节流孔板的原理

节流孔板的原理节流孔板的原理 管道的前后压差较大时 往往采用增加节流孔板的方式 其原理是 流体在管道中流动时 由于 孔板的局部阻力 使得流体的压力降低 能量损耗 该现象在热力学上称为节流现象 该方式比 采用调节阀要简单 但必须选择得当 否则 液体容易产生汽蚀现象 影响管道的安全运行 1 汽蚀现象 节流孔板的作用 就是在管道的适当地方将孔径变小 当液体经过缩口 流束会变细或收缩 流束的最小横断面出现在实际缩口的下游 称为缩流断面 在缩流断面处 流速是最大的 流速 的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低 当流束扩展进入更大的区域 速度下降 压力增加 但下游压力不会完全恢复到上游的压力 这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果 如果缩流断 面处的压力 pvc 降到液体对应温度下的饱和蒸汽压力 pv 以下 流束中就有蒸汽及溶解在水中的气 体逸出 形成蒸汽与气体混合的小汽泡 压力越低 汽泡越多 如果孔板下游的压力 p2 仍低于液 体的饱和蒸汽压力 汽泡将在下游的管道继续产生 液汽两相混合存在 这种现象就是闪蒸 如 果下游压力恢复到高于液体的饱和蒸汽压力 汽泡在高压的作用下 迅速凝结而破裂 在汽泡破 裂的瞬间 产生局部空穴 高压水以极高的速度流向这些原汽泡占有的空间 形成一个冲击力 由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结 在冲击力作用下又分成小汽泡 再被高 压水压缩 凝结 如此形成多次反复 并产生一种类似于我们可以想象的砂石流过管道的噪音 此种现象称为空化 见图 2 流道材料表面在水击压力作用下 形成疲劳而遭到严重破坏 我们 把汽泡的形成 发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程称为汽蚀现象 闪蒸和空化的主要区别在于汽泡是否破裂 存在闪蒸现象的系统管道 由于介质为汽水两相 流 介质比容和流速成倍增加 冲刷表面磨损相当厉害 其表现为冲刷面有平滑抛光的外形 闪 蒸也产生噪音和振动 但其声级值一般为 80 dB 以下 不超出规范规定的许可范围 空化则不然 汽泡破裂和高速冲击会引起严重的噪音 管道振动大 在流道表面极微小的面积上 冲击力形成 的压力可高达几百甚至上千兆帕 冲击频率可达每秒几万次 在短时间内就可能引起冲刷面的严 重损坏 其表现为冲刷面会产生类似于煤渣的粗糟表面 而且 由液体中逸出的氧气等活性气体 借助汽泡凝结时放出热量 也会对金属起化学腐蚀作用 不管是闪蒸还是空化 都会对管道造成不同程度的损害 对安全运行均是不利的 因此 选 择节流孔板时应避免这两种情况的发生 由于孔板下游的压力往往高于液体的饱和蒸汽压力 因 此 选择节流孔板时 最主要是防止空化的产生 2 防止流体产生汽蚀的方法 对于汽蚀 冲刷面换用高级材料不是彻底解决问题的办法 控制缩流断面处的压力 pvc 保 持该压力不低于液体的饱和蒸汽压力 pv 才是防止汽蚀产生的一项根本措施 对于压降较大的管 道 可通过多级降压 确保介质经过每一个缩流断面时压力都大于液体的饱和蒸汽压力 3 节流孔板压差的计算 为了计算节流孔板的压差 需引入一个新的概念 阻塞流压差 ps 当孔板两端的压差 p 增加时 流量 qm 也增加 当压差 p 增大到一定值时 缩口处的压力 pvc 下降到流体饱和蒸气 压力 pv 以下 一部分流体汽化 管道流量不再随压差增加而增加 即形成所谓阻塞流现象 此时 孔板两端的压差称为阻塞流压差 ps 当节流孔板的实际压差 p 小于其对应的 ps 时 就可避 免闪蒸或汽蚀的发生 当管道两端压差较大时 可采用多级减压 但每一级节流孔板的实际压差 p 均应小于本级入口对应的 ps 根据文献 多级节流孔板的的压降按几何级数递减 当第 1 级节流孔板实际压降为 p1 时 第 2 级孔板减压至 p1 2 第 3 级孔板减压至 p1 22 第 4 级孔板减压至 p1 23 第 n 1 级孔板减压至 p1 2n 直减到末级孔板后压力接近所需压力为止 以某厂凝补泵再循环管为例 在机组运行过程中 发现管道振动大 分析原因为 凝补泵在 正常运行时 出口压力约 1 5 MPa 补给水箱进口处的压力约 0 12 MPa 当泵出口的除盐水经再 循环管回流至补给水箱时 由于压差较大 且管道上只装了一个电动闸阀而非调节阀 因此引起 振动 为了减少振动 在第一次设计变更中 采用增加节流孔板的方式 实际运行后 泵出口的 管道振动有所改善 但节流孔板后的管道出现汽蚀现象 说明靠增加节流孔板来进行降压的思路 是对的 但孔板的选择应有所调整 3 1 孔板级数的确定 考虑管道受静压差 44 012 kPa 的影响 孔板两端最大压差 式 1 至式 3 中 p1 孔板入口压力 pc 热力学临界压力 对于水 pc 22 5 MPa FL 液体压力恢复系数 暂定为 0 9 FF 临界压力比系数 由于 p1 1 5 MPa p2 0 165 MPa 20 时 pv 2 338 5 kPa 根据式 1 至式 3 得 p 1 335 MPa ps 1 213 MPa 由于 p ps 且 p2 pv 所以采用 1 级节流孔板将产生 汽蚀现象 为了避免汽蚀的发生 至少应装 2 级节流孔板 3 2 孔板压降的确定 根据前面的分析 当采用 1 级节流时 孔板压差大于阻塞流压差 采用多级节流降压后 第 1 级节流孔板的实际压差应小于阻塞流压差 其压差的大小取决于第 2 级孔板 多级节流孔板的 压降按几何级数递减 因此 若采用 2 级节流孔板 则 其中 p1 0 89 MPa p2 p1 2 0 445 MPa 为了防止节流孔板发生汽蚀 应以阻塞流压差 ps 为准则 验算各级节流孔板压差 第一级 孔板的阻塞流压差 ps1 1 213 MPa p1 第二级孔板的阻塞流压差 ps2 0 92 1 5 0 89 MPa 0 957 0 002 338 5MPa 0 492 3 MPa p2 因此 每级节流孔板后都不会出现汽蚀现象 采用 2 级节流孔板是合理的 4 节流孔板孔径的计算 根据 DL T 5054 1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定 水管道节流孔板孔径可按下式 计算 4 式中 dk 节流孔板的孔径 水的密度 举个例子 根据现场的实际运行数据 正常运行时热井的补水量约 20 t h 泵出口压力约 1 5 MPa 扣除泵进口压力 扬程约 134 m 查性能曲线 对应的流量为 136 8 t h 即经再循环管回 流至补给水箱的除盐水量约 116 t h 根据式 4 得 第 1 级节流孔板孔径 dk1 40 68 mm 取 40 7 mm 第 2 级节流孔板孔径 dk2 48 37 mm 取 48 5 mm 在该管道的第一次设计变更时 流量按常规泵的再循环量 最大流量的 30 选取 取 60 t h 且压降没按几何级数递减考虑 两级孔板孔径均为 33 mm 根据实际运行情况 经再循环管 回流至补给水箱的除盐水量应约 116 t h 但由于节流孔板的限流作用 流经再循环管的水