限流孔板的计算与应用

时启涛,陆 聪,荆举祥

（山东三维石化工程股份有限公司，山东 淄博 255434）

限流孔板作为节流元件,由于具有结构简单、易加工、制造成本低、安装方便等优点,在满足工艺要求的前提下,使用限流孔板代替调节阀来限定流量或降低压力,将会大大地降低投资和操作维修费用,被广泛地应用于工艺装置,对装置的安全运行起着重要的作用。因此,在工艺装置的设计中有必要充分认识限流孔板的优点,重视限流孔板的应用[1]。

1 测量原理

限流孔板可以作为流量测量元件用来测量流量,也可以作为节流元件用来限定流量和降低压力。限流孔板为一同心锐孔板,用于限制流体的流量或降低流体的压力。流体通过孔板就会产生压力降,通过孔板的流量则随压力降的增大而增大。但当压力降超过一定数值,即超过临界压力降时,不论出口压力如何降低,流量将维持一定的数值而不再增加。限流孔板就是根据这个原理用来限制流体的流量或降低流体的压力[2]。

限流孔板按孔板上开孔数量分为单孔板和多孔板；按孔板数量可分为单级和多级。

流量计算公式[3]:

式中:q——流体的质量流率,kg/h

α——流量系数

ε——膨胀系数,对于液体及不压缩流体ε=1

d——锐孔直径,mm

ρ——操作条件下流体密度,kg/m3

Δp——孔板压降,kg/cm2

在用作限流时,公式有三项要求:(1）管子公称直径DN≥15 mm；(2）锐孔直径 d与管子内径的比值β=d/D≥0.1；(3）孔板前后的压力比≤临界流率压力比γC。

在孔板用作降压孔板计算时,仅需满足(1）、(2）两项要求。

2 限流孔板的应用

(1）工艺物料需要降压的场合。防止各支管偏流,在某种情况下,工艺要求各分支管道流量相同。但是由于各支管阻力降很难完全相等,所以其流量存在差别。使用限流孔板可以调节各支管的压力降,使各支管的流量保持一致。

(2）在管道中阀门上、下游需要有较大压降时,为减少流体对阀门的冲蚀,当经孔板节流不会产生气相时,可在阀门上游串联孔板。

(3）流体需要小流量且连续流通的地方,如泵的冲洗管道、热备用泵的旁路管道(低流量保护管道）、分析取样管等场所。

(4）需要降压以减少噪声或磨损的地方,如放空系统。

(5）代替流量调节阀限定最大流量。在工艺操作中,在流量不需调节,仅要求限定最大流量的场合,可使用限流孔板代替流量调节回路防止超流量,节约投资。这也是限流孔板最常见的用途之一。

3 限流孔板选型要点

3.1 气体、蒸汽

为了避免使用限流孔板的管路出现噎塞流,限流孔板后压力(P2）不能小于板前压力(P1）的55%,即P2≥0.55P1,因此当P2＜0.55P1时,不能用单板,要选择多板,其板数要保证每板后压力大于板前压力的55%。

3.2 液 体

当液体压降小于或等于2.5 MPa时,选择单板孔板。

当液体压降大于2.5 MPa时,选择多板孔板,且使每块孔板的压降小于2.5 MPa。

3.3 孔数的确定

管道公称直径小于或等于150 mm的管路,通常采用单孔孔板；大于150 mm时,采用多孔孔板。

多孔孔板的孔径,一般可选用12.5 mm、20 mm、25 mm、40 mm。

4 具体实例

现以某炼油厂连续重整车间泵P-951到泵P-952出口增加跨线改造项目为例,该项目中泵P-951出口压力为4.5 MPa(G）,泵P-952出口压力为1.5 MPa(G）,需要在两泵出口之间增加DN40的管线,由于两出口间压降比较大,故需要增加限流孔板。

4.1 限流孔板的计算

该项目管内介质为除盐水,压力4.5 MPa(G）,温度104℃,密度1000 kg/m3,粘度0.28 mPa·S,流量5 t/h(根据管径和管内介质确定）,管径DN40,降压后压力为1.5 MPa(G）,计算降压孔板的锐孔直径和厚度。

孔板用作降压孔板计算时,满足下面两项要求:

(1）管子公称直径DN≥15 mm；

(2）锐孔直径d与管子内径的比值β=d/D≥0.1。

4.2 孔径计算

(1）孔径的计算

式中:q——流体的质量流率,kg/h

α——流量系数,查表得出0.61

ε——膨胀系数,对于液体及不压缩流体ε=1

d——锐孔直径,mm

ρ——操作条件下流体密度,kg/m3

Δp——孔板压降,kg/cm2

将数据代入式(1）中,得:d=6.16 mm

(2）孔板厚度计算

当温度小于375℃时:

式中:H——孔板厚度,mm

Δp——孔板压降,kg/cm2

D——管子内径,mm

φ——挠度系数,由,可查表得φ=0.56将数据代入式(2）中,得:H=5.2

4.3 限流孔板结构的确定

首先确定限流孔板的安装位置,最后根据计算的结果和所选的法兰等级来选择合适的限流孔板。下面列举了两种不同法兰连接形式的限流孔板,在该项目中最终所选是配(FM）6.4 MPa法兰的限流孔板。

(1）配(RJ）6.4 MPa法兰时所选的限流孔板,数据如表1所示。

表 1 6.4 MPa（RJ）法兰孔板表Table 1 6.4 MPa （RJ） flange orifice plate meter

(2）所选的限流孔板结构图,如图1所示。

图1 6.4 MPa(RJ）法兰孔板图[5]Fig.1 6.4 MPa(RJ） flange orifice plate structure

(3）配(FM）6.3 MPa法兰时所选的限流孔板数据,见表2。

表2 6.3 MPa（FM）法兰孔板表Table 2 6.3 MPa（FM） flange orifice plate meter

所选的限流孔板结构图,如图2所示。

图2 6.3 MPa(FM）法兰孔板图Fig.2 6.3 MPa(FM）flange orifice plate structure

5 结 论

限流孔板作为特殊的管道附件,具有结构简单、易加工、制造成本低、安装方便等优点,本文仅结合设计和具体的实例,简单简绍了限流孔板的结构和选型,实际在石油化工装置中限流孔板的用途还有许多,只要合理选择和使用,就会起到大作用,既可以节约建设投资,又能保证装置的安全运行。