅炉集中供热系统循环泵扬程H′的计算式为：
 
式中H′——常压热水锅炉集中供热系统循环泵扬程，m
断面0-0与2-2有如下关系：
 
式中△h0-2——断面0-0至2-2的阻力，m
    Z0——断面0-0的位置水头，m
    h0——断面0-0的压力水头，m
    v0——断面0-0介质流速，m/s
由于常压锅炉为开口容器，因此h0=0，又由于常压锅炉水位始终保持不变，因此v0=0。
 
断面1-1与定压点B有如下关系：
 
式中ZB——定压点B的位置水头m
    vB——定压点B介质的流速，m/s
    △h1-B——断面1-1至定压点B的阻力，m
将式(8)、(9)代入式(6)得到：
 
由于ZB与Z0近似相等，因此ZB-Z0=0由于hB=h，则有：
 
    ③ 循环泵质量流量
    常压热水锅炉集中供热系统循环泵质量流量的计算方法与有压热水锅炉供热系统相同。
    ④ 循环泵的功率
常压热水锅炉集中供热系统循环泵功率P′的计算式为：
 
式中P′——常压热水锅炉集中供热系统循环泵功
3 循环泵功率比较
    由以上分析可知，对于同一工程，如果锅炉热功率相同，供回水温度相同，供热面积相同，常压锅炉供热系统要比有压锅炉供热系统循环泵的功率高，二者功率差△P的计算式为：
 
式中△P——常压锅炉供热系统与有压锅炉供热系统循环泵的功率差，kW
    由式(13)可知：供热系统越大，即锅炉热功率越高，常压锅炉供热系统比有压锅炉供热系统循环泵多消耗的功率也就越大。供热区域内地形变化越大，定压点压力相应增大，常压锅炉供热系统循环泵多消耗的功率越大。
    以某供热工程为例，该工程共安装3台4.2MW有压热水锅炉，供水温度为95℃，回水温度为70℃，定压点水头为25m。若改为3台常压热水锅炉，由式(13)计算得，循环泵多消耗的功率为40kW。供暖期按120d计算，供热系统24h运行，则一个供暖期多消耗的电量为115.2MW·h。
4 循环泵的工作状态
    在有压热水锅炉供热系统中，循环泵是工作在回水干管末端，循环泵进水温度为70℃。常压热水锅炉供热系统循环泵工作在锅炉出口，循环泵进水温度为95℃。为了保证循环泵不发生汽蚀，不同水温下循环泵进水侧需要最小压力见表1。由表1可知，在常压热水锅炉供热系统中，循环泵工作环境相对而言是恶劣的，进水侧正压头是靠膨胀箱水箱水位与循环泵轴线高度差来保证的，但锅炉出水温度很难保持95℃，在实际运行中由于燃烧状况、天气或其他原因室内供暖系统暂停运行，会使管网回水温度增高，而锅炉出水温度也相应增高。由于常压锅炉不承压，有时出水可能夹带气泡，在这种情况下，即使保证了安装高度也很难保证循环泵不发生汽蚀。而在有压热水锅炉供热系统中，由于定压点在循环泵进水侧，因此无论循环泵运转还是停止都始终保持足够正压力，且进水温度为70℃左右，因此可防止循环泵产生汽蚀现象。
表1 不同水温下循环泵进水侧所需最小压力
水温/℃
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
最小正压头/m
—
—
—
—
—
—
水温/℃
80
90
100
110
120
 
最大吸水高度/m
—
—
—
—
—
—
最小正压头/m
2.0
3.0
6.0
11.0
17.5
—
5 质量流量
根据国内外资料和大量实践经验证明：在热水供热系统中，经济的回水温度为70℃，而供水温度各不相同。由于常压热水锅炉上部是敞开的，因此最高出水温度为95℃，供回水温差为25℃。而大多数有压热水锅炉的设计出水温度为130℃，现场实际运行出水温度大多为1 15℃，其供回水温差为45℃。若锅炉热功率相同，由于供回水温差不同，则两种供热系统的循环泵质量流量不同。对于常压热水锅炉供热系统，供水温度为95℃，回水温度为70℃，其循环泵质量流量qm′的计算式为：
 
式中qm′——常压热水锅炉供热系统循环泵质量流量，kg/s
对于有压热水锅炉供热系统，若供水温度115℃，回水温度70℃，其循环泵质量流量qm的计算式为：
 
    当锅炉热功率相同时，有：
    qm′=1.8qm    (16)
    由式(16)可知，常压锅炉供热系统循环泵质量流量为有压锅炉供热系统的1.8倍。对于同一供热区域，由于有压锅炉供热系统的供回水温差大，因此其流量较小，室外管网管径可相应变小，系统造价也可相应降低。
6 结论
    ① 同一供热工程安装常压热水锅炉与安装有压热水锅炉相比，其循环泵多消耗电能。供热系统规模越大，常压锅炉供热系统比有压锅炉供热系统多消耗的电能也就越多。
    ② 供热区域地形变化越大，定压点压力相应增大，常压锅炉供热系统比有压锅炉供热系统多消耗的电能也就越多。
    ③ 在常压热水锅炉供热系统中，循环泵易发生汽蚀。
 
(本文作者：张景雪 河北省城乡规划设计研究院 河北石家庄 050021)