水噴射泵在一、二次網(wǎng)直連中的應(yīng)用

閆永波

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

在國(guó)內(nèi)的城市集中供熱系統(tǒng)中，目前大部分系統(tǒng)存在熱源不夠，近端的熱力站供熱效果很好，甚至存在浪費(fèi)的現(xiàn)象，而末端的熱力站供熱效果差，造成了回水溫度偏高的現(xiàn)象，有時(shí)連供熱基本要求都不能達(dá)到[1]。還有些是熱源的流量不夠或者供水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，這些都嚴(yán)重影響著換熱效果，很難滿足熱用戶的要求[2]。以上各種情況都嚴(yán)重影響著供熱效果，尤其對(duì)末端用戶更加明顯，針對(duì)這些問題，經(jīng)過研究分析，采用水噴射器替代換熱器和二次網(wǎng)循環(huán)水泵的作用，不僅在技術(shù)上可行，而且還具有節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)介紹

以下利用水噴射器的混水直連系統(tǒng)的工作原理做簡(jiǎn)單的介紹，見圖1裝水噴射器的直接連接。裝水噴射器的直接連接系統(tǒng)很早就用在了二次網(wǎng)，一般是用戶入口處得到了應(yīng)用，但目前很少用在一次網(wǎng)上。

圖1 裝水噴射器的直接連接

熱網(wǎng)供水管的高溫水進(jìn)入水噴射器，在噴嘴處形成很高的流速，噴嘴出口處動(dòng)壓升高，靜壓降低到低于回水管的壓力，回水管的低溫水被抽引進(jìn)入噴射器，并與供水混合，使進(jìn)入用戶供暖系統(tǒng)的供水溫度低于熱網(wǎng)供水溫度，符合用戶系統(tǒng)的要求。

水噴射器無活動(dòng)部件、構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、網(wǎng)路系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性好。在原蘇聯(lián)城市的高溫水熱水供熱系統(tǒng)中，得到了廣泛地應(yīng)用。但由于抽引回水需要消耗能量，熱網(wǎng)供、回水之間需要足夠的資用壓差，才能保證水噴射器正常工作。如當(dāng)用戶供暖系統(tǒng)的壓力損失Δp＝10～15 kPa，混合系數(shù)（單位供水管水量抽引回水管的水量）μ＝1.5～2.5的情況下，熱網(wǎng)供、回水管之間的壓差需要達(dá)到Δpw＝80～120 kPa才能滿足要求，因而裝水噴射器直接連接方式通常只用在單幢建筑物的供暖系統(tǒng)上，需要分散管理[3]。

2 裝水噴射器的直接連接在一、二次網(wǎng)上應(yīng)用的可能性

裝水噴射器的直接連接雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但在用戶入口的應(yīng)用卻還是很少，主要原因是二次網(wǎng)的供熱半徑小，供回水壓差比較小，很難滿足水噴射器的壓差要求，從而限制了裝水噴射器的直接連接系統(tǒng)的應(yīng)用。

一次網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力一般是1.6 MPa，二次網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力大部分在0.3～1.0 MPa之間（高區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力比較高）近年來，高層建筑越來越多，二次網(wǎng)的高區(qū)系統(tǒng)也在普遍的增多，一次網(wǎng)也越來越多的采用旁通定壓，從而降低了動(dòng)水壓力。與以往不同的是，一、二次網(wǎng)的供水壓力差在縮小，這為混水直連在壓力上提供了可能性。

一次網(wǎng)的供、回溫設(shè)計(jì)度為130/70℃，針對(duì)散熱器系統(tǒng)，二次網(wǎng)的供、回溫設(shè)計(jì)度為95/70℃或者85/60℃；針對(duì)地暖系統(tǒng)，二次網(wǎng)的供、回溫設(shè)計(jì)度為60/50℃或者55/45℃。從一、二次網(wǎng)的供水溫度上看，一次網(wǎng)設(shè)計(jì)溫差為60℃，二次網(wǎng)的設(shè)計(jì)溫差為10～25℃，一、二次網(wǎng)的供水溫差大，一次網(wǎng)回水溫度大于二次網(wǎng)的回水溫度，從溫度的角度看為混水直連提供了可能性。

低區(qū)系統(tǒng)需要的供水壓力低，從而使一、二次網(wǎng)的供水壓差增大，如何保證二次網(wǎng)的供水壓力不超壓，是問題的關(guān)鍵，可以通過選擇合適的混流系數(shù)，多個(gè)水噴射器串聯(lián)，起到截流的作用，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)的可靠性，一旦某個(gè)噴射器出現(xiàn)故障，也不至于使二次網(wǎng)的供水壓力和供水溫度有太大的變化。如果多個(gè)串聯(lián)仍然不能解決超壓?jiǎn)栴}，只能通過截留的辦法降低二次網(wǎng)的壓力。

二次網(wǎng)的回水壓力遠(yuǎn)低于一次網(wǎng)的回水壓力，只能通過回水加壓泵提高二次網(wǎng)的回水，把回水送至一次網(wǎng)回水管。

2.2 高區(qū)系統(tǒng)

高區(qū)系統(tǒng)需要的供水壓力高，從而使一、二次網(wǎng)的供水壓差相對(duì)減小，但仍然有足夠的壓差使多個(gè)水噴射器串聯(lián)工作，多個(gè)噴射器串聯(lián)使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性，一旦某個(gè)噴射器出現(xiàn)故障，也不至于使二次網(wǎng)的供水壓力和供水溫度有太大的變化。如果多個(gè)串聯(lián)仍然不能解決超壓?jiǎn)栴}，也能通過截留的辦法降低二次網(wǎng)的壓力。

二次網(wǎng)的回水壓力遠(yuǎn)低于一次網(wǎng)的回水壓力，只能通過回水加壓泵提高二次網(wǎng)的回水，把回水送至一次網(wǎng)回水管。

2.3 高、低區(qū)系統(tǒng)混水直連的對(duì)比

從高區(qū)系統(tǒng)和低區(qū)系統(tǒng)的對(duì)比來看，高區(qū)系統(tǒng)更適合混水直

2.1 低區(qū)系統(tǒng)

連，一是可以降低一、二次網(wǎng)的截流損失，二是可以減小一、二次網(wǎng)的回水壓差，從而減小回水加壓泵的揚(yáng)程，降低運(yùn)行費(fèi)用。在采用水噴射器混水直連系統(tǒng)時(shí)，盡量使二次網(wǎng)的靜水壓線提高，減小一、二次網(wǎng)的供回水壓力差。

隨著散熱器和地暖承壓能力的提高，使高區(qū)系統(tǒng)壓力提高成為了可能，也為混水直連的經(jīng)濟(jì)性在壓力差上提供了可能。

2.4 散熱器系統(tǒng)與地暖系統(tǒng)的對(duì)比

二次網(wǎng)回水溫度越低，一次網(wǎng)的供回水溫差越大，輸送相同的熱量需要的流量就越低，從而減小了一次網(wǎng)循環(huán)水泵的功率，達(dá)到了大溫差小流量的理想運(yùn)行狀況，二次網(wǎng)的供水溫度低，可以增加混流量，減小二次網(wǎng)向一次網(wǎng)的回水量，從而也減小了回水加壓泵的流量，使回水加壓泵的功率減小，達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

從這個(gè)角度考慮，地暖用戶的供水溫度比散熱器用戶的供水溫度低，回水溫度也低，根據(jù)壓力狀況考慮在熱力站混水還是在用戶入口混水，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

2.5 裝水噴射器直接連接的最佳條件

從以上分析可得，裝水噴射器的直接連接的最佳條件是，高區(qū)的地板采暖系統(tǒng)，這樣在劃分系統(tǒng)時(shí)盡量使系統(tǒng)的運(yùn)行壓力高，同時(shí)盡量減小一次網(wǎng)的供回水壓力，這樣就為混水直連的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了條件。

3 裝水噴射器直接連接的優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)能：混水直連避免了換熱器換熱損失，水噴射器比換熱器更容易保溫，可以減小熱量散失，理論上可以達(dá)到100%?？烧{(diào)式水噴射器的研制成功，使混水直連調(diào)節(jié)更加靈活[4]。

（2）可作為一個(gè)管件，安裝在入口井、管溝等位置，無須建換熱站，節(jié)省了大量基建投資。

（3）利用高溫水壓頭做功，不再需要額外動(dòng)力，節(jié)約了電能。

（4）設(shè)備可靠性高，故障率低。

（5）在各分支管上安裝，能起到對(duì)管網(wǎng)水力的平衡作用，防止水力失調(diào)。

（6）用于防止水泵汽蝕：將其安裝于水泵入口，提高壓力增加汽蝕余量。有了這項(xiàng)技術(shù)，除氧器、標(biāo)高可不再架高設(shè)計(jì)。

（7）用于回收換熱器凝結(jié)水。

4 裝水噴射器直接連接的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初投資方面

裝水噴射器的直接連接系統(tǒng)，用水噴射器取代了換熱器和二次網(wǎng)的循環(huán)水泵，增加一臺(tái)小流量回水加壓泵，增加了供回水溫差，減小了一、二次網(wǎng)的管徑，從而大大減小了投資。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用

在實(shí)際運(yùn)行中，很難達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。出現(xiàn)了大流量小溫差的運(yùn)行狀況。一次網(wǎng)回水溫度比設(shè)計(jì)溫度高，二次網(wǎng)的供水溫度比設(shè)計(jì)溫度低，現(xiàn)在普遍采取的措施是，加大一次網(wǎng)流量來提高二次網(wǎng)的供水溫度，但即便是如此，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到二次網(wǎng)的設(shè)計(jì)溫度。二次網(wǎng)為了彌補(bǔ)供水溫度不足的缺陷，也可同樣采取提高二次網(wǎng)流量的方法。這樣一、二次網(wǎng)都出現(xiàn)了大流量小溫差的運(yùn)行狀況，這在一定的情況下確實(shí)緩解了水力失調(diào)帶來的問題，但同時(shí)也付出了沉重的代價(jià)，運(yùn)行費(fèi)用居高不下。

間接換熱的效果永遠(yuǎn)都不能和直接換熱的效果進(jìn)行對(duì)比，也就是說，混水直連的換熱可以沒有任何的熱損失，換熱效率可以達(dá)到100%，而換熱器永遠(yuǎn)都不能達(dá)到這樣理想的情況。換熱必然就有熱損失，有＜1的換熱效率。

水噴射器是噴射器中的一種。噴射器的種類很多，工作方式與用途很廣泛，而且近年還有較大的發(fā)展。它們的工作原理是類似的，都有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、管理操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但各種噴射器都有共同的缺點(diǎn),就是設(shè)備效率較低。各種型式的噴射器效率極少可達(dá)到40%，而其他流體力學(xué)機(jī)械如水泵或鼓風(fēng)機(jī)的效率通常在60%以上。只是由于噴射器的特殊工作方式，在一些實(shí)際的應(yīng)用條件下有其突出的優(yōu)點(diǎn)，才有應(yīng)用價(jià)值。噴射器效率低的共通性原因是高速流體與低速流體混合時(shí)有較大的沖擊損失，而水噴射器在高真空下的效率降低有其特殊性，這些都與噴射器的內(nèi)部工作過程和結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。

水噴射器的工作有一個(gè)重要的特點(diǎn)，就是在某些特殊情況下，會(huì)發(fā)生水流倒灌的不正常現(xiàn)象，亦稱為“反沖”。即在某一瞬間，水流大量倒灌入設(shè)備(如蒸發(fā)罐)中，真空度急劇下降。這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在低位噴射器，而高位噴射器（尾管長(zhǎng)10 m以上者）即很少發(fā)生。這種現(xiàn)象主要是由于在較高的真空度下，如水壓突然降低(由于水泵或供水系統(tǒng)不正常)，水射流的沖擊力不足以克服外界空氣的反向壓力差，而被反向壓回。此時(shí)如果尾管沒有“水封”，則外界空氣亦會(huì)從尾管倒流入容器內(nèi)。在尾管較長(zhǎng)時(shí)，尾管中水柱產(chǎn)生的靜壓力能克服這一壓差，可減少以至消除這種現(xiàn)象。低位噴射器要預(yù)防這個(gè)問題，一定要用較高的水壓，例如0.25 MPa以上。高位噴射器則可以在較低水壓下工作。在設(shè)備密封情況較好的系統(tǒng)，用0.1～0.15 MPa的水壓就可以正常工作。

5 實(shí)例分析

已知熱源為鍋爐房，供回水溫度為130/70℃，汽化壓力為38.6 mH2O，系統(tǒng)選用壓力傳感器采用變頻器控制補(bǔ)水泵，系統(tǒng)壓力波動(dòng)小于30～50 mH2O，忽略熱源與熱力站之間的位置高度差，鍋爐房高度15 mH2O。二次網(wǎng)供回水溫度為60/50℃（采暖形式為地暖，站高4 m，不考慮熱力站與熱用戶的高差。一次網(wǎng)供（回）水阻力損失50 mH2O，二次網(wǎng)供（回）水阻力損失10 mH2O，鍋爐房和站內(nèi)損失都按15 mH2O考慮，用戶按10 mH2O考慮，站內(nèi)一次網(wǎng)側(cè)阻力損失為5mH2O。供熱面積以10萬m2，面積熱指標(biāo)取64w/m2。

（1）傳統(tǒng)的一、二次網(wǎng)連接方式：

圖2 一次網(wǎng)水壓示意圖

一次網(wǎng)阻力損失為：H1=120 mH2O;

一次網(wǎng)循環(huán)水泵功率為：N1=29.996 KW;

圖3 二次網(wǎng)水壓示意圖

二次網(wǎng)阻力損失為：H1=45 mH2O；

二次網(wǎng)循環(huán)水泵功率為：N2=97.489 KW；

一、 二次網(wǎng)總循環(huán)水泵的功率為：N=97.489 KW。

（2）一、二次網(wǎng)采用水噴射泵混連的連接方式：

圖4 水水噴射泵示意圖

表1 壓力系數(shù)與流量系數(shù)之間的關(guān)系表

一、二次網(wǎng)混流的主要目的是控制流量和供水溫度。從這個(gè)角度出發(fā)，確定好流量和供水溫度，然后調(diào)整壓力。

由u==7可以選擇2級(jí)水噴射泵，其中第一級(jí)u1=2，DP1=0.109；第二級(jí)u2=1.667，（差分法）。工藝流程見圖5。

圖5 工藝流程圖

由以上數(shù)據(jù)可得：

G01=Gh=68.8 t/h；Gg=Gh2=550.4 t/h

假設(shè)：P01=80 mH2O；Ph=70 mH2O；Ph1=55 mH2O；則

G1=2G01=137.6 t/h；G02=3G01=Gh1=206.4 t/h；G2=344 t/h；

P02=71.09 mH2O；Pg=57.108 mH2O

根據(jù)二次網(wǎng)的流量沒有發(fā)生變化，故不論是哪種供熱，其阻力損失相同，故：

Ph2=27.108 mH2O

熱源處循環(huán)泵：揚(yáng)程：H0=74.5875 mH2O；流量G0=68.8 t/h；

功率為：N0=13.984 kW。

加壓泵1：

揚(yáng)程：H1=15 mH2O；流量：G1=206.4 t/h；

功率為：N1=8.4366 kW。

加壓泵2：

揚(yáng)程：H2=27.892 mH2O；流量：G2=550.4 t/h；

功率為：N2=41.834 kW

總功率：N=N0+N1+N2=64.25 kW。

由上可知：

從式（1）計(jì)算可知，采用水噴射泵混水直連方式泵的軸功率明顯比傳統(tǒng)方式節(jié)約大約34.1%存在很大的節(jié)能空間。

從計(jì)算過程中可知，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)、加壓泵的揚(yáng)程流量、以及水水噴射器的組合形式，都能影響到泵的總功率。

6 結(jié)論

在國(guó)內(nèi)的城市集中供熱系統(tǒng)中，目前大部分系統(tǒng)存在熱源不夠，近端的熱力站供熱效果很好，甚至存在浪費(fèi)的現(xiàn)象，而末端的熱力站供熱效果差，造成了回水溫度偏高的現(xiàn)象，有時(shí)連供熱基本要求都不能達(dá)到。還有的是熱源的流量不夠或者供水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，這些都嚴(yán)重影響著換熱效果，很難滿足熱用戶的要求。采用水噴射器混水直連可以解決這些問題，研究結(jié)果表明：這種方法在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，可提高能源資源的利用效率。真正實(shí)現(xiàn)了大溫差小流量的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到了省錢、節(jié)能、安全運(yùn)行的目的。尤其對(duì)管網(wǎng)輸送能力不足和管網(wǎng)擴(kuò)建具有一定的參考價(jià)值，以上各種情況都嚴(yán)重影響著供熱效果，尤其對(duì)末端用戶更加明顯，針對(duì)這些問題，經(jīng)過研究分析，采用水噴射器替代換熱器和二次網(wǎng)循環(huán)水泵的作用，不僅在技術(shù)上可行，而且還具有節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]崔耀華.城市集中供熱全網(wǎng)平衡軟件介紹[J].區(qū)域供熱，2006，（3）:24-28.

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