節流孔板

管道的前後壓差較大時，往往採用增加節流孔板的方式，其原理是：流體在管道中流動時，由於孔板的局部阻力，使得流體的壓力降低，能量損耗，該現象在熱力學上稱為節流現象。該方式比採用調節閥要簡單，但必須選擇得當，否則，液體容易產生汽蝕現象，影響管道的安全運行。

基本介紹

• 中文名：節流孔板
• 外文名：calibrated orifice
• 原理：由於孔板的局部阻力
• 作用：流束會變細或收縮
• 閃蒸和空化：主要區別在於汽泡是否破裂

汽蝕現象

作用

節流孔板的作用，就是在管道的適當地方將孔徑變小，當液體經過縮口，流束會變細或收縮。流束的最小橫斷面出現在實際縮口的下游，稱為縮流斷面。在縮流斷面處，流速是最大的，流速的增加伴隨著縮流斷面處壓力的大大降低。當流束擴展進入更大的區域，速度下降，壓力增加，但下游壓力不會完全恢復到上游的壓力，這是由於較大內部紊流和能量消耗的結果。如果縮流斷面處的壓力pvc降到液體對應溫度下的飽和蒸汽壓力pv以下，流束中就有蒸汽及溶解在水中的氣體逸出，形成蒸汽與氣體混合的小汽泡，壓力越低，汽泡越多。如果孔板下游的壓力p2仍低於液體的飽和蒸汽壓力，汽泡將在下游的管道繼續產生，液汽兩相混合存在，這種現象就是閃蒸。如果下游壓力恢復到高於液體的飽和蒸汽壓力，汽泡在高壓的作用下，迅速凝結而破裂，在汽泡破裂的瞬間，產生局部空穴，高壓水以極高的速度流向這些原汽泡占有的空間，形成一個衝擊力。由於汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結，在衝擊力作用下又分成小汽泡，再被高壓水壓縮、凝結，如此形成多次反覆，並產生一種類似於我們可以想像的砂石流過管道的噪音，此種現象稱為空化（見圖2）。流道材料表面在水擊壓力作用下，形成疲勞而遭到嚴重破壞。我們把汽泡的形成、發展和破裂以致材料受到破壞的全部過程稱為汽蝕現象。

閃蒸和空化

閃蒸和空化的主要區別在於汽泡是否破裂。存在閃蒸現象的系統管道，由於介質為汽水兩相流，介質比容和流速成倍增加，沖刷表面磨損相當厲害，其表現為沖刷面有平滑拋光的外形。閃蒸也產生噪音和振動，但其聲級值一般為80 dB以下，不超出規範規定的許可範圍。空化則不然，汽泡破裂和高速衝擊會引起嚴重的噪音，管道振動大，在流道表面極微小的面積上，衝擊力形成的壓力可高達幾百甚至上千兆帕，衝擊頻率可達每秒幾萬次，在短時間內就可能引起沖刷面的嚴重損壞，其表現為沖刷面會產生類似於煤渣的粗糟表面。而且，由液體中逸出的氧氣等活性氣體，藉助汽泡凝結時放出熱量，也會對金屬起化學腐蝕作用。

不管是閃蒸還是空化，都會對管道造成不同程度的損害，對安全運行均是不利的，因此，選擇節流孔板時應避免這兩種情況的發生。由於孔板下游的壓力往往高於液體的飽和蒸汽壓力，因此，選擇節流孔板時，最主要是防止空化的產生。

防汽蝕法

對於汽蝕，沖刷面換用高級材料不是徹底解決問題的辦法，控制縮流斷面處的壓力pvc，保持該壓力不低於液體的飽和蒸汽壓力pv，才是防止汽蝕產生的一項根本措施。對於壓降較大的管道，可通過多級降壓，確保介質經過每一個縮流斷面時壓力都大於液體的飽和蒸汽壓力。

壓差計算

Δps

為了計算節流孔板的壓差，需引入一個新的概念——阻塞流壓差Δps。當孔板兩端的壓差Δp增加時，流量qm也增加，當壓差Δp增大到一定值時，縮口處的壓力pvc下降到流體飽和蒸氣壓力pv以下，一部分流體汽化，管道流量不再隨壓差增加而增加，即形成所謂阻塞流現象。此時，孔板兩端的壓差稱為阻塞流壓差Δps。當節流孔板的實際壓差Δp小於其對應的Δps時，就可避免閃蒸或汽蝕的發生。當管道兩端壓差較大時，可採用多級減壓，但每一級節流孔板的實際壓差Δp均應小於本級入口對應的Δps。

根據文獻，多級節流孔板的的壓降按幾何級數遞減，當第1級節流孔板實際壓降為Δp1時，第2級孔板減壓至Δp1/2，第3級孔板減壓至Δp1/2²，第4級孔板減壓至Δp1/2^3，……，第n+1級孔板減壓至Δp1/2^n，直減到末級孔板後壓力接近所需壓力為止。

以某廠凝補泵再循環管為例，在機組運行過程中，發現管道振動大。分析原因為：凝補泵在正常運行時，出口壓力約1.5 MPa，補給水箱進口處的壓力約0.12 MPa，當泵出口的除鹽水經再循環管回流至補給水箱時，由於壓差較大，且管道上只裝了一個電動閘閥而非調節閥，因此引起振動。為了減少振動，在第一次設計變更中，採用增加節流孔板的方式，實際運行後，泵出口的管道振動有所改善，但節流孔板後的管道出現汽蝕現象。說明靠增加節流孔板來進行降壓的思路是對的，但孔板的選擇應有所調整。

孔板級數

考慮管道受靜壓差44.012 kPa的影響，孔板兩端最大壓差

?

式（1）至式（3）中：

p1——孔板入口壓力；

pc——熱力學臨界壓力，對於水，pc=22.5 MPa；

FL——液體壓力恢復係數，暫定為0.9；

FF——臨界壓力比係數。

由於p1=1.5 MPa，p2=0.165 MPa，20 ℃時pv=2.338 5 kPa，根據式（1）至式（3），得Δp=1?335 MPa，Δps=1?213 MPa。由於Δp>Δps，且p2>pv，所以採用1級節流孔板將產生汽蝕現象。為了避免汽蝕的發生，至少應裝2級節流孔板。

孔板壓降

根據前面的分析，當採用1級節流時，孔板壓差大於阻塞流壓差，採用多級節流降壓後，第1級節流孔板的實際壓差應小於阻塞流壓差，其壓差的大小取決於第2級孔板，多級節流孔板的壓降按幾何級數遞減。因此，若採用2級節流孔板，則

?

其中Δp1=0.89 MPa，Δp2=Δp1/2=0.445 MPa。

為了防止節流孔板發生汽蝕，應以阻塞流壓差Δps為準則，驗算各級節流孔板壓差：第一級孔板的阻塞流壓差Δps1=1.213 MPa>Δp1；第二級孔板的阻塞流壓差Δps2=0.92×[(1.5－0.89)MPa－0.957×0.002 338 5MPa=0.492 3 MPa>Δp2。因此，每級節流孔板後都不會出現汽蝕現象，採用2級節流孔板是合理的。?

孔徑計算

根據DL/T 5054—1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》，水管道節流孔板孔徑可按下式計算：?

（4）?

式中：dk——節流孔板的孔徑；

ρ——水的密度。

舉個例子，根據現場的實際運行數據，正常運行時熱井的補水量約20 t/h，泵出口壓力約1.5 MPa，扣除泵進口壓力，揚程約134 m，查性能曲線，對應的流量為136.8 t/h，即經再循環管回流至補給水箱的除鹽水量約116 t/h。根據式（4）得：第1級節流孔板孔徑dk1=40.68 mm，取40.7 mm；第2級節流孔板孔徑dk2=48.37 mm，取48.5 mm。

在該管道的第一次設計變更時，流量按常規泵的再循環量（最大流量的30%）選取，取60 t/h，且壓降沒按幾何級數遞減考慮，兩級孔板孔徑均為33 mm。根據實際運行情況，經再循環管回流至補給水箱的除鹽水量應約116 t/h，但由於節流孔板的限流作用，流經再循環管的水量最大只能是第2級節流孔板阻塞流時的流量。因第2級節流孔板後的壓力大於液體的飽和蒸汽壓力，故第2級節流孔板後出現汽蝕現象，管道產生較大振動和噪音。?

實際套用

在實際工程套用中，將多級節流孔板用於減壓系統是切實可行的，為了防止管道發生汽蝕，選擇節流孔板時，一定要根據管道的實際情況，計算出孔板數量和孔徑