通過使用Flownex對垃圾處理中心通風(fēng)系統(tǒng)的局部管線進行模擬，對敞開式處理車間和封閉罐裝設(shè)備的環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)做出整體評估，并提出改進建議，同時對管線上的風(fēng)機選型提出明確要求。

 

1.研究目的

 

隨著國內(nèi)環(huán)境三廢處理規(guī)范要求越來越明細化，各種環(huán)保處理工藝可以說是百花齊放。但由于環(huán)保處理的對象具有極其復(fù)雜的來源，因此各種工藝和設(shè)備的處理效率仍需不斷提高。這里就針對有機質(zhì)固廢集中處理中心的敞開式處理車間（低濃度臭氣）和封閉罐裝設(shè)備（高濃度臭氣）的環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)做一個評估。

 

n  處理車間的臭氣產(chǎn)生量與處理廢棄物種類、處理量、停留時間有關(guān)，這種環(huán)境下空氣的換氣率指標是有相應(yīng)標準限定的。

 

n  對于封閉罐裝設(shè)備來說，高濃度臭氣的產(chǎn)量與種類、儲量、時間、壓力、溫度等參數(shù)相關(guān)。

 

有了這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以后，一般通風(fēng)系統(tǒng)的管道布置設(shè)計就可以開始了，同時可以進行風(fēng)機選型。

 

 

由于垃圾處理中心處理的種類隨著季節(jié)、處理量而變化，通風(fēng)系統(tǒng)需要隨之重新改造或升級。因此，對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的評估和改造是相關(guān)企業(yè)經(jīng)常面臨的事。

 

本文使用集成CFD程序的一維管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計軟件——Flownex，對垃圾處理中心的通風(fēng)管路系統(tǒng)的局部管線進行模擬，評估現(xiàn)有運行參數(shù)下每一個吸風(fēng)口的風(fēng)量，并提出改進建議，同時對管線上的風(fēng)機選型提出明確要求。

 

2.Flownex軟件簡介

 

Flownex是一款優(yōu)秀的一維管網(wǎng)系統(tǒng)熱流體設(shè)計、優(yōu)化軟件。

 

n  在電力、核能、化工、船舶、燃機、建筑、天然氣管網(wǎng)、航站樓飛機供油管路系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣泛的運用。

 

n  含有豐富的過流元件（圖1所示）（如管道、閥門、換熱器）、流動控制元件、動力元件（風(fēng)機、水泵、壓縮機、鍋爐、燃燒室、核電反應(yīng)堆等）、從動元件（汽輪機、渦輪、電機等）、輸配電系統(tǒng)和優(yōu)化設(shè)計模塊等。

 

n  豐富的外部接口可以耦合其他軟件，如ANSYS CFD/Mechanical、MATLAB/Simulink、RELAP、ROHR2、EES、Excel、OPC、Labview、MathCad等，以及其他數(shù)據(jù)文件如GIS、PCF(Autodesk inventor)、Cape-Open及用戶二次開發(fā)模塊等；也可以應(yīng)用于各種流體介質(zhì)（含兩相流、相變等）的管網(wǎng)系統(tǒng)評估。

 

圖1：Flownex界面示意圖

 

3.案例分析

 

通風(fēng)除臭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

 

通風(fēng)除臭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖2）由不同面積、標高的矩形風(fēng)管組成，每個進口都布置有格柵（圖3），進氣口支路上安裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，管路有3處位置布置了不同風(fēng)量的風(fēng)機。

 

圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖/圖3：吸風(fēng)口格柵

 

Flownex系統(tǒng)搭建

 

依據(jù)通風(fēng)除臭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建下圖（圖4）所示Flownex流動網(wǎng)絡(luò)。其中：

 

n  和②段為氣體出口，其余均為進氣風(fēng)口。

n  氣體由出口①匯總后進入吸收塔進行凈化（此案例未分析）。

n  邊界條件：①給定出口質(zhì)量流量Q=60000 m3/h，其余邊界均設(shè)置總壓為1 atm，溫度為25℃。

 

圖4：通風(fēng)除臭系統(tǒng)管路示意圖

 

系統(tǒng)管路中的主要部件——吸風(fēng)口格柵、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、軸流風(fēng)機、風(fēng)管等，分別在Flownex中的元件庫中獲得，如下（表1）所示。其中：

 

n  吸風(fēng)口格柵：由流阻元件與節(jié)流元件連接構(gòu)成，流阻曲線通過三維仿真結(jié)合數(shù)據(jù)擬合獲得。

 

n  風(fēng)量調(diào)節(jié)閥：選用蝶閥元件來表示，并通過調(diào)節(jié)閥門開角獲得對應(yīng)損失系數(shù)。

 

n  軸流風(fēng)機：軸流風(fēng)機特性曲線由實際風(fēng)機型號獲得。

 

n  風(fēng)管：方型通風(fēng)管道等效為圓管，采用Darcy-Weisbach公式計算流動損失：

 

n  粗糙度：基于“建筑行業(yè)設(shè)計手冊”，通風(fēng)管道粗糙度本文設(shè)定粗糙度為30μm。

 

表1：系統(tǒng)主要部件及其對應(yīng)Flownex元件

 

通風(fēng)除臭系統(tǒng)分析

 

對原定除臭系統(tǒng)中的風(fēng)管管路進行分析，獲得各風(fēng)口速度分布（圖5）及最小和最大的吸風(fēng)口位置。

          

通過分析可以看出，最小速度風(fēng)口和最大速度風(fēng)口相差很大，導(dǎo)致最小風(fēng)口出風(fēng)量很少，不能達到除臭效果，管路風(fēng)量匹配不均勻。因此，需要重新匹配更合理的風(fēng)機。

 

圖5：吸風(fēng)口進氣速度分布

 

風(fēng)機合理匹配

 

依據(jù)風(fēng)機位置，將管路系統(tǒng)劃分為A、B、C三段，通過分段模擬獲得每段管路的流阻特性曲線，并給出對應(yīng)風(fēng)機的合理選擇范圍。

 

 

l  管路段A

 

管路段A的Flownex網(wǎng)絡(luò)及邊界條件設(shè)置（如圖6）所示。通過調(diào)整出口流量，計算對應(yīng)流動損失，獲得管路段A的流阻特性曲線。

 

經(jīng)計算分析后，風(fēng)機A應(yīng)滿足如下條件：650 m3/? < Qfan < 1470 m3/? 。

 

圖6：管路段A的Flownex網(wǎng)絡(luò)及邊界條件

 

l  管路段B

 

使用相同方法獲得管路段B的流阻特性曲線。此段管路入口即為管路段A（或風(fēng)機A）出口，因此將其流量設(shè)定為管路段A的流量極限值Q1=1500 m3/?。

 

對于管路段B，當(dāng)出口流量為3000—20000 m3/?時，吸風(fēng)口進氣速度均在0.2m/s到7m/s的范圍內(nèi)。

 

由此，風(fēng)機B應(yīng)滿足：3000 m3/? < Qfan < 19000 m3/?。

 

圖7：管路段B的Flownex網(wǎng)絡(luò)及邊界條件

 

l  管路段C

 

使用相同方法獲得管路段C的流阻特性曲線。除變化數(shù)值的流量出口外，其余進氣口均設(shè)定為壓力邊界，Ptot = 1atm。

 

基于同樣的判定標準，風(fēng)機C的合理范圍為：3100 m3/? < Qfan < 49000 m3/?

 

圖8：管路段C的Flownex網(wǎng)絡(luò)及邊界條件

 

4.結(jié)論

 

Flownex作為一款優(yōu)秀的一維熱流體系統(tǒng)分析軟件，通過對現(xiàn)有垃圾處理中心通風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)的評估，可以很快找出各個吸風(fēng)口風(fēng)量不均的實際原因，為后期擴容改造或風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化運行參數(shù)提供重要的技術(shù)支撐。

 

隨著垃圾處理中心的數(shù)字化、智能化改造發(fā)展趨勢，F(xiàn)lownex可以接入BIM系統(tǒng)，并與其他數(shù)字孿生平臺結(jié)合（如ANSYS TWIN BUILDER），可實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備與部件的動態(tài)運行優(yōu)化與診斷，從而提高運行效率、降低能耗、延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備的可靠性。