垃圾處理中心除臭系統設計評估與風機選型
作者：陳詩佳 上海交通大學-巴黎高科卓越工程師學院
謝文麗 上海安世亞太流體應用工程師
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編者按
作者使用Flownex對垃圾處理中心通風系統的局部管線進行模擬，對敞開式處理車間和封閉罐裝設備的環境通風系統做出整體評估，并提出改進建議，同時對管線上的風機選型提出明確要求。
研究目的
隨著國內環境三廢處理規范要求越來越明細化，各種環保處理工藝可以說是百花齊放。但由于環保處理的對象具有極其復雜的來源，因此各種工藝和設備的處理效率仍需不斷提高。這里就針對有機質固廢集中處理中心的敞開式處理車間（低濃度臭氣）和封閉罐裝設備（高濃度臭氣）的環境通風系統做一個評估。
■ 處理車間的臭氣產生量與處理廢棄物種類、處理量、停留時間有關，這種環境下空氣的換氣率指標是有相應標準限定的。
■ 對于封閉罐裝設備來說，高濃度臭氣的產量與種類、儲量、時間、壓力、溫度等參數相關。
有了這些基礎數據以后，一般通風系統的管道布置設計就可以開始了，同時可以進行風機選型。
由于垃圾處理中心處理的種類隨著季節、處理量而變化，通風系統需要隨之重新改造或升級。因此，對現有通風系統的評估和改造是相關企業經常面臨的事。
本文使用集成CFD程序的一維管網系統設計軟件——Flownex，對垃圾處理中心的通風管路系統的局部管線進行模擬，評估現有運行參數下每一個吸風口的風量，并提出改進建議，同時對管線上的風機選型提出明確要求。
Flownex軟件簡介
Flownex是一款優秀的一維管網系統熱流體設計、優化軟件。
■ 它在電力、核能、化工、船舶、燃機、建筑、天然氣管網、航站樓飛機供油管路系統等領域都有廣泛的運用。
■ 它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（風機、水泵、壓縮機、鍋爐、燃燒室、核電反應堆等）、從動元件（汽輪機、渦輪、電機等）、輸配電系統和優化設計模塊等。
■ 它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，以及其他數據文件如GIS、PCF(Autodesk inventor)、Cape-Open及用戶二次開發模塊等；也可以應用于各種流體介質（含兩相流、相變等）的管網系統評估。
圖1：Flownex界面示意圖
案例分析
通風除臭系統結構簡圖
通風除臭系統結構（圖2）由不同面積、標高的矩形風管組成，每個進口都布置有格柵（圖3），進氣口支路上安裝有風量調節閥，管路有3處位置布置了不同風量的風機。
圖2：系統結構簡圖 圖3：吸風口格柵
Flownex系統搭建
依據通風除臭系統結構，搭建下圖（圖4）所示Flownex流動網絡。其中：
■ ①和②段為氣體出口，其余均為進氣風口。
■ 氣體由出口①匯總后進入吸收塔進行凈化（此案例未分析）。
■ 邊界條件：①給定出口質量流量Q=60000 m3/h，其余邊界均設置總壓為1 atm，溫度為25℃。
圖4：通風除臭系統管路示意圖
系統管路中的主要部件——吸風口格柵、風力調節閥、軸流風機、風管等，分別在Flownex中的元件庫中獲得，如下（表1）所示。其中：
■ 吸風口格柵：由流阻元件與節流元件連接構成，流阻曲線通過三維仿真結合數據擬合獲得。
■ 風量調節閥：選用蝶閥元件來表示，并通過調節閥門開角獲得對應損失系數。
■ 軸流風機：軸流風機特性曲線由實際風機型號獲得。
■ 風管：方型通風管道等效為圓管，采用Darcy-Weisbach公式計算流動損失：
■ 粗糙度：基于“建筑行業設計手冊”，通風管道粗糙度本文設定粗糙度為30μm。
表1：系統主要部件及其對應Flownex元件
通風除臭系統分析
對原定除臭系統中的風管管路進行分析，獲得各風口速度分布（圖5）及最小和最大的吸風口位置。
通過分析可以看出，最小速度風口和最大速度風口相差很大，導致最小風口出風量很少，不能達到除臭效果，管路風量匹配不均勻。因此，需要重新匹配更合理的風機。
圖5：吸風口進氣速度分布
風機合理匹配
依據風機位置，將管路系統劃分為A、B、C三段，通過分段模擬獲得每段管路的流阻特性曲線，并給出對應風機的合理選擇范圍。
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管路段A
管路段A的Flownex網絡及邊界條件設置（如圖6）所示。通過調整出口流量，計算對應流動損失，獲得管路段A的流阻特性曲線。
經計算分析后，風機A應滿足如下條件：
650 m3/? < Qfan < 1470 m3/? 。
圖6：管路段A的Flownex網絡及邊界條件
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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（或風機A）出口，因此將其流量設定為管路段A的流量極限值Q1=1500 m3/?。
對于管路段B，當出口流量為3000—20000 m3/?時，吸風口進氣速度均在0.2m/s到7m/s的范圍內。
由此，風機B應滿足：
3000 m3/? < Qfan < 19000 m3/?。
圖7：管路段B的Flownex網絡及邊界條件
-
管路段C
使用相同方法獲得管路段C的流阻特性曲線。除變化數值的流量出口外，其余進氣口均設定為壓力邊界，Ptot = 1atm。
基于同樣的判定標準，風機C的合理范圍為：
3100 m3/? < Qfan < 49000 m3/?
圖8：管路段C的Flownex網絡及邊界條件
結論
Flownex作為一款優秀的一維熱流體系統分析軟件，通過對現有垃圾處理中心通風環境系統的評估，可以很快找出各個吸風口風量不均的實際原因，為后期擴容改造或風道優化設計及優化運行參數提供重要的技術支撐。
隨著垃圾處理中心的數字化、智能化改造發展趨勢，Flownex可以接入BIM系統，并與其他數字孿生平臺結合（如ANSYS TWIN BUILDER），可實現通風系統關鍵設備與部件的動態運行優化與診斷，從而提高運行效率、降低能耗、延長設備的使用壽命，提高設備的可靠性。
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