熱水采暖水處理系統(tǒng)的設(shè)計
當前撫順地區(qū)熱水采暖鍋爐的給水，基本上都是用城市自來水。因為絕對純凈的水是沒有的，其中必然含有一些雜質(zhì)。如果對鍋爐給水不進行處理，鍋爐運行不久就結(jié)有很厚的水垢，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬的1/20～1/50。鍋爐結(jié)垢后將使排煙溫度增高、鍋爐供暖效率降低，耗煤量增加。
一、水中雜質(zhì)對鍋爐的影響
當前撫順地區(qū)熱水采暖鍋爐的給水，基本上都是用城市自來水。因為絕對純凈的水是沒有的，其中必然含有一些雜質(zhì)。如果對鍋爐給水不進行處理，鍋爐運行不久就結(jié)有很厚的水垢，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬的1/20～1/50。鍋爐結(jié)垢后將使排煙溫度增高、鍋爐供暖效率降低，耗煤量增加。
鍋爐結(jié)垢能造成熔孔和爆管。鍋爐結(jié)垢后除耗煤量增加外，能使鍋爐在運行過程中，由于受熱面內(nèi)壁結(jié)有堅硬密實的垢層，在爐水和管壁之間形成夾層高溫區(qū)。使管壁溫度上升到900℃以上，超過管材的熔點，造成熔孔或爆管。結(jié)垢后的水冷壁升高溫度近似公式如下：
T1=tg+(1/α+δ2/λ2)Q熱 ℃
T2=tg+(1/α+δ2/λ2+δ1/λ1)Q熱 ℃
式中 T1 ——水冷壁管內(nèi)溫度 ℃
T2 ——管外面溫度 ℃
tg ——采暖系統(tǒng)鍋爐供水溫度 ℃ tg=85℃
α——管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W/m2.℃ α= 4652W/m2.℃
δ2——水垢厚度 m δ2=7mm=0.007m
λ2——水垢熱傳導(dǎo)率W/m2.℃ λ2=1.2W/m2.℃
λ1——水冷壁管壁厚度 m δ1=4mm=0.004m
Q熱——熱負荷 Q熱=116300～195000 W/m2
取Q熱=151190 W/m2
那么 T1=85+（）×151190=994.4℃
T2=85+（+）×151190=1007.4℃
在水垢和管壁之間，有透過垢縫的少量水存在，高溫會使這些水急劇地汽化，嚴重時會爆管。采暖系統(tǒng)中熱水鍋爐結(jié)垢后，不僅使鍋爐熱效率降低，檢修清理困難，嚴重時會使部分管子被水垢堵塞、引起鍋爐爆管。因此，為使鍋爐經(jīng)濟安全運行，保證供暖，熱水采暖給水必須經(jīng)過處理。
二、熱水鍋爐的水質(zhì)標準
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懸浮物：懸浮物是指水中呈懸浮狀態(tài)的物質(zhì)，包括細菌、藻類、原生物、泥沙、粘土和其它不溶解的物質(zhì)。一般城市供給的自來水中均不含有懸浮物。
總硬度：指水中能形成水垢的兩種主要鹽類——鈣鹽和鎂鹽的含量，F(xiàn)在國內(nèi)常用硬度單位有以下三種：
（1）.毫克當量/升(微毫克當量/升)：既每升水中含有多少毫克當量鈣、鎂離子。
（2）.德國度（簡稱度）：每升水中含有的鈣、鎂離子相當于含有10mgCaO時的硬度，叫做1度。由于CaO的當量是28，所以
1度= =0.357mge/L
反之1mge/L=2.804度
（3）.百萬分單位（ppm）：每一百萬份重量的水中含有一份重量的CaCO3(或每升水中含有1mg CaCO3)時的硬度，叫做1ppm。由于CaCO3的當量是50.04，所以
1ppm= ≈0.02mge/L
1mge/L≈50ppm
1度=0.357×50=17.85ppm
鈣、鎂的碳酸鹽或重碳酸鹽〔MgCO3、CaCO3、Mg(HCO3)2、Ca(HCO3)2〕形成的硬度叫做碳酸鹽硬度。這些鹽類在水煮沸后會形成沉淀，而大部分被消除，故也叫做暫時硬度，用H暫表示。
鈣、鎂的其它鹽類（CaSO4、MgSO4、CaCl2、MgCl2、CaSiO4等）形成的硬度叫做非碳酸鹽應(yīng)度，這些鹽類受熱后不易分解，所以叫做永久硬度，用H永表示。
形成硬度的物質(zhì)，又可以分為鈣硬（H鈣）和鎂硬（H鎂）兩種。因此，總硬度H0=H暫+H永= H鈣+ H鎂
pH值：表示水中氫離子濃度，也即表示水的酸堿性。氫離子是由于碳酸離解的結(jié)果。H2CO3H++HCO3-一般在實際應(yīng)用中，水的pH值的范圍可劃分為：pH=7為中性 pH<7為酸性 pH>7為堿性。
含氧量：氧來源自大氣中，也有土壤中有機物被微生物分解和地質(zhì)化學過程產(chǎn)生的，它以1L水中溶有氧的毫克數(shù)來表示，使用單位為mg/L。
三、熱水采暖鍋爐給水處理方法簡介
鍋爐給水處理的方法有物理化學法、化學法、物理法等。
水的電滲析處理是一種典型的物理化學水處理法，它是用電化學原理除去水中溶解鹽的，電滲析水處理法用于高度除鹽和純水的制備上，因設(shè)備投資高，水量損失較大，目前在鍋爐房水處理方面應(yīng)用得不多。尤其是在采暖爐水上用得極少。
化學軟化法是指在軟化水過程中發(fā)生化學反應(yīng)生成新的物質(zhì)，具體方式有爐內(nèi)加藥法和爐外軟化法兩種。爐內(nèi)加藥法既向爐內(nèi)加某種化學藥劑，改變沉渣的結(jié)構(gòu)型式，防止或減少硬垢的生成。目前應(yīng)用較廣泛的方法是向爐內(nèi)加入定量的磷酸三鈉、純堿和含有單寧的有機物質(zhì)。向爐內(nèi)加藥雖有防垢、老垢脫落和防腐蝕等作用，但經(jīng)過運行數(shù)年后發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)的管網(wǎng)和散熱器有堵塞結(jié)垢現(xiàn)象。另外爐內(nèi)加藥水處理，可以減輕水垢的形成，但不能完全防止鍋爐結(jié)垢，仍須定期清理鍋爐。
爐外軟化法：目前應(yīng)用最多的是離子交換法，該法用鈉離子交換劑，當被處理的水流過裝有交換劑的過濾器時，Ca2+和Mg2+離子被置換，并存留在交換劑中，使水得到軟化。鈉離子用NaR表示，其中R代表陽離子交換劑的復(fù)雜的陰離子團。用離自方程式表示為：
Ca2++2NaRCaR2+2Na+
Mg2++2NaRMgR2+2Na+
由上述化學反應(yīng)可見，鈉離子既可除暫時硬度，又可除永久硬度。處理后水的硬度可降到0.01~0.03mge/L，獲得可靠的軟化效果，在熱水采暖鍋爐中得到廣泛的采用。
物理水處理：像高頻水改器，永磁和電磁軟水器，都屬于水的物理處理方法。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、容易檢修、運行費用低等。在采暖熱水鍋爐上應(yīng)用可以肯定的講是有很好的防垢、除垢效果。但對不同結(jié)構(gòu)的爐體和水流速以及水質(zhì)等因素，只用磁水器，鍋爐防垢不能得到徹底保證。
四、軟水器和電子水處理器聯(lián)合處理采暖鍋爐給水
為了解決好采暖鍋爐的水處理，采用軟水器（陽離子交換法）和電子水處理器（水的物理處理法）兩者結(jié)合的方式，來處理熱水采暖鍋爐的給水和循環(huán)水，通過運行獲得了非常好的效果。
利用軟水器（鈉離子交換劑）的可靠性和電子水處理器對熱水采暖鍋爐的適宜性，兩者相輔相成達到采暖鍋爐水處理的最佳效果。
軟水器滿足不了較大系統(tǒng)的初期充水和大量跑水的情況，但電子水處理器可以彌補軟水器的這個不足，并對鍋爐起到防垢和避免發(fā)生系統(tǒng)的水力失調(diào)和熱離失調(diào)的現(xiàn)象。系統(tǒng)初期充水和大量跑水時均使用電子水處理器。水中的鹽類的溶解度是隨溫度的升高而降低，且水垢的主要成分是碳酸鈣，當熱水的溫度不超過50℃時，水中的碳酸鈣才有約40%從水中沉淀出來。就是說水溫較低時，水中的鹽類溶解度大，不易析出產(chǎn)生水垢。且電子水處理器還具有防垢、除垢的作用，這時的電子水處理器將發(fā)揮很好的除垢、防垢效果。
如果采暖初期的補充水和大量補水是未經(jīng)過電子水處理器處理的生水就很難除垢和防垢的效果，如果使用軟水器和電子水處理器聯(lián)合方式處理采暖鍋爐的給水，起到徹底的防垢作用。
一般的采暖系統(tǒng)初期充水和大量補水占總補水量的20%左右。聯(lián)合方式處理熱水采暖鍋爐的供水，除可以節(jié)約再生劑的用量和運行費用外，最大的效益是可以徹底防止鍋爐受熱面結(jié)垢和消除系統(tǒng)因缺水發(fā)生的水力和熱力失調(diào)的現(xiàn)象。
熱水采暖系統(tǒng)有兩種形式，一種是靠供給熱水和回水的密度差，使水在鍋爐中循環(huán)，稱之為自然循環(huán)；另一種是由鍋爐直接制備熱水，用循環(huán)水泵做機械動力把熱水送到采暖用戶，并在鍋爐中進行循環(huán)，這種系統(tǒng)稱之為強制循環(huán)系統(tǒng)。過去分散小型熱水采暖系統(tǒng)，面積小、網(wǎng)路作用半徑短，失調(diào)現(xiàn)象少，就是有失調(diào)也容易消除。聯(lián)片集中供暖后的大型熱水采暖系統(tǒng)，在運行熱負荷已經(jīng)確定的情況下，如何選取供回水計算溫差、確定系統(tǒng)循環(huán)總水量，選用經(jīng)濟的網(wǎng)路直徑是消除系統(tǒng)水力失調(diào)和熱力失調(diào)，保證供暖的關(guān)鍵。
一、系統(tǒng)總循環(huán)水量的計算
G循=kQ需/Δtc×3600=k0.86 Q需/Δtc kg/h
式中：
k——管網(wǎng)漏損系數(shù)，一般k=1.05
Q需——供暖區(qū)內(nèi)建筑物熱指標和小區(qū)最大供暖面積相乘的熱負荷，W；Q需=qF
q——建筑物的熱指標
F——聯(lián)片集中供暖面積
c——水的質(zhì)量比熱，c=4.187kJ/kg.℃
Δt——供暖系統(tǒng)總供回水溫差 ℃
二、供回水溫差Δt的選取
熱媒的溫度定為95/70℃，(系指計算供水溫度為95℃、回水溫度為70℃)。計算供水溫度95℃是根據(jù)熱水供暖系統(tǒng)是帶有開式膨脹水箱的系數(shù)。它處于大氣壓力（1絕對大氣壓）下，熱水的汽化溫度為99.1℃，再考慮一定的安全系數(shù)，故取95℃。在這個溫度下，對計算回水溫度進行經(jīng)濟分析，確定計算的回水溫度為70℃。
鑒于聯(lián)片集中供暖后，循環(huán)水單位耗量比分散鍋爐房系統(tǒng)大得多。用戶系統(tǒng)形式不一。小區(qū)內(nèi)采暖建筑物有遠有近，為保證供暖，Δt的選定應(yīng)根據(jù)以下幾點，第一適合低溫連續(xù)供暖并輔之以質(zhì)調(diào)節(jié)的運行方式。第二提高網(wǎng)路和用戶系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性，減輕系統(tǒng)初調(diào)節(jié)的工作量，保證系統(tǒng)正常運行和消除用戶系統(tǒng)的豎向失調(diào)。
當前，在熱水供暖系統(tǒng)中，常用的集中調(diào)節(jié)方法有下列幾種：質(zhì)調(diào)節(jié)——改變網(wǎng)路供水溫度；量調(diào)節(jié)——改變網(wǎng)路循環(huán)水量；分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)；間歇調(diào)節(jié)——改變每天供暖時數(shù)。由于量調(diào)節(jié)很麻煩、很費力，一個較大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對安裝和管理來說常常是無能為力的，而且會引起用戶系統(tǒng)的失調(diào)。所以它不是一種理想的集中調(diào)節(jié)方法，近幾年來用的調(diào)節(jié)方法常采用質(zhì)調(diào)節(jié)——改變網(wǎng)路供水溫度。最近先后設(shè)計的幾個熱水采暖系統(tǒng)均采用Δt=18℃計算循環(huán)水量和相應(yīng)的水泵及管網(wǎng)。
三、采暖管網(wǎng)其經(jīng)濟管徑的計算
當采暖系統(tǒng)熱水量確定后，有兩種計算管徑的方法：第一是根據(jù)流速計算管徑，到目前為止，我們設(shè)計管網(wǎng)系統(tǒng)時，不論管徑大小，也不分運行小時數(shù)的多少，統(tǒng)統(tǒng)用1～2m/s的流速確定管徑，并非科學的。第二是按給定的比壓降（或稱為單位管長的沿程壓降Ry）計算管徑。有的資料上說：“對于熱水管網(wǎng)的干管和分支管，經(jīng)濟的單位管長沿程壓降約為30～60Pa/m。其中較小的數(shù)值用于直徑為400～500mm的管子，較大的數(shù)值用于直徑為50～100mm的管子。”
選用高的流速和壓降，計算出較小的管徑，這樣可降低管網(wǎng)造價和減少熱損失。但壓力損失按流速平方增加的，選用不當會使循環(huán)水泵電耗增大，并可導(dǎo)致系統(tǒng)某一環(huán)路的水力失調(diào)。而流速低、壓降小計算較大的管徑，使基建費用增加。另外，如果計算管徑很不合理時，會使得熱水在管內(nèi)流動時形成上下不同溫度的分層，導(dǎo)致管網(wǎng)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，引起彎曲變形。
根據(jù)我國管網(wǎng)造價、熱價、電費等綜合數(shù)據(jù)代入有關(guān)公式，導(dǎo)出熱水管網(wǎng)的經(jīng)濟管徑和經(jīng)濟比壓降，其計算公式如下：
經(jīng)濟管徑d經(jīng)=16.59G循0.48mm
經(jīng)濟比壓降 h經(jīng)=201.5/G循0.52mmH2O/m
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