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集中供热运行中直连供混水站存气的探讨
发布时间:2020.07.31    新闻来源:山东省区域能源学会   浏览次数:

集中供热运行中直连供混水站存气的探讨

济南和义热力有限公司 任彦志

内容摘要:本文分析了济南热力集团莲花上热源直连供混水站, 热水采暖系统水中气体及其产生原因、成分、对采暖系统的危害及影响。采暖系统出现的问题,指出避免气体产生的注意事项。同时介绍物理脱气的方法和技术及优缺点,为热水采暖系统“除气”工作提供了有意义的参考。

关键词: 直连供混水、采暖系统 亨利定律 真空脱气

前言: 济南热力集团莲花山热源供暖系统,地形高、低起伏较大、目前直连供混水站,东城一家片区八个,经两个采暖季运行,供暖系统,存气现象较为严重,采暖系统的存气主要有以下几个原因及解决方法:

1.热水采暖系统中气体的分析

1.1 氧气问题

热水采暖系统中溶解着气体、分离出来的气体有腐蚀金属材料的物质、如熟知的氧是使铁腐蚀的重要原因。理论上铁材使用比例较高的暖气系统的水的氧含量测定值应控制在0.1mg/L以下,而自来水的氧自然浓度是11mg/L,这表明氧是化学性质很活跃的气体,完全消耗在系统内的金属腐蚀(氧化)中。因此,在系统设计、施工中应该注意“氧的进入”、“使系统密闭化”。

1.2 氮气问题

热水采暖系统中如果溶入的气体超过溶解限度将形成气泡而分离。分离出来的气体中,主要成分是氮气。氮气是惰性气体,不像氧因化学反应(腐蚀反应)而消耗。据供热信息网有关资料:大规模采暖系统的暖气水中残留氮含量的测定值有达到50mg/L的,而自来水中的自然浓度为25mg/L,这相当于自来水中自然浓度的2倍。这样高浓度的氮气,不能全部溶入暖气水中,一部分以气泡的形式游离。这些气泡集中在配管流速较慢的部分而阻碍暖气水的循环,形成“气滞”。同时,气泡腐蚀剥离设备表面的静态保护膜从而加剧设备如泵叶片等的磨损。

1.3 亨利定律的应用

气体在水中的溶解度遵循亨利定律、溶解度因水温上升、压力下降而降低。定律解答了散热器的空气积存故障为何主要集中在高层。如果高层的压力最低也保持在0.05 MP以上,则氮气在70℃时的溶解度是15mg/L。据有关资料:采暖系统顶层水中的理论氮气(空气)饱和度一般都在15mg/L以上,即如果氮浓度在15mg/L以下一般不会发生问题。与氮类似,系统中氢和烷以气泡的游离状态存在,这些气体也适合亨利定律。

2 .热水采暖系统的空气产生过程

2.1 系统充水阶段

在热水供热系统充水前,整个系统充满空气,系统充水时,空气逐渐被挤到系统的末端和高点部位部。此时,系统中各最高点的自动排汽阀处于工作状态,空气逐渐被水挤出,直至系统注满热水。但系统内的空气不可能完全排出,在系统的某些部位会存有空气,而莲花山热源系统地形较为复杂高低起起伏较大,一次管网,高点排气由于受条件限制点设置不全,大量气体也会进入直连的二次网系统。

  

2.2 系统开始运行阶段

采暖系统水中溶有空气。当冷水逐渐升温时,空气会逐渐从水中分离出来,此时可通过用户散热器片端部的手动排气阀以及其他排气阀将充水阶段残存的和开始运行阶段分离出的空气一起排除。但运行开始,由于直连供混水站,与一次网是直连的,一次网气体的大量气体、难以及时排除,进而集存在散热器中,同时部分气体又循环回一次网中,形成恶性循环。

  

2.3 正常运行阶段

(1) 采暖系统在运行过程中需要根据压力情况进行补水,系统补水时会带入少量空气;同时,补入的冷水经过加热又会有一部分空气分离出来,也要随时排除。采暖系统补水主要是自来水,这些水通常处于“空气饱和”状态。根据亨利定律,理论上溶存的氧含量约11mg/L、氮含量约25mg/L,且溶解着微量二氧化碳。中国供热信息网了解到实测值与理论值高度吻合。不言而喻系统的密封性对该值影响最大,因为每补1升水就有共计36mg的氮气和氧气等进入系统。经过钠离子处理器后软化,除氧水中空气含量有所降低,密封不好而频繁补水的话,将无法摆脱空气的影响。譬如运行初期,各换热站投运时间不统一,热水管网系统跑、冒、滴漏、等部位严重漏水,需要补水,这就使运行产生气体复杂化。

(2) 采暖系统的补水率控制在2%以内可以有效的减少补水中空气的溢出,反之,如果系统的补水率达到10%以上,则系统有永远排不完的空气。我们知道,空气比水轻,所以空气都积存于系统各部分的最高点,这也是与蒸汽采暖系统排汽的不同之处。当空气因水温升高和压力降低而分离出来时,呈小气泡状态升起,其浮升速度随气泡大小而不同。但气泡浮升速度又与管道的直径、倾斜度及水流速度有关。如果水流速度超过气泡的临界速度,气泡就会被水流所带走,在水平管道上水流速大于0.15m/s,在垂直管道上水流速大于0.25m/s时,一般不会造成积气。反之,就会在以下等几个部位积气:①水平管道下弯处;②管道缩径处;③散热器尾部;④管道变形的最高点;⑤扩溶的溶气罐,(除污器)等。

3)系统采暖立管里水的流速。在采暖系统运行的时候,由于采暖立管设计热负荷的原因,采暖系统的循环水泵的选择使循环水泵流量偏大,或者由于大量的空气的存在,使本应该是连续流体变为非连续流体,热力依靠重力的作用,导致采暖立管里的热水流速偏大,远大于空气在水里的升浮速度0.25m/s,由于空气逆向流动,这样一来,热水可以抑制空气的排除,甚至热水可以夹带空气一起运动,使散热器里的空气排不出来。可以通过降低立管里的水流速度或者让水停止流动来解决,如短时间让水泵停止运行,或者关小或关闭该系统进口阀门等等。

3 热网运行管理中的空气产生问题

3.1 设备和配管内的残存空气溶解在采暖水中

在热水采暖系统中,所充入的常温水总是容有一定量空气。如果系统设备的空气排出不充分则会残存空气,而这些空气会溶解在高压的采暖水中。当系统运行升温后,空气则总是要分离出来。空气在水中的溶解量与温度和压力有关,压力越大,温度越低,空气溶解量则越大,反之,压力越低,温度越高,空气溶解量则越小。凡是空气溶解量低于原始空气溶解量的地点都能使空气分离出来或排放出来。上述溶解着空气的采暖水循环到建筑物高层或系统末端及某些压力较低部位时,水中的气体因压力降低而游离出来。这些游离出来的气体也会成为故障的原因。

3.2 循环水泵与管网阻力特性不匹配

系统中循环水泵流量和扬程过大,管网阻力特性与设备不匹配。由于循环泵流量大,导致系统压力降过快,采暖系统在定压点压力不高的情况下,在定压点与循环水泵入口某管段形成负压,系统出现倒空气或者汽化,空气渗入采暖系统。

系统定压点不够,就是系统里的水不满,系统出现倒空气或者汽化。系统里的水不满,可以通过提高定压点的压力来解决,而且在可能的情况下,尽可能的是定压点在压力与系统的充水高度的差值大些,这样系统运行比较稳定。

  

3.3 系统压力保持不稳的运行和不适当的维护管理

在运行管理中采暖系统压力保持不稳是引起“气体问题”最普遍的原因。因此,不论一次循环泵及二次直连供循环泵,我们怎样正确的维护管理运行压力?原则如下:不管是系统运转还是停止,系统的压力均应保证不在系统内任何部位产生负压、气体分离。要特别注意系统二次直连供循环泵控制阀等部位。导致系统压力降过快,采暖系统在定压点压力不高的情况下,在定压点与循环水泵入口某管段形成负压,空气渗入采暖系统。

3.4 系统补水稳定力求稳定

1)补水定压问题:系统水供水压力p2(静水头压)过高、过低的问题,即启动补水泵的压力过高、过低而停止;一般以p2=p1+0.3bar0.03MP以上为标准。另外,补水都会引起系统压力急剧的波动,使系统有大量的补水和泄水现象发生,气体便随之进入系统,故应该定期进行检查。
2)系统补水不足:系统定压的压力偏低,低于系统最高处管道静水压头,在系统停止运行时出现倒空现象,管道吸入空气。系统缺水就不能保持压力,为达到静水压头,需要增加系统内容量0.5%的水。如果不及时地补给水的自然减少部分,必然要产生负压及其他问题。供水压力p2(静水头压)必须比气体填充压力至少高0.03MP

3.5系统排气装置管理和维护

目前,莲花山热源系统采用的排气装置有自动排气阀、手动排气阀。自动排气阀设于系统的最高点,为了便于检修,应在其与系统连接处,装一个阀门,平时开启,需要拆换自动排气阀时,可将该阀门关闭;手动排气阀一般安装于暖气包端部,其体积小,结构紧凑,是由黄铜铸造加工而成,脆性大,如果在阀门上悬挂物品,极易压断阀门,造成跑水事故;另一种手动排气阀安装于热力站或者锅炉房内。不论一次管网网系统及二次直连供及用户手动排气装置,采暖系统运行时间里也要经常打开,以排除系统的空气,特别是采暖初期。目前所采用的自动积气阀由于设计结构,产品质量和管理维修等诸多问题,在运行过程中常常出现问题,导致积气体不能正常工作,甚至丢失排气的功能,而手动排气阀的位置、大部分在热用户室内散热器上,热用户的技术素质和思想意识的限制,绝大部分

成摆设,加强排气装置管理和维护尤为重要。


4.
物理脱气的技术的可行性

4.1 在系统压力下的脱气
脱气的方法很多、效果也多样。成本高但最有效果的方法是蒸气脱气。在100℃以下的温度范围,是技术上可行的物理方法。
有些采暖(空调)系统的管路中,为了脱气而安装机械式空气分离器,但只分离气泡,溶存气体不能分离。这些都在系统运行压力下(气体溶解度高)工作、有效性受设置位置(上下层、来水管、回水管、水箱、到泵的距离等)的影响很大。供热信息网获悉这种空气分离器确实能消除“空气问题”,但被限定在安装到系统高位(上层)。在空间条件受限的系统中空气分离器被安装低位置,

这样将使效能大幅降低。

4.2 大气压下的脱气
闭式低位膨胀水箱的采暖系统,即安装气压罐式时解决了系统水中的膨胀问题还可与锅炉自动补水和系统稳压结合起来。其中设置的敞开式水箱可容纳膨胀水,同时也可作为集中脱气装置使用。

4.3.真空下的脱气
真空脱气装置用真空化将系统循环水脱气。真空环境下气体溶解度是零,但静态的真空化脱气进行的很慢。如果在此真空中施加喷水、振动使之活化则能提高脱气的效率。动态的真空脱气装置与系统的运行压力完全独立动作,能大幅减少所有种类气体游离气泡和其溶存量。有事例显示循环水中氮浓度减到约3mg/L。该值大体相当于用蒸气加热脱气的测定值。

5真空脱气机原理及应用

根据物理脱气技术研究,真空脱气机采用真空脱气方法,快捷地脱除系统内的游离气体及溶解性气体,使得系统能够安全可靠运行,莲花山热源直连供系统

由于较间接换热站存气量大很多,系统容易产生气阻,

5.1 真空脱气机工作原理

根据亨利定律,气体在水中的溶解度与水温和压力有关。在一定温度下,与气体的压力成正比;在一定的压力下,水温降低,气体的溶解度增加,水温升高,气体溶解度降低。当降低水面的压力,则可在较低的水温下,使溶于水中的气体析出,从而除去水中的气体。真空脱气机就是通过产生真空,将水中的游离气体和溶解气体释放出来,再通过自动排气阀排出系统,脱气后的水再注入系统。这些低含气量的水是不饱和水,对气体具有高度的吸收性,它将吸收系统中的气体从而达到气水平衡。真空脱气机每20~30秒重复一次这样的循环。如此循环往复,将系统中的所有气体脱除(如图一)。

真空脱气机原理图

图一)

5.2真空脱气机技术特点

1、可大大缩短供热或冷却系统初次注水后的排气时间,极有利于系统的初次调试运行。
2
、脱除系统中的气体,防止气阻,保证系统正常运行期间稳定可靠。
3
、消除水泵气蚀,降低系统运行噪音。
4
、由于脱除了水中的氧气,将降低系统的有氧腐蚀,延长设备使用时间。
5
、由于脱除了水中的气体,设备表面上不会附有气体气泡,提高了供热效率。
6
、脱气机工作时间和周期可根据需要调节。
7
、单台适用系统容两最大可达150 m3;可多台并联使用。
8
、设备安装方便,全自动运行,安全可靠,易于维修保养。

5.结束语:

供热系统在设计好运行管理的每个方面的问题都可能会影响到供热质量和节能效果。为保证供暖质量,设计和运行管理人员应努力提高技术水平,减少能源消耗,努力提高供热系统的运行效率。目前大气压脱气装置、真空脱气装置都已经作为实用化设备使用。如何有效地对热水采暖系统空气进行脱气,是解决问题的关键。可以遵循亨利定律进行研究。如果能在此之外继续拓展,也许会产生更有价值的想法。


参考文献:
1]吴怡青 热水采暖系统中气体的探讨 《区域供热》 2011 1

2]张家荣 赵廷元编 《工程常用物质的热物理性质手册》
3] 陆耀庆主编 《实用供热空调设计手册》
4]哈尔滨建筑大学 贺平 孙刚 《供热工程》.


 
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