流量孔板设计

节流孔板在发电厂的应用

摘要：通过对液体汽蚀现象的分析，提出了采用节流孔板来降低发电厂汽水管道压力，从而防止流体产生汽蚀的方法。介绍了选择节流孔板的计算方法，包括节流孔板级数、压力差和孔径的计算。

关键词：汽水管道；汽蚀；节流孔板

Applying throttle orifice to power plants

Abstract:With the analysis on liquid cavitation, the use of throttle orifice is suggested to lower the pressure in steam water piping of power plants so as to prevent liquid cavitation. As for the selection of throttle orifice, methods for calculating the number of orifice stages, pressure difference and orifice diameter are described

as well.

Keywords:steam water piping;cavitation;throttle orifice

在工程中，当发电厂汽水管道不需要根据系统的要求调节不同压力，但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（见图1）。如果缩流断面处的压力p vc降到液体对应温度下的饱和蒸汽压力p v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p vc，保持该压力不低于液体的饱和蒸汽压力p v，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Δp s。当孔板两端的压差Δp增加时，流量q m也增加，当压差Δp增大到一定值时，缩口处

的压力p vc下降到流体饱和蒸气压力p v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Δp s。当节流孔板的实际压差Δp小于其对应的Δp s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Δp s。

根据文献[1]，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。

以台山电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；

p c——热力学临界压力，对于水，p c=22.5 MPa；

F L——液体压力恢复系数，暂定为0.9；

F F——临界压力比系数。

由于p1=1.5 MPa，p2=0.165 MPa，20 ℃时p v=2.338 5 kPa，根据式（1）至式（3），得Δp=1 335 MPa，Δp s=1 213 MPa。由于Δp＞Δp s，且p2＞p v，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=0.89 MPa，Δp2=Δp1/2=0.445 MPa。

为了防止节流孔板发生汽蚀，应以阻塞流压差Δp s为准则，验算各级节流孔板压差：第一级孔板的阻塞流压差Δp s1=1.213 MPa＞Δp1；第二级孔板的阻塞流压差Δp s2=0.92×[(1.5－0.89)MPa－0.957×0.002 338 5MPa=0.492 3 MPa＞Δ