(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

通風(fēng)除塵管網(wǎng)設(shè)計(jì)中其計(jì)算部分主要包括[1]：根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用假定流速法計(jì)算管網(wǎng)中各個(gè)管段的斷面尺寸、流速和管道阻力；對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算后的并聯(lián)管路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平衡計(jì)算，使節(jié)點(diǎn)的阻力達(dá)到平衡(對(duì)于除塵管網(wǎng)要求：主管段阻力與支管段阻力相差不超過10%)。在實(shí)際工程中采用人工的方法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與平衡計(jì)算十分困難，尤其在結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，抽風(fēng)點(diǎn)多、分支管路多的大型通風(fēng)除塵管網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算中，極易出現(xiàn)計(jì)算上的錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)記載的偏差。并聯(lián)管路節(jié)點(diǎn)阻力不平衡易導(dǎo)致風(fēng)量不平衡，出現(xiàn)部分抽風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量偏小或偏大等問題。目前，對(duì)抽風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量不足的管網(wǎng)改造工程中常采用增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量或者將部分管網(wǎng)進(jìn)行更換的方法。增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量，能耗將會(huì)大幅增加；而更換部分管網(wǎng)會(huì)加大資金投入。因此在整個(gè)管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，保證節(jié)點(diǎn)的阻力平衡是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

已有國內(nèi)外學(xué)者對(duì)管網(wǎng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，例如：Sineglazov等[2]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)潔凈室通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)，在通風(fēng)設(shè)備選型上進(jìn)行優(yōu)化；Lin等[3]開發(fā)出計(jì)算機(jī)輔助通風(fēng)與除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，能快速完成通風(fēng)除塵的輔助計(jì)算，并可利用數(shù)據(jù)庫與Excel的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理[4-5]；趙長升[6]在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加入了與CAD部分的連接，在繪圖上減少了不必要的重復(fù)性。Excel與CAD連接可實(shí)現(xiàn)快速批量出圖等功能，提高設(shè)計(jì)效率[7-8]。目前利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行通風(fēng)除塵管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便計(jì)算，在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的阻力平衡軟件設(shè)計(jì)涉及較少。在管網(wǎng)阻力平衡方式上目前常用的是在通風(fēng)除塵管網(wǎng)中增設(shè)調(diào)節(jié)閥[9-11]，但調(diào)節(jié)閥的使用會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流體發(fā)生偏流現(xiàn)象進(jìn)而加劇管網(wǎng)的磨損。近年來，對(duì)阻力平衡器的研究有效地解決了阻力調(diào)節(jié)時(shí)流體的偏流問題[12-14]，但其自身阻力不可調(diào)節(jié)問題突出，一旦管網(wǎng)阻力發(fā)生變化該阻力平衡器將被廢棄。

基于上述分析，本文對(duì)現(xiàn)有阻力平衡器阻力不可調(diào)問題進(jìn)行改進(jìn)以避免管網(wǎng)阻力發(fā)生變化時(shí)阻力平衡器的整體更換，并利用VB對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算進(jìn)行軟件開發(fā)，以解決計(jì)算繁雜等問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖紙繪制方面軟件與CAD、Excel相互通訊。

1 平衡計(jì)算及其改進(jìn)方案

平衡計(jì)算主要對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算節(jié)點(diǎn)阻力差超過10%的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行阻力平衡。設(shè)計(jì)計(jì)算采用假定流速法計(jì)算各個(gè)管段的斷面尺寸、管內(nèi)流速，進(jìn)而由阻力計(jì)算式計(jì)算出各個(gè)管道阻力。假定流速法計(jì)算式為

式中：D為管徑，mm；qv為設(shè)計(jì)風(fēng)量，m3/h；v為管內(nèi)流體速度，m/s。

1)平衡計(jì)算原理

管網(wǎng)中的阻力主要由局部阻力和摩擦阻力共同構(gòu)成。摩擦阻力ΔPm計(jì)算式和局部阻力ΔPd計(jì)算式分別為：

式中：Rm為單位長度摩擦阻力，Pa/m；L為管長，m；ζ為局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3。

2)平衡調(diào)節(jié)方法

管徑調(diào)節(jié)計(jì)算式為

式中：D′為調(diào)整后的管徑，mm；Δp為主管段阻力，Pa；Δp′為支管段阻力，Pa。得出修改過后的支管管徑后，再按下式計(jì)算此時(shí)的阻力值。

式中：Δp″為調(diào)整后的管段阻力，Pa。管徑調(diào)節(jié)的具體方法為減小支管管徑以增加流速從而使摩擦阻力和流體流經(jīng)局部管件所產(chǎn)生的局部阻力發(fā)生變化，以此來調(diào)節(jié)阻力平衡。

增設(shè)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)旨在增加局部阻力使節(jié)點(diǎn)阻力平衡。局部阻力的增加主要通過對(duì)式(3)中局部阻力系數(shù)ζ的增加來實(shí)現(xiàn)。本文通過增設(shè)插板閥和可調(diào)孔板式阻力平衡器的方法，增加局部阻力調(diào)節(jié)阻力平衡。

3)改進(jìn)方案

針對(duì)大部分阻力平衡器阻力不可調(diào)的問題，本文設(shè)計(jì)如圖1所示的可調(diào)孔板式阻力平衡器，通過更換不同孔徑比的孔板插件的方式進(jìn)行阻力平衡調(diào)節(jié)。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Fluent軟件對(duì)不同孔徑比的孔板插件進(jìn)行模擬。由于管網(wǎng)調(diào)節(jié)阻力大部分分布在幾十Pa至幾百Pa，分別對(duì)孔板插件孔徑比(r/R)從0.7至0.92的阻力平衡器進(jìn)行模擬，并計(jì)算出不同孔徑比的孔板插件所對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù),用于孔板選型。表1為不同孔徑比的孔板插件局部阻力系數(shù)。

表1 各孔徑比的局部阻力系數(shù)Tab.1 Structure diagram of local resistance coefficient of each aperture ratio

2 通風(fēng)除塵管網(wǎng)計(jì)算軟件開發(fā)

2.1 技術(shù)路線

圖1所示為軟件開發(fā)的技術(shù)路線。其步驟大致如下：首先根據(jù)廠房的布置要求和設(shè)計(jì)參數(shù)確定管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在Excel表格中編制CAD腳本文件并在CAD中繪制出大致的管網(wǎng)系統(tǒng)圖，隨后由設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算，進(jìn)而利用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)初始Excel表格中編制的CAD腳本文件進(jìn)行標(biāo)注。由此得到較為準(zhǔn)確的管網(wǎng)系統(tǒng)圖。

2.2 方案實(shí)現(xiàn)

軟件主要解決通風(fēng)除塵管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算中繁雜、數(shù)據(jù)記載的困難以及并聯(lián)管路節(jié)點(diǎn)的阻力平衡問題。因此，將軟件劃分為兩個(gè)模塊，分別為設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算，采用Microsoft Access軟件建立數(shù)據(jù)庫與VB語言連接進(jìn)行程序開發(fā)，使用VB中的實(shí)用控件與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的記載、儲(chǔ)存和管理等。

功能設(shè)計(jì)計(jì)算模塊計(jì)算各管段的斷面尺寸、管內(nèi)流速和管道阻力。具體方案：根據(jù)管內(nèi)粉塵特性和管段的水平或豎直布置確定管內(nèi)最低風(fēng)速v，由設(shè)計(jì)風(fēng)量qv采用假定流速法計(jì)算出大致管徑，根據(jù)風(fēng)管統(tǒng)一規(guī)格對(duì)管徑取整來確定各個(gè)管段管徑，再根據(jù)取整后的管徑求出實(shí)際流速。

由管徑和流速計(jì)算結(jié)果對(duì)其單位長度摩擦阻力Rm進(jìn)行查詢并計(jì)算出該管段的摩擦阻力，根據(jù)所流過的管件局部阻力系數(shù)計(jì)算出局部阻力，摩擦阻力和局部阻力之和為管道阻力。圖3為局部管件(三通、彎管等)的局部阻力系數(shù)ζ查詢界面。

圖1 可調(diào)孔板式阻力平衡器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Adjustable orifice plate resistance balancer

圖2 除塵管網(wǎng)軟件開發(fā)的技術(shù)路線圖Fig.2 Technical road map for software development of dust removal networks

圖3 局部阻力系數(shù)查詢界面Fig.3 Query interface of local resistance coefficient

設(shè)計(jì)計(jì)算整體模塊界面如圖4。

圖4 管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算界面Fig.4 Pipe network design calculation interface

平衡計(jì)算是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校核，判斷主管段與支管段的阻力差是否超過10%，對(duì)超過10%的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。軟件設(shè)計(jì)中采用3種平衡的方式：改變支管的管徑；增設(shè)插板閥；設(shè)置可調(diào)孔板式阻力平衡器。

增設(shè)插板閥的具體方案：依據(jù)插板閥開度大小確定所增加的局部阻力系數(shù)，由式(3)求出局部阻力的增加值，再與原支管阻力相加后同主管段阻力進(jìn)行比較。若主管段與支管段阻力差小于主管段的10%，則達(dá)到阻力平衡要求；若大于10%，則繼續(xù)調(diào)節(jié)開度。圖5所示為平衡計(jì)算中的支管管徑調(diào)節(jié)和插板閥開度調(diào)節(jié)界面。

圖5 管徑調(diào)節(jié)和插板閥開度調(diào)節(jié)平衡計(jì)算界面Fig.5 Interface diagram of pipe diameter adjustment and valve opening balance calculation

可調(diào)孔板式阻力平衡器的具體設(shè)置方案為：利用主管段與支管段阻力差值采用式(3)反推出所需增加的局部阻力系數(shù)，參考不同孔徑比的孔板插件模擬結(jié)果選擇與其接近的孔板插件。圖6為可調(diào)孔板式阻力平衡器平衡計(jì)算界面。

圖6 阻力平衡器平衡計(jì)算界面Fig.6 Interface diagram of the balance calculation of the resistance balancer

3 工程應(yīng)用案例

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

某通風(fēng)除塵系統(tǒng)為負(fù)壓除塵，有3個(gè)抽風(fēng)點(diǎn)。系統(tǒng)的主要組成包含1臺(tái)風(fēng)機(jī)，1臺(tái)水膜除塵器及除塵風(fēng)管。表2為管網(wǎng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 管網(wǎng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main design parameters of pipe network

3.2 案例設(shè)計(jì)

3.2.1 初始腳本文件的編寫

首先在Excel表格中編制能繪制整個(gè)除塵管網(wǎng)大致系統(tǒng)圖的CAD腳本文件，并在CAD中繪制出管網(wǎng)系統(tǒng)圖。管網(wǎng)系統(tǒng)圖的CAD腳本文件如表3所示。

表3 管網(wǎng)系統(tǒng)圖的CAD腳本文件Tab.3 CAD script file of pipe network system diagram

將表3所示的腳本文件導(dǎo)入CAD中得到整個(gè)除塵管網(wǎng)的大致系統(tǒng)圖，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，如圖7。

圖7 除塵管網(wǎng)的大致系統(tǒng)圖Fig.7General system diagram of dust removal pipe network

3.2.2 計(jì)算及分析

1)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)假定流速法由設(shè)計(jì)參數(shù)中各抽風(fēng)點(diǎn)的抽風(fēng)量根據(jù)假定流速法先計(jì)算出整個(gè)管網(wǎng)的大致結(jié)構(gòu)，再由圖4所示的界面中進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

(1)確認(rèn)除塵管網(wǎng)工作狀態(tài)下的參數(shù)(溫度等)、粉塵的特性(輕礦物粉塵還是重礦物粉塵)以及該管段的布置方式(水平或豎直)；

(2)根據(jù)各個(gè)管段初始參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，將設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果(包括各管段管徑、阻力、風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)量偏差率等)保存到數(shù)據(jù)庫中。

設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Result of design calculation

2)平衡計(jì)算及分析

采用設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)阻力差進(jìn)行分析，判斷節(jié)點(diǎn)2、3是否存在平衡問題。對(duì)于不平衡的節(jié)點(diǎn)，可分別用本文中的3種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(1)管徑調(diào)節(jié)

判斷節(jié)點(diǎn)2、3的主管段的壓力和支管段的壓力是否平衡。若不平衡率大于10%，采用調(diào)整支管管徑的方法使節(jié)點(diǎn)的阻力差平衡，管徑依式(4)和(5)進(jìn)行計(jì)算。表5為管徑調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)的不平衡情況。

表5 管徑調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.5 Data of pipe diameter adjustment

表5中2、3的不平衡率分別為26.714%、8.784%，所以節(jié)點(diǎn)2需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。將與節(jié)點(diǎn)2連接的支管管徑由240 mm改為220 mm后，不平衡率降為8%，即達(dá)到平衡。

(2)插板閥開度調(diào)節(jié)

判斷節(jié)點(diǎn)2、3的平衡率是否超過10%，對(duì)不平衡的節(jié)點(diǎn)在其支管處增設(shè)插板閥，通過改變閥門的開度進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的阻力平衡調(diào)節(jié)。表6為插板閥開度調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)的不平衡情況。

表6 插板閥開度調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.6 Data of plug board valve opening adjustment

表6中將節(jié)點(diǎn)2支管處的插板閥的開度調(diào)為整個(gè)開度的0.8左右后，不平衡率為2.973%，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)設(shè)置可調(diào)孔板式阻力平衡器

判斷節(jié)點(diǎn)2、3是否平衡，對(duì)不平衡的節(jié)點(diǎn)支管處設(shè)置可調(diào)孔板式阻力平衡器，并進(jìn)行孔板插件的選擇。表7為可調(diào)孔板式平衡器調(diào)節(jié)后的節(jié)點(diǎn)不平衡率情況。

由表7中將節(jié)點(diǎn)2支管處的設(shè)置可調(diào)孔板式阻力平衡器后，選擇孔徑比為0.9的孔板插件，可使不平衡率可控在0.44%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 可調(diào)孔板式阻力平衡器調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.7 Data of adjustable orifice plate resistance balancer adjustment

3.2.3 對(duì)初始結(jié)構(gòu)的修訂

運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)初始Excel編制的CAD腳本文件進(jìn)行標(biāo)注，再繪制整個(gè)除塵管網(wǎng)系統(tǒng)圖。表8為管徑標(biāo)注腳本文件。圖8為由改進(jìn)過后的腳本文件繪制出的除塵管網(wǎng)系統(tǒng)圖。

表8 管徑標(biāo)注腳本文件Tab.8 Script file of pipe diameter annotation

圖8 標(biāo)注過后的管網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.8 System diagram of modified pipe network

本案例從Excel編寫繪制管網(wǎng)的系統(tǒng)圖CAD腳本文件開始，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算和平衡計(jì)算，再利用計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)初始的Excel表格中的腳本進(jìn)行標(biāo)注，使得設(shè)計(jì)出的通風(fēng)除塵系統(tǒng)更為精確。平衡計(jì)算中的3種調(diào)節(jié)方案均可使節(jié)點(diǎn)2的阻力差小于10%，且表格所記載和輸出的每一管段的管徑、阻力值、管內(nèi)風(fēng)速等數(shù)據(jù)一目了然。

4 結(jié) 論

通過管徑調(diào)節(jié)、閥門的開度調(diào)節(jié)以及設(shè)置可調(diào)孔板式阻力平衡器措施對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行阻力平衡，采用VB對(duì)通風(fēng)除塵管網(wǎng)阻力平衡計(jì)算進(jìn)行軟件開發(fā)，得如下結(jié)論：

1)管徑調(diào)節(jié)、閥門調(diào)節(jié)和設(shè)置阻力平衡器等方法可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的平衡計(jì)算，該調(diào)節(jié)方法只需要將風(fēng)量進(jìn)行重新分配，不用改變總的設(shè)計(jì)風(fēng)量，也不用更換設(shè)備，平衡后的除塵管網(wǎng)，較以前的增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量或?qū)⒐芫W(wǎng)進(jìn)行改造而言，不僅可以保證除塵效果，達(dá)到環(huán)保要求，還能節(jié)約成本，降低能耗；

2)在可調(diào)孔板式阻力平衡器設(shè)計(jì)中，采用CFD對(duì)其進(jìn)行仿真，計(jì)算出不同孔徑比下孔板插件的局部阻力系數(shù)，可為設(shè)計(jì)人員在阻力平衡器的孔板插件上的選擇帶來參考；

3)本設(shè)計(jì)的通風(fēng)除塵管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算與平衡計(jì)算軟件具有方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)；

4)利用該軟件與CAD和Excel相互通訊，在繪制除塵管網(wǎng)的系統(tǒng)圖上形成一個(gè)回路，將平衡計(jì)算的結(jié)果實(shí)時(shí)地反應(yīng)在系統(tǒng)圖上，大大提高了設(shè)計(jì)效率。