摘要：為提高某專用應(yīng)急排風車的應(yīng)急響應(yīng)能力，設(shè)計了一種多風道吸風段部件，對使用新設(shè)計部件的應(yīng)急排風車進行了整機排風性能試驗，得到了不同的負壓設(shè)定下的風機響應(yīng)頻率、總排風量及管道截面多個測點的風速響應(yīng)。通過試驗數(shù)據(jù)擬合出了P-f （壓力-頻率）、P-Q （壓力-風量） 和f-Q （頻率-風量） 等經(jīng)驗公式，為后續(xù)應(yīng)急響應(yīng)提供了參數(shù)設(shè)定依據(jù)。同時，利用數(shù)值模擬方法結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得到了管道截面的風速分布云圖，為更準確的風量測試提供了新思路。試驗結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)可顯著提高系統(tǒng)的排風量及風速，取得了良好的優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急排風車；離心風機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；性能試驗

中圖分類號：U463 收稿日期：2022-12-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.021

1 前言

在現(xiàn)代工藝廠房中，常需要將產(chǎn)生的有害物質(zhì)加以收集和處理，從而改善生產(chǎn)現(xiàn)場的空氣質(zhì)量，保護操作人員的生命安全［1］。某些行業(yè)的大型廠房設(shè)施中建設(shè)有排風中心用于通風與空氣凈化［2］，但突發(fā)情況可能會導(dǎo)致排風中心失效，無法滿足安全防護需求，使操作人員暴露在極大的危險中。此情況下，應(yīng)急排風就顯得尤為關(guān)鍵。林曉玲等［3-4］對應(yīng)急排風緩解事故危害的效果進行了理論計算與試驗研究，結(jié)果表明，應(yīng)急排風對于緩解事故后果具有顯著作用，發(fā)生事故時，在條件允許的情況下，應(yīng)及時啟動應(yīng)急排風系統(tǒng)。

應(yīng)急排風對保障安全生產(chǎn)、防止災(zāi)難性事故發(fā)生具有重要意義，而應(yīng)急排風系統(tǒng)的工作性能又決定了應(yīng)急排風的效果。因此，有必要對如何使應(yīng)急排風系統(tǒng)充分發(fā)揮其工作性能這一問題進行研究。在此背景下，為提高某應(yīng)急排風車的應(yīng)急響應(yīng)能力，本文設(shè)計了一種多風道吸風段部件，并對排風車進行了整機排風性能試驗，相關(guān)結(jié)果對排風系統(tǒng)設(shè)計及風量測試計算具有一定的參考價值。

2 吸風段部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計對象的需求分析

排風系統(tǒng)的工作性能不僅與風機密切相關(guān)，接口結(jié)構(gòu)、風管等吸風段部件同樣是不可忽略的重要影響因素。因此，在風機等設(shè)備定型后，提高車載應(yīng)急排風系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)能力的重要手段就是對其吸風段部件進行優(yōu)化設(shè)計。針對某型應(yīng)急排風車無法實現(xiàn)電機滿頻運行，導(dǎo)致排風系統(tǒng)無法充分發(fā)揮其工作性能以及單一口徑風管無法實現(xiàn)多點排風等問題，本文設(shè)計了一種多風道吸風段部件。本設(shè)計部件面向的某型排風車如圖1所示。

現(xiàn)役吸風段部件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，根據(jù)前期應(yīng)急演練情況發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)役吸風段部件存在隱患和設(shè)計的不足，主要體現(xiàn)在：a. 無法實現(xiàn)電機滿頻運行，導(dǎo)致排風系統(tǒng)無法充分發(fā)揮其工作性能；b. 僅為單一口徑接口，無法實現(xiàn)多點排風的應(yīng)急響應(yīng)需求；c. 僅可通過變頻單一手段調(diào)節(jié)風量，無法在接口處手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式不夠便捷及多樣化。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

針對前述設(shè)計需求，本文設(shè)計的吸風段部件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，在接口截面上均布三個吸風口，每個風口上安裝特制翻板閥，閥門與接口工裝通過法蘭螺栓連接、橡膠墊密封，柔性風管通過快速卡箍與閥門連接。此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多點排風以及風量的變頻/閥門開度復(fù)合調(diào)節(jié)，同時通過快速卡箍還可實現(xiàn)風管與接口的快速拆裝，提高部署能力。

3 整車排風性能試驗研究

為驗證新設(shè)計部件的優(yōu)化效果，同時掌握新結(jié)構(gòu)下的車載排風系統(tǒng)工作性能，本文將新設(shè)計部件安裝至排風車，在三個接口上架設(shè)柔性風管20 m，利用熱線式風速儀進行了整機排風性能試驗，同時進行了原結(jié)構(gòu)性能試驗以供對比。測試得到了不同壓力設(shè)定下的電機頻率響應(yīng)、風量、風速等參數(shù)，試驗現(xiàn)場見圖4。

3.1 壓力-頻率響應(yīng)試驗結(jié)果

圖5 給出了壓力設(shè)定值分別為200 Pa、210 Pa、220 Pa、240 Pa、260 Pa、270 Pa、280 Pa、290 Pa 時的電機頻率響應(yīng)變化曲線。由圖5 可知，試驗啟機壓力為200 Pa，此時的電機頻率響應(yīng)為6 Hz，本次試驗得到新結(jié)構(gòu)下的極限參數(shù)為290 Pa，此時的電機頻率響應(yīng)為50 Hz，電機已經(jīng)滿頻運行，無法繼續(xù)增大參數(shù)。根據(jù)圖5 曲線反映出的規(guī)律，可將曲線分為兩個斜率不同的類線性段，線性范圍分別為200～240 Pa 和240～290 Pa。由于壓力設(shè)定在240 Pa 之后，電機頻率響應(yīng)開始顯著提升，因此，后續(xù)使用新接口工裝進行應(yīng)急響應(yīng)時，可將240 Pa 設(shè)定為啟機壓力，這樣可直接在線性范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)得到較大的排風量。

通過試驗數(shù)據(jù)得到了壓力-頻率的變化曲線，分別對曲線的兩個類線性段進行函數(shù)擬合，得到設(shè)定壓力與電機頻率響應(yīng)之間的函數(shù)表達式，如下式：

式中，P 為控制系統(tǒng)的設(shè)定壓力，Pa；f 為電機反饋頻率，Hz。

由式（1）可根據(jù)一個已知量求得另一變量值，方便應(yīng)急響應(yīng)時的參數(shù)設(shè)定及整機運行狀態(tài)判斷。

3.2 壓力-風量響應(yīng)試驗結(jié)果

圖6 所示為新結(jié)構(gòu)的三個風口在不同壓力設(shè)定下的風量響應(yīng)以及整機的總風量響應(yīng)。

由圖6 可知，三個風口在同一個壓力設(shè)定下的風量幾乎相同，極限參數(shù)（壓力290 Pa、頻率50 Hz）設(shè)定下的最大排風量為35 523 m3/h。單口風量響應(yīng)及系統(tǒng)總風量響應(yīng)的類線性變化范圍同樣可以240 Pa 為界分為兩段，與頻率響應(yīng)得到的分析結(jié)果相同。

通過試驗數(shù)據(jù)可擬合出壓力與風量之間的函數(shù)關(guān)系，單個風口排風量與設(shè)定壓力的函數(shù)表達式如下：

式中，P 為控制系統(tǒng)的設(shè)定壓力，Pa；Q 為風量，m3/h。

總排風量與壓力的函數(shù)表達式見式（3）：

式中，P 為控制系統(tǒng)的設(shè)定壓力，Pa；Q 為風量，m3/h。在后續(xù)演練及應(yīng)急響應(yīng)時，可根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場的實際情況判斷所需的排風點數(shù)及排風量，由上式直接求出設(shè)定壓力，再將求出的壓力值輸入控制系統(tǒng)面板，即可完成參數(shù)設(shè)定，使得應(yīng)急響應(yīng)速度大幅提升。

由于反映排風系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)是電機反饋的頻率，而車載排風系統(tǒng)的電機頻率會實時顯示在控制面板上，因此，在參數(shù)設(shè)置完成后，判斷排風系統(tǒng)是否滿足應(yīng)急需求的有效手段是監(jiān)控控制面板上的頻率反饋是否達標。聯(lián)合式（1）和式（3）即可得到總排風量與電機頻率的函數(shù)表達式：

式中，f 為電機反饋頻率，Hz；Q 為風量，m3/h。根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場所需的總排風量，由式（4）計算得到電機的運行頻率，通過對比計算頻率與控制面板上的顯示頻率即可判斷風機的運行狀態(tài)是否滿足應(yīng)急需求。

3.3 壓力-風速響應(yīng)試驗結(jié)果

新結(jié)構(gòu)在不同壓力設(shè)定下單個風口的風速響應(yīng)曲線如圖7 所示，試驗啟機參數(shù)（壓力200 Pa、頻率6 Hz）下，風管中心的風速為6.28 m/s，風管邊緣的風速為5.11 m/s；極限參數(shù)（壓力290 Pa、頻率50 Hz）下，風管中心的風速為34.97 m/s，風管邊緣的風速為33.4 m/s。與上文反映出的規(guī)律相同，風速同樣以240 Pa 為界分成兩個類線性段，由于應(yīng)急排風一般不對風速做要求，因此，此處不做定量分析，不進行函數(shù)擬合。

3.4 風速分布云圖

本文利用數(shù)值模擬的方法結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得到了吸風口的風速分布云圖，圖8 給出了P=290 Pa、f=50 Hz 工況下的風管截面風速分布云圖。由圖可知，風管中心處風速最高，由中心至邊緣逐漸降低，其他工況下的風速云圖展現(xiàn)出的規(guī)律與之相同，僅風速的具體數(shù)值不同，因此，本文不再給出。

4 風量計算方法

現(xiàn)行國家標準給出的風管風量測試方法是，根據(jù)風管截面形狀，選取特定點進行風速測量，再求得平均風速，再按下式計算得到風量Q［5］：

Q = 3600 × S × ν （5）

式中，Q 為風量，m3/h；S 為風管截面面積，m2；ν 為平均風速，m/s。

由式（5）可知，風管風量為其截面面積與截面風速之積。根據(jù)此原理，利用本文數(shù)值模擬得到的風管截面風速分布云圖，由邊緣至中心積分，即可得到比直接求均值更準確的風量。因此，本文的研究成果為特定場合下更準確的風量測試提供了一種新思路。

由于風量可由截面面積與截面風速之積求得，柱體體積可由底面積與柱體高之積求得，而截面風速分布云圖可看作一個曲頂柱體，因此，風量即為此曲頂柱體的體積，根據(jù)多元函數(shù)積分學［6］，曲頂柱體的體積可由二重積分求得，但多重積分計算較為復(fù)雜，對于本文討論的工況，可通過投影的方法將多重積分簡化為定積分進行計算，以本節(jié)給出的工況為例進行說明。首先將三維風速分布云圖投影至垂直于截面的平面上得到一條左右對稱的曲線，然后取曲線的一半旋轉(zhuǎn)90°，以風速為x軸，以風管截面坐標為y 軸，如圖9 所示。

經(jīng)過上述變換，以f（x）值為半徑，以dx 為高，對擬合得到的二維曲線由邊緣風速到中心風速進行積分，得到曲頂部分的體積，再加上曲頂柱體下半部規(guī)則圓柱體的體積，即可得到整個曲頂柱體的體積，也即風管截面的總風量，公式如下：

式中，Q 為風量，m3/h。

5 優(yōu)化效果分析

圖10 給出了改進前后的壓力-頻率優(yōu)化效果，由圖10 可得，新設(shè)計的部件可實現(xiàn)電機滿頻運行（50 Hz），而原部件的電機極限頻率僅為28 Hz，改進前后的工作曲線交匯點參數(shù)為257 Pa、20.4 Hz。改進后的部件可使車載排風系統(tǒng)充分發(fā)揮其性能，優(yōu)化效果明顯。

圖11 為不同設(shè)定壓力下的風量響應(yīng)優(yōu)化效果圖，

使用原部件時的最大排風量為29 400 m3/h，新設(shè)計部件可實現(xiàn)的最大排風量為35 523 m3/h，排風量提升了20.83%。排風系統(tǒng)整機出廠驗收時的風量為36 000 m3/h，

綜合考慮整套系統(tǒng)的各項損耗因素，可近似認為配套使用改進后的部件，能夠使排風系統(tǒng)發(fā)揮出其最大性能，改造方案取得了良好效果。

圖12 為不同設(shè)定壓力下的風速響應(yīng)優(yōu)化效果圖，原部件的最大風速為13.19 m/s，新制部件的最大風速為34.97 m/s。這是由于改進后的吸風段風管雖然直徑較小，但單個風道的風量較大，進而導(dǎo)致其風速顯著增大。風速的提高同時可增強應(yīng)急排風車的除塵效果。

新設(shè)計的多風道吸風部件對整機排風性能的優(yōu)化效果如表1 所示，極限頻率提升了78.57%，最大風量提升了20.83%，最大風速提升了165.13%，極大地提高了整機的排風性能，取得了顯著的優(yōu)化效果。

6 結(jié)語

a. 針對某應(yīng)急排風車設(shè)計了一種多風道吸風段部件，整機性能試驗結(jié)果表明，新設(shè)計部件可實現(xiàn)電機滿頻運行，使系統(tǒng)的最大排風量提高了20.83%。同時，新設(shè)計的部件還可實現(xiàn)多點排風以及風量的變頻與閥門開度復(fù)合調(diào)節(jié)。

b. 根據(jù)排風性能試驗數(shù)據(jù)，通過函數(shù)擬合的方法得到了P-f（壓力-頻率）、P-Q（壓力-風量）和f-Q（頻率-風量）等經(jīng)驗公式，為應(yīng)急響應(yīng)提供了機組參數(shù)設(shè)定依據(jù)。

c. 利用數(shù)值模擬方法結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得到了吸風口的風速分布云圖，通過坐標變換等方式提出了一種積分求解截面風量的方法，為更準確的風量測試計算提供了新的思路。

參考文獻：

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［6］盛海林高等數(shù)學［M］北京：科學出版社，2013

作者簡介：

閆崗，男，1995 年生，助理工程師，研究方向為通排風系統(tǒng)設(shè)計運維管理。