節(jié)流裝置

管道的前后壓差較大時(shí)，往往采用增加節(jié)流孔板的方式，其原理是：流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于孔板的局部阻力，使得流體的壓力降低，能量損耗，該現(xiàn)象在熱力學(xué)上稱為節(jié)流現(xiàn)象。該方式比采用調(diào)節(jié)閥要簡(jiǎn)單，但必須選擇得當(dāng)，否則，液體容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，影響管道的安全運(yùn)行。
　　1汽蝕現(xiàn)象
　　節(jié)流孔板的作用，就是在管道的適當(dāng)?shù)胤綄⒖讖阶冃。?dāng)液體經(jīng)過縮口，流束會(huì)變細(xì)或收縮。流束的最小橫斷面出現(xiàn)在實(shí)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(dāng)流束擴(kuò)展進(jìn)入更大的區(qū)域，速度下降，壓力增加，但下游壓力不會(huì)完全恢復(fù)到上游的壓力，這是由于較大內(nèi)部紊流和能量消耗的結(jié)果。如果縮流斷面處的壓力pvc降到液體對(duì)應(yīng)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仍低于液體的飽和蒸汽壓力，汽泡將在下游的管道繼續(xù)產(chǎn)生，液汽兩相混合存在，這種現(xiàn)象就是閃蒸。如果下游壓力恢復(fù)到高于液體的飽和蒸汽壓力，汽泡在高壓的作用下，迅速凝結(jié)而破裂，在汽泡破裂的瞬間，產(chǎn)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(gè)沖擊力。由于汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結(jié)，在沖擊力作用下又分成小汽泡，再被高壓水壓縮、凝結(jié)，如此形成多次反復(fù)，并產(chǎn)生一種類似于我們可以想象的砂石流過管道的噪音，此種現(xiàn)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(yán)重破壞。我們把汽泡的形成、發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全部過程稱為汽蝕現(xiàn)象。
　　閃蒸和空化的主要區(qū)別在于汽泡是否破裂。存在閃蒸現(xiàn)象的系統(tǒng)管道，由于介質(zhì)為汽水兩相流，介質(zhì)比容和流速成倍增加，沖刷表面磨損相當(dāng)厲害，其表現(xiàn)為沖刷面有平滑拋光的外形。閃蒸也產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，但其聲級(jí)值一般為80 dB以下，不超出規(guī)范規(guī)定的許可范圍。空化則不然，汽泡破裂和高速?zèng)_擊會(huì)引起嚴(yán)重的噪音，管道振動(dòng)大，在流道表面極微小的面積上，沖擊力形成的壓力可高達(dá)幾百甚至上千兆帕，沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬次，在短時(shí)間內(nèi)就可能引起沖刷面的嚴(yán)重?fù)p壞，其表現(xiàn)為沖刷面會(huì)產(chǎn)生類似于煤渣的粗糟表面。而且，由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助汽泡凝結(jié)時(shí)放出熱量，也會(huì)對(duì)金屬起化學(xué)腐蝕作用。
　　不管是閃蒸還是空化，都會(huì)對(duì)管道造成不同程度的損害，對(duì)安全運(yùn)行均是不利的，因此，選擇節(jié)流孔板時(shí)應(yīng)避免這兩種情況的發(fā)生。由于孔板下游的壓力往往高于液體的飽和蒸汽壓力，因此，選擇節(jié)流孔板時(shí)，最主要是防止空化的產(chǎn)生。
　　2 防止流體產(chǎn)生汽蝕的方法
　　對(duì)于汽蝕，沖刷面換用高級(jí)材料不是徹底解決問題的辦法，控制縮流斷面處的壓力pvc，保持該壓力不低于液體的飽和蒸汽壓力pv，才是防止汽蝕產(chǎn)生的一項(xiàng)根本措施。對(duì)于壓降較大的管道，可通過多級(jí)降壓，確保介質(zhì)經(jīng)過每一個(gè)縮流斷面時(shí)壓力都大于液體的飽和蒸汽壓力。
　　3 節(jié)流孔板壓差的計(jì)算
　　為了計(jì)算節(jié)流孔板的壓差，需引入一個(gè)新的概念——阻塞流壓差Δps。當(dāng)孔板兩端的壓差Δp增加時(shí)，流量qm也增加，當(dāng)壓差Δp增大到一定值時(shí)，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(xiàn)象。此時(shí)，孔板兩端的壓差稱為阻塞流壓差Δps。當(dāng)節(jié)流孔板的實(shí)際壓差Δp小于其對(duì)應(yīng)的Δps時(shí)，就可避免閃蒸或汽蝕的發(fā)生。當(dāng)管道兩端壓差較大時(shí)，可采用多級(jí)減壓，但每一級(jí)節(jié)流孔板的實(shí)際壓差Δp均應(yīng)小于本級(jí)入口對(duì)應(yīng)的Δps。
　　根據(jù)文獻(xiàn)，多級(jí)節(jié)流孔板的的壓降按幾何級(jí)數(shù)遞減，當(dāng)?shù)?級(jí)節(jié)流孔板實(shí)際壓降為Δp1時(shí)，第2級(jí)孔板減壓至Δp1/2，第3級(jí)孔板減壓至Δp1/22，第4級(jí)孔板減壓至Δp1/23，……，第n+1級(jí)孔板減壓至Δp1/2n，直減到末級(jí)孔板后壓力接近所需壓力為止。
　　以某廠凝補(bǔ)泵再循環(huán)管為例，在機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)管道振動(dòng)大。分析原因?yàn)椋耗a(bǔ)泵在正常運(yùn)行時(shí)，出口壓力約1.5 MPa，補(bǔ)給水箱進(jìn)口處的壓力約0.12 MPa，當(dāng)泵出口的除鹽水經(jīng)再循環(huán)管回流至補(bǔ)給水箱時(shí)，由于壓差較大，且管道上只裝了一個(gè)電動(dòng)閘閥而非調(diào)節(jié)閥，因此引起振動(dòng)。為了減少振動(dòng)，在第一次設(shè)計(jì)變更中，采用增加節(jié)流孔板的方式，實(shí)際運(yùn)行后，泵出口的管道振動(dòng)有所改善，但節(jié)流孔板后的管道出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。說明靠增加節(jié)流孔板來進(jìn)行降壓的思路是對(duì)的，但孔板的選擇應(yīng)有所調(diào)整。
　　3.1孔板級(jí)數(shù)的確定
　　考慮管道受靜壓差44.012 kPa的影響，孔板兩端最大壓差
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　　式（1）至式（3）中：
　　p1——孔板入口壓力；
　　pc——熱力學(xué)臨界壓力，對(duì)于水，pc=22.5 MPa；
　　FL——液體壓力恢復(fù)系數(shù)，暫定為0.9；
　　FF——臨界壓力比系數(shù)。
　　由于p1=1.5 MPa，p2=0.165 MPa，20 ℃時(shí)pv=2.338 5 kPa，根據(jù)式（1）至式（3），得Δp=1335 MPa，Δps=1213 MPa。由于Δp＞Δps，且p2＞pv，所以采用1級(jí)節(jié)流孔板將產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。為了避免汽蝕的發(fā)生，至少應(yīng)裝2級(jí)節(jié)流孔板。
　　3.2孔板壓降的確定
　　根據(jù)前面的分析，當(dāng)采用1級(jí)節(jié)流時(shí)，孔板壓差大于阻塞流壓差，采用多級(jí)節(jié)流降壓后，第1級(jí)節(jié)流孔板的實(shí)際壓差應(yīng)小于阻塞流壓差，其壓差的大小取決于第2級(jí)孔板，多級(jí)節(jié)流孔板的壓降按幾何級(jí)數(shù)遞減。因此，若采用2級(jí)節(jié)流孔板，則
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　　其中Δp1=0.89 MPa，Δp2=Δp1/2=0.445 MPa。
　　為了防止節(jié)流孔板發(fā)生汽蝕，應(yīng)以阻塞流壓差Δps為準(zhǔn)則，驗(yàn)算各級(jí)節(jié)流孔板壓差：第一級(jí)孔板的阻塞流壓差Δps1=1.213 MPa＞Δp1；第二級(jí)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(jí)節(jié)流孔板后都不會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，采用2級(jí)節(jié)流孔板是合理的。
　　4節(jié)流孔板孔徑的計(jì)算
　　根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，水管道節(jié)流孔板孔徑可按下式計(jì)算：
　　（4）
　　式中：dk——節(jié)流孔板的孔徑；
　　ρ——水的密度。
　　舉個(gè)例子，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，正常運(yùn)行時(shí)熱井的補(bǔ)水量約20 t/h，泵出口壓力約1.5 MPa，扣除泵進(jìn)口壓力，揚(yáng)程約134 m，查性能曲線，對(duì)應(yīng)的流量為136.8 t/h，即經(jīng)再循環(huán)管回流至補(bǔ)給水箱的除鹽水量約116 t/h。根據(jù)式（4）得：第1級(jí)節(jié)流孔板孔徑dk1=40.68 mm，取40.7 mm；第2級(jí)節(jié)流孔板孔徑dk2=48.37 mm，取48.5 mm。
　　在該管道的第一次設(shè)計(jì)變更時(shí)，流量按常規(guī)泵的再循環(huán)量（最大流量的30%）選取，取60 t/h，且壓降沒按幾何級(jí)數(shù)遞減考慮，兩級(jí)孔板孔徑均為33 mm。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，經(jīng)再循環(huán)管回流至補(bǔ)給水箱的除鹽水量應(yīng)約116 t/h，但由于節(jié)流孔板的限流作用，流經(jīng)再循環(huán)管的水量最大只能是第2級(jí)節(jié)流孔板阻塞流時(shí)的流量。因第2級(jí)節(jié)流孔板后的壓力大于液體的飽和蒸汽壓力，故第2級(jí)節(jié)流孔板后出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，管道產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪音。
　　在實(shí)際工程應(yīng)用中，將多級(jí)節(jié)流孔板用于減壓系統(tǒng)是切實(shí)可行的，為了防止管道發(fā)生汽蝕，選擇節(jié)流孔板時(shí)，一定要根據(jù)管道的實(shí)際情況，計(jì)算出孔板數(shù)量和孔徑