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孔板流量计在电力行业里现场应用

2016-12-30 11:44:03

[导读] 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。

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。

一、汽蚀现象

节流孔板流量计的作用,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。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,选择节流孔板流量计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。二、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。?三、节流孔板流量计压差的计算

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,但每一级节流孔板流量计的实际压差Δp均应小于本级入口对应的Δps。

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;

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=1?335 MPa,Δps=1?213 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孔板流量计压降的确定

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。?四、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。

仍以台山电厂凝补泵再循环管为例。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。?五、结束语

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,选择节流孔板流量计时,一定要根据管道的实际情况,计算出孔板数量和孔径.

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