【论文】喷射泵混水技术在二网平衡中的应用

喷射泵混水技术在二网平衡中的应用

北京同怀远洋科贸有限公司 

余宝法18618317398

摘　要：本文系统阐述了喷射泵的发展历程，喷射泵的原理，喷射泵的应用场景等。并且提出了喷射泵的平衡效果与节电效果分析理论，分析了喷射泵系统能够消除产生失调问题的原因。分享了部分喷射泵应用的案例。

一、喷射泵发展概述

　　喷射泵技术并不是新技术，有着近百年的历史。在供热系统中的应用也有几十年的历史，但是时至今日在供热领域应用的并不广泛。我们深入研究之后发现，喷射泵技术还是比较复杂的：

　　Ø在结构设计方面，内部流道结构复杂，相关联的结构尺寸较多，是多变量寻优的问题，需要进行大量的实验，获取大量的数据进行结构优化；

　　Ø在加工制造方面，加工工艺多，尺寸精度要求高；

　　Ø喷射泵的数学模型比较复杂，不同产品结构的数学模型不同。必须基于大量的实验数据才能构建精准的数学模型，而且产品的结构尺寸必须能够严格把控；

　　Ø喷射泵的选型设计要求提供系统的整体方案，不像阀门选型那样简单。

　　下面简要介绍一下喷射泵发展的几个关键节点以供参考：

　　1.瑞士数学家和物理学家丹尼尔.伯努利在1726年提出伯努利原理，表述为：P+1/2ρv² +ρgh=C，这个式子被称为伯努利方程；

　　2.意大利物理学家文丘里发现了文丘里效应：受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流面积成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。通俗地讲，这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用；

　　3.1931-1940年期间，前苏联多家研究机构进行了大量的研究工作，整理了喷射泵的计算方法，创造了一些足够完善的喷射泵的结构；

　　4.1960年索柯洛夫的《喷射器》一书出版；

　　5.1970年德国的可调式喷射泵投入市场；

　　6.1988年安英华、陈希博等翻译了索柯洛夫著的《热化与热力网》一书中对喷射泵在供热系统中的应用有详细的论述；

　　7.在前苏联的技术资料的基础上，国内许多专家也进行了大量的研究工作，包括尊敬的石兆玉老师；

　　8.2009年德国喷射泵产品进入中国市场；

　　9.2016年我们参考了前人的大量的技术资料，在我们的工厂里做了大量的实验，潜心专研了1年时间，开发了调节型喷射泵产品，整理了大量的实验数据构建了自己的数学模型，编制了自己的选型软件，申请了专利；

　　10.2017年我们推广了100余万平米，包括黑龙江、吉林、辽宁、北京、河北、河南等地均有试点，对产品结构进行升级改进；

　　11.2018年我们推广了400余万平米，积累了丰富的选型经验，总结了许多选型经验，对选型软件进行了不断的改进，持续研发的新的产品；

　　12.2019-今后，我们继续把喷射泵技术分享给更多的人，为我国的供热事业添砖加瓦。

二、喷射泵原理

　　调节针⑤的移动改变喷嘴①的截面积，将静压转化成动压，在混合喷嘴②处产生低压区，形成对周围流体的吸力，两股流体在喉管③处充分混合后进入扩散管④，随着扩散管截面积的不断扩大，流速逐渐降低，动压转化成静压，压力不断提升，对混合后的流体产生推动力。我们喷射泵的效率可达到50%左右。与安装于楼前混水的电驱动水泵的效率相当。

三、喷射泵系统能够消除失调的原因及水压图分析

　　供热系统的失调问题一直是困扰供热企业的难题，造成用户的冷热不均，远端用户过冷，近端用户过热，既影响供热质量又造成不必要的浪费。平衡调节过程中存在着严重的水力工况耦合问题，调节难度很大。我们从消除产生失调的根本原因出发，寻找破解失调问题的解决之道。分析思路如下：

　　1.我们知道电灯没有失调的问题，主要是因为线路电压损耗很小而电灯的电阻很大，因此多个电灯并联不存在亮度失调，也不存在关掉这个电灯会影响其他电灯亮度的问题。

　　2.而热网的情况恰好相反，线路压差损耗大而楼内阻力相对较小，因此每栋楼的流量差别较大。如果能够把供热系统的线路压差损耗大幅度减小，把楼栋的阻力大幅度提高，就可以解决楼栋之间流量分配不均的问题，也能解决水力工况耦合的问题。

　　3.我们如果把热网流量降低一半，热网的线路压差损耗降为1/4，同时把楼栋入口所需压差提高4倍，就可以基本解决楼栋之间水力失调的问题。同时需要加大楼内的流量，以保证楼内供热系统的循环水量，减少垂直失调的问题。这就是喷射泵系统。

　　4.喷射泵安装于楼栋入口恰好能起到这样的效果，因为喷射泵能够在节流的同时产生混水的效果，就可以在保证楼内循环水量与原来一样的情况下降低一半热网的循环水量（混水比1：1），同时喷射泵需要的压差为楼内需要压差的4倍。下面我们通过水压图分析来详细论述这个问题:

　　例如：楼内阻力4米水柱，热力站供回水压差12米水柱，站内阻力8米水柱，循环泵扬程20米水柱。喷射泵系统节电50%，最大失调率6%。而原系统的最大失调率73%。

四、喷射泵系统平衡与节电的原理分析

　　我们通过建立水力失调和耗电量计算的数学模型，对喷射泵系统与原有系统进行理论分析，寻找解决失调问题和耗电量问题的定量分析的方法。用具体的数据论证喷射泵系统的适用条件和具体的优势。

　　1.我们把二网循环系统的阻力分成如下三段：

　　Ø楼内系统阻力H1

　　Ø热网阻力H2

　　Ø站内阻力H3

　　2.我们定义水力失调度为最近端的楼栋流量比最远端的流量超过的流量百分比则：

　　Ø原系统水力失调度= (1+H2/H1)^0.5-1

　　Ø喷射泵系统水力失调度= (1+H2/H1/16)^0.5-1

　　令H2/H1=A则：

　　Ø原系统失调度为(1+A)^0.5-1

　　Ø喷射泵系统失调度(1+A/16)^0.5-1

　　举例说明如下：

　　Ø当A=2时，原系统失调度73.2%，喷射泵系统的失调度6.06%。

　　Ø当A=3时，原系统失调度100%，喷射泵系统的失调度8.97%。

　　失调度大幅度改善，喷射泵系统的失调度降到原来系统失调度的1/10以下。

　　3.喷射泵系统的节电率分析如下：

喷射泵系统的节电率=1-（4H1+H2/4+H3/4)/2(H1+H2+H3)

令(H2+H3)/H1=B则：

喷射泵系统的节电率=1-(4+B/4)/(2+2B)=1-(16+B)/(8+8B)

当B=4时，喷射泵系统的节电率为50%

　　从上图中可以看出：阻力比=（热网阻力+热力站的阻力）/楼栋阻力，该值越大喷射泵系统的节电效果越好。通俗地讲，热网越大，热力站内阻力越大，应用喷射泵技术越节电。

　　从上图中可以看出：阻力比=热网阻力/楼栋阻力，该值越大水力失调越严重，但是对喷射泵系统的影响明显较小，该值为5时，原系统的失调度为72.5%，而喷射泵系统的失调度为7.3%。也就是说，热网越大失调问题越严重，喷射泵系统解决失调问题越有优势。

五、喷射泵系统的优点及适用场景

　　喷射泵系统的突出特点：

　　1.解决失调问题：由于二次网流量减小，二次网的沿程阻力大幅度减少，而喷射泵的阻力远大于管网的阻力偏差，二网平衡问题解决。如下图所示，例如当原有方案的管网阻力为6米水柱时，喷射泵系统的管网阻力仅为1.5米水柱，设计喷射泵时不需要考虑管网阻力因素而引起的流量偏差仅为正负2.5%。因此，调节型喷射泵能够从根本上解决二网水力工况失调的问题。

　　2.混水节电：安装于楼栋或单元入口，产生混水作用，保证楼内系统大流量，二次网和热力站小流量运行，节约循环泵电耗50%左右；

　　3.水力稳定性好：喷射泵系统阻力很大，调节喷射泵时对其他喷射泵的流量几乎没有影响，形成了喷射泵调节与所对应楼栋或单元入口的工况一一对应关系。这个特点可以使二网平衡调节工作大幅度简化，哪里需要调节就调哪里。

　　喷射泵系统的优点：

　　1.减少（甚至消除）小区热网的水力失调，减少（甚至消除）不热户，让用户满意，改善民生；

　　2.增加楼内循环水量、提高末端供热系统循环压头，缓解楼内垂直失调问题；

　　3.减少热力站和二网流量，大幅度降低热力站和二网阻力，扩大小区热网供热半径；

　　4.分系统改变流量、温度等参数，解决混供（如地暖与片暖混供）问题；

　　5.降低热力站和二网流量，节约循环泵电耗30-50%；

　　6.改善二网平衡节，减少过量供热，节热5-30%。

　　喷射泵系统的适用场景：

　　1.地板采暖与散热器采暖混供的小区，通过采用不同的混水比实现供热参数匹配；

　　2.输送能力差，供热效果不好的热网，采用喷射泵可以提高输送能力，改善供热效果；

　　3.小区热网失调严重的系统，应用喷射泵能够改善供热效果，节能效果显著；

　　4.地板采暖小区的二网平衡，具有很大的节电效果，显著的节热效果；

　　5.直供系统的混水改造，可以不用设置混水泵，直接采用楼前安装喷射泵；

　　6.直供混水供热系统，全网楼前安装喷射泵，可以取消混水泵；

　　7.循环泵电耗高的小区，应用喷射泵节电效益显著；

　　8.热量费用高的小区，比如利用燃气锅炉房供热的小区，经济效益明显。

六、喷射泵典型案例分享

　　1.应用于距离热源近端的换热站，如江南换热站，供热面积5万平方米，经喷射供热系统改造后，利用首站循环泵压头，通过喷射泵将一次网热水与用户回水在楼前管道井中混合，加大用户循环水量，使用户受热均匀，改善水力工况，直接取消二网循环泵（22KW）。

　　2.方正林业局2号江边换热站，供热面积7.2万平方米，存在近端用户超供，末端用户不热，水力严重失调等问题。经在换热站供热区域内的所有楼宇前加装喷射泵改造后，将换热站原480t/36m/75Kw循环泵改造为250t/25m/22Kw循环泵运行，实现换热站二次网大温差小流量运行方式，用户端采用喷射泵混水供热，保证用户原有的小温差大流量运行方式。改造后起到节能效果，并且有效改善用户冷热不均现象，达到热平衡目的。

　　3.方正林业局新建绿海（34768平米）和东风换热站（33492平米）采用喷射泵混水机组，降低建设成本，缩短建设周期。

　　4.应用于小区热网供热能力不足的热力站。如沈阳市物资局小区最初设计的管网供热面积5万平米左右，在末端又接进来4万多平米，共计9.5万平米。末端用户室内温度无法达标，导致大面积上访、退费。采用喷射泵降低小区管网流量，扩大小区热网的输送能力，使得小区供热效果均衡，用户满意。

　　5.解决入住率较低的小区调节能力较差的问题，如长春观湖国际一期13.24万㎡，2017-2018采暖期小区整体入住率为55.45%，最低楼栋入住率为34%，安装调节型喷射泵后能够精确地完成平衡调节工作，有效降低了能耗，节电率在57.92%。

　　6.解决混供问题，如长春上邻A小区12.6万平米（地暖与片暖混供），北控凌源项目约100万平米（地暖与片暖混供），北京泰禾街区20万平米（地暖与片暖混供），调兵山的林风小区22万平米（高区低区混供）

　　7.节能和改善供热效果，如哈尔滨的湖畔小区24万平米，雄安新区滨河小区13万平米，北京珠江国际15万平米等。

　　8.刘庄二期实际用热面积为4.97万㎡，分高低区系统。2017年12月7日，完成加装喷射泵改造。耗电量由0.74KWH/(㎡·a)降至0.51 KWH/(㎡·a)， 节电率在31.1%。

　　9.雄安新区中石化绿源项目，供热面积约14万平方米，2018年11月份喷射泵管网平衡系统已完成安装并投入使用，系统运行稳定，解决了困扰多年的末端不热问题和居民投诉等民生问题，同时节电、节热效果显著！

　　10.泰禾1号街区位于北京市通州区，供热面积约20万平方米，2018年10月份喷射泵管网平衡系统已完成安装，同时22号地块换热站喷射泵混水改造完成。