限流孔板的計算與應(yīng)用

時啟濤,陸 聰,荊舉祥

（山東三維石化工程股份有限公司，山東 淄博 255434）

限流孔板作為節(jié)流元件,由于具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、制造成本低、安裝方便等優(yōu)點,在滿足工藝要求的前提下,使用限流孔板代替調(diào)節(jié)閥來限定流量或降低壓力,將會大大地降低投資和操作維修費用,被廣泛地應(yīng)用于工藝裝置,對裝置的安全運行起著重要的作用。因此,在工藝裝置的設(shè)計中有必要充分認(rèn)識限流孔板的優(yōu)點,重視限流孔板的應(yīng)用[1]。

1 測量原理

限流孔板可以作為流量測量元件用來測量流量,也可以作為節(jié)流元件用來限定流量和降低壓力。限流孔板為一同心銳孔板,用于限制流體的流量或降低流體的壓力。流體通過孔板就會產(chǎn)生壓力降,通過孔板的流量則隨壓力降的增大而增大。但當(dāng)壓力降超過一定數(shù)值,即超過臨界壓力降時,不論出口壓力如何降低,流量將維持一定的數(shù)值而不再增加。限流孔板就是根據(jù)這個原理用來限制流體的流量或降低流體的壓力[2]。

限流孔板按孔板上開孔數(shù)量分為單孔板和多孔板；按孔板數(shù)量可分為單級和多級。

流量計算公式[3]:

式中:q——流體的質(zhì)量流率,kg/h

α——流量系數(shù)

ε——膨脹系數(shù),對于液體及不壓縮流體ε=1

d——銳孔直徑,mm

ρ——操作條件下流體密度,kg/m3

Δp——孔板壓降,kg/cm2

在用作限流時,公式有三項要求:(1）管子公稱直徑DN≥15 mm；(2）銳孔直徑 d與管子內(nèi)徑的比值β=d/D≥0.1；(3）孔板前后的壓力比≤臨界流率壓力比γC。

在孔板用作降壓孔板計算時,僅需滿足(1）、(2）兩項要求。

2 限流孔板的應(yīng)用

(1）工藝物料需要降壓的場合。防止各支管偏流,在某種情況下,工藝要求各分支管道流量相同。但是由于各支管阻力降很難完全相等,所以其流量存在差別。使用限流孔板可以調(diào)節(jié)各支管的壓力降,使各支管的流量保持一致。

(2）在管道中閥門上、下游需要有較大壓降時,為減少流體對閥門的沖蝕,當(dāng)經(jīng)孔板節(jié)流不會產(chǎn)生氣相時,可在閥門上游串聯(lián)孔板。

(3）流體需要小流量且連續(xù)流通的地方,如泵的沖洗管道、熱備用泵的旁路管道(低流量保護(hù)管道）、分析取樣管等場所。

(4）需要降壓以減少噪聲或磨損的地方,如放空系統(tǒng)。

(5）代替流量調(diào)節(jié)閥限定最大流量。在工藝操作中,在流量不需調(diào)節(jié),僅要求限定最大流量的場合,可使用限流孔板代替流量調(diào)節(jié)回路防止超流量,節(jié)約投資。這也是限流孔板最常見的用途之一。

3 限流孔板選型要點

3.1 氣體、蒸汽

為了避免使用限流孔板的管路出現(xiàn)噎塞流,限流孔板后壓力(P2）不能小于板前壓力(P1）的55%,即P2≥0.55P1,因此當(dāng)P2＜0.55P1時,不能用單板,要選擇多板,其板數(shù)要保證每板后壓力大于板前壓力的55%。

3.2 液 體

當(dāng)液體壓降小于或等于2.5 MPa時,選擇單板孔板。

當(dāng)液體壓降大于2.5 MPa時,選擇多板孔板,且使每塊孔板的壓降小于2.5 MPa。

3.3 孔數(shù)的確定

管道公稱直徑小于或等于150 mm的管路,通常采用單孔孔板；大于150 mm時,采用多孔孔板。

多孔孔板的孔徑,一般可選用12.5 mm、20 mm、25 mm、40 mm。

4 具體實例

現(xiàn)以某煉油廠連續(xù)重整車間泵P-951到泵P-952出口增加跨線改造項目為例,該項目中泵P-951出口壓力為4.5 MPa(G）,泵P-952出口壓力為1.5 MPa(G）,需要在兩泵出口之間增加DN40的管線,由于兩出口間壓降比較大,故需要增加限流孔板。

4.1 限流孔板的計算

該項目管內(nèi)介質(zhì)為除鹽水,壓力4.5 MPa(G）,溫度104℃,密度1000 kg/m3,粘度0.28 mPa·S,流量5 t/h(根據(jù)管徑和管內(nèi)介質(zhì)確定）,管徑DN40,降壓后壓力為1.5 MPa(G）,計算降壓孔板的銳孔直徑和厚度。

孔板用作降壓孔板計算時,滿足下面兩項要求:

(1）管子公稱直徑DN≥15 mm；

(2）銳孔直徑d與管子內(nèi)徑的比值β=d/D≥0.1。

4.2 孔徑計算

(1）孔徑的計算

式中:q——流體的質(zhì)量流率,kg/h

α——流量系數(shù),查表得出0.61

ε——膨脹系數(shù),對于液體及不壓縮流體ε=1

d——銳孔直徑,mm

ρ——操作條件下流體密度,kg/m3

Δp——孔板壓降,kg/cm2

將數(shù)據(jù)代入式(1）中,得:d=6.16 mm

(2）孔板厚度計算

當(dāng)溫度小于375℃時:

式中:H——孔板厚度,mm

Δp——孔板壓降,kg/cm2

D——管子內(nèi)徑,mm

φ——撓度系數(shù),由,可查表得φ=0.56將數(shù)據(jù)代入式(2）中,得:H=5.2

4.3 限流孔板結(jié)構(gòu)的確定

首先確定限流孔板的安裝位置,最后根據(jù)計算的結(jié)果和所選的法蘭等級來選擇合適的限流孔板。下面列舉了兩種不同法蘭連接形式的限流孔板,在該項目中最終所選是配(FM）6.4 MPa法蘭的限流孔板。

(1）配(RJ）6.4 MPa法蘭時所選的限流孔板,數(shù)據(jù)如表1所示。

表 1 6.4 MPa（RJ）法蘭孔板表Table 1 6.4 MPa （RJ） flange orifice plate meter

(2）所選的限流孔板結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。

圖1 6.4 MPa(RJ）法蘭孔板圖[5]Fig.1 6.4 MPa(RJ） flange orifice plate structure

(3）配(FM）6.3 MPa法蘭時所選的限流孔板數(shù)據(jù),見表2。

表2 6.3 MPa（FM）法蘭孔板表Table 2 6.3 MPa（FM） flange orifice plate meter

所選的限流孔板結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 6.3 MPa(FM）法蘭孔板圖Fig.2 6.3 MPa(FM）flange orifice plate structure

5 結(jié) 論

限流孔板作為特殊的管道附件,具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、制造成本低、安裝方便等優(yōu)點,本文僅結(jié)合設(shè)計和具體的實例,簡單簡紹了限流孔板的結(jié)構(gòu)和選型,實際在石油化工裝置中限流孔板的用途還有許多,只要合理選擇和使用,就會起到大作用,既可以節(jié)約建設(shè)投資,又能保證裝置的安全運行。