流量是決定風(fēng)機基本氣動特性的重要參數(shù)之一,無論開展風(fēng)機基本模型級研究、整機出廠試驗,還是風(fēng)機運行監(jiān)測均離不開對風(fēng)機流量進(jìn)行測量,另外對風(fēng)機實時運行點流量測量與設(shè)計點比較，是評價風(fēng)機熱力與氣動性能優(yōu)劣的基本手段。因此，流量測量與監(jiān)控還是風(fēng)機機組長周期安全運行的必要保證與能耗評價手段。
在眾多流量測量元件中,孔板流量計因節(jié)流件**通用，且具有使用前無需實流校準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)單相及部分混相流、價格低廉等優(yōu)點。因此，在風(fēng)機試驗研究與工業(yè)運行中被廣泛應(yīng)用，尤其在鼓風(fēng)機和壓縮機等應(yīng)用場合。
孔板流量測量及對機組的影響，目前有文獻(xiàn)資料主要研究計量附加誤差、進(jìn)口溫度、壓力、分子量發(fā)生變化時流量的補償及對防喘振計算方法探討等問題，但孔板引起風(fēng)機機組進(jìn)口壓力損失與機組能耗影響尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。本文結(jié)合筆者完成的工程實例，通過不同進(jìn)口流量時，孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增的分析，計算節(jié)流孔板引起風(fēng)機不同運行點進(jìn)口壓力和風(fēng)機功耗的增加，為從事風(fēng)機設(shè)計、試驗、運行的同行提供借鑒,也為開展流體設(shè)備降低能耗、系統(tǒng)節(jié)能提供新思路。
1節(jié)流孔板對風(fēng)機進(jìn)氣條件與能耗的影響分析
1.1節(jié)流孔板引起壓力、溫度改變
充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓力差(或稱差壓)。流體的流速越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差也越大，所以可通過測量差壓來衡量流體流過節(jié)流裝置時的流量，這種測量方法是以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的［4］。
孔板節(jié)流裝置通過測量孔板前后壓差計算流量，流量與壓差關(guān)系如公式（1）[5]，流量系數(shù)α的*終值需通過迭代循環(huán)獲得。而本文為分析計算孔板節(jié)流產(chǎn)生的壓力損失，通過給定流體流量，*終確定壓力差的大小。

式中，qm為質(zhì)量流量，kg/s；α為流量系數(shù)；ε為氣體膨脹系數(shù)；D為孔板內(nèi)徑，m；ρu為孔板上游流體密度，kg/m3；△p為通過孔板的壓差，Pa。
1.2節(jié)流孔板引起能耗損失
氣體在管道內(nèi)流經(jīng)孔板的節(jié)流過程為不可逆過程，根據(jù)能量方程在忽略節(jié)流前后速度差時，經(jīng)節(jié)流后氣體靜焓仍回到原值,但熵增大,對理想氣體溫度不變（其它溫度按焦-湯規(guī)律變化）:

式中，hu，hd為孔板前后氣體焓值，kJ/kg；Su，Sd為孔板前后氣體熵值，kJ/kg.s；pu，pd為孔板前后氣體壓力，Pa。
節(jié)流后氣體經(jīng)機組等熵壓縮升壓進(jìn)入輸入管路元件或設(shè)備等，對機組來說，孔板節(jié)流引起機組有效功增加如下:

式中，ΔH為增加的有效功，kJ/kg；hc為風(fēng)機前有節(jié)流孔板時，氣體等熵壓縮至出口壓力pc對應(yīng)的焓值，kJ/kg；hc為風(fēng)機前無節(jié)流孔板時,氣體等熵壓縮至出氣壓力；pc為對應(yīng)的焓值，kJ/kg；pc為風(fēng)機出口壓力，Pa。
當(dāng)工作介質(zhì)為理想氣體時,風(fēng)機壓縮過程為可逆絕熱,孔板節(jié)流引起機組有效功增加可按公式（5）計算:

2算例分析
本文計算分析工程實例系為臺灣某化工廠設(shè)計制造的硫磺制酸離心鼓風(fēng)機,該鼓風(fēng)機為硫磺焚燒及轉(zhuǎn)化提供所需空氣，由汽輪機驅(qū)動，于2014年投入工業(yè)使用。
鼓風(fēng)機設(shè)計點進(jìn)口流量788Nm3/min,總壓比1.65，進(jìn)氣：空氣(成分/Vol%,N2：76.63，O2：20.31，H2O：3.06），25℃，101kPa，轉(zhuǎn)速6560r/min，葉輪三元半開式，主要參數(shù)如下：葉輪外徑878㎜，葉片出口寬度44.6㎜，葉片出口角45°（與子午面夾角），進(jìn)、出口葉片數(shù)19，葉輪進(jìn)口直徑482㎜，葉輪葉片進(jìn)口平均直徑401mm，葉片進(jìn)口寬度99.5mm，葉片法向厚度12㎜。
鼓風(fēng)機進(jìn)口孔板流量計為防喘系統(tǒng)的一部分，孔板按文獻(xiàn)[5]要求設(shè)計與安裝。
根據(jù)風(fēng)機運行點參數(shù),可計算出進(jìn)口管路中配置的孔板所導(dǎo)致的風(fēng)機進(jìn)口壓力相對損失(pu-pd)/pu，見表1。

從表1中可以看出，設(shè)計點進(jìn)口壓力相對損失近10%，*小點近3%，*大點近18%，隨流量的增加相對壓力損失變化如圖1所示。

由于進(jìn)氣壓力不大，流體可按理想氣體處理，即風(fēng)機進(jìn)氣溫度可認(rèn)為不變，但進(jìn)口孔板節(jié)流對風(fēng)機進(jìn)口壓力的影響不容忽略，因此，在風(fēng)機設(shè)計時應(yīng)予以高度注意。
孔板節(jié)流引起風(fēng)機消耗有效功增加，具體計算結(jié)果見表2。

從△H，△W，△H'比較可見，有效功增加量可通過查濕空氣焓濕圖或借用軟件RefProp獲得，本例介質(zhì)為理想氣體還可用方程4計算獲得。孔板節(jié)流為等焓絕熱熵增過程；孔板節(jié)流引起有效功增加與正常有效功比從小流量向大流量區(qū)遞增，其中設(shè)計點約21%。
結(jié)論
結(jié)合工程實例，對不同進(jìn)口流量時孔板節(jié)流后壓力、溫度、熵增分析，計算節(jié)流孔板引起風(fēng)機不同運行點的進(jìn)口壓力和風(fēng)機消耗有效功的增加,得到如下結(jié)論：
1）從計算結(jié)果看，設(shè)計點進(jìn)口壓力相對損失近10%，*小點近3%，*大點近18%，這是由于孔板產(chǎn)生的渦流所致[6]。因此，在配置了進(jìn)口孔板的應(yīng)用場合中，在風(fēng)機設(shè)計時應(yīng)考慮孔板節(jié)流對風(fēng)機進(jìn)口壓力的影響；
2）孔板節(jié)流引起風(fēng)機產(chǎn)生消耗有效功增加，可通過查濕空氣焓濕圖或借用軟件RefProp獲得，如流體為介質(zhì)理想氣體還可用式（5）計算獲得；
3）孔板節(jié)流引起有效功增加，與正常有效功比從小流量區(qū)向大流量區(qū)遞增，其中設(shè)計點約21%；
4）孔板節(jié)流元件雖然簡單易制造，但流阻較大，會增大風(fēng)機能耗。因此，在管網(wǎng)和投資成本允許的前提下，可以選擇流阻更小的其他流量測量元件如文丘里管或文丘里噴嘴。