通風除塵管網阻力平衡系統的改進及平衡計算軟件開發

(安徽工業大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243032)

通風除塵管網設計中其計算部分主要包括[1]：根據設計參數進行設計計算，采用假定流速法計算管網中各個管段的斷面尺寸、流速和管道阻力；對設計計算后的并聯管路節點進行平衡計算，使節點的阻力達到平衡(對于除塵管網要求：主管段阻力與支管段阻力相差不超過10%)。在實際工程中采用人工的方法對管網進行設計計算與平衡計算十分困難，尤其在結構布局復雜，抽風點多、分支管路多的大型通風除塵管網系統的計算中，極易出現計算上的錯誤和數據記載的偏差。并聯管路節點阻力不平衡易導致風量不平衡，出現部分抽風點風量偏小或偏大等問題。目前，對抽風點風量不足的管網改造工程中常采用增大風機風量或者將部分管網進行更換的方法。增大風機風量，能耗將會大幅增加；而更換部分管網會加大資金投入。因此在整個管網設計時，保證節點的阻力平衡是設計的關鍵。

已有國內外學者對管網計算機輔助設計進行研究，例如：Sineglazov等[2]利用計算機輔助設計潔凈室通風與空調系統，在通風設備選型上進行優化；Lin等[3]開發出計算機輔助通風與除塵系統設計的軟件，能快速完成通風除塵的輔助計算，并可利用數據庫與Excel的連接實現數據儲存和管理[4-5]；趙長升[6]在利用計算機進行通風除塵系統的設計中，加入了與CAD部分的連接，在繪圖上減少了不必要的重復性。Excel與CAD連接可實現快速批量出圖等功能，提高設計效率[7-8]。目前利用計算機進行通風除塵管網輔助設計主要實現簡便計算，在管網設計中關鍵的阻力平衡軟件設計涉及較少。在管網阻力平衡方式上目前常用的是在通風除塵管網中增設調節閥[9-11]，但調節閥的使用會導致管內流體發生偏流現象進而加劇管網的磨損。近年來，對阻力平衡器的研究有效地解決了阻力調節時流體的偏流問題[12-14]，但其自身阻力不可調節問題突出，一旦管網阻力發生變化該阻力平衡器將被廢棄。

基于上述分析，本文對現有阻力平衡器阻力不可調問題進行改進以避免管網阻力發生變化時阻力平衡器的整體更換，并利用VB對管網的設計計算和平衡計算進行軟件開發，以解決計算繁雜等問題，同時實現圖紙繪制方面軟件與CAD、Excel相互通訊。

1 平衡計算及其改進方案

平衡計算主要對設計計算節點阻力差超過10%的節點進行阻力平衡。設計計算采用假定流速法計算各個管段的斷面尺寸、管內流速，進而由阻力計算式計算出各個管道阻力。假定流速法計算式為

式中：D為管徑，mm；qv為設計風量，m3/h；v為管內流體速度，m/s。

1)平衡計算原理

管網中的阻力主要由局部阻力和摩擦阻力共同構成。摩擦阻力ΔPm計算式和局部阻力ΔPd計算式分別為：

式中：Rm為單位長度摩擦阻力，Pa/m；L為管長，m；ζ為局部阻力系數；ρ為流體密度，kg/m3。

2)平衡調節方法

管徑調節計算式為

式中：D′為調整后的管徑，mm；Δp為主管段阻力，Pa；Δp′為支管段阻力，Pa。得出修改過后的支管管徑后，再按下式計算此時的阻力值。

式中：Δp″為調整后的管段阻力，Pa。管徑調節的具體方法為減小支管管徑以增加流速從而使摩擦阻力和流體流經局部管件所產生的局部阻力發生變化，以此來調節阻力平衡。

增設調節閥調節旨在增加局部阻力使節點阻力平衡。局部阻力的增加主要通過對式(3)中局部阻力系數ζ的增加來實現。本文通過增設插板閥和可調孔板式阻力平衡器的方法，增加局部阻力調節阻力平衡。

3)改進方案

針對大部分阻力平衡器阻力不可調的問題，本文設計如圖1所示的可調孔板式阻力平衡器，通過更換不同孔徑比的孔板插件的方式進行阻力平衡調節。采用計算流體動力學Fluent軟件對不同孔徑比的孔板插件進行模擬。由于管網調節阻力大部分分布在幾十Pa至幾百Pa，分別對孔板插件孔徑比(r/R)從0.7至0.92的阻力平衡器進行模擬，并計算出不同孔徑比的孔板插件所對應的局部阻力系數,用于孔板選型。表1為不同孔徑比的孔板插件局部阻力系數。

表1 各孔徑比的局部阻力系數Tab.1 Structure diagram of local resistance coefficient of each aperture ratio

2 通風除塵管網計算軟件開發

2.1 技術路線

圖1所示為軟件開發的技術路線。其步驟大致如下：首先根據廠房的布置要求和設計參數確定管網結構，在Excel表格中編制CAD腳本文件并在CAD中繪制出大致的管網系統圖，隨后由設計參數進行設計計算和平衡計算，進而利用所產生的數據對初始Excel表格中編制的CAD腳本文件進行標注。由此得到較為準確的管網系統圖。

2.2 方案實現

軟件主要解決通風除塵管網的設計計算和平衡計算中繁雜、數據記載的困難以及并聯管路節點的阻力平衡問題。因此，將軟件劃分為兩個模塊，分別為設計計算和平衡計算，采用Microsoft Access軟件建立數據庫與VB語言連接進行程序開發，使用VB中的實用控件與數據庫進行連接，實現對計算所產生數據的記載、儲存和管理等。

功能設計計算模塊計算各管段的斷面尺寸、管內流速和管道阻力。具體方案：根據管內粉塵特性和管段的水平或豎直布置確定管內最低風速v，由設計風量qv采用假定流速法計算出大致管徑，根據風管統一規格對管徑取整來確定各個管段管徑，再根據取整后的管徑求出實際流速。

由管徑和流速計算結果對其單位長度摩擦阻力Rm進行查詢并計算出該管段的摩擦阻力，根據所流過的管件局部阻力系數計算出局部阻力，摩擦阻力和局部阻力之和為管道阻力。圖3為局部管件(三通、彎管等)的局部阻力系數ζ查詢界面。

圖1 可調孔板式阻力平衡器結構示意圖Fig.1 Adjustable orifice plate resistance balancer

圖2 除塵管網軟件開發的技術路線圖Fig.2 Technical road map for software development of dust removal networks

圖3 局部阻力系數查詢界面Fig.3 Query interface of local resistance coefficient

設計計算整體模塊界面如圖4。

圖4 管網設計計算界面Fig.4 Pipe network design calculation interface

平衡計算是對節點進行校核，判斷主管段與支管段的阻力差是否超過10%，對超過10%的節點進行調整。軟件設計中采用3種平衡的方式：改變支管的管徑；增設插板閥；設置可調孔板式阻力平衡器。

增設插板閥的具體方案：依據插板閥開度大小確定所增加的局部阻力系數，由式(3)求出局部阻力的增加值，再與原支管阻力相加后同主管段阻力進行比較。若主管段與支管段阻力差小于主管段的10%，則達到阻力平衡要求；若大于10%，則繼續調節開度。圖5所示為平衡計算中的支管管徑調節和插板閥開度調節界面。

圖5 管徑調節和插板閥開度調節平衡計算界面Fig.5 Interface diagram of pipe diameter adjustment and valve opening balance calculation

可調孔板式阻力平衡器的具體設置方案為：利用主管段與支管段阻力差值采用式(3)反推出所需增加的局部阻力系數，參考不同孔徑比的孔板插件模擬結果選擇與其接近的孔板插件。圖6為可調孔板式阻力平衡器平衡計算界面。

圖6 阻力平衡器平衡計算界面Fig.6 Interface diagram of the balance calculation of the resistance balancer

3 工程應用案例

3.1 主要設計參數

某通風除塵系統為負壓除塵，有3個抽風點。系統的主要組成包含1臺風機，1臺水膜除塵器及除塵風管。表2為管網的主要設計參數。

表2 管網主要設計參數Tab.2 Main design parameters of pipe network

3.2 案例設計

3.2.1 初始腳本文件的編寫

首先在Excel表格中編制能繪制整個除塵管網大致系統圖的CAD腳本文件，并在CAD中繪制出管網系統圖。管網系統圖的CAD腳本文件如表3所示。

表3 管網系統圖的CAD腳本文件Tab.3 CAD script file of pipe network system diagram

將表3所示的腳本文件導入CAD中得到整個除塵管網的大致系統圖，并對節點進行標注，如圖7。

圖7 除塵管網的大致系統圖Fig.7General system diagram of dust removal pipe network

3.2.2 計算及分析

1)設計計算

根據假定流速法由設計參數中各抽風點的抽風量根據假定流速法先計算出整個管網的大致結構，再由圖4所示的界面中進行設計計算。

(1)確認除塵管網工作狀態下的參數(溫度等)、粉塵的特性(輕礦物粉塵還是重礦物粉塵)以及該管段的布置方式(水平或豎直)；

(2)根據各個管段初始參數，進行設計計算，將設計計算的結果(包括各管段管徑、阻力、風速、風量、風量偏差率等)保存到數據庫中。

設計計算結果如表4。

表4 設計計算結果Tab.4 Result of design calculation

2)平衡計算及分析

采用設計計算結果對節點阻力差進行分析，判斷節點2、3是否存在平衡問題。對于不平衡的節點，可分別用本文中的3種調節方式進行調節。

(1)管徑調節

判斷節點2、3的主管段的壓力和支管段的壓力是否平衡。若不平衡率大于10%，采用調整支管管徑的方法使節點的阻力差平衡，管徑依式(4)和(5)進行計算。表5為管徑調節后節點的不平衡情況。

表5 管徑調節數據Tab.5 Data of pipe diameter adjustment

表5中2、3的不平衡率分別為26.714%、8.784%，所以節點2需要進行調節。將與節點2連接的支管管徑由240 mm改為220 mm后，不平衡率降為8%，即達到平衡。

(2)插板閥開度調節

判斷節點2、3的平衡率是否超過10%，對不平衡的節點在其支管處增設插板閥，通過改變閥門的開度進行節點的阻力平衡調節。表6為插板閥開度調節后節點的不平衡情況。

表6 插板閥開度調節數據Tab.6 Data of plug board valve opening adjustment

表6中將節點2支管處的插板閥的開度調為整個開度的0.8左右后，不平衡率為2.973%，滿足設計要求。

(3)設置可調孔板式阻力平衡器

判斷節點2、3是否平衡，對不平衡的節點支管處設置可調孔板式阻力平衡器，并進行孔板插件的選擇。表7為可調孔板式平衡器調節后的節點不平衡率情況。

由表7中將節點2支管處的設置可調孔板式阻力平衡器后，選擇孔徑比為0.9的孔板插件，可使不平衡率可控在0.44%，滿足設計要求。

表7 可調孔板式阻力平衡器調節數據Tab.7 Data of adjustable orifice plate resistance balancer adjustment

3.2.3 對初始結構的修訂

運用設計計算和平衡計算產生的數據對初始Excel編制的CAD腳本文件進行標注，再繪制整個除塵管網系統圖。表8為管徑標注腳本文件。圖8為由改進過后的腳本文件繪制出的除塵管網系統圖。

表8 管徑標注腳本文件Tab.8 Script file of pipe diameter annotation

圖8 標注過后的管網系統圖Fig.8 System diagram of modified pipe network

本案例從Excel編寫繪制管網的系統圖CAD腳本文件開始，經過設計計算和平衡計算，再利用計算產生的數據對初始的Excel表格中的腳本進行標注，使得設計出的通風除塵系統更為精確。平衡計算中的3種調節方案均可使節點2的阻力差小于10%，且表格所記載和輸出的每一管段的管徑、阻力值、管內風速等數據一目了然。

4 結 論

通過管徑調節、閥門的開度調節以及設置可調孔板式阻力平衡器措施對節點進行阻力平衡，采用VB對通風除塵管網阻力平衡計算進行軟件開發，得如下結論：

1)管徑調節、閥門調節和設置阻力平衡器等方法可以實現管網的平衡計算，該調節方法只需要將風量進行重新分配，不用改變總的設計風量，也不用更換設備，平衡后的除塵管網，較以前的增大風機風量或將管網進行改造而言，不僅可以保證除塵效果，達到環保要求，還能節約成本，降低能耗；

2)在可調孔板式阻力平衡器設計中，采用CFD對其進行仿真，計算出不同孔徑比下孔板插件的局部阻力系數，可為設計人員在阻力平衡器的孔板插件上的選擇帶來參考；

3)本設計的通風除塵管網設計計算與平衡計算軟件具有方便、快捷、準確的特點；

4)利用該軟件與CAD和Excel相互通訊，在繪制除塵管網的系統圖上形成一個回路，將平衡計算的結果實時地反應在系統圖上，大大提高了設計效率。