大压降短距离管道节流孔板数值模拟研究

余灵敏,李洪林 (河南油田机动处,河南南阳4731 32)

曾小康,周 源 (中国核动力研究设计院,四川成都61 0041)

大压降短距离管道节流孔板装置广泛应用于各种工业管道系统中,以达到降低汽水压力和减小汽水流量的目的。对于较大压降系统,节流孔板设置不合理将导致管道振动程度加剧并伴随有强烈噪音,对管道的结构和系统的完整性造成严重损害[1]。为此,笔者分析了安装节流孔板的管道振动形成的机理,通过对大压降短距离管道节流孔板进行数值模拟研究,确定了节流孔板的改进形式。

1 节流孔板引发管道振动原因分析

流体经孔板时流速及压力变化示意图如图1所示。从图1可以看出,在节流过程中存在紊流能量消耗和节流后压力随之降低的现象。当截流断面处的压力小于介质温度对应的饱和压力时,流束中会有蒸汽及溶解在水中的气体逸出。当节流孔板下游压力高于介质温度对应的饱和压力时,汽泡迅速凝结后破裂并产生局部空穴,此时高速流体占有局部空穴形成巨大冲击力,在冲击力作用下大汽泡分成小汽泡,再被高速流体压缩凝结后破裂,如此多次反复,从而形成空化现象。该现象引起管道高频振动,在短时间内造起冲刷面严重损坏。此外,若节流孔板设计不合理,将导致孔板下游产生较大涡流,该涡流使孔板下游流动截面上的流速分布很不均匀,从而对管道内表面产生较大冲击并引起管道低频振动。因此,尽量抑制空化现象以及孔板后涡流现象的发生是选择节流孔板主要考虑因素[2]。

图1 流体流经孔板时流速及压力变化示意图

2 节流孔板的数值模拟及优化

以某大压降短距离管道为例,通过数值模拟对节流孔板进行优化设计,主要参数如下:①管道流量为457m3/h;水介质温度为60℃;节流孔板进口压力为2.0MPa;节流孔板出口压力为0.21MPa;管道规格为∅219×12mm;管道长度为460mm。

2.1 单级圆孔节流孔板

单级节流孔板前后流线分布图如图2所示。由图2可知,孔板后管道中心线的流速很高,产生了一个长度约0.6m的涡流,从而引起管道低频振动。单级节流孔板前后压力分布图如图3所示。由图3可知,孔板下游存在一个约300mm的负压区,该区域的压力低于水介质温度 (60℃)对应的饱和压力(Pv=5.62×10-3MPa)[3],当孔板下游压力高于水介质温度对应饱和压力时,导致空化现象产生,从而诱发管道产生高频振动。因此,设计时不宜采用单级圆孔节流孔板形式。

图2 单级圆孔节流孔板前后流线分布图

图3 单级圆孔节流孔板前后压力分布图

2.2 2级同心圆节流孔板

2级同心圆节流孔板前后流线分布图如图4所示。由图4可知,由于节流件级间距离太小且采用同心圆结构,流经第1级孔板的高速水流直接穿过第2级孔板,产生一个长度约0.5m的涡流,从而引起管道低频振动。2级同心圆节流孔板前后压力分布图如图5所示。由图5可知,第2级下游存在一个约350mm的负压区,导致更严重的空化现象产生,从而使管道产生剧烈高频振动。因此,设计时不宜采用2级同心圆节流孔板形式。

图4 2级同心圆节流孔板前后流线分布图

图5 2级同心圆节流孔板前后压力分布图

2.3 二级偏心多孔节流孔板

2级偏心多孔节流孔板前后压力分布图如图6所示。由图6可知,由于采用偏心多孔结构,导致水流速度较为稳定,在第2级孔板后仅产生一个长度约0.35m的涡流,因而管道低频振动很小。二级偏心多孔节流孔板前后压力分布图如图7所示。由图7可知,在第2级下游仅存在一个长度不到50mm的负压区,因而出现空化现象的机率较小,管道不会产生高频振动。因此,设计时可采用2级偏心多孔节流孔板形式 (见图8和图9)。

3 结 论

1)采用单级节流孔板或二级同心圆节流孔板的形式时,都将产生大尺寸涡流和空化现象,从而导致管道产生剧烈振动。

图6 二级偏心多孔节流孔板前后压力分布图

图7 二级偏心多孔节流孔板前后压力分布图

图8 优化后节流孔板的刨面图

图9 第二级节流孔板左视图

2)采用二级偏心多孔节流孔板形式时,产生的涡流较小,同时出现空化现象的机率较小,因而不会导致管道产生剧烈振动,可以很好地发挥节流降压的作用。

[1]张都清,张广成,曹立春.电厂中汽水管道振动的原因及对策[J].山东电力技术,2006(1):56-57.

[2]张宝峰.多级节流孔板的设计计算 [J].西北电力技术,2005(5):27-28.

[3]张宝,胡能祥,徐瑾熙.汽水管道中节流孔板的合理应用 [J].电站系统工程,2005,21(6):20-22.