水喷射泵在一、二次网直连中的应用

闫永波

（太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024）

在国内的城市集中供热系统中，目前大部分系统存在热源不够，近端的热力站供热效果很好，甚至存在浪费的现象，而末端的热力站供热效果差，造成了回水温度偏高的现象，有时连供热基本要求都不能达到[1]。还有些是热源的流量不够或者供水温度达不到设计的要求，这些都严重影响着换热效果，很难满足热用户的要求[2]。以上各种情况都严重影响着供热效果，尤其对末端用户更加明显，针对这些问题，经过研究分析，采用水喷射器替代换热器和二次网循环水泵的作用，不仅在技术上可行，而且还具有节能性和经济性。

1 系统介绍

以下利用水喷射器的混水直连系统的工作原理做简单的介绍，见图1装水喷射器的直接连接。装水喷射器的直接连接系统很早就用在了二次网，一般是用户入口处得到了应用，但目前很少用在一次网上。

图1 装水喷射器的直接连接

热网供水管的高温水进入水喷射器，在喷嘴处形成很高的流速，喷嘴出口处动压升高，静压降低到低于回水管的压力，回水管的低温水被抽引进入喷射器，并与供水混合，使进入用户供暖系统的供水温度低于热网供水温度，符合用户系统的要求。

水喷射器无活动部件、构造简单、运行可靠、网路系统的水力稳定性好。在原苏联城市的高温水热水供热系统中，得到了广泛地应用。但由于抽引回水需要消耗能量，热网供、回水之间需要足够的资用压差，才能保证水喷射器正常工作。如当用户供暖系统的压力损失Δp＝10～15 kPa，混合系数（单位供水管水量抽引回水管的水量）μ＝1.5～2.5的情况下，热网供、回水管之间的压差需要达到Δpw＝80～120 kPa才能满足要求，因而装水喷射器直接连接方式通常只用在单幢建筑物的供暖系统上，需要分散管理[3]。

2 装水喷射器的直接连接在一、二次网上应用的可能性

装水喷射器的直接连接虽然有很多优点，但在用户入口的应用却还是很少，主要原因是二次网的供热半径小，供回水压差比较小，很难满足水喷射器的压差要求，从而限制了装水喷射器的直接连接系统的应用。

一次网的设计压力一般是1.6 MPa，二次网的设计压力大部分在0.3～1.0 MPa之间（高区系统的设计压力比较高）近年来，高层建筑越来越多，二次网的高区系统也在普遍的增多，一次网也越来越多的采用旁通定压，从而降低了动水压力。与以往不同的是，一、二次网的供水压力差在缩小，这为混水直连在压力上提供了可能性。

一次网的供、回温设计度为130/70℃，针对散热器系统，二次网的供、回温设计度为95/70℃或者85/60℃；针对地暖系统，二次网的供、回温设计度为60/50℃或者55/45℃。从一、二次网的供水温度上看，一次网设计温差为60℃，二次网的设计温差为10～25℃，一、二次网的供水温差大，一次网回水温度大于二次网的回水温度，从温度的角度看为混水直连提供了可能性。

低区系统需要的供水压力低，从而使一、二次网的供水压差增大，如何保证二次网的供水压力不超压，是问题的关键，可以通过选择合适的混流系数，多个水喷射器串联，起到截流的作用，同时还可以提高系统的可靠性，一旦某个喷射器出现故障，也不至于使二次网的供水压力和供水温度有太大的变化。如果多个串联仍然不能解决超压问题，只能通过截留的办法降低二次网的压力。

二次网的回水压力远低于一次网的回水压力，只能通过回水加压泵提高二次网的回水，把回水送至一次网回水管。

2.2 高区系统

高区系统需要的供水压力高，从而使一、二次网的供水压差相对减小，但仍然有足够的压差使多个水喷射器串联工作，多个喷射器串联使用，可以提高系统的可靠性，一旦某个喷射器出现故障，也不至于使二次网的供水压力和供水温度有太大的变化。如果多个串联仍然不能解决超压问题，也能通过截留的办法降低二次网的压力。

二次网的回水压力远低于一次网的回水压力，只能通过回水加压泵提高二次网的回水，把回水送至一次网回水管。

2.3 高、低区系统混水直连的对比

从高区系统和低区系统的对比来看，高区系统更适合混水直

2.1 低区系统

连，一是可以降低一、二次网的截流损失，二是可以减小一、二次网的回水压差，从而减小回水加压泵的扬程，降低运行费用。在采用水喷射器混水直连系统时，尽量使二次网的静水压线提高，减小一、二次网的供回水压力差。

随着散热器和地暖承压能力的提高，使高区系统压力提高成为了可能，也为混水直连的经济性在压力差上提供了可能。

2.4 散热器系统与地暖系统的对比

二次网回水温度越低，一次网的供回水温差越大，输送相同的热量需要的流量就越低，从而减小了一次网循环水泵的功率，达到了大温差小流量的理想运行状况，二次网的供水温度低，可以增加混流量，减小二次网向一次网的回水量，从而也减小了回水加压泵的流量，使回水加压泵的功率减小，达到节能和经济运行的目的。

从这个角度考虑，地暖用户的供水温度比散热器用户的供水温度低，回水温度也低，根据压力状况考虑在热力站混水还是在用户入口混水，以达到最佳经济运行状态。

2.5 装水喷射器直接连接的最佳条件

从以上分析可得，装水喷射器的直接连接的最佳条件是，高区的地板采暖系统，这样在划分系统时尽量使系统的运行压力高，同时尽量减小一次网的供回水压力，这样就为混水直连的最佳经济运行提供了条件。

3 装水喷射器直接连接的优点

（1）节能：混水直连避免了换热器换热损失，水喷射器比换热器更容易保温，可以减小热量散失，理论上可以达到100%。可调式水喷射器的研制成功，使混水直连调节更加灵活[4]。

（2）可作为一个管件，安装在入口井、管沟等位置，无须建换热站，节省了大量基建投资。

（3）利用高温水压头做功，不再需要额外动力，节约了电能。

（4）设备可靠性高，故障率低。

（5）在各分支管上安装，能起到对管网水力的平衡作用，防止水力失调。

（6）用于防止水泵汽蚀：将其安装于水泵入口，提高压力增加汽蚀余量。有了这项技术，除氧器、标高可不再架高设计。

（7）用于回收换热器凝结水。

4 装水喷射器直接连接的经济性分析

4.1 初投资方面

装水喷射器的直接连接系统，用水喷射器取代了换热器和二次网的循环水泵，增加一台小流量回水加压泵，增加了供回水温差，减小了一、二次网的管径，从而大大减小了投资。

4.2 运行费用

在实际运行中，很难达到设计参数。出现了大流量小温差的运行状况。一次网回水温度比设计温度高，二次网的供水温度比设计温度低，现在普遍采取的措施是，加大一次网流量来提高二次网的供水温度，但即便是如此，也远远达不到二次网的设计温度。二次网为了弥补供水温度不足的缺陷，也可同样采取提高二次网流量的方法。这样一、二次网都出现了大流量小温差的运行状况，这在一定的情况下确实缓解了水力失调带来的问题，但同时也付出了沉重的代价，运行费用居高不下。

间接换热的效果永远都不能和直接换热的效果进行对比，也就是说，混水直连的换热可以没有任何的热损失，换热效率可以达到100%，而换热器永远都不能达到这样理想的情况。换热必然就有热损失，有＜1的换热效率。

水喷射器是喷射器中的一种。喷射器的种类很多，工作方式与用途很广泛，而且近年还有较大的发展。它们的工作原理是类似的，都有结构简单、制造容易、管理操作方便等优点，但各种喷射器都有共同的缺点,就是设备效率较低。各种型式的喷射器效率极少可达到40%，而其他流体力学机械如水泵或鼓风机的效率通常在60%以上。只是由于喷射器的特殊工作方式，在一些实际的应用条件下有其突出的优点，才有应用价值。喷射器效率低的共通性原因是高速流体与低速流体混合时有较大的冲击损失，而水喷射器在高真空下的效率降低有其特殊性，这些都与喷射器的内部工作过程和结构有密切的关系。

水喷射器的工作有一个重要的特点，就是在某些特殊情况下，会发生水流倒灌的不正常现象，亦称为“反冲”。即在某一瞬间，水流大量倒灌入设备(如蒸发罐)中，真空度急剧下降。这种现象主要出现在低位喷射器，而高位喷射器（尾管长10 m以上者）即很少发生。这种现象主要是由于在较高的真空度下，如水压突然降低(由于水泵或供水系统不正常)，水射流的冲击力不足以克服外界空气的反向压力差，而被反向压回。此时如果尾管没有“水封”，则外界空气亦会从尾管倒流入容器内。在尾管较长时，尾管中水柱产生的静压力能克服这一压差，可减少以至消除这种现象。低位喷射器要预防这个问题，一定要用较高的水压，例如0.25 MPa以上。高位喷射器则可以在较低水压下工作。在设备密封情况较好的系统，用0.1～0.15 MPa的水压就可以正常工作。

5 实例分析

已知热源为锅炉房，供回水温度为130/70℃，汽化压力为38.6 mH2O，系统选用压力传感器采用变频器控制补水泵，系统压力波动小于30～50 mH2O，忽略热源与热力站之间的位置高度差，锅炉房高度15 mH2O。二次网供回水温度为60/50℃（采暖形式为地暖，站高4 m，不考虑热力站与热用户的高差。一次网供（回）水阻力损失50 mH2O，二次网供（回）水阻力损失10 mH2O，锅炉房和站内损失都按15 mH2O考虑，用户按10 mH2O考虑，站内一次网侧阻力损失为5mH2O。供热面积以10万m2，面积热指标取64w/m2。

（1）传统的一、二次网连接方式：

图2 一次网水压示意图

一次网阻力损失为：H1=120 mH2O;

一次网循环水泵功率为：N1=29.996 KW;

图3 二次网水压示意图

二次网阻力损失为：H1=45 mH2O；

二次网循环水泵功率为：N2=97.489 KW；

一、 二次网总循环水泵的功率为：N=97.489 KW。

（2）一、二次网采用水喷射泵混连的连接方式：

图4 水水喷射泵示意图

表1 压力系数与流量系数之间的关系表

一、二次网混流的主要目的是控制流量和供水温度。从这个角度出发，确定好流量和供水温度，然后调整压力。

由u==7可以选择2级水喷射泵，其中第一级u1=2，DP1=0.109；第二级u2=1.667，（差分法）。工艺流程见图5。

图5 工艺流程图

由以上数据可得：

G01=Gh=68.8 t/h；Gg=Gh2=550.4 t/h

假设：P01=80 mH2O；Ph=70 mH2O；Ph1=55 mH2O；则

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

根据二次网的流量没有发生变化，故不论是哪种供热，其阻力损失相同，故：

Ph2=27.108 mH2O

热源处循环泵：扬程：H0=74.5875 mH2O；流量G0=68.8 t/h；

功率为：N0=13.984 kW。

加压泵1：

扬程：H1=15 mH2O；流量：G1=206.4 t/h；

功率为：N1=8.4366 kW。

加压泵2：

扬程：H2=27.892 mH2O；流量：G2=550.4 t/h；

功率为：N2=41.834 kW

总功率：N=N0+N1+N2=64.25 kW。

由上可知：

从式（1）计算可知，采用水喷射泵混水直连方式泵的轴功率明显比传统方式节约大约34.1%存在很大的节能空间。

从计算过程中可知，通过调整相关参数、加压泵的扬程流量、以及水水喷射器的组合形式，都能影响到泵的总功率。

6 结论

在国内的城市集中供热系统中，目前大部分系统存在热源不够，近端的热力站供热效果很好，甚至存在浪费的现象，而末端的热力站供热效果差，造成了回水温度偏高的现象，有时连供热基本要求都不能达到。还有的是热源的流量不够或者供水温度达不到设计的要求，这些都严重影响着换热效果，很难满足热用户的要求。采用水喷射器混水直连可以解决这些问题，研究结果表明：这种方法在技术上可行、经济上合理，可提高能源资源的利用效率。真正实现了大温差小流量的经济运行，达到了省钱、节能、安全运行的目的。尤其对管网输送能力不足和管网扩建具有一定的参考价值，以上各种情况都严重影响着供热效果，尤其对末端用户更加明显，针对这些问题，经过研究分析，采用水喷射器替代换热器和二次网循环水泵的作用，不仅在技术上可行，而且还具有节能性和经济性。

[1]崔耀华.城市集中供热全网平衡软件介绍[J].区域供热，2006，（3）:24-28.

[2]邓书辉,徐强.集中供热系统问题分析[J].油气田地面丁程，2008.27（7）：86-87.

[3]贺平，孙刚.供热工程（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社.1993：124-125

[4]石兆玉，史登峰等.可调式水喷射泵[J].区域供热，2000，（2）：10-13