水噴射泵在一、二次網直連中的應用

閆永波

（太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024）

在國內的城市集中供熱系統中，目前大部分系統存在熱源不夠，近端的熱力站供熱效果很好，甚至存在浪費的現象，而末端的熱力站供熱效果差，造成了回水溫度偏高的現象，有時連供熱基本要求都不能達到[1]。還有些是熱源的流量不夠或者供水溫度達不到設計的要求，這些都嚴重影響著換熱效果，很難滿足熱用戶的要求[2]。以上各種情況都嚴重影響著供熱效果，尤其對末端用戶更加明顯，針對這些問題，經過研究分析，采用水噴射器替代換熱器和二次網循環水泵的作用，不僅在技術上可行，而且還具有節能性和經濟性。

1 系統介紹

以下利用水噴射器的混水直連系統的工作原理做簡單的介紹，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很早就用在了二次網，一般是用戶入口處得到了應用，但目前很少用在一次網上。

圖1 裝水噴射器的直接連接

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

水噴射器無活動部件、構造簡單、運行可靠、網路系統的水力穩定性好。在原蘇聯城市的高溫水熱水供熱系統中，得到了廣泛地應用。但由于抽引回水需要消耗能量，熱網供、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。如當用戶供暖系統的壓力損失Δp＝10～15 kPa，混合系數（單位供水管水量抽引回水管的水量）μ＝1.5～2.5的情況下，熱網供、回水管之間的壓差需要達到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上，需要分散管理[3]。

2 裝水噴射器的直接連接在一、二次網上應用的可能性

裝水噴射器的直接連接雖然有很多優點，但在用戶入口的應用卻還是很少，主要原因是二次網的供熱半徑小，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的應用。

一次網的設計壓力一般是1.6 MPa，二次網的設計壓力大部分在0.3～1.0 MPa之間（高區系統的設計壓力比較高）近年來，高層建筑越來越多，二次網的高區系統也在普遍的增多，一次網也越來越多的采用旁通定壓，從而降低了動水壓力。與以往不同的是，一、二次網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。

一次網的供、回溫設計度為130/70℃，針對散熱器系統，二次網的供、回溫設計度為95/70℃或者85/60℃；針對地暖系統，二次網的供、回溫設計度為60/50℃或者55/45℃。從一、二次網的供水溫度上看，一次網設計溫差為60℃，二次網的設計溫差為10～25℃，一、二次網的供水溫差大，一次網回水溫度大于二次網的回水溫度，從溫度的角度看為混水直連提供了可能性。

低區系統需要的供水壓力低，從而使一、二次網的供水壓差增大，如何保證二次網的供水壓力不超壓，是問題的關鍵，可以通過選擇合適的混流系數，多個水噴射器串聯，起到截流的作用，同時還可以提高系統的可靠性，一旦某個噴射器出現故障，也不至于使二次網的供水壓力和供水溫度有太大的變化。如果多個串聯仍然不能解決超壓問題，只能通過截留的辦法降低二次網的壓力。

二次網的回水壓力遠低于一次網的回水壓力，只能通過回水加壓泵提高二次網的回水，把回水送至一次網回水管。

2.2 高區系統

高區系統需要的供水壓力高，從而使一、二次網的供水壓差相對減小，但仍然有足夠的壓差使多個水噴射器串聯工作，多個噴射器串聯使用，可以提高系統的可靠性，一旦某個噴射器出現故障，也不至于使二次網的供水壓力和供水溫度有太大的變化。如果多個串聯仍然不能解決超壓問題，也能通過截留的辦法降低二次網的壓力。

二次網的回水壓力遠低于一次網的回水壓力，只能通過回水加壓泵提高二次網的回水，把回水送至一次網回水管。

2.3 高、低區系統混水直連的對比

從高區系統和低區系統的對比來看，高區系統更適合混水直

2.1 低區系統

連，一是可以降低一、二次網的截流損失，二是可以減小一、二次網的回水壓差，從而減小回水加壓泵的揚程，降低運行費用。在采用水噴射器混水直連系統時，盡量使二次網的靜水壓線提高，減小一、二次網的供回水壓力差。

隨著散熱器和地暖承壓能力的提高，使高區系統壓力提高成為了可能，也為混水直連的經濟性在壓力差上提供了可能。

2.4 散熱器系統與地暖系統的對比

二次網回水溫度越低，一次網的供回水溫差越大，輸送相同的熱量需要的流量就越低，從而減小了一次網循環水泵的功率，達到了大溫差小流量的理想運行狀況，二次網的供水溫度低，可以增加混流量，減小二次網向一次網的回水量，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，達到節能和經濟運行的目的。

從這個角度考慮，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，根據壓力狀況考慮在熱力站混水還是在用戶入口混水，以達到最佳經濟運行狀態。

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，高區的地板采暖系統，這樣在劃分系統時盡量使系統的運行壓力高，同時盡量減小一次網的供回水壓力，這樣就為混水直連的最佳經濟運行提供了條件。

3 裝水噴射器直接連接的優點

（1）節能：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，理論上可以達到100%。可調式水噴射器的研制成功，使混水直連調節更加靈活[4]。

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

（3）利用高溫水壓頭做功，不再需要額外動力，節約了電能。

（4）設備可靠性高，故障率低。

（5）在各分支管上安裝，能起到對管網水力的平衡作用，防止水力失調。

（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。有了這項技術，除氧器、標高可不再架高設計。

（7）用于回收換熱器凝結水。

4 裝水噴射器直接連接的經濟性分析

4.1 初投資方面

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

4.2 運行費用

在實際運行中，很難達到設計參數。出現了大流量小溫差的運行狀況。一次網回水溫度比設計溫度高，二次網的供水溫度比設計溫度低，現在普遍采取的措施是，加大一次網流量來提高二次網的供水溫度，但即便是如此，也遠遠達不到二次網的設計溫度。二次網為了彌補供水溫度不足的缺陷，也可同樣采取提高二次網流量的方法。這樣一、二次網都出現了大流量小溫差的運行狀況，這在一定的情況下確實緩解了水力失調帶來的問題，但同時也付出了沉重的代價，運行費用居高不下。

間接換熱的效果永遠都不能和直接換熱的效果進行對比，也就是說，混水直連的換熱可以沒有任何的熱損失，換熱效率可以達到100%，而換熱器永遠都不能達到這樣理想的情況。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展。它們的工作原理是類似的，都有結構簡單、制造容易、管理操作方便等優點，但各種噴射器都有共同的缺點,就是設備效率較低。各種型式的噴射器效率極少可達到40%，而其他流體力學機械如水泵或鼓風機的效率通常在60%以上。只是由于噴射器的特殊工作方式，在一些實際的應用條件下有其突出的優點，才有應用價值。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部工作過程和結構有密切的關系。

水噴射器的工作有一個重要的特點，就是在某些特殊情況下，會發生水流倒灌的不正常現象，亦稱為“反沖”。即在某一瞬間，水流大量倒灌入設備(如蒸發罐)中，真空度急劇下降。這種現象主要出現在低位噴射器，而高位噴射器（尾管長10 m以上者）即很少發生。這種現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。此時如果尾管沒有“水封”，則外界空氣亦會從尾管倒流入容器內。在尾管較長時，尾管中水柱產生的靜壓力能克服這一壓差，可減少以至消除這種現象。低位噴射器要預防這個問題，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。在設備密封情況較好的系統，用0.1～0.15 MPa的水壓就可以正常工作。

5 實例分析

已知熱源為鍋爐房，供回水溫度為130/70℃，汽化壓力為38.6 mH2O，系統選用壓力傳感器采用變頻器控制補水泵，系統壓力波動小于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。一次網供（回）水阻力損失50 mH2O，二次網供（回）水阻力損失10 mH2O，鍋爐房和站內損失都按15 mH2O考慮，用戶按10 mH2O考慮，站內一次網側阻力損失為5mH2O。供熱面積以10萬m2，面積熱指標取64w/m2。

（1）傳統的一、二次網連接方式：

圖2 一次網水壓示意圖

一次網阻力損失為：H1=120 mH2O;

一次網循環水泵功率為：N1=29.996 KW;

圖3 二次網水壓示意圖

二次網阻力損失為：H1=45 mH2O；

二次網循環水泵功率為：N2=97.489 KW；

一、 二次網總循環水泵的功率為：N=97.489 KW。

（2）一、二次網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 壓力系數與流量系數之間的關系表

一、二次網混流的主要目的是控制流量和供水溫度。從這個角度出發，確定好流量和供水溫度，然后調整壓力。

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

圖5 工藝流程圖

由以上數據可得：

G01=Gh=68.8 t/h；Gg=Gh2=550.4 t/h

假設：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

根據二次網的流量沒有發生變化，故不論是哪種供熱，其阻力損失相同，故：

Ph2=27.108 mH2O

熱源處循環泵：揚程：H0=74.5875 mH2O；流量G0=68.8 t/h；

功率為：N0=13.984 kW。

加壓泵1：

揚程：H1=15 mH2O；流量：G1=206.4 t/h；

功率為：N1=8.4366 kW。

加壓泵2：

揚程：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方式節約大約34.1%存在很大的節能空間。

從計算過程中可知，通過調整相關參數、加壓泵的揚程流量、以及水水噴射器的組合形式，都能影響到泵的總功率。

6 結論

在國內的城市集中供熱系統中，目前大部分系統存在熱源不夠，近端的熱力站供熱效果很好，甚至存在浪費的現象，而末端的熱力站供熱效果差，造成了回水溫度偏高的現象，有時連供熱基本要求都不能達到。還有的是熱源的流量不夠或者供水溫度達不到設計的要求，這些都嚴重影響著換熱效果，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，研究結果表明：這種方法在技術上可行、經濟上合理，可提高能源資源的利用效率。真正實現了大溫差小流量的經濟運行，達到了省錢、節能、安全運行的目的。尤其對管網輸送能力不足和管網擴建具有一定的參考價值，以上各種情況都嚴重影響著供熱效果，尤其對末端用戶更加明顯，針對這些問題，經過研究分析，采用水噴射器替代換熱器和二次網循環水泵的作用，不僅在技術上可行，而且還具有節能性和經濟性。

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

[2]鄧書輝,徐強.集中供熱系統問題分析[J].油氣田地面丁程，2008.27（7）：86-87.

[3]賀平，孫剛.供熱工程（第三版）[M].北京：中國建筑工業出版社.1993：124-125

[4]石兆玉，史登峰等.可調式水噴射泵[J].區域供熱，2000，（2）：10-13