城市集中供热热水采暖系统水中气体产生问题分析

因热水采暖系统水（以下称暖气水）中气体的存在导致采暖系统出现问题，故有关方面进行了暖气水中气体的基础研究，在此进行一下探讨。---哈尔滨市市政工程研究院 吴怡青

1.暖气水中气体的分析
1.1 氧气问题
暖气水中溶解着气体、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
暖气水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.气体是怎么进入密闭系统中的
2.1 自来水中溶解着空气（氮气+氧气）
暖气水和补给水都使用自来水。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。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。密封不好而频繁补水的话，将无法摆脱空气的影响。

2.2 设备和配管内的残存空气溶解在暖气水中
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暖气水中。系统维修后其内部也会残留空气，许多故障是由此而引起的。上述溶解着空气的暖气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。
2.3 空气通过设备侵入扩散到系统内
空气中的气体（约氮78％，氧21％）和水中气体浓度差成为空气向系统内侵入扩散的推动力。因循环的暖气水之氧浓度几乎为零，故想从大气扩散到配管网的潜在力量增强。虽然铁、铜等金属材料的空气透过性是零，但化学合成品、橡胶、密封材料等非金属的透气性高。树脂管地热采暖时，透过扩散氧量与以前的铜管或钢管的配管相比多出一千倍至十万倍。特别是钢管和树脂管混用的地热采暖系统，钢管腐蚀问题已经出现。

2.4 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，空气渗入采暖系统。
2.5 化学反应及腐蚀产生气体
根据材料组成、水质、化学添加剂、内容成分、压力及温度等许多边界条件，气体在暖气水中生成。除前述的氮气外，氢和烷也被检出。据了解由化学反应生成气体的机制尚未弄清，还有待于研究。
在使用铜材料装置的系统中，由于亚硫酸钠NaSO3配合比例的不同会生成硫化氢H2S、生成的H2S与氧化铜Cu2O反应变成硫化铜Cu2S。与Cu2O不同，Cu2S不形成保护膜。结果是经数年的运行，腐蚀征候出现，进而导致问题发生。
也有在油脂分解裂化的时候产生氢的假设。
使用铝（铝制散热器等）也可能产生问题。因此制造铝材设备时须在铝材上形成足够的保护膜，铝的自然保护膜在pH8.5以下呈静态的化学稳定。据了解使用铁材的采暖系统应该在pH8.5以上。设置了铝制散热器的系统，当氢含量达到3.2mg/L时产生明显的腐蚀征兆，这个含量是在大气压下、温度30℃时已经产生氢气泡的溶解浓度。

2.6 系统压力保持不稳的运行和不适当的维护管理
在运行管理中系统压力保持不稳是引起“气体问题”最普遍的原因。特别是使用了膈膜式气压罐的小规模的系统更显著。因此，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。要特别注意系统高层、泵、控制阀等部位。

最常见的错误：
（1）管理不当导致不正常状态下的运行
使用膈膜式气压罐的场合，气体的填充压力p1和系统水供水压力p2（静水头压）不同。据调查，常出现的问题是填充压力p1过高，系统水供水压力p2（静水头压）过低的问题，www.china-heating.com即启动补水泵的压力过高而停止压力过低；一般以p2=p1+0.3bar，0.03MP以上为标准。另外，气压罐年久失修里面的膨胀膜破裂，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。膈膜式气压罐的场合，供水压力p2（静水头压）必须比气体填充压力至少高0.03MP 。

3.物理脱气的技术的可行性
3.1 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。据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。

3.2 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。

3.3 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。

4.结语
目前大气压脱气装置、真空脱气装置都已经作为实用化大型设备使用。在热水采暖系统中，如何有效地对暖气水中的氮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。