錢勇 于躍平 黃文俊 朱曉農(nóng)/合肥通用機(jī)械研究院

孔板流量計(jì)引起風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓損與能耗增加的計(jì)算分析

錢勇 于躍平 黃文俊 朱曉農(nóng)/合肥通用機(jī)械研究院

0　引言

流量是決定風(fēng)機(jī)基本氣動(dòng)特性的重要參數(shù)之一，無論開展風(fēng)機(jī)基本模型級(jí)研究、整機(jī)出廠試驗(yàn)，還是風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測均離不開對(duì)風(fēng)機(jī)流量進(jìn)行測量，另外對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行點(diǎn)流量測量與設(shè)計(jì)點(diǎn)比較，是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)熱力與氣動(dòng)性能優(yōu)劣的基本手段。因此，流量測量與監(jiān)控還是風(fēng)機(jī)機(jī)組長周期安全運(yùn)行的必要保證與能耗評(píng)價(jià)手段。

在眾多流量測量元件中，孔板流量計(jì)因節(jié)流件世界通用，且具有使用前無需實(shí)流校準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)單相及部分混相流、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，在風(fēng)機(jī)試驗(yàn)研究與工業(yè)運(yùn)行中被廣泛應(yīng)用，尤其在鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等應(yīng)用場合。

孔板流量測量及對(duì)機(jī)組的影響，目前有文獻(xiàn)資料主要研究計(jì)量附加誤差［1］、進(jìn)口溫度、壓力、分子量發(fā)生變化時(shí)流量的補(bǔ)償及對(duì)防喘振計(jì)算方法探討［2-3］等問題，但孔板引起風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)口壓力損失與機(jī)組能耗影響尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文結(jié)合筆者完成的工程實(shí)例，通過不同進(jìn)口流量時(shí)，孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增的分析，計(jì)算節(jié)流孔板引起風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)口壓力和風(fēng)機(jī)功耗的增加，為從事風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)行的同行提供借鑒，也為開展流體設(shè)備降低能耗、系統(tǒng)節(jié)能提供新思路。

1　節(jié)流孔板對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)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(shí)的流量，這種測量方法是以能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的［4］。

孔板節(jié)流裝置通過測量孔板前后壓差計(jì)算流量，流量與壓差關(guān)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(jì)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(shí)，經(jīng)節(jié)流后氣體靜焓仍回到原值，但熵增大，對(duì)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(jī)組等熵壓縮升壓進(jìn)入輸入管路元件或設(shè)備等，對(duì)機(jī)組來說，孔板節(jié)流引起機(jī)組有效功增加如下：

式中，ΔH為增加的有效功，kJ/kg；hc為風(fēng)機(jī)前有節(jié)流孔板時(shí)，氣體等熵壓縮至出口壓力pc對(duì)應(yīng)的焓值，kJ/kg；hc為風(fēng)機(jī)前無節(jié)流孔板時(shí)，氣體等熵壓縮至出氣壓力；pc為對(duì)應(yīng)的焓值，kJ/kg；

pc為風(fēng)機(jī)出口壓力，Pa。

當(dāng)工作介質(zhì)為理想氣體時(shí)，風(fēng)機(jī)壓縮過程為可逆絕熱，孔板節(jié)流引起機(jī)組有效功增加可按公式（5）計(jì)算：

2　算例分析

本文計(jì)算分析工程實(shí)例系為臺(tái)灣某化工廠設(shè)計(jì)制造的硫磺制酸離心鼓風(fēng)機(jī)，該鼓風(fēng)機(jī)為硫磺焚燒及轉(zhuǎn)化提供所需空氣，由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，于2014年投入工業(yè)使用。

鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口流量788Nm3/min，總壓比1.65，進(jìn)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(jìn)、出口葉片數(shù)19，葉輪進(jìn)口直徑482㎜，葉輪葉片進(jìn)口平均直徑401mm，葉片進(jìn)口寬度99.5mm，葉片法向厚度12㎜。

鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口孔板流量計(jì)為防喘系統(tǒng)的一部分，孔板按文獻(xiàn)［5］要求設(shè)計(jì)與安裝。

根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)參數(shù)，可計(jì)算出進(jìn)口管路中配置的孔板所導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力相對(duì)損失（pu-pd）/pu，見表1。

表1　風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力損失計(jì)算表

從表1中可以看出，設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口壓力相對(duì)損失近10％，最小點(diǎn)近3％，最大點(diǎn)近18％，隨流量的增加相對(duì)壓力損失變化如圖1所示。

由于進(jìn)氣壓力不大，流體可按理想氣體處理，即風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度可認(rèn)為不變，但進(jìn)口孔板節(jié)流對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力的影響不容忽略，因此，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以高度注意。

孔板節(jié)流引起風(fēng)機(jī)消耗有效功增加，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　節(jié)流孔板帶來的風(fēng)機(jī)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(jì)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(shè)計(jì)點(diǎn)約21％。

3　結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)不同進(jìn)口流量時(shí)孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增分析，計(jì)算節(jié)流孔板引起風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行點(diǎn)的進(jìn)口壓力和風(fēng)機(jī)消耗有效功的增加，得到如下結(jié)論：

1）從計(jì)算結(jié)果看，設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口壓力相對(duì)損失近10％，最小點(diǎn)近3％，最大點(diǎn)近18％，這是由于孔板產(chǎn)生的渦流所致［6］。因此，在配置了進(jìn)口孔板的應(yīng)用場合中，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮孔板節(jié)流對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力的影響；

2）孔板節(jié)流引起風(fēng)機(jī)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(jì)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(shè)計(jì)點(diǎn)約21％；

4）孔板節(jié)流元件雖然簡單易制造，但流阻較大，會(huì)增大風(fēng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測量天然氣流量計(jì)量附加誤差分析［J］.中國計(jì)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(jì)的誤差補(bǔ)償［J］.計(jì)量裝置及應(yīng)用，2004，14（4）∶40-42.

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

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

［5］全國風(fēng)機(jī)標(biāo)委會(huì).GB/T1236-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)［S］.國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2001.

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

■分析引起風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力損失與風(fēng)機(jī)能耗增加的基本原理及相關(guān)算式，發(fā)現(xiàn)孔板流量計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力有明顯的影響；結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)點(diǎn)孔板流量計(jì)引起進(jìn)口壓力相對(duì)損失近10％，功耗增加約21％。因此，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮孔板流量計(jì)的影響，否則將不能滿足性能要求，本文對(duì)配置孔板流量計(jì)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

■孔板流量計(jì)；進(jìn)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