垃圾处理中心除臭设计：系统评估与风机选型

通过使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟，对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估，并提出改进建议，同时对管线上的风机选型提出明确要求。

1.研究目的

随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化，各种环保处理工艺可以说是百花齐放。但由于环保处理的对象具有极其复杂的来源，因此各种工艺和设备的处理效率仍需不断提高。这里就针对有机质固废集中处理中心的敞开式处理车间（低浓度臭气）和封闭罐装设备（高浓度臭气）的环境通风系统做一个评估。

n  处理车间的臭气产生量与处理废弃物种类、处理量、停留时间有关，这种环境下空气的换气率指标是有相应标准限定的。

n  对于封闭罐装设备来说，高浓度臭气的产量与种类、储量、时间、压力、温度等参数相关。

有了这些基础数据以后，一般通风系统的管道布置设计就可以开始了，同时可以进行风机选型。

由于垃圾处理中心处理的种类随着季节、处理量而变化，通风系统需要随之重新改造或升级。因此，对现有通风系统的评估和改造是相关企业经常面临的事。

本文使用集成CFD程序的一维管网系统设计软件——Flownex，对垃圾处理中心的通风管路系统的局部管线进行模拟，评估现有运行参数下每一个吸风口的风量，并提出改进建议，同时对管线上的风机选型提出明确要求。

2.Flownex软件简介

Flownex是一款优秀的一维管网系统热流体设计、优化软件。

n  在电力、核能、化工、船舶、燃机、建筑、天然气管网、航站楼飞机供油管路系统等领域都有广泛的运用。

n  含有丰富的过流元件（图1所示）（如管道、阀门、换热器）、流动控制元件、动力元件（风机、水泵、压缩机、锅炉、燃烧室、核电反应堆等）、从动元件（汽轮机、涡轮、电机等）、输配电系统和优化设计模块等。

n  丰富的外部接口可以耦合其他软件，如ANSYS CFD/Mechanical、MATLAB/Simulink、RELAP、ROHR2、EES、Excel、OPC、Labview、MathCad等，以及其他数据文件如GIS、PCF(Autodesk inventor)、Cape-Open及用户二次开发模块等；也可以应用于各种流体介质（含两相流、相变等）的管网系统评估。

图1：Flownex界面示意图

3.案例分析

通风除臭系统结构简图

通风除臭系统结构（图2）由不同面积、标高的矩形风管组成，每个进口都布置有格栅（图3），进气口支路上安装有风量调节阀，管路有3处位置布置了不同风量的风机。

图2：系统结构简图/图3：吸风口格栅

Flownex系统搭建

依据通风除臭系统结构，搭建下图（图4）所示Flownex流动网络。其中：

n  和②段为气体出口，其余均为进气风口。

n  气体由出口①汇总后进入吸收塔进行净化（此案例未分析）。

n  边界条件：①给定出口质量流量Q=60000 m3/h，其余边界均设置总压为1 atm，温度为25℃。

图4：通风除臭系统管路示意图

系统管路中的主要部件——吸风口格栅、风量调节阀、轴流风机、风管等，分别在Flownex中的元件库中获得，如下（表1）所示。其中：

n  吸风口格栅：由流阻元件与节流元件连接构成，流阻曲线通过三维仿真结合数据拟合获得。

n  风量调节阀：选用蝶阀元件来表示，并通过调节阀门开角获得对应损失系数。

n  轴流风机：轴流风机特性曲线由实际风机型号获得。

n  风管：方型通风管道等效为圆管，采用Darcy-Weisbach公式计算流动损失：

n  粗糙度：基于“建筑行业设计手册”，通风管道粗糙度本文设定粗糙度为30μm。

表1：系统主要部件及其对应Flownex元件

通风除臭系统分析

对原定除臭系统中的风管管路进行分析，获得各风口速度分布（图5）及最小和最大的吸风口位置。

通过分析可以看出，最小速度风口和最大速度风口相差很大，导致最小风口出风量很少，不能达到除臭效果，管路风量匹配不均匀。因此，需要重新匹配更合理的风机。

图5：吸风口进气速度分布

风机合理匹配

依据风机位置，将管路系统划分为A、B、C三段，通过分段模拟获得每段管路的流阻特性曲线，并给出对应风机的合理选择范围。

l  管路段A

管路段A的Flownex网络及边界条件设置（如图6）所示。通过调整出口流量，计算对应流动损失，获得管路段A的流阻特性曲线。

经计算分析后，风机A应满足如下条件：650 m3/ℎ < Qfan < 1470 m3/ℎ 。

图6：管路段A的Flownex网络及边界条件

l  管路段B

使用相同方法获得管路段B的流阻特性曲线。此段管路入口即为管路段A（或风机A）出口，因此将其流量设定为管路段A的流量极限值Q1=1500 m3/ℎ。

对于管路段B，当出口流量为3000—20000 m3/ℎ时，吸风口进气速度均在0.2m/s到7m/s的范围内。

由此，风机B应满足：3000 m3/ℎ < Qfan < 19000 m3/ℎ。

图7：管路段B的Flownex网络及边界条件

l  管路段C

使用相同方法获得管路段C的流阻特性曲线。除变化数值的流量出口外，其余进气口均设定为压力边界，Ptot = 1atm。

基于同样的判定标准，风机C的合理范围为：3100 m3/ℎ < Qfan < 49000 m3/ℎ

图8：管路段C的Flownex网络及边界条件

4.结论

Flownex作为一款优秀的一维热流体系统分析软件，通过对现有垃圾处理中心通风环境系统的评估，可以很快找出各个吸风口风量不均的实际原因，为后期扩容改造或风道优化设计及优化运行参数提供重要的技术支撑。

随着垃圾处理中心的数字化、智能化改造发展趋势，Flownex可以接入BIM系统，并与其他数字孪生平台结合（如ANSYS TWIN BUILDER），可实现通风系统关键设备与部件的动态运行优化与诊断，从而提高运行效率、降低能耗、延长设备的使用寿命，提高设备的可靠性。

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