节流孔板的原理及限流计算.doc
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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80dB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Δps。
当孔板两端的压差Δp增加时,流量qm也增加,当压差Δp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Δps。
当节流孔板的实际压差Δp小于其对应的Δps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Δp均应小于本级入口对应的Δps。
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Δp1时,第2级孔板减压至Δp1/2,第3级孔板减压至Δp1/22,第4级孔板减压至Δp1/23,……,第n+1级孔板减压至Δp1/2n,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1.5MPa,补给水箱进口处的压力约0.12MPa,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44.012kPa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=22.5MPa;
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=1.5MPa,p2=0.165MPa,20℃时pv=2.3385kPa,根据式
(1)至式(3),得Δp=1335MPa,Δps=1213MPa。
由于Δp>Δps,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Δp1=0.89MPa,Δp2=Δp1/2=0.445MPa。
为了防止节流孔板发生汽蚀,应以阻塞流压差Δps为准则,验算各级节流孔板压差:
第一级孔板的阻塞流压差Δps1=1.213MPa>Δp1;第二级孔板的阻塞流压差Δps2=0.92×[(1.5-0.89)MPa-0.957×0.0023385MPa=0.4923MPa>Δp2。
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/T5054—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;
ρ——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20t/h,泵出口压力约1.5MPa,扣除泵进口压力,扬程约134m,查性能曲线,对应的流量为136.8t/h,即经再循环管回流至补给水箱的除盐水量约116t/h。
根据式(4)得:
第1级节流孔板孔径dk1=40.68mm,取40.7mm;第2级节流孔板孔径dk2=48.37mm,取48.5mm。
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60t/h,且压降没按几何级数递减考虑,两级孔板孔径均为33mm。
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116t/h,但由于节流孔板的限流作用,流经再循环管的水量最大只能是第2级节流孔板阻塞流时的流量。
因第2级节流孔板后的压力大于液体的饱和蒸汽压力,故第2级节流孔板后出现汽蚀现象,管道产生较大振动和噪音。
在实际工程应用中,将多级节流孔板用于减压系统是切实可行的,为了防止管道发生汽蚀,选择节流孔板时,一定要根据管道的实际情况,计算出孔板数量和孔径
限流孔板
限流孔板是在工艺流程中,为了限制某种介质的流量时,而在介质管路中安装具有极小孔径的限流元件,它具有结构简单、安装方便,限流性能可靠的优点,而被广泛采用。
根据用户要求可以单独供应限流件,也可以配套供应安装法兰,还可以供应前后直管段。
主要技术参数:
1、公称压力:
1.0~32MPa
2、公称通径:
φ10~500mm单片限流孔板LGBX-10~300
单级限流孔板LGBX-30/69~69/69
高温节流杆LGBX-15/69~29/69
疏水管多级限流孔板LGBX-1/69~14/69
给水泵再循环多级节流孔板LGBX-1/31~31/31
单片限流孔板
LGBX-10~300
疏水管用多级节流孔板
LGBX-1/69~14/69
高温节流杆
LGBX-15/69~29/69
单级节流孔板
LGBX-30/69~69/69
给水泵再循环多级节流装置
LGBX-1/31~31/31
11、LGKJ系列环形孔板
环形孔板主要由测量管及与测量管同轴的圆板节流件所组成,两者之间在节流件下游侧用支撑架连接,因此在测量管与圆板节流件之间形成了一个环形流通截面,称之为环形孔板,从根本上消除了常规孔板的滞流区和积存区,特别适用于测量煤气、废气、纸浆、矿浆、原油、污水、化工溶液等介质流量。
供货范围
公称压力:
0.6~32MPa
公称直径:
φ40~φ3000
环形孔板
典型型号:
LGKJ-200(φ219×6)-4
保温形环形孔板40<Dn<600
典型型号:
LGKJ-400(426×8)-4B
12、LGJY系列机翼测风装置
供货范围
公称压力:
0.04-1.6MPa
公称通径:
φ300-φ3000
矩形:
600×600-4000×4000
矩形管用机翼测风装置
典型型号:
LGKJ-1000×800×4
圆形管用机翼测风装置
典型型号:
LGJY-(φ820×5)
限流孔板计算表
1范围
本标准规定了限流孔板计算表的格式和填写要求,以及限流孔板的计算方法,适用于工程设计。
2引用标准
HG/T20570.15—95《管路的限流孔板》
3限流孔板的使用场所
限流孔板适用于以下几个方面:
3.1工艺物料需要降压且精度要求不高。
3.2在管道中阀门上、下游需要有较大压降时,为减少流体对阀门的冲蚀,当经孔板节流不会产生气相时,可在阀门上游串联孔板。
流体需要小流量且连续流通的地方,如泵的冲洗管道、热备用泵的旁路管道(低流量保护管道)、离心泵出口返回贮槽(罐)的旁路管、分析取样管等场所。
4限流孔板计算表填写
限流孔板计算表的格式见附表1,计算表应注明工程名称和装置名称。
4.1限流孔板位号
由系统专业提出并填写。
4.2PID图号
根据PID图填写。
4.3管道号
根据限流孔板所在的管道号填写。
4.4管道类别
根据限流孔板所在的管道填写。
4.5介质
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.6流量
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.7孔板流量系数
由系统专业根据Re和d。
/D值查附图(附图1)填写。
4.8液体密度
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.9分子量
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.10压缩系数
由系统专业根据流体对比压力、对比温度查气体压缩系数图求取
4.11孔板前温度
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.12绝热指数
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.13粘度
根据工艺专业提供的工艺数据填写。
4.14板数
见5.2中说明。
4.15孔板允许压差
见5.2中说明。
4.16孔板前绝压
见5.2中说明。
4.17孔板后绝压
见5.2中说明。
4.18开孔数
见5.1中说明。
4.19计算孔径
见5.3中说明。
4.20选用孔径
由系统专业按计算的孔径圆整后填写。
5限流孔板的计算
5.1限流孔板孔数的计算
5.1.1管道公称直径小于或等于150m时,通常采用单孔孔板;大于150m时,采用多孔板。
5.1.2孔数的确定
计算多孔孔板时,首先按单孔孔板求出孔径(见5.3),然后按下