技术交流丨供热管网混水系统的优选
供热管网混水系统的优选
用基尔霍夫定律、特勒根定律对混水装置的水泵电功率进行计算，并将计算结果与系统各管段的流量、压降等数据进行关联和分析，从而通过对混水通管及相应管段的水泵电功率、流量、压降的计算，结合优选目标，选择更优方案。
优选目标
根据所设计的一、二次网和混水旁通管的流量G’1g、G’2g、G’h，通过水力计算，就能确定一次网、二次网和混水旁通管的相应管径d1、d2和dh以及相应的管段压降ΔH’1、ΔH’2和ΔH’h 。
根据下列由特兰根定律建立的各种混水装置的水泵电功率与系统各管段的流量、压降的计算公式：
G1gΔH1+ G2gΔH2+ Gh ·ΔHh =N1+N2+Nh （1）
其中，G1g、G2g、Gh —— 分别为一、二次网和混水旁通管的流量；
ΔH1、ΔH2、ΔHh—— 分别为一、二次网和混水旁通管的管段压力降；
ΔP1、ΔP2、ΔPh —— 分别为一、二次网和混水旁通管的混水装置的扬程；
N1、N2、Nh ——分别为一、二次网和混水旁通管的混水装置的电功率。
可知实现上述设计参数的混水供热系统的循环水泵（含混水泵）的最小装机电功率为Nmin，即：
Nmin=ΔH’1G’1g+ΔH’2 G’2g +ΔH’hG’h （2）
很显然，符合公式（2）中的Nmin即为混水系统中分布式变频循环水泵（含混水泵）的优选方案。因为此时，装机电功率最小，实现了无效电耗为零的工况；凡装机电功率大于Nmin的方案，都将有无效电耗存在（通过节流形式完成），都不是优选方案。分布式变频混水泵系统的设计目的，就是根据不同的实际工程，寻找接近Nmin的设计方案。
几种混水方案的比较
能够实现混水工况的，主要有以下四种：
方案1，一次网、二次网分别设置循环水泵；方案2，二次网设置循环水泵；方案3，混水旁通管上设置循环水泵；方案4，在一、二次网和混水旁通管的交汇处设置喷射泵。
下面分别就这些方案，进行比较，寻求节能的更佳方案。
（1）方案1，一、二次网上分别设置循环水泵。该方案的基本理念是就供热系统的大网而言，完全按照分布式变频循环水泵的设计方法设计：一次网循环水泵担当该热用户（可能是热力站，也可能为楼栋热入口）一次网热媒的输送功能，即循环水泵的流量为该热用户一次网的设计流量；扬程为该热用户与热源组成的环路管网的总压降。二次网循环水泵，即完成二次网的水循环，又实现一、二次网的混水功能。其水泵的流量为该热用户二次网的设计流量；扬程为热用户二次网与混水旁通管组成的环路网络总压降。该方案的总装机电功率NΙ由下列公式表示，即：
NΙ=ΔH’1 G’1g+（ΔH’2+ΔH’h）G’2g （3）
=ΔH’1 G’1g+ΔH’2 G’2g+ΔH’h G’2g
比较公式（2）和公式（3），因G’2g > G’h，则有ΔH’h G’2g >ΔH’h G’h，即NΙ > Nmin 。
但在实际工程中，混水旁通管可以设计的很短，而且通过水力计算，选取较小的比摩阻，适当选用较大管径，使其压力降很小，即ΔH’h趋近于0，此时，NΙ ≈Nmin。
通过上述分析，可以认为：方案1，是实际工程中，比较理想的优选方案。突出的优点是省掉了混水旁通管上的混水泵，简化了系统结构；使混水旁通管，实际上变成了均压管。
（2）方案2，只在二次网上设置循环水泵。该循环水泵，即可以设置在二次网的供水管上，也可以设置在二次网的回水管上。其功能一兼三职：既是热用户的循环泵，也是热用户的热网循环泵，还是一、二次网的混水泵。从系统结构上考虑，是最简单的。现对其装机电功率进行考察：该泵的流量为热用户二次网的设计流量；扬程为该热用户与系统热源组成的环路的总压降，即ΔH’1+ΔH’2，则装机电功率NII有：
NII=（ΔH’1+ΔH’2）G’2g （4） =ΔH’1 G’2g +ΔH’2 G’2g =ΔH’1（G’1g+ G’h）+ΔH’2G’2g =ΔH’1 G’1g+ΔH’1 G’h+ΔH’2 G’2g
比较（2）、（4），和一次网压降ΔH’1和混水旁通管压降ΔH’h，可知ΔH’1»ΔH’h，因此：ΔH’1 G’h »ΔH’h G’h
这样：
NII»Nmin
可见，方案2虽然系统结构简单，但装机电功率大，不是节能方案。
公式（3），还进一步指出：混水方案2，要实现设定的G’1g、G’2g，和G’h，则混水旁通管的压力降必须由ΔH’h提高到ΔH’1，否则由于混水旁通管阻力过小，通过的实际流量Gh将远远大于G’h，不能满足二次网对其供水温度和循环流量的要求，此时必须通过缩小混水旁通管口径或在该旁通管上加装调节阀，依靠过量节流，来提高ΔHh。不论采用哪种方案，二次网循环水泵提供的过多电功率，将被消耗在混水旁通管上。这种以消耗过多电耗，换取设定的系统工况的工艺设计应尽量避免。
（3）方案3，在混水旁通管上设置混水泵。这种情况，通常是在一、二次网供水管的连接点压力（即混水旁通管的出口点）高于一、二次网回水管的连接点压力（即混水旁通管的入口点）时采用。考察供热系统全网的水压图，上述情况出现在供水压力线高于回水压力线的工况。对于传统循环水泵的设计方法（即在热源处设置一个循环水泵），则全网的水压图都处于这种工况；对于分布式变频循环水泵的设计方法，若将系统供回水压力的交汇点设计在系统中间部位（此方案并不节能），则系统热源至交汇点之间的水压图处于这种工况。
在上述工况下，从理论上讲，混水泵可以设置在混水旁通管上，也可以设置在二次管网上。择优的目标，仍然是混水泵的装机电功率最小。不管混水泵设置在何处，它们的功能是一样的：即能使混水旁通管中的热媒反向流动，进而实现混水。此时，混水泵提供的扬程应等于、大于该热用户处一次网的供、回水压差。（由于此资用压头足够二次网的正常循环，因此设置在二次网上的混水泵，只起混水作用，不再提供循环压头）。由于二次网的循环流量任何时后都大于混水旁通管的混水量，因此，在扬程相同时（提升的压头相等），设置在混水旁通管上的混水泵比设置在二次网上的混水泵有较小的装机电功率，前者比后者具有更多的节能优势。
在供热系统的热源近端热用户，常常具有过量的资用压头（超过二次网所需的循环压头），这时，必须采用调节阀加以节流，以防发生冷热不均现象。那么是在一次网上节流，还是混水后，在二次网上节流？选择的原则，仍然是节流耗能最小。由于二次网循环流量、混水量通常都大于一次网循环流量（参见表1），因此，在节流压头相同的情况下，循环流量愈小，节流能耗愈小。由此可知，多余的资用压头，在一次网上节流，是最合理的；而且避免旁通混水泵提升多余资用压头，又在二次网上重复节流。至于，热用户资用压头不够的问题，应在全盘设计中解决。
（4）方案4，喷射泵设置。该方案是一种传统的混水方式。主要靠一次水通过喷嘴射流，提高热媒的动能，降低其静能，从而吸入二次网回水，达到混水目的。20世纪五、六十年代，我国学习前苏联，曾广泛应用过喷射泵混水连接方式。但由于喷嘴直径固定不变，混合比不能随供热规模的变化而变化，严重影响供热效果。致使喷射泵混水连接几近淘汰。为克服固定喷嘴的上述缺陷，笔者在上世纪八十年代，曾开发、研制过可调式喷射泵（喷嘴直径可调），工程实践，效果良好。但因种种原因，未能广泛推广应用。
喷射泵混水连接方式，具有结构简单、投资运行费用低和操作简便等优点。但在分布式变频水泵技术的广泛应用面前，喷射泵的上述优势，已不再明显；反而效率较低的缺点，愈来愈不被人们看好。喷射泵实现混水，必须通过节流完成。因此，混水是以耗能作为代价的。根据电功率可由流量与压力降的乘积来表示，则喷射泵的效率可由下式计算：
式中，η——喷射泵效率；
由图2可知，混合比u愈大，喷射泵前后的压降比愈小，即喷射泵的节流损失愈大，喷射泵的效率愈低。图1给出：当一次网供、回水温差为130/70℃，二次网供、回水温差为95/70℃时，此时的混合比u=1.4，ΔP2/ΔP1=0.16（喷嘴按节流损失最小设计，即喷嘴的速度系数=0.75选取），亦即P2为1m水柱的资用压头时，一次网需提供6m水柱的资用压头。喷射泵节流损失为5m水柱。这时喷射泵的效率只有η=40%。由表1可知，当混合比u数值要求更大时，效率就更低了。
通过上述比较，从节能的意义上考虑，在混合比较大的情况下，采用分布式变频水泵混水要比喷射泵混水优越。
来自：供热运行与节能管理
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