大壓降短距離管道節流孔板數值模擬研究

余靈敏,李洪林 (河南油田機動處,河南南陽4731 32)

曾小康,周 源 (中國核動力研究設計院,四川成都61 0041)

大壓降短距離管道節流孔板裝置廣泛應用于各種工業管道系統中,以達到降低汽水壓力和減小汽水流量的目的。對于較大壓降系統,節流孔板設置不合理將導致管道振動程度加劇并伴隨有強烈噪音,對管道的結構和系統的完整性造成嚴重損害[1]。為此,筆者分析了安裝節流孔板的管道振動形成的機理,通過對大壓降短距離管道節流孔板進行數值模擬研究,確定了節流孔板的改進形式。

1 節流孔板引發管道振動原因分析

流體經孔板時流速及壓力變化示意圖如圖1所示。從圖1可以看出,在節流過程中存在紊流能量消耗和節流后壓力隨之降低的現象。當截流斷面處的壓力小于介質溫度對應的飽和壓力時,流束中會有蒸汽及溶解在水中的氣體逸出。當節流孔板下游壓力高于介質溫度對應的飽和壓力時,汽泡迅速凝結后破裂并產生局部空穴,此時高速流體占有局部空穴形成巨大沖擊力,在沖擊力作用下大汽泡分成小汽泡,再被高速流體壓縮凝結后破裂,如此多次反復,從而形成空化現象。該現象引起管道高頻振動,在短時間內造起沖刷面嚴重損壞。此外,若節流孔板設計不合理,將導致孔板下游產生較大渦流,該渦流使孔板下游流動截面上的流速分布很不均勻,從而對管道內表面產生較大沖擊并引起管道低頻振動。因此,盡量抑制空化現象以及孔板后渦流現象的發生是選擇節流孔板主要考慮因素[2]。

圖1 流體流經孔板時流速及壓力變化示意圖

2 節流孔板的數值模擬及優化

以某大壓降短距離管道為例,通過數值模擬對節流孔板進行優化設計,主要參數如下:①管道流量為457m3/h;水介質溫度為60℃;節流孔板進口壓力為2.0MPa;節流孔板出口壓力為0.21MPa;管道規格為?219×12mm;管道長度為460mm。

2.1 單級圓孔節流孔板

單級節流孔板前后流線分布圖如圖2所示。由圖2可知,孔板后管道中心線的流速很高,產生了一個長度約0.6m的渦流,從而引起管道低頻振動。單級節流孔板前后壓力分布圖如圖3所示。由圖3可知,孔板下游存在一個約300mm的負壓區,該區域的壓力低于水介質溫度 (60℃)對應的飽和壓力(Pv=5.62×10-3MPa)[3],當孔板下游壓力高于水介質溫度對應飽和壓力時,導致空化現象產生,從而誘發管道產生高頻振動。因此,設計時不宜采用單級圓孔節流孔板形式。

圖2 單級圓孔節流孔板前后流線分布圖

圖3 單級圓孔節流孔板前后壓力分布圖

2.2 2級同心圓節流孔板

2級同心圓節流孔板前后流線分布圖如圖4所示。由圖4可知,由于節流件級間距離太小且采用同心圓結構,流經第1級孔板的高速水流直接穿過第2級孔板,產生一個長度約0.5m的渦流,從而引起管道低頻振動。2級同心圓節流孔板前后壓力分布圖如圖5所示。由圖5可知,第2級下游存在一個約350mm的負壓區,導致更嚴重的空化現象產生,從而使管道產生劇烈高頻振動。因此,設計時不宜采用2級同心圓節流孔板形式。

圖4 2級同心圓節流孔板前后流線分布圖

圖5 2級同心圓節流孔板前后壓力分布圖

2.3 二級偏心多孔節流孔板

2級偏心多孔節流孔板前后壓力分布圖如圖6所示。由圖6可知,由于采用偏心多孔結構,導致水流速度較為穩定,在第2級孔板后僅產生一個長度約0.35m的渦流,因而管道低頻振動很小。二級偏心多孔節流孔板前后壓力分布圖如圖7所示。由圖7可知,在第2級下游僅存在一個長度不到50mm的負壓區,因而出現空化現象的機率較小,管道不會產生高頻振動。因此,設計時可采用2級偏心多孔節流孔板形式 (見圖8和圖9)。

3 結 論

1)采用單級節流孔板或二級同心圓節流孔板的形式時,都將產生大尺寸渦流和空化現象,從而導致管道產生劇烈振動。

圖6 二級偏心多孔節流孔板前后壓力分布圖

圖7 二級偏心多孔節流孔板前后壓力分布圖

圖8 優化后節流孔板的刨面圖

圖9 第二級節流孔板左視圖

2)采用二級偏心多孔節流孔板形式時,產生的渦流較小,同時出現空化現象的機率較小,因而不會導致管道產生劇烈振動,可以很好地發揮節流降壓的作用。

[1]張都清,張廣成,曹立春.電廠中汽水管道振動的原因及對策[J].山東電力技術,2006(1):56-57.

[2]張寶峰.多級節流孔板的設計計算 [J].西北電力技術,2005(5):27-28.

[3]張寶,胡能祥,徐瑾熙.汽水管道中節流孔板的合理應用 [J].電站系統工程,2005,21(6):20-22.