孔板流量計引起風機進口壓損與能耗增加的計算分析

錢勇 于躍平 黃文俊 朱曉農(nóng)/合肥通用機械研究院

孔板流量計引起風機進口壓損與能耗增加的計算分析

錢勇 于躍平 黃文俊 朱曉農(nóng)/合肥通用機械研究院

0　引言

流量是決定風機基本氣動特性的重要參數(shù)之一，無論開展風機基本模型級研究、整機出廠試驗，還是風機運行監(jiān)測均離不開對風機流量進行測量，另外對風機實時運行點流量測量與設計點比較，是評價風機熱力與氣動性能優(yōu)劣的基本手段。因此，流量測量與監(jiān)控還是風機機組長周期安全運行的必要保證與能耗評價手段。

在眾多流量測量元件中，孔板流量計因節(jié)流件世界通用，且具有使用前無需實流校準、結(jié)構易于復制、性能穩(wěn)定可靠、適應單相及部分混相流、價格低廉等優(yōu)點。因此，在風機試驗研究與工業(yè)運行中被廣泛應用，尤其在鼓風機和壓縮機等應用場合。

孔板流量測量及對機組的影響，目前有文獻資料主要研究計量附加誤差［1］、進口溫度、壓力、分子量發(fā)生變化時流量的補償及對防喘振計算方法探討［2-3］等問題，但孔板引起風機機組進口壓力損失與機組能耗影響尚未見相關文獻報道。本文結(jié)合筆者完成的工程實例，通過不同進口流量時，孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增的分析，計算節(jié)流孔板引起風機不同運行點進口壓力和風機功耗的增加，為從事風機設計、試驗、運行的同行提供借鑒，也為開展流體設備降低能耗、系統(tǒng)節(jié)能提供新思路。

1　節(jié)流孔板對風機進氣條件與能耗的影響分析

1.1節(jié)流孔板引起壓力、溫度改變

充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓力差（或稱差壓）。流體的流速越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差也越大，所以可通過測量差壓來衡量流體流過節(jié)流裝置時的流量，這種測量方法是以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎的［4］。

孔板節(jié)流裝置通過測量孔板前后壓差計算流量，流量與壓差關系如公式（1）［5］，流量系數(shù)α的最終值需通過迭代循環(huán)獲得。而本文為分析計算孔板節(jié)流產(chǎn)生的壓力損失，通過給定流體流量，最終確定壓力差的大小。

式中，qm為質(zhì)量流量，kg/s；α為流量系數(shù)；ε為氣體膨脹系數(shù)；D為孔板內(nèi)徑，m；ρu為孔板上游流體密度，kg/m3；△p為通過孔板的壓差，Pa。

1.2節(jié)流孔板引起能耗損失

氣體在管道內(nèi)流經(jīng)孔板的節(jié)流過程為不可逆過程，根據(jù)能量方程在忽略節(jié)流前后速度差時，經(jīng)節(jié)流后氣體靜焓仍回到原值，但熵增大，對理想氣體溫度不變（其它溫度按焦-湯規(guī)律變化）：

式中，hu，hd為孔板前后氣體焓值，kJ/kg；Su，Sd為孔板前后氣體熵值，kJ/kg.s；pu，pd為孔板前后氣體壓力，Pa。

節(jié)流后氣體經(jīng)機組等熵壓縮升壓進入輸入管路元件或設備等，對機組來說，孔板節(jié)流引起機組有效功增加如下：

式中，ΔH為增加的有效功，kJ/kg；hc為風機前有節(jié)流孔板時，氣體等熵壓縮至出口壓力pc對應的焓值，kJ/kg；hc為風機前無節(jié)流孔板時，氣體等熵壓縮至出氣壓力；pc為對應的焓值，kJ/kg；

pc為風機出口壓力，Pa。

當工作介質(zhì)為理想氣體時，風機壓縮過程為可逆絕熱，孔板節(jié)流引起機組有效功增加可按公式（5）計算：

2　算例分析

本文計算分析工程實例系為臺灣某化工廠設計制造的硫磺制酸離心鼓風機，該鼓風機為硫磺焚燒及轉(zhuǎn)化提供所需空氣，由汽輪機驅(qū)動，于2014年投入工業(yè)使用。

鼓風機設計點進口流量788Nm3/min，總壓比1.65，進氣：空氣（成分/Vol％，N2：76.63，O2：20.31，H2O：3.06），25℃，101kPa，轉(zhuǎn)速6 560r/min，葉輪三元半開式，主要參數(shù)如下：葉輪外徑878㎜，葉片出口寬度44.6㎜，葉片出口角45°（與子午面夾角），進、出口葉片數(shù)19，葉輪進口直徑482㎜，葉輪葉片進口平均直徑401mm，葉片進口寬度99.5mm，葉片法向厚度12㎜。

鼓風機進口孔板流量計為防喘系統(tǒng)的一部分，孔板按文獻［5］要求設計與安裝。

根據(jù)風機運行點參數(shù)，可計算出進口管路中配置的孔板所導致的風機進口壓力相對損失（pu-pd）/pu，見表1。

表1　風機進口壓力損失計算表

從表1中可以看出，設計點進口壓力相對損失近10％，最小點近3％，最大點近18％，隨流量的增加相對壓力損失變化如圖1所示。

由于進氣壓力不大，流體可按理想氣體處理，即風機進氣溫度可認為不變，但進口孔板節(jié)流對風機進口壓力的影響不容忽略，因此，在風機設計時應予以高度注意。

孔板節(jié)流引起風機消耗有效功增加，具體計算結(jié)果見表2。

表2　節(jié)流孔板帶來的風機有效功損失表

從△H，△W，△H'比較可見，有效功增加量可通過查濕空氣焓濕圖或借用軟件RefProp獲得，本例介質(zhì)為理想氣體還可用方程4計算獲得?？装骞?jié)流為等焓絕熱熵增過程；孔板節(jié)流引起有效功增加與正常有效功比從小流量向大流量區(qū)遞增，其中設計點約21％。

3　結(jié)論

結(jié)合工程實例，對不同進口流量時孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增分析，計算節(jié)流孔板引起風機不同運行點的進口壓力和風機消耗有效功的增加，得到如下結(jié)論：

1）從計算結(jié)果看，設計點進口壓力相對損失近10％，最小點近3％，最大點近18％，這是由于孔板產(chǎn)生的渦流所致［6］。因此，在配置了進口孔板的應用場合中，在風機設計時應考慮孔板節(jié)流對風機進口壓力的影響；

2）孔板節(jié)流引起風機產(chǎn)生消耗有效功增加，可通過查濕空氣焓濕圖或借用軟件RefProp獲得，如流體為介質(zhì)理想氣體還可用式（5）計算獲得；

3）孔板節(jié)流引起有效功增加，與正常有效功比從小流量區(qū)向大流量區(qū)遞增，其中設計點約21％；

4）孔板節(jié)流元件雖然簡單易制造，但流阻較大，會增大風機能耗。因此，在管網(wǎng)和投資成本允許的前提下，可以選擇流阻更小的其他流量測量元件如文丘里管或文丘里噴嘴。

［1］李政，羅瑤，彭永娟，等.標準孔板流量計測量天然氣流量計量附加誤差分析［J］.中國計量，2010，32（6）∶97-99.

［2］路軍平，秦國良.水蒸汽流量測量中孔板流量計的誤差補償［J］.計量裝置及應用，2004，14（4）∶40-42.

［3］劉飚.離心式壓縮機變工況下確定防喘振邊界的原理和計算方法探討［J］.石油化工設備技術，1998，19（6）∶24-27.

［4］林天錢，盧相中.迭代法在孔板流量計測量流量中的應用分析［J］.計量技術，2007，14（11）∶11-14.

［5］全國風機標委會.GB/T1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗［S］.國家質(zhì)量技術監(jiān)督局，2001.

［6］張優(yōu)云，陳花玲，張小棟，等.現(xiàn)代機械測試技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

■分析引起風機進口壓力損失與風機能耗增加的基本原理及相關算式，發(fā)現(xiàn)孔板流量計對風機進口壓力有明顯的影響；結(jié)合工程實例，計算結(jié)果表明：在設計點孔板流量計引起進口壓力相對損失近10％，功耗增加約21％。因此，在風機設計時，必須考慮孔板流量計的影響，否則將不能滿足性能要求，本文對配置孔板流量計的風機設計具有指導意義。

■孔板流量計；進口壓力損失；能耗；

Computational Analysis of Orifice Flowmeter Cause the Pressure Loss in Fan Inlet and Energy Consumption Increased

Qian Yong，Yu Yue-ping，Huang Wen-jun，Zhu Xiao-nong/Hefei General Machinery Research Institute

Thebasic principlesand the relevant formula of fan inlet pressure loss and fan energy consumptionwasanalysized，and itwas found that orifice flowmeter had an impact on the fan inlet pressure.According to the project example，the results show that：orifice flowmeter causes the inletpressure lossof10％，and power consumption almost increases by 21％in the design points.So the impact of orifice flowmetermustbe considered in the fan design，otherwise will not be able tomeet the performance requirements.

orifice flowmeter；inlet pressure loss；energy consumption

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）04-0065-03

10.16492/j.fjjs.2016.04.0021

2016-04-20安徽合肥230031