通风除尘管网阻力平衡系统的改进及平衡计算软件开发

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)

通风除尘管网设计中其计算部分主要包括[1]：根据设计参数进行设计计算，采用假定流速法计算管网中各个管段的断面尺寸、流速和管道阻力；对设计计算后的并联管路节点进行平衡计算，使节点的阻力达到平衡(对于除尘管网要求：主管段阻力与支管段阻力相差不超过10%)。在实际工程中采用人工的方法对管网进行设计计算与平衡计算十分困难，尤其在结构布局复杂，抽风点多、分支管路多的大型通风除尘管网系统的计算中，极易出现计算上的错误和数据记载的偏差。并联管路节点阻力不平衡易导致风量不平衡，出现部分抽风点风量偏小或偏大等问题。目前，对抽风点风量不足的管网改造工程中常采用增大风机风量或者将部分管网进行更换的方法。增大风机风量，能耗将会大幅增加；而更换部分管网会加大资金投入。因此在整个管网设计时，保证节点的阻力平衡是设计的关键。

已有国内外学者对管网计算机辅助设计进行研究，例如：Sineglazov等[2]利用计算机辅助设计洁净室通风与空调系统，在通风设备选型上进行优化；Lin等[3]开发出计算机辅助通风与除尘系统设计的软件，能快速完成通风除尘的辅助计算，并可利用数据库与Excel的连接实现数据储存和管理[4-5]；赵长升[6]在利用计算机进行通风除尘系统的设计中，加入了与CAD部分的连接，在绘图上减少了不必要的重复性。Excel与CAD连接可实现快速批量出图等功能，提高设计效率[7-8]。目前利用计算机进行通风除尘管网辅助设计主要实现简便计算，在管网设计中关键的阻力平衡软件设计涉及较少。在管网阻力平衡方式上目前常用的是在通风除尘管网中增设调节阀[9-11]，但调节阀的使用会导致管内流体发生偏流现象进而加剧管网的磨损。近年来，对阻力平衡器的研究有效地解决了阻力调节时流体的偏流问题[12-14]，但其自身阻力不可调节问题突出，一旦管网阻力发生变化该阻力平衡器将被废弃。

基于上述分析，本文对现有阻力平衡器阻力不可调问题进行改进以避免管网阻力发生变化时阻力平衡器的整体更换，并利用VB对管网的设计计算和平衡计算进行软件开发，以解决计算繁杂等问题，同时实现图纸绘制方面软件与CAD、Excel相互通讯。

1 平衡计算及其改进方案

平衡计算主要对设计计算节点阻力差超过10%的节点进行阻力平衡。设计计算采用假定流速法计算各个管段的断面尺寸、管内流速，进而由阻力计算式计算出各个管道阻力。假定流速法计算式为

式中：D为管径，mm；qv为设计风量，m3/h；v为管内流体速度，m/s。

1)平衡计算原理

管网中的阻力主要由局部阻力和摩擦阻力共同构成。摩擦阻力ΔPm计算式和局部阻力ΔPd计算式分别为：

式中：Rm为单位长度摩擦阻力，Pa/m；L为管长，m；ζ为局部阻力系数；ρ为流体密度，kg/m3。

2)平衡调节方法

管径调节计算式为

式中：D′为调整后的管径，mm；Δp为主管段阻力，Pa；Δp′为支管段阻力，Pa。得出修改过后的支管管径后，再按下式计算此时的阻力值。

式中：Δp″为调整后的管段阻力，Pa。管径调节的具体方法为减小支管管径以增加流速从而使摩擦阻力和流体流经局部管件所产生的局部阻力发生变化，以此来调节阻力平衡。

增设调节阀调节旨在增加局部阻力使节点阻力平衡。局部阻力的增加主要通过对式(3)中局部阻力系数ζ的增加来实现。本文通过增设插板阀和可调孔板式阻力平衡器的方法，增加局部阻力调节阻力平衡。

3)改进方案

针对大部分阻力平衡器阻力不可调的问题，本文设计如图1所示的可调孔板式阻力平衡器，通过更换不同孔径比的孔板插件的方式进行阻力平衡调节。采用计算流体动力学Fluent软件对不同孔径比的孔板插件进行模拟。由于管网调节阻力大部分分布在几十Pa至几百Pa，分别对孔板插件孔径比(r/R)从0.7至0.92的阻力平衡器进行模拟，并计算出不同孔径比的孔板插件所对应的局部阻力系数,用于孔板选型。表1为不同孔径比的孔板插件局部阻力系数。

表1 各孔径比的局部阻力系数Tab.1 Structure diagram of local resistance coefficient of each aperture ratio

2 通风除尘管网计算软件开发

2.1 技术路线

图1所示为软件开发的技术路线。其步骤大致如下：首先根据厂房的布置要求和设计参数确定管网结构，在Excel表格中编制CAD脚本文件并在CAD中绘制出大致的管网系统图，随后由设计参数进行设计计算和平衡计算，进而利用所产生的数据对初始Excel表格中编制的CAD脚本文件进行标注。由此得到较为准确的管网系统图。

2.2 方案实现

软件主要解决通风除尘管网的设计计算和平衡计算中繁杂、数据记载的困难以及并联管路节点的阻力平衡问题。因此，将软件划分为两个模块，分别为设计计算和平衡计算，采用Microsoft Access软件建立数据库与VB语言连接进行程序开发，使用VB中的实用控件与数据库进行连接，实现对计算所产生数据的记载、储存和管理等。

功能设计计算模块计算各管段的断面尺寸、管内流速和管道阻力。具体方案：根据管内粉尘特性和管段的水平或竖直布置确定管内最低风速v，由设计风量qv采用假定流速法计算出大致管径，根据风管统一规格对管径取整来确定各个管段管径，再根据取整后的管径求出实际流速。

由管径和流速计算结果对其单位长度摩擦阻力Rm进行查询并计算出该管段的摩擦阻力，根据所流过的管件局部阻力系数计算出局部阻力，摩擦阻力和局部阻力之和为管道阻力。图3为局部管件(三通、弯管等)的局部阻力系数ζ查询界面。

图1 可调孔板式阻力平衡器结构示意图Fig.1 Adjustable orifice plate resistance balancer

图2 除尘管网软件开发的技术路线图Fig.2 Technical road map for software development of dust removal networks

图3 局部阻力系数查询界面Fig.3 Query interface of local resistance coefficient

设计计算整体模块界面如图4。

图4 管网设计计算界面Fig.4 Pipe network design calculation interface

平衡计算是对节点进行校核，判断主管段与支管段的阻力差是否超过10%，对超过10%的节点进行调整。软件设计中采用3种平衡的方式：改变支管的管径；增设插板阀；设置可调孔板式阻力平衡器。

增设插板阀的具体方案：依据插板阀开度大小确定所增加的局部阻力系数，由式(3)求出局部阻力的增加值，再与原支管阻力相加后同主管段阻力进行比较。若主管段与支管段阻力差小于主管段的10%，则达到阻力平衡要求；若大于10%，则继续调节开度。图5所示为平衡计算中的支管管径调节和插板阀开度调节界面。

图5 管径调节和插板阀开度调节平衡计算界面Fig.5 Interface diagram of pipe diameter adjustment and valve opening balance calculation

可调孔板式阻力平衡器的具体设置方案为：利用主管段与支管段阻力差值采用式(3)反推出所需增加的局部阻力系数，参考不同孔径比的孔板插件模拟结果选择与其接近的孔板插件。图6为可调孔板式阻力平衡器平衡计算界面。

图6 阻力平衡器平衡计算界面Fig.6 Interface diagram of the balance calculation of the resistance balancer

3 工程应用案例

3.1 主要设计参数

某通风除尘系统为负压除尘，有3个抽风点。系统的主要组成包含1台风机，1台水膜除尘器及除尘风管。表2为管网的主要设计参数。

表2 管网主要设计参数Tab.2 Main design parameters of pipe network

3.2 案例设计

3.2.1 初始脚本文件的编写

首先在Excel表格中编制能绘制整个除尘管网大致系统图的CAD脚本文件，并在CAD中绘制出管网系统图。管网系统图的CAD脚本文件如表3所示。

表3 管网系统图的CAD脚本文件Tab.3 CAD script file of pipe network system diagram

将表3所示的脚本文件导入CAD中得到整个除尘管网的大致系统图，并对节点进行标注，如图7。

图7 除尘管网的大致系统图Fig.7General system diagram of dust removal pipe network

3.2.2 计算及分析

1)设计计算

根据假定流速法由设计参数中各抽风点的抽风量根据假定流速法先计算出整个管网的大致结构，再由图4所示的界面中进行设计计算。

(1)确认除尘管网工作状态下的参数(温度等)、粉尘的特性(轻矿物粉尘还是重矿物粉尘)以及该管段的布置方式(水平或竖直)；

(2)根据各个管段初始参数，进行设计计算，将设计计算的结果(包括各管段管径、阻力、风速、风量、风量偏差率等)保存到数据库中。

设计计算结果如表4。

表4 设计计算结果Tab.4 Result of design calculation

2)平衡计算及分析

采用设计计算结果对节点阻力差进行分析，判断节点2、3是否存在平衡问题。对于不平衡的节点，可分别用本文中的3种调节方式进行调节。

(1)管径调节

判断节点2、3的主管段的压力和支管段的压力是否平衡。若不平衡率大于10%，采用调整支管管径的方法使节点的阻力差平衡，管径依式(4)和(5)进行计算。表5为管径调节后节点的不平衡情况。

表5 管径调节数据Tab.5 Data of pipe diameter adjustment

表5中2、3的不平衡率分别为26.714%、8.784%，所以节点2需要进行调节。将与节点2连接的支管管径由240 mm改为220 mm后，不平衡率降为8%，即达到平衡。

(2)插板阀开度调节

判断节点2、3的平衡率是否超过10%，对不平衡的节点在其支管处增设插板阀，通过改变阀门的开度进行节点的阻力平衡调节。表6为插板阀开度调节后节点的不平衡情况。

表6 插板阀开度调节数据Tab.6 Data of plug board valve opening adjustment

表6中将节点2支管处的插板阀的开度调为整个开度的0.8左右后，不平衡率为2.973%，满足设计要求。

(3)设置可调孔板式阻力平衡器

判断节点2、3是否平衡，对不平衡的节点支管处设置可调孔板式阻力平衡器，并进行孔板插件的选择。表7为可调孔板式平衡器调节后的节点不平衡率情况。

由表7中将节点2支管处的设置可调孔板式阻力平衡器后，选择孔径比为0.9的孔板插件，可使不平衡率可控在0.44%，满足设计要求。

表7 可调孔板式阻力平衡器调节数据Tab.7 Data of adjustable orifice plate resistance balancer adjustment

3.2.3 对初始结构的修订

运用设计计算和平衡计算产生的数据对初始Excel编制的CAD脚本文件进行标注，再绘制整个除尘管网系统图。表8为管径标注脚本文件。图8为由改进过后的脚本文件绘制出的除尘管网系统图。

表8 管径标注脚本文件Tab.8 Script file of pipe diameter annotation

图8 标注过后的管网系统图Fig.8 System diagram of modified pipe network

本案例从Excel编写绘制管网的系统图CAD脚本文件开始，经过设计计算和平衡计算，再利用计算产生的数据对初始的Excel表格中的脚本进行标注，使得设计出的通风除尘系统更为精确。平衡计算中的3种调节方案均可使节点2的阻力差小于10%，且表格所记载和输出的每一管段的管径、阻力值、管内风速等数据一目了然。

4 结 论

通过管径调节、阀门的开度调节以及设置可调孔板式阻力平衡器措施对节点进行阻力平衡，采用VB对通风除尘管网阻力平衡计算进行软件开发，得如下结论：

1)管径调节、阀门调节和设置阻力平衡器等方法可以实现管网的平衡计算，该调节方法只需要将风量进行重新分配，不用改变总的设计风量，也不用更换设备，平衡后的除尘管网，较以前的增大风机风量或将管网进行改造而言，不仅可以保证除尘效果，达到环保要求，还能节约成本，降低能耗；

2)在可调孔板式阻力平衡器设计中，采用CFD对其进行仿真，计算出不同孔径比下孔板插件的局部阻力系数，可为设计人员在阻力平衡器的孔板插件上的选择带来参考；

3)本设计的通风除尘管网设计计算与平衡计算软件具有方便、快捷、准确的特点；

4)利用该软件与CAD和Excel相互通讯，在绘制除尘管网的系统图上形成一个回路，将平衡计算的结果实时地反应在系统图上，大大提高了设计效率。