上海世博园垃圾气力输送管道压力损失及阻力分析*

施至理

（上海环境卫生工程设计院，上海 200232）

上海世博园垃圾气力输送管道压力损失及阻力分析*

施至理

（上海环境卫生工程设计院，上海 200232）

简述了上海世博园垃圾气力传输系统概况，通过对垃圾投放口压力损失、物料起动压力损失、阀门阻力损失、分离器压力损失、过滤器及气体净化装置压力损失的分析和计算，对风机型号和数量进行设计，同时提出减小压力损失的措施。

世博园垃圾；气力输送；管道；压力损失

气力输送管道是垃圾输送系统中各元件相连接的纽带，起着输送垃圾的重要作用。垃圾在输送过程中，管道压力损失是重要参数之一，此参数在气力系统的设计、管道排布及经济分析等方面有重要影响［1］。压力损失值的大小直接影响气力系统的定压力和执行的有效输出力，进而影响系统的工作性能和可靠性。为此，笔者对基于管道系统压力损失的重要因素进行分析，对流动参数的计算、结构参数的选取及特殊管道的设计进行了系统优化，提出了1套合理的垃圾气力管道系统设计方法，以使计算结果与实际值较为吻合，为垃圾气力系统工作压力的设定提供依据。

1 上海世博园垃圾气力传输系统概况

上海世博园垃圾气力传输系统主要由主机、分离器、压缩机、净化器、过滤器、收集箱、密封管道、阀门、投放站、中央控制系统等组成。气力输送管道系统共计约6 800 m，系统利用环保型抽风机制造气流，通过地下管道网络，将各个投放口收集的垃圾输送至垃圾收集站，垃圾进入收集站时先经过旋风分离器，将垃圾从气流中分开，使其坠入压实机，被压进相连的垃圾收集箱，经压缩后垃圾的体积只有原来的1/4。运送垃圾的空气气流经过过滤器和气体净化装置净化后排到户外。整个流程由电脑程序自动控制，垃圾输送过程自始至终在全封闭的状态下完成，无需任何人操作或与垃圾的直接接触。

2 气力输送中压力损失分析

气力输送过程中所需的能量，主要消耗于空气和被输送物料在输送管中运动所引起的压力损失。对于超长管道，垃圾气力输送的压力损失为所有直管段的沿程压力损失与所有弯管（或弯头）处的局部压力损失之和［2］。目前，在气力输送设计中，对压力损失的计算多采用经验公式。就垃圾气力输送过程来分析，在输料管中两相流动的压力损失主要有：①空气和物料在水平输送管道中的压力损失；②空气和物料在垂直输送管道中的压力损失；③物料加速时引起的压力损失；④弯头等管件处的压力损失；⑤高压风机起动引起的压力损失；⑥料气分离器、除尘设备、投放口、气体净化装置等引起的压力损失。

3 世博园垃圾气力输送系统压力损失计算

根据垃圾在整个系统中的运输流程分析，该系统压力损失主要由垃圾投放口压力损失、物料起动压力损失、阀门阻力损失、分离器压力损失、过滤器及气体净化装置压力损失造成，选取整个过程中最不利的点即压力损失最大的点来分析。在实际计算过程中，以施工管段的垃圾投放站与主机房最远的管段作为计算目标，即最不利环路，计算其总的压力损失。本系统中最不利环路见图1，具体参数为：最长管段1 402.3 m；90°弯管5个；30°弯头10个；根据国外经验，垃圾的输送速度为15～25 m/s，由于我国的垃圾湿度较大、密度也较大，因此料气混合物在管道里的速度v选定20 m/s。

3.1 空气和物料在水平管道中的压力损失分析

空气和物料在水平管道中的压力损失主要由空气和物料在运输过程中沿管壁的摩擦、物料颗粒间的相互摩擦、碰撞以及保持物料颗粒处于悬浮状态所消耗的压力损失。计算如公式（1）：

式中：△P平为水平管道的总压力损失，Pa；△P沿为空气在水平管道里的总压力损失，Pa；μ为物料混合比，输送一般物料混合比为0.5～5.0，依据经验本项目取混合比为1.5；k为由试验确定的摩擦因数，与气流速度、物料颗粒形状大小、物理性质及管径等有关。

物料在一定的气流速度下，通过试验求得k值制成曲线图，供设计计算用，对缺乏实验的物料，根据国外经验k取0.5。

式中：ρ气为管道中气体密度，近似1.2 kg/m3；v气为管道中的气体流速，m/s；d为管道内径，m；l为管道长度，m；λ为气体在直管中的摩擦因数。

对于紊流光滑管，Re=3×103～1×105；粗糙度0.003 m；根据所用管道的粗糙度及管径查表得λ=0.0 174。

当料气混合物在管道中的速度v=20 m/s时：

3.2 空气和物料在垂直管道中的压力损失分析在垂直管道中的压力损失，包括空气和物料的沿程阻力损失和物料悬浮提升压力损失，可按公式 （2）、 （3） 计算：

式中：△P垂为垂直管道中的压力损失，Pa；h为垃圾提升高度，取5 m。

v物为垂直管中物料颗粒处在稳定运动时的速度，近似取v物=v气-v悬，其中v悬为物料达到悬浮所需要的速度。经计算，当料气混合物在管道中的速度v=20 m/s时，垂直管道中的压力损失为：

3.3 物料起动的压力损失分析

在供料处物料进入输送系统，为了使物料起动，从零到达稳定速度，必须消耗一定的气流能量，即产生一定的压力损失。垃圾气力输送系统采用吸送式，起动压力损失按公式（4）计算：

式中：△P起为起动的压力损失，Pa；ρ气为气体密度，近似1.2 kg/m3；β0为起动摩擦因数，β0=（v物/v气）2；垂直管中近似取 v物=v气-v悬，水平管中近似取 v物=（0.7～0.85）v气。

经计算，当料气混合物在管道里的速度v=20 m/s时，物料起动的压力损失△P起=416.4 Pa。

3.4 弯管阻力损失分析

当空气和物料的颗粒流通过弯管时，运动方向发生变化，因惯性力及离心力作用，弯管处受冲击、摩擦，物料在管道断面上会重新分布和运动，引起很大的压力损失。这些压力损失与气流速度、弯管结构如内径、弯曲角、曲率半径、空间位置及物料的物理性质等有关，可用公式（5）计算：

式中：△P弯为弯管中的压力损失，Pa；ξ弯为弯管摩擦因数（纯空气），一般90°大弯管ξ弯取0.12，30°弯头 ξ弯取 0.054［3］；k弯为弯管摩擦因数（两相流），k弯取2.5；μ为混合比，选定1.5。

经计算得出，每个90°大弯管的压力损失△P弯1为 136.8 Pa；每个 30°弯管的压力损失△P弯2为61.56 Pa。

因此，当料气混合物在管道里的速度v=20 m/s时，整个系统的局部损失压力为：

3.5 垃圾投放站压力损失分析

垃圾投放站压力损失计算见公式（6）：

式中：ξ投为摩擦因数，一般为1.5～3.0，取

2.5 ；ρ气为空气密度，1.2 kg/m3；k投为两相流摩擦因数，取与直管摩擦因数相等k投=0.36；v投为空气流速；μ为混合比，选定1.5。

所以当物料混合物在管道中的速度为v=20 m/s时，△P投=924 Pa。

3.6 除尘器压力损失

二级除尘，压力损失分别估算为1.0 kPa。

3.7 分离器压力损失

根据以往工程经验，分离器压力损失估算为0.8 kPa。

3.8 气体净化装置等压力损失

本系统气体净化装置压力损失估算为0.8 kPa。

3.9 总压力损失分析

根据以上各个引起压力损失的压力计算，系统施工管段的垃圾投放站与主机房最远的管段的总的压力损失经计算后为：

△P总=△P平+△P起+△P弯+△P投+△P垂+△P尘+△P分离+△P净化=25.83 kPa。

世博园垃圾气力输送系统的动力来源为安装于垃圾收集系统机房内的风机主机，本套系统选用的是高压离心风机。本工程共选择5台进口风机，4用1备，串联布置使用，其中每台抽风机的功率为110 kW，风量为30 000 m3/h，风压为10 kPa，因此，风机能提供的总压力为40 kPa，大于整个系统中最不利点的总压力损失25.83 kPa，能满足以上整个系统压力损失，垃圾在气力输送下能正常运转。

4 减小压力损失的措施

根据现场经验和实际计算结果，本系统的压力损失在可控制范围内，因此，通过气力输送系统能有效将垃圾输送到收集点，有效减轻世博期间垃圾收集的压力。但与此同时，由于长时间的使用气力输送系统，管道系统会有一定磨损和消耗，加上垃圾在输送过程中会有一定散落，管道系统有可能会出现故障，因此，在前期设计和施工过程中有必要针对以上会引起管道压力损失的方面多加考虑和提前做好防护措施［3］，保证世博园垃圾气力输送系统能良好运行。针对垃圾气力输送过程中引起压力损失的环节采取如下措施：

1）合理选择管道材料，减小垃圾输送过程中的沿程损失和局部损失。在管道材料选择上，垃圾传输管道采用外径508 mm、壁厚10 mm直缝高频焊接钢管，材质Q235B，执行SY/T 5037—2000标准。弯头、三通内径与管道内径相同，壁厚12 mm。其中靠近机房的管道为壁厚15 mm的直缝高频焊接钢管，管道平滑阻力小。通过材料选择与管径保持一致，尽量减小垃圾输送过程中的沿程与损失和局部损失。

2）管段连接方式因地因时灵活变换，保证管径不变、管内平滑，减少压力损失。在管段焊接上，直管与直管、弯管、三通连接采用焊接，与设备连接处采用法兰连接，这样能有效保持管径不变，保持管内径的平滑，减少压力损失。

3）在弯头转弯处，半径设置为1.8 m以保持垃圾能顺利通过，同时，管道上升或下降的坡度保持10°以下以尽量保持坡度的平滑稳定。

4）通过选择管道防腐机构和预埋管件以保持管道长时间有效平稳，减小管道的粗糙度以减少垃圾运输过程中产生的阻力。预埋管道防腐执行SY/T 0413—2002标准，采用3PE加强级防腐。管道采用3层防腐结构：第1层环氧粉末FBE≥100μm，第2层胶粘剂（AD） 170～250μm，第3层聚乙烯（PE） 3.2 mm。

5 结束语

通过对世博园垃圾输送管道压力损失的分析和计算，提出有效控制压力损失的措施，对设计过程中相关设备的选择有重要指导意义，保证了上海世博园垃圾气力输送系统的正常有效运行，也为后续相关垃圾气力输送项目提供经验。

［1］宋国良，周俊虎，刘建忠，等.浓相气力输送中变径管道优化设计方法的研究［J］.浙江大学学报，2005，39（11）：1788-1791.

［2］万会雄，黄辉，黄海波.超长液压管道压力损失的计算与试验分析［J］.液压与气动，2009，12（10）：23-24.

［3］GB 50332—2002 给排水工程管道结构设计规划［S］.北京：中国建设工业出版社，2002.

Pressure Loss and Resistance Analysis of Waste Pneumatic Conveying Pipes in Shanghai Expo

Shi Zhili
（Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute,Shanghai 200232）

General situation of waste pneumatic conveying system in Shanghai Expo was expounded.Type and quantity of fans were designed by analyzing and calculating pressure losses of waste inlet,materials starting,separator,filter and gas purifying installation,and resistance loss of valve.At the same time,measures for decreasing pressure losses were put forward.

Expo waste；pneumatic conveying；pipe；pressure loss

X705；TQ022.11+5

A

1005－8206（2011） 02－0001－03

住房和城乡建设部“生活垃圾气力输送系统关键技术与装备研究”研究开发项目（2010-K6-33）

2011-02-25

施至理（1983—），工程师，主要从事固体废物处理设计和研究。

（责任编辑：郑雯）