混水机组原理和应用.doc

一、概述当前，混水机组供热技术正在迅速推进，主要是由于它与传统的面式热交换机组相比较具有下列明显的优势：1. 无换热器，无补水系统，系统简单，占地小，投资省；2. 阻力小，节电；3. 故障率低；但是由于混水机组将一、二次水混合，管理体制问题和水质问题使这项技术的推广受到制约。关于管理体制问题，主要是一、二次水不归同一个单位管理所致。在某些城市某些区域，不存在此问题。对如何解决此问题本文不作叙述。关于水质问题，需从热源谈起。一般说来，高温水供热的热源有以下三种：1. 首站：由发电厂或热电厂的蒸汽加热；2. 热水锅炉：由燃料直接加热；3. 电厂或热电厂循环冷却水：这部分水的热量本来是经冷却塔排空，而经改造让汽机凝汽器低真空运行，使循环水的温度升高，温度不足部分另设调峰换热器补充。以上三种情况，热水无论是来自换热器、锅炉还是凝汽器（实际上也是一种换热器）与电站锅炉相比都水温不高，对水质要求也不很高，水质问题并没有想象的那么严重，只要采取过滤除污措施能除去杂物、渣滓，防止堵塞，是完全可以允许一二次水混合的。这就是说，高温水供热系统中的所有机组都可以是混水机组。在我国，高温水供热的设计水温一次水一般在 135 以下，到达二级站的水压一般在 0.31.0MPa 之间，而二次水水温有以下三种情况：1. 散热片散热：一般取供 80 、回 60 ，温差 20 ，规范中规定的供 95 、回 70 ，现已不被采用。2. 风机盘管散热：供 60 、回 50 ，温差 10 。3. 地板敷设散热：供 45 55 、回 35 45 ，温差 10 。二次水网的供回水压差由系统阻力而定，一般在 0.050.2MPa 之间，静压由最高建筑物高度确定，回水静压头一般可取系统最高点高度加 4 米。换热机组设置的目的就是为了满足以上压力温度的要求。但是不同的机组能耗水平是有区别的，正确的选择机组配置对节能有重要的意义。二、关于混水器与喷射器谈到混水机组就必然涉及混水器。令人匪夷所思的是，目前所设计使用的混水机组中大都没有混水器，而是用一个普通的三通代替 ( 如图一 ) 。这就要求 P 1 P 2 P 3 才能正常流动。要满足这一条件，不仅三通内往往会产生节流损失，而且在不同的压力条件下，还要在不同的部位上设置水泵或节流阀（见下述）。节流增加了泵的电力消耗。在此提出一个判断混水机组是否节电的重要原则，即：对于任何一二次水压力配置的混水机组在任何部位上节流都很浪费电能。节流的压差越大越浪费，节流的流量越大越浪费。这就是说，混水机组（当然各种型式的机组都这样）节电的措施就是减少或避免节流的措施。对一个三通（图二）自身来说之所以节流严重，可以从水的流向上分析出来。第一， 一次供水在流动中受到来自 垂直方向的再循环水的干扰，使紊流度增加。第二，二股水流合到一起，出口管径未变化，使截面 a 上的水流速度突然增加也会加剧流动损失。有人提出用一个混水阀（或者叫分配阀）做混水器，实际上节流水平和三通基本上是一样的，此不详述。笔者注意到，有的单位使用了混水器，这比使用三通要好。混水器的结构极其简单，是一个改进的三通，因而造价很低。所谓改进就是解决了上述“垂直干扰”和“流速突变”问题（如图三所示）：但是混水器并没有解决 P 1 P 2 P 3 的问题。也就是说，两股进水在混水器必须将其自身的压力能部分消耗，并降至 P 3 才行。有没有减少损失的办法呢？有！那就是水水喷射器（图四）。水水喷射器根据动量交换的原理设计，尽可能地减少了节流损失，使出口压力介于两个进水压力之间，即 P 1 P 3 P 2 。从结构上讲，水水 图四 水水喷射器喷射器不仅解决了上述流向和流速的问题，关键是内部进行了最优化的设计，使节流损失降至最低，也可以说他是一个先进的、高级的混水器。或者说混水器是一个低级喷射器，三通是一个低级的混水器。比较混水器和水水喷射器的两个压力不等式可以得出后者明显节能的结论。笔者对水水喷射器的设计计算方式进行了改进，并专门编写设计计算软件（暂不便公布），用数值计算法寻求最佳喉部压力，代替了传统的微分法求最佳面积比，使计算精度更加提高。受篇幅的限制，对于不同工况下水水喷射器与混水器的节能水平的数据化比较在此不予赘述。对于某些工况，例如向高层建筑供热，水水喷射器机组仍需部分节流调节过程，因此也不是最佳节电方案。这时候一项全新的“水力变压器”技术会尽显出来（见后述），这会从原理上解决高低区水压过渡导致的节流问题。这项技术最近已申请了国家发明专利，其原理简介如下：如图五，高区用户回水（压力 P h2 ）在前段分两流，一部分升压前行，一部分降压成回水（ P h1 ），升压部分在后端引射一次供水到达出口（压力变为 P 3 ），必要时出口后加泵升压至二次供水压力P g2 。这样就可以在不节流仅有喷射作用条件下实现了压力的过渡。具体选用条件见后述。随着高层建筑供热需求的不断增加，相信这项技术将逐渐被接受采纳。三、增压水泵安装位置如图一所示，混水机组在 A、B、C、D、E五个点如果需要都可以安装水泵，具体什么条件、安装在哪里、扬程和流量如何确定是有严格的依据可依的。对于一次供水压力 P g1 、回水压力P h1 经混水机组后，用户所需要的二次供回水压P g2 和P h2 ，最多可能有6种情况（图六），分别为：（注：上线P g2 ，下线为P h2 ）1）“两线之间”：P g2 P h12）“跨上线”：P g2 P g1 ,P h2 P h13）“跨下线”：P g2 P g1 ,P h2 P g1 ,P h2 P g15）“下线以下”：P g2 P h1 ,P h2 P g1 ,P h2 P 2 P 3 条件的，若采用喷射器凡不能满足 P 1 P 3 P 2 条件的，都必须加泵或加节流阀调整才能够满足，否则机组无法工作。另外 P h P h1 ，是二次回水向一次回水流动的必要条件。A处一般设调节阀用于调节热负荷。E处一般不必设节流阀，因为再循环量越大，供回水温差越低，系统循环效果越好。表一 增压泵与节流阀位置表情况压力关系采用混水器或三通采用水水喷射器增压泵位置节流阀位置增压泵位置节流阀位置（ 1 ）P g2 P h1C 或 EBC 或无无（ 2 ）P g2 P g1P h2 P h1CBCB（ 3 ）P g2 P g1P h2 P g1P h2 P g1CBCB（ 5 ）P g2 P h1P h2 P g1P h2 P h1C 和 D无C 和 D无四、关于压力与温度的控制不同的机组参数，增压水泵不仅安装位置选择很重要，而其流量与扬程的确定也要遵循一定原则，这个原则就是能够满足系统各部静压的要求和二次水流量的要求。往往在满足静压的同时，动压头会过剩，而过剩部分又必须得节流掉，这就是浪费，用喷射器取代混水器能够有效地减少这种浪费。所以在选喷射器机组的水泵扬程时，必须要首先进行喷射器性能设计计算（有专门软件）。这样才能选用到流量和扬程合适、投资省的水泵。不过笔者建议水泵的功率可以选得略大点，用变频对水泵进行调节更经济。混水机组与面式换热机组不同，水温的调节会使水压变化，用变频器使之不断适应最好。水泵的控制信号（可以是静压，也可以是压差）选取时，要根据具体功能确定，但要注意：切不可取自一次水侧，因一次水供、回水压力皆可看成恒压源。关于水温的调节，如果一次网不进行流量调节，那调节阀应设在图一中的 A 处，控制信号取自二次供水温度，当然也可以增设室外温度补偿功能。如果整个热网换热机组都是混水机组，那么建议采用一次供水温度统一调节，即质调节方式最好。五、关于水力变压器水力变压器是针对高层建筑，即前述第四种情况专门研发的节能产品，试图避免所有的不必要的节流损失。水力变压器是根据不同的一二次水的压力温度关系进行一机一设计，机组不设节流阀。如图七，对温度压力的调节和普通机组基本一样，温度信号取自水力变压器出口，笔者建议控制水泵变频的压力信号用二次供、回水压差，因为压差稳定意味着流量的稳定。这项技术的推广工作目前正在启动。六、其他问题1. 关于一户一表问题：对于一户一表制的二次水网，当很多用户停热时系统流量下降会影响水水喷射器的引射系数，这时可在图一中的 E 处增设一个助循环水泵，也用变频控制，供热负荷大时，此泵会自动停运。毕竟大负荷时间多，也就是说有节能效果的时间多，即使是小负荷下机组电力消耗仍比混水机组明显省电。一户一表对水利变压器机组的影响也有，但是不需要增设水泵，因为一二次均有可靠的循环动力源。2. 关于系统定压问题在前述加装增压泵的论述中已知，水泵的选用必须能够满足系统各部静压的要求，其实这也是个定压过程，因而无需再设计系统补水定压系统，只要一次水压力保证，二次水必然能保证。3. 关于混水机组的供热能力由于混水机组投资较小，没有必要将站做得很大，否则反而会增加水网投资。国内外均有不设换热站的成功案例，即：将水水喷射器做为一个管件装在用户小支路或用户的入户井内，用来供一个楼或一个单元，供热效果依然很好，这样做节能节资都很明显。