應急排風車吸風段部件的結構設計及排風性能試驗研究

摘要：為提高某專用應急排風車的應急響應能力，設計了一種多風道吸風段部件，對使用新設計部件的應急排風車進行了整機排風性能試驗，得到了不同的負壓設定下的風機響應頻率、總排風量及管道截面多個測點的風速響應。通過試驗數據擬合出了P-f （壓力-頻率）、P-Q （壓力-風量） 和f-Q （頻率-風量） 等經驗公式，為后續應急響應提供了參數設定依據。同時，利用數值模擬方法結合試驗數據得到了管道截面的風速分布云圖，為更準確的風量測試提供了新思路。試驗結果表明，新結構可顯著提高系統的排風量及風速，取得了良好的優化效果。

關鍵詞：應急排風車；離心風機；結構設計；性能試驗

中圖分類號：U463 收稿日期：2022-12-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.021

1 前言

在現代工藝廠房中，常需要將產生的有害物質加以收集和處理，從而改善生產現場的空氣質量，保護操作人員的生命安全［1］。某些行業的大型廠房設施中建設有排風中心用于通風與空氣凈化［2］，但突發情況可能會導致排風中心失效，無法滿足安全防護需求，使操作人員暴露在極大的危險中。此情況下，應急排風就顯得尤為關鍵。林曉玲等［3-4］對應急排風緩解事故危害的效果進行了理論計算與試驗研究，結果表明，應急排風對于緩解事故后果具有顯著作用，發生事故時，在條件允許的情況下，應及時啟動應急排風系統。

應急排風對保障安全生產、防止災難性事故發生具有重要意義，而應急排風系統的工作性能又決定了應急排風的效果。因此，有必要對如何使應急排風系統充分發揮其工作性能這一問題進行研究。在此背景下，為提高某應急排風車的應急響應能力，本文設計了一種多風道吸風段部件，并對排風車進行了整機排風性能試驗，相關結果對排風系統設計及風量測試計算具有一定的參考價值。

2 吸風段部件結構設計

2.1 設計對象的需求分析

排風系統的工作性能不僅與風機密切相關，接口結構、風管等吸風段部件同樣是不可忽略的重要影響因素。因此，在風機等設備定型后，提高車載應急排風系統應急響應能力的重要手段就是對其吸風段部件進行優化設計。針對某型應急排風車無法實現電機滿頻運行，導致排風系統無法充分發揮其工作性能以及單一口徑風管無法實現多點排風等問題，本文設計了一種多風道吸風段部件。本設計部件面向的某型排風車如圖1所示。

現役吸風段部件結構如圖2 所示，根據前期應急演練情況發現，現役吸風段部件存在隱患和設計的不足，主要體現在：a. 無法實現電機滿頻運行，導致排風系統無法充分發揮其工作性能；b. 僅為單一口徑接口，無法實現多點排風的應急響應需求；c. 僅可通過變頻單一手段調節風量，無法在接口處手動調節，調節方式不夠便捷及多樣化。

2.2 結構設計方案

針對前述設計需求，本文設計的吸風段部件結構如圖3 所示，在接口截面上均布三個吸風口，每個風口上安裝特制翻板閥，閥門與接口工裝通過法蘭螺栓連接、橡膠墊密封，柔性風管通過快速卡箍與閥門連接。此結構可實現多點排風以及風量的變頻/閥門開度復合調節，同時通過快速卡箍還可實現風管與接口的快速拆裝，提高部署能力。

3 整車排風性能試驗研究

為驗證新設計部件的優化效果，同時掌握新結構下的車載排風系統工作性能，本文將新設計部件安裝至排風車，在三個接口上架設柔性風管20 m，利用熱線式風速儀進行了整機排風性能試驗，同時進行了原結構性能試驗以供對比。測試得到了不同壓力設定下的電機頻率響應、風量、風速等參數，試驗現場見圖4。

3.1 壓力-頻率響應試驗結果

圖5 給出了壓力設定值分別為200 Pa、210 Pa、220 Pa、240 Pa、260 Pa、270 Pa、280 Pa、290 Pa 時的電機頻率響應變化曲線。由圖5 可知，試驗啟機壓力為200 Pa，此時的電機頻率響應為6 Hz，本次試驗得到新結構下的極限參數為290 Pa，此時的電機頻率響應為50 Hz，電機已經滿頻運行，無法繼續增大參數。根據圖5 曲線反映出的規律，可將曲線分為兩個斜率不同的類線性段，線性范圍分別為200～240 Pa 和240～290 Pa。由于壓力設定在240 Pa 之后，電機頻率響應開始顯著提升，因此，后續使用新接口工裝進行應急響應時，可將240 Pa 設定為啟機壓力，這樣可直接在線性范圍內快速調節得到較大的排風量。

通過試驗數據得到了壓力-頻率的變化曲線，分別對曲線的兩個類線性段進行函數擬合，得到設定壓力與電機頻率響應之間的函數表達式，如下式：

式中，P 為控制系統的設定壓力，Pa；f 為電機反饋頻率，Hz。

由式（1）可根據一個已知量求得另一變量值，方便應急響應時的參數設定及整機運行狀態判斷。

3.2 壓力-風量響應試驗結果

圖6 所示為新結構的三個風口在不同壓力設定下的風量響應以及整機的總風量響應。

由圖6 可知，三個風口在同一個壓力設定下的風量幾乎相同，極限參數（壓力290 Pa、頻率50 Hz）設定下的最大排風量為35 523 m3/h。單口風量響應及系統總風量響應的類線性變化范圍同樣可以240 Pa 為界分為兩段，與頻率響應得到的分析結果相同。

通過試驗數據可擬合出壓力與風量之間的函數關系，單個風口排風量與設定壓力的函數表達式如下：

式中，P 為控制系統的設定壓力，Pa；Q 為風量，m3/h。

總排風量與壓力的函數表達式見式（3）：

式中，P 為控制系統的設定壓力，Pa；Q 為風量，m3/h。在后續演練及應急響應時，可根據應急現場的實際情況判斷所需的排風點數及排風量，由上式直接求出設定壓力，再將求出的壓力值輸入控制系統面板，即可完成參數設定，使得應急響應速度大幅提升。

由于反映排風系統運行狀態的關鍵參數是電機反饋的頻率，而車載排風系統的電機頻率會實時顯示在控制面板上，因此，在參數設置完成后，判斷排風系統是否滿足應急需求的有效手段是監控控制面板上的頻率反饋是否達標。聯合式（1）和式（3）即可得到總排風量與電機頻率的函數表達式：

式中，f 為電機反饋頻率，Hz；Q 為風量，m3/h。根據應急現場所需的總排風量，由式（4）計算得到電機的運行頻率，通過對比計算頻率與控制面板上的顯示頻率即可判斷風機的運行狀態是否滿足應急需求。

3.3 壓力-風速響應試驗結果

新結構在不同壓力設定下單個風口的風速響應曲線如圖7 所示，試驗啟機參數（壓力200 Pa、頻率6 Hz）下，風管中心的風速為6.28 m/s，風管邊緣的風速為5.11 m/s；極限參數（壓力290 Pa、頻率50 Hz）下，風管中心的風速為34.97 m/s，風管邊緣的風速為33.4 m/s。與上文反映出的規律相同，風速同樣以240 Pa 為界分成兩個類線性段，由于應急排風一般不對風速做要求，因此，此處不做定量分析，不進行函數擬合。

3.4 風速分布云圖

本文利用數值模擬的方法結合試驗數據得到了吸風口的風速分布云圖，圖8 給出了P=290 Pa、f=50 Hz 工況下的風管截面風速分布云圖。由圖可知，風管中心處風速最高，由中心至邊緣逐漸降低，其他工況下的風速云圖展現出的規律與之相同，僅風速的具體數值不同，因此，本文不再給出。

4 風量計算方法

現行國家標準給出的風管風量測試方法是，根據風管截面形狀，選取特定點進行風速測量，再求得平均風速，再按下式計算得到風量Q［5］：

Q = 3600 × S × ν （5）

式中，Q 為風量，m3/h；S 為風管截面面積，m2；ν 為平均風速，m/s。

由式（5）可知，風管風量為其截面面積與截面風速之積。根據此原理，利用本文數值模擬得到的風管截面風速分布云圖，由邊緣至中心積分，即可得到比直接求均值更準確的風量。因此，本文的研究成果為特定場合下更準確的風量測試提供了一種新思路。

由于風量可由截面面積與截面風速之積求得，柱體體積可由底面積與柱體高之積求得，而截面風速分布云圖可看作一個曲頂柱體，因此，風量即為此曲頂柱體的體積，根據多元函數積分學［6］，曲頂柱體的體積可由二重積分求得，但多重積分計算較為復雜，對于本文討論的工況，可通過投影的方法將多重積分簡化為定積分進行計算，以本節給出的工況為例進行說明。首先將三維風速分布云圖投影至垂直于截面的平面上得到一條左右對稱的曲線，然后取曲線的一半旋轉90°，以風速為x軸，以風管截面坐標為y 軸，如圖9 所示。

經過上述變換，以f（x）值為半徑，以dx 為高，對擬合得到的二維曲線由邊緣風速到中心風速進行積分，得到曲頂部分的體積，再加上曲頂柱體下半部規則圓柱體的體積，即可得到整個曲頂柱體的體積，也即風管截面的總風量，公式如下：

式中，Q 為風量，m3/h。

5 優化效果分析

圖10 給出了改進前后的壓力-頻率優化效果，由圖10 可得，新設計的部件可實現電機滿頻運行（50 Hz），而原部件的電機極限頻率僅為28 Hz，改進前后的工作曲線交匯點參數為257 Pa、20.4 Hz。改進后的部件可使車載排風系統充分發揮其性能，優化效果明顯。

圖11 為不同設定壓力下的風量響應優化效果圖，

使用原部件時的最大排風量為29 400 m3/h，新設計部件可實現的最大排風量為35 523 m3/h，排風量提升了20.83%。排風系統整機出廠驗收時的風量為36 000 m3/h，

綜合考慮整套系統的各項損耗因素，可近似認為配套使用改進后的部件，能夠使排風系統發揮出其最大性能，改造方案取得了良好效果。

圖12 為不同設定壓力下的風速響應優化效果圖，原部件的最大風速為13.19 m/s，新制部件的最大風速為34.97 m/s。這是由于改進后的吸風段風管雖然直徑較小，但單個風道的風量較大，進而導致其風速顯著增大。風速的提高同時可增強應急排風車的除塵效果。

新設計的多風道吸風部件對整機排風性能的優化效果如表1 所示，極限頻率提升了78.57%，最大風量提升了20.83%，最大風速提升了165.13%，極大地提高了整機的排風性能，取得了顯著的優化效果。

6 結語

a. 針對某應急排風車設計了一種多風道吸風段部件，整機性能試驗結果表明，新設計部件可實現電機滿頻運行，使系統的最大排風量提高了20.83%。同時，新設計的部件還可實現多點排風以及風量的變頻與閥門開度復合調節。

b. 根據排風性能試驗數據，通過函數擬合的方法得到了P-f（壓力-頻率）、P-Q（壓力-風量）和f-Q（頻率-風量）等經驗公式，為應急響應提供了機組參數設定依據。

c. 利用數值模擬方法結合試驗數據得到了吸風口的風速分布云圖，通過坐標變換等方式提出了一種積分求解截面風量的方法，為更準確的風量測試計算提供了新的思路。

參考文獻：

［1］張性旦核通風與空氣凈化［M］北京：原子能出版社，1993

［2］盧巖，王文超某核科研研究院排風中心設計［J］規劃與設計，2010（13）：773

［3］林曉玲，楊永新應急排風對緩解核事故輻射后果的理論計算［J］核動力工程，2013，34（2）：60-61+93

［4］林曉玲，楊永新應急排風對緩解核事故輻射后果的試驗研究［J］核動力工程，2013，34（3）：124-125+163

［5］GB 50243-2016 通風與空調工程施工質量驗收規范［S］

［6］盛海林高等數學［M］北京：科學出版社，2013

作者簡介：

閆崗，男，1995 年生，助理工程師，研究方向為通排風系統設計運維管理。