管網設計對系統運行的影響

粘素環

風機作為通用機械，廣泛應用于國民經濟的各個行業。風機總是和管網（管道及其附件的總稱）連接在一起工作的。氣體在風機中獲得外功時，其流量與壓力之間的關系是按風機的性能曲線變化的。而當氣體通過管網時，其流量和壓力之間的關系又要遵循管網的特性曲線。當風機接入系統中時，風機的具體工作點在風機性能曲線的哪一點，取決于管網特性曲線與風機性能曲線的交點，因此經濟合理的管網設計對于風機的高效經濟運行至關重要[1-3]。在風機的實際應用過程中，實際的管網布置與設計管網的一致性，也會對風機的高效經濟運行產生重要影響。

1 管網對系統運行的影響

管網特性曲線是一條二次拋物線，當管網一定時，管網特性系數是一個定值。管網的阻力損失越大，管網特性系數越大，管網特性曲線越陡；管網的阻力損失越小，管網特性系數越小，管網特性曲線越平緩。風機在管網中工作時，產生一定的風量和一定的壓力。風機所產生的風量必定等于管網中通過的風量（沒有考慮管網的漏風量），所產生的壓力必須與管網系統的阻力損失相等，這樣才能達到平衡，保證風機連續穩定工作。風機穩定工作的點，為運行工況點，它是由風機的特性和管網的特性所決定的，它是風機特性曲線與管網特性曲線的交點。離心風機性能曲線與管網特性曲線的關系如下圖1所示。

圖1 離心風機性能曲線與管網特性曲線

在實際應用過程中，有時用戶未對管網的流速、管徑、壓力降進行綜合考量，造成管網設計不合理；有時管網設計是合理的，但是用戶在實際施工過程中未按設計管網進行施工，而是根據經驗或現場實際情況確認管徑，往往造成管網布局不合理，流速過快，壓力降過大。

由于風機的運行工況點是由離心風機性能曲線與管網特性曲線共同決定的，如果管網設計不合理，管網阻力過大，會使實際的管網特性曲線偏離設計狀態下的管網特性曲線，比設計狀態下的管網特性曲線要陡，最終風機運行工況點向風機曲線左邊偏移，實際供風量不足，供氧量不足，不能滿足客戶需求。圖2為用戶現場的實際管路，管路中的實際流速為30 m/s，由于進風口管路中介質流速過大，并且管路很長，造成風機進風口側阻力過大，風機嚴重偏離了設計狀態下的運行工況點，最終導致供風量不足，與之匹配的燃燒器燃燒不充分。

圖2 用戶現場實際進風口管路

下圖3反應了用戶現場局部管件設計的不合理，圖中標識出來的混合裝置的當量直徑小于風機進風口的直徑，混合裝置兩端均需通過變徑與其他部件連接起來，同時由于混合裝置當量直徑過小，造成局部損失過大，增加了整個系統的阻力損失，影響了管網特性曲線，進而影響了風機的運行工況點。

圖3 局部管件

2 進出口管道設計與經濟流速

2.1 進出口管道設計

進口管道、管件應盡量保證氣流均勻進入葉輪，并使其能夠均勻地充滿葉輪進口截面。因此進口管路應滿足：（1）進風口管路以平直管段為佳；（2）對于變截面進風口管路，盡量采用角度較小的漸擴管。圖4~圖6是典型的進風口管路設計[4]。

（續上圖）

圖4 風機進風口和小直徑管路的連接

圖5 推薦使用的進風口管路

圖6 雙進風口管路

原動機帶動葉輪旋轉，葉輪中的葉片對氣流做功，使氣流的壓力勢能和動能增加，最后氣流從風機出風口排出。風機出風口管路設計需避免過分的擴大節、突然擴大節、限制或束縛氣流的斷面、急轉彎或半徑很小的彎頭。風機出風口一般帶有變徑管以減少氣流的動壓損失，變徑管一般要注意：（1）采用單側變徑管為佳；（2）夾角不宜大于15°，變徑管長度由變徑夾角決定；（3）出風口的彎頭應順向，不可采用逆向。

典型的出風口管路設計如圖7所示[4]。

圖7 推薦使用的出風口管路

2.2 管路經濟流速

當輸送流體的能力一定時，管徑大小直接影響經濟效果。管徑小，介質流速大，管路壓力降大，從而增加了流體輸送設備的動力操作費用。反之，增大管徑，雖然動力費用減少，但管路建造費用卻增加。因此，為求得其矛盾的統一，設計上必須選擇合理管徑和經濟流速。

綜合流速、管徑、壓力降三者之間的關系，對于煙道氣，煙道內推薦流速3.0～6.0 m/s，管道內推薦流速3.0～4.0 m/s；對于風管，距風機最遠處推薦流速1.0～4.0 m/s，距風機最近處推薦流速8.0～12 m/s；對于通風機，吸入口處推薦流速10～15 m/s，排出口處推薦流速15～20 m/s[5]。

3 風機選型

風機作為流體輸送設備對于整個系統的穩定運行至關重要，因此在管網設計完成后，用戶需將最詳細的參數告知風機廠家，便于選出經濟合理的風機。在風機選型時，用戶應提供流量、壓力、溫度、介質成分、海拔[6]、相對濕度等盡可能詳細的參數。風機廠家應根據用戶提供的參數來具體選擇一款適合的風機，其中包括最高的效率、最佳的轉速、最佳的葉輪直徑、最佳的驅動方式，不能為用戶隨意選取一款通用的風機。同時，在選擇風機的時候還要考慮管網系統需要的調節范圍，結合風機的調節方式如進風口風門、出風口風門、變頻等來綜合確認合適的風機選型。下面圖8中的公式是風機定律，從公式中可以看出，風機的流量、壓力、功率、噪聲與風機的葉輪直徑、風機轉速、介質密度、介質壓縮系數有關。如果用戶提供的是大流量，低壓力的工作參數，那么會選擇低轉速、寬葉輪、寬機殼的風機；如果用戶提供的是小流量，高壓力的工作參數，那么會選擇高轉速、窄葉輪、窄機殼的風機；對于同樣的風量風壓，如果介質密度不同，那么選擇的風機也不同；風機選型時，也應考慮用戶的特殊要求，如驅動方式要求，尺寸要求，噪聲要求，運行維護的要求等等。當有特殊要求時，最佳的風機不一定是最合適的風機，應該綜合風機的尺寸大小、效率高低、驅動方式、運行維護等多個方面來綜合考慮；另外，當風壓大于2 500 Pa時需考慮壓縮系數對風機選型的影響。

圖8 風機定律

由于介質密度與介質成分、介質溫度、海拔高度、相對濕度有關，而密度的不同會直接影響風機選型，因此用戶在提供風機參數時，一定要明確介質成分、運行溫度、使用地點（海拔高度）、相對濕度。

4 結論與建議

管網設計對系統的正常穩定運行至關重要，用戶在設計管網時一定要非常重視。同時，管網的設計一定要結合具體使用地點的實際環境，保證管網在實際布置過程中不改動或改動最小。管網安裝過程中，管路安裝工程師應該嚴格按照管網的設計來施工，不能隨意改動。管網布置要嚴格按照設計規范，科學布置，避免彎頭的連續出現。管道內經濟流速的確定十分重要，工程師在設計時不能簡單的查手冊規范中相關表格的數據，應結合介質的實際情況，綜合流速、管徑、壓力降三者之間的關系，合理確定介質的經濟流速，最終使管網的設計在保證使用效果的前提下，盡量降低初投資和運行費用。

風機作為整個系統的流體輸送設備，非常重要，用戶一定要提供盡可能詳細的參數以及需要調節的范圍。風機廠家需結合風機調節方式為客戶選擇最優的風機方案，包括最高的效率、最佳的轉速、最佳的葉輪直徑、最佳的驅動方式等，使用戶要求的工作點落盡量在風機的最佳工作范圍內。從風機的長期運行來看，這樣可以使風機的初始投資和日常運行成本降到最低。

[1]商景泰.通風機實用技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]續魁昌，王洪強，蓋京方.風機手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]樂庚熙.風機技術知識問答[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]李慧玲.風機布置及管道設計[J].化工設計，2015（3）：41-43.

[5]楊成偉.工藝管道經濟流速的研究[J].化工設計，2011（4）：1-7.

[6]白林波.鍋爐鼓、引風機的選型與高原修正[J].特種設備安全技術，2005（1）：21-22.