节流孔板地原理及限流计算

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1.5 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Δp=1335 MPa，Δps=1213 MPa。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=0.89 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=1.213 MPa＞Δp1；第二级孔板的阻塞流压差Δps2=0.92×[(1.5－0.89)MPa－0.957×0.002 338 5MPa=0.492 3 MPa＞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/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；

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