管網(wǎng)設(shè)計(jì)對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

粘素環(huán)

風(fēng)機(jī)作為通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。風(fēng)機(jī)總是和管網(wǎng)（管道及其附件的總稱）連接在一起工作的。氣體在風(fēng)機(jī)中獲得外功時(shí)，其流量與壓力之間的關(guān)系是按風(fēng)機(jī)的性能曲線變化的。而當(dāng)氣體通過管網(wǎng)時(shí)，其流量和壓力之間的關(guān)系又要遵循管網(wǎng)的特性曲線。當(dāng)風(fēng)機(jī)接入系統(tǒng)中時(shí)，風(fēng)機(jī)的具體工作點(diǎn)在風(fēng)機(jī)性能曲線的哪一點(diǎn)，取決于管網(wǎng)特性曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)，因此經(jīng)濟(jì)合理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)對于風(fēng)機(jī)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。在風(fēng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用過程中，實(shí)際的管網(wǎng)布置與設(shè)計(jì)管網(wǎng)的一致性，也會對風(fēng)機(jī)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。

1 管網(wǎng)對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

管網(wǎng)特性曲線是一條二次拋物線，當(dāng)管網(wǎng)一定時(shí)，管網(wǎng)特性系數(shù)是一個(gè)定值。管網(wǎng)的阻力損失越大，管網(wǎng)特性系數(shù)越大，管網(wǎng)特性曲線越陡；管網(wǎng)的阻力損失越小，管網(wǎng)特性系數(shù)越小，管網(wǎng)特性曲線越平緩。風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中工作時(shí)，產(chǎn)生一定的風(fēng)量和一定的壓力。風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量必定等于管網(wǎng)中通過的風(fēng)量（沒有考慮管網(wǎng)的漏風(fēng)量），所產(chǎn)生的壓力必須與管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力損失相等，這樣才能達(dá)到平衡，保證風(fēng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定工作。風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作的點(diǎn)，為運(yùn)行工況點(diǎn)，它是由風(fēng)機(jī)的特性和管網(wǎng)的特性所決定的，它是風(fēng)機(jī)特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)。離心風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)特性曲線的關(guān)系如下圖1所示。

圖1 離心風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)特性曲線

在實(shí)際應(yīng)用過程中，有時(shí)用戶未對管網(wǎng)的流速、管徑、壓力降進(jìn)行綜合考量，造成管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理；有時(shí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)是合理的，但是用戶在實(shí)際施工過程中未按設(shè)計(jì)管網(wǎng)進(jìn)行施工，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)際情況確認(rèn)管徑，往往造成管網(wǎng)布局不合理，流速過快，壓力降過大。

由于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)是由離心風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)特性曲線共同決定的，如果管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，管網(wǎng)阻力過大，會使實(shí)際的管網(wǎng)特性曲線偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)下的管網(wǎng)特性曲線，比設(shè)計(jì)狀態(tài)下的管網(wǎng)特性曲線要陡，最終風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)向風(fēng)機(jī)曲線左邊偏移，實(shí)際供風(fēng)量不足，供氧量不足，不能滿足客戶需求。圖2為用戶現(xiàn)場的實(shí)際管路，管路中的實(shí)際流速為30 m/s，由于進(jìn)風(fēng)口管路中介質(zhì)流速過大，并且管路很長，造成風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口側(cè)阻力過大，風(fēng)機(jī)嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)狀態(tài)下的運(yùn)行工況點(diǎn)，最終導(dǎo)致供風(fēng)量不足，與之匹配的燃燒器燃燒不充分。

圖2 用戶現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)風(fēng)口管路

下圖3反應(yīng)了用戶現(xiàn)場局部管件設(shè)計(jì)的不合理，圖中標(biāo)識出來的混合裝置的當(dāng)量直徑小于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)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(shí)由于混合裝置當(dāng)量直徑過小，造成局部損失過大，增加了整個(gè)系統(tǒng)的阻力損失，影響了管網(wǎng)特性曲線，進(jìn)而影響了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)。

圖3 局部管件

2 進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)流速

2.1 進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)

進(jìn)口管道、管件應(yīng)盡量保證氣流均勻進(jìn)入葉輪，并使其能夠均勻地充滿葉輪進(jìn)口截面。因此進(jìn)口管路應(yīng)滿足：（1）進(jìn)風(fēng)口管路以平直管段為佳；（2）對于變截面進(jìn)風(fēng)口管路，盡量采用角度較小的漸擴(kuò)管。圖4~圖6是典型的進(jìn)風(fēng)口管路設(shè)計(jì)[4]。

（續(xù)上圖）

圖4 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和小直徑管路的連接

圖5 推薦使用的進(jìn)風(fēng)口管路

圖6 雙進(jìn)風(fēng)口管路

原動機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，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(fēng)機(jī)出風(fēng)口排出。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口管路設(shè)計(jì)需避免過分的擴(kuò)大節(jié)、突然擴(kuò)大節(jié)、限制或束縛氣流的斷面、急轉(zhuǎn)彎或半徑很小的彎頭。風(fēng)機(jī)出風(fēng)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(cè)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(fēng)口的彎頭應(yīng)順向，不可采用逆向。

典型的出風(fēng)口管路設(shè)計(jì)如圖7所示[4]。

圖7 推薦使用的出風(fēng)口管路

2.2 管路經(jīng)濟(jì)流速

當(dāng)輸送流體的能力一定時(shí)，管徑大小直接影響經(jīng)濟(jì)效果。管徑小，介質(zhì)流速大，管路壓力降大，從而增加了流體輸送設(shè)備的動力操作費(fèi)用。反之，增大管徑，雖然動力費(fèi)用減少，但管路建造費(fèi)用卻增加。因此，為求得其矛盾的統(tǒng)一，設(shè)計(jì)上必須選擇合理管徑和經(jīng)濟(jì)流速。

綜合流速、管徑、壓力降三者之間的關(guān)系，對于煙道氣，煙道內(nèi)推薦流速3.0～6.0 m/s，管道內(nèi)推薦流速3.0～4.0 m/s；對于風(fēng)管，距風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)處推薦流速1.0～4.0 m/s，距風(fēng)機(jī)最近處推薦流速8.0～12 m/s；對于通風(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)作為流體輸送設(shè)備對于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，因此在管網(wǎng)設(shè)計(jì)完成后，用戶需將最詳細(xì)的參數(shù)告知風(fēng)機(jī)廠家，便于選出經(jīng)濟(jì)合理的風(fēng)機(jī)。在風(fēng)機(jī)選型時(shí)，用戶應(yīng)提供流量、壓力、溫度、介質(zhì)成分、海拔[6]、相對濕度等盡可能詳細(xì)的參數(shù)。風(fēng)機(jī)廠家應(yīng)根據(jù)用戶提供的參數(shù)來具體選擇一款適合的風(fēng)機(jī)，其中包括最高的效率、最佳的轉(zhuǎn)速、最佳的葉輪直徑、最佳的驅(qū)動方式，不能為用戶隨意選取一款通用的風(fēng)機(jī)。同時(shí)，在選擇風(fēng)機(jī)的時(shí)候還要考慮管網(wǎng)系統(tǒng)需要的調(diào)節(jié)范圍，結(jié)合風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式如進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門、出風(fēng)口風(fēng)門、變頻等來綜合確認(rèn)合適的風(fēng)機(jī)選型。下面圖8中的公式是風(fēng)機(jī)定律，從公式中可以看出，風(fēng)機(jī)的流量、壓力、功率、噪聲與風(fēng)機(jī)的葉輪直徑、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、介質(zhì)密度、介質(zhì)壓縮系數(shù)有關(guān)。如果用戶提供的是大流量，低壓力的工作參數(shù)，那么會選擇低轉(zhuǎn)速、寬葉輪、寬機(jī)殼的風(fēng)機(jī)；如果用戶提供的是小流量，高壓力的工作參數(shù)，那么會選擇高轉(zhuǎn)速、窄葉輪、窄機(jī)殼的風(fēng)機(jī)；對于同樣的風(fēng)量風(fēng)壓，如果介質(zhì)密度不同，那么選擇的風(fēng)機(jī)也不同；風(fēng)機(jī)選型時(shí)，也應(yīng)考慮用戶的特殊要求，如驅(qū)動方式要求，尺寸要求，噪聲要求，運(yùn)行維護(hù)的要求等等。當(dāng)有特殊要求時(shí)，最佳的風(fēng)機(jī)不一定是最合適的風(fēng)機(jī)，應(yīng)該綜合風(fēng)機(jī)的尺寸大小、效率高低、驅(qū)動方式、運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)方面來綜合考慮；另外，當(dāng)風(fēng)壓大于2 500 Pa時(shí)需考慮壓縮系數(shù)對風(fēng)機(jī)選型的影響。

圖8 風(fēng)機(jī)定律

由于介質(zhì)密度與介質(zhì)成分、介質(zhì)溫度、海拔高度、相對濕度有關(guān)，而密度的不同會直接影響風(fēng)機(jī)選型，因此用戶在提供風(fēng)機(jī)參數(shù)時(shí)，一定要明確介質(zhì)成分、運(yùn)行溫度、使用地點(diǎn)（海拔高度）、相對濕度。

4 結(jié)論與建議

管網(wǎng)設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，用戶在設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)一定要非常重視。同時(shí)，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)一定要結(jié)合具體使用地點(diǎn)的實(shí)際環(huán)境，保證管網(wǎng)在實(shí)際布置過程中不改動或改動最小。管網(wǎng)安裝過程中，管路安裝工程師應(yīng)該嚴(yán)格按照管網(wǎng)的設(shè)計(jì)來施工，不能隨意改動。管網(wǎng)布置要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范，科學(xué)布置，避免彎頭的連續(xù)出現(xiàn)。管道內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速的確定十分重要，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)不能簡單的查手冊規(guī)范中相關(guān)表格的數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合介質(zhì)的實(shí)際情況，綜合流速、管徑、壓力降三者之間的關(guān)系，合理確定介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)流速，最終使管網(wǎng)的設(shè)計(jì)在保證使用效果的前提下，盡量降低初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

風(fēng)機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的流體輸送設(shè)備，非常重要，用戶一定要提供盡可能詳細(xì)的參數(shù)以及需要調(diào)節(jié)的范圍。風(fēng)機(jī)廠家需結(jié)合風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式為客戶選擇最優(yōu)的風(fēng)機(jī)方案，包括最高的效率、最佳的轉(zhuǎn)速、最佳的葉輪直徑、最佳的驅(qū)動方式等，使用戶要求的工作點(diǎn)落盡量在風(fēng)機(jī)的最佳工作范圍內(nèi)。從風(fēng)機(jī)的長期運(yùn)行來看，這樣可以使風(fēng)機(jī)的初始投資和日常運(yùn)行成本降到最低。

[1]商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]續(xù)魁昌，王洪強(qiáng)，蓋京方.風(fēng)機(jī)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]樂庚熙.風(fēng)機(jī)技術(shù)知識問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]李慧玲.風(fēng)機(jī)布置及管道設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì)，2015（3）：41-43.

[5]楊成偉.工藝管道經(jīng)濟(jì)流速的研究[J].化工設(shè)計(jì)，2011（4）：1-7.

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