一种基于S数的除尘管网调节计算方法

2023-10-10习兰

冶金能源 2023年5期

习兰

(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司)

钢铁行业除尘系统除尘点数量多且分散，电耗大；除尘管道相互影响，相互耦合，除尘管道的调节非常复杂，且不合理地调节阀门及风机频率易导致除尘管道积灰。因此，分析除尘管网调节适用性，研究部分除尘管道调节对整个管网的影响，是除尘智能调节的基础。

目前在管网阻力平衡方面，专业的设计人员利用Flowmaster等管网阻力平衡专业计算软件，仅能对某些的常见工况进行预测计算，无法计算所有的运行工况；同时Flowmaster计算数据无快速接口，无法实现对管网运行的实时测算，导致无法做到除尘系统的节能控制最优和判断调节后管网的安全性。因此，一种简化的能够快速进行除尘管网平衡计算的方法对于除尘管网智能化调控意义重大。

1 除尘管网调节

1.1 理论模型

施工完成后的除尘管网固有阻力特性可认为是保持不变的，人为调节各支管的阀门成为改变除尘管网特性的唯一方式。除尘系统虽然不是物理意义的闭式循环系统，但是考虑到除尘系统的吸入端以及排出端均是大气环境，可以认为是一个理论的闭式系统，因此闭式系统的管网特性公式也适用于除尘管网。

hw=SQ2

(1)

式中：hw为管段阻力；S为管段阻抗；Q为管段流量。

串联管路中：

(2)

并联管路中：

杨译：...and as I admire his respect for the old traditions...[5]153

(3)

式中：i为管段编号；n为管段总数。

并联管路的流量比和并联各管道阻抗的关系为：

(4)

阻抗S值包含了管段的长度、直径、粗糙度等所有影响管道阻力的因素。对于一个运行的除尘系统，当调节除尘各支路的手动阀门或者阻力平衡器，实现了除尘系统风量和设计风量完全匹配，那么理论上除尘管网的阻抗S值可以通过管段阻力hw及管道内流量计算得出。

除尘系统的阻力主要由局部阻力和沿程阻力两部分组成，由于除尘系统的特殊性，局部阻力占主要部分。局部阻力主要在三通/四通、变径管、弯头以及除尘罩等部位产生，其中弯头及除尘罩的阻抗S值是固定的，而三通/四通的局部阻力是一个变量。汇流三通结构示意见图1，其支路的管段阻力系数分别为ξ2和ξ3。

图1 汇流三通结构示意

当c>1时

ξ2=1-(2c-1)(V1/V2)2

ξ3=1-(2c-1)(V1/V3)2

(5)

当c≤1时

ξ2=1-(c2+0.5c-0.5)(V1/V2)2

ξ3=1-(c2+0.5c-0.5)(V1/V3)2

(6)

式中：c=(Q2/Q1)2(A1/A2)cosθ2+(Q3/Q1)2(A1/A3)cosθ3；Q、A、V分别为管段的风量、管道截面积和风速；θ为支管段与主管段的夹角，下标为管段编号。

1.2 模型简化

根据三通的局部阻力系数计算公式可知，三通的阻抗S数需根据流量及支管的属性实时计算，除三通以外的支路及合并管路的沿程阻力、局部阻力产生的阻抗均可以简化为终端支管的阻抗S数，如图2所示。

图2 管路模拟并联管路S数

(7)

(8)

根据上述思路，任意的除尘系统均可以简化为类似图3的模型。图中的支管阻抗 (abc代表支路标号)包含了支路管段、管段及管段的沿程阻力、局部阻力对应的阻抗，不包含三通的阻抗S数。

图3 管路阻抗简化

1.3 除尘管网调节计算

(1)管路全开平衡状态基本参数计算

输入除尘主管压力P值、各支路流量和管径计算得各管段流量及风速；输入各管段支路所在三通的角度计算得三通对应支管的局部阻力系数及对应三通的阻抗ΔS数，然后计算得支管的压力P值，逐步推导至下一层，计算出所有支管的压力P值及阻抗S数。

(2)调整某支路后求管路变化情况

(8)

(3)校核计算

(9)

1.4 结果准确性验证

针对某除尘系统,依次调整支路的流量,分别采用Flowmaster建模和除尘管网调节计算方法计算所有支路管网对应的流量,判断基于S数的除尘管网平衡计算方法的准确性。对于某个支路,Flowmaster建模计算得的流量为QF,采用除尘管网调节计算方法计算得的流量为QJ,定义流量差值比α=(QF-QJ)/QJ×100%,根据α的绝对值来判断基于S数的除尘管网平衡计算方法的准确性。计算得不同工况下各除尘管网支路对应流量差值比α如图4所示。

图4 不同工况下的流量差值比α

从图4可知,支管流量差值比α基本在±10%内,绝大部分在5%内。对于钢铁厂机械除尘系统的调节,该方法的准确度完全可以满足要求。

2 除尘管网调节计算应用

随着钢铁行业智能化数字化技术的发展,建立粉尘智能治理系统,除尘系统的智能化管控是大势所趋。

对除尘设备在线检测和实时监控所得的除尘系统流量、风压、现场粉尘浓度、除尘器压差、烟尘粉尘排放浓度、除尘电机运行情况等数据进行挖掘,分析除尘管网调节适用性,研究除尘管道调节对整个管网的影响,从而做出准确的节能运行决策是除尘智能管控的核心。

基于S数的除尘管网调节计算方法可以应用于除尘智能管控，相对于Flowmaster等流体系统仿真分析软件有如下优势：可以通过阀门开度或者流量输入快速判断系统管网流体的分配及运行情况，不需要有专业的设计人员使用专业计算软件如Flowmaster等计算，也不存在计算软件和钢厂控制程序之间数据无法联通的问题；不仅可以运用于可预判的各种工况的管网适应性计算，还可以应用于无法预判的各种工况的实时计算，实现了实时节能控制；可用于预警除尘管道可能产生积灰的管段位置。