第六章燃气管网的水力计算.docx

第六章 燃气管网的水力计算第一节 管道内燃气流动的基本方程式我们先看以下燃气管道计算的不稳定流动方程。一、不稳定流动方程式燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，管道内燃气的压力和流量在流动过程中都会发生变化，除此之外，随着管道内沿程压力的下降燃气的密度也在减小，而管道内燃气的温度可以认为是不变的，其温度等于管道周围土壤的温度。这样，决定燃气流动状态的参数为：压力P，流速w和密度，他们均随燃气流动的距离和时间而变化。是距离L和时间的函数，即为了求得燃气流动的状态参数P，w和，必须借助于运动方程，连续性方程和状态方程三个方程。对管道内的燃气列出运动方程和连续性方程，再将其与状态方程组合，可以得到求解管道内燃气流动的基本方程式：其中指的是燃气管道对水平面的倾斜角。为摩阻系数，d是燃气管道的内径。从理论上讲，该式可用来求解在燃气管道中任意断面x和任一时间的气流参数P，和流速w，但实际上这一组非线性偏微分方程组很难求解析解，在工程上常可忽略某些对计算结果影响不大的项，并对该方程组进行线性简化，可求得近似解。到简化后的方程组为：其中c为声速上式即为简化后的燃气管道不稳定流动方程组，但在实际生产和生活中，该方程的应用并不多，除了单位时间内输气量波动大的超高压天然气长输管线要用到上面的不稳定流进行计算外，设计城市燃气管道时燃气流动的不稳定性可以不考虑。因此我们下面主要讲一下燃气管到计算的稳定流动方程式。二、稳定流动方程式通常在城市燃气管网工程设计中，将某一小段时间内（如一小时或一天）的管内流动作为稳定流动，认为各运动参数P，w和不随时间变化。这样这三个参数对时间的偏导数都等于0，即将他们带入不稳定流动方程组，然后进行适当简化积分后可得稳定流动燃气管计算的公式：该方程可以用来计算高压和低压燃气管道。其中P1是管道起始端管内燃气的绝对压力Pa，P2是L处管道内燃气的绝对压力Pa，为摩阻系数，Q0为燃气管道的计算流量Nm3/s，d是管道内径m，为燃气的密度kg/Nm3P0为标准大气压，P0=101325Pa，T为燃气的温度K，T0为标准状态温度，T0=273.16KZ是燃气在管内所处温度压力下的压缩因子，Z0是燃气在标准状态下的压缩因子，将该式用于计算低压燃气管道压降时可以进行简化，Pm为管道起始端和末端压力的算数平均值，低压管道本身压力很低，可以认为，带入稳定流动计算公式可得：若考虑城市燃气管道的压力一般在1.6MPa以下，此时可认为，并将公式中的各参数采用工程中常用的单位，P的单位用kPa，L的单位采用km，流量的单位采用Nm3/h，管道内径d的单位采用mm，则低压燃气管道的计算公式为：10的7次方高中压燃气管道的计算公式为：10的10次方第三部分我们看一下计算公式中的摩阻系数三、燃气管道的摩擦阻力系数简称摩阻系数，是反映管内燃气流动摩擦阻力的一个无因次系数，与燃气在管道内的流动状况、管道材质、管道的连接方法及安装质量、燃气的性质等因素有关，是雷诺数Re和相对粗糙度的函数。雷诺数，d是管道内径m，w是燃气流动断面的平均流速m/s，v是燃气的运动粘度。下面简单介绍几个常用的计算摩阻系数的经验和半经验公式。层流区（Re2100） 临界区（Re=21003500）紊流区（Re3500）分三种情况，钢管，塑料管和铸铁管钢管和塑料管的摩阻系数可用下公式计算：铸铁管：其中为管道内表面的当量绝对粗糙度，对于钢管取0.10.2mm，塑料管取0.01mm，第二节 城市燃气管道水力计算公式和计算图表上一节我们讲了燃气管道水力计算的基本方程式，为了便于城市燃气管道的水力计算，我们通常将摩阻系数的表达式带入水力计算公式中，得到实用的计算公式或将压降与管长、流量以及管径密度等参数的关系制成计算图表进行水力计算。下面我们分别讲几个低压和高中压管网水力计算的实用公式一、低压燃气管道摩擦阻力损失计算公式（一）层流区（Re2100）将层流区的摩阻系数计算公式带入低压燃气管道的计算公式中得到层流区的模组损失计算公式为：同样，将临界区和紊流区的摩阻系数计算式带入低压燃气管道水力计算公式中分别得到相应的计算式：（二）临界区（Re=21003500）（三）紊流区（Re3500）二、高压和中压燃气管道摩擦阻力损失计算公式高压和中压燃气管道的流动流速快，基本处于紊流区，因此，将紊流区的摩阻系数计算公式带入第一节讲得高中压管道水力计算公式中可分别得到钢管、塑料管和铸铁管的摩阻损失计算式：10的9次方公式中各个参数的单位采用前面讲得工程上常用的单位三、燃气管道摩擦阻力损失计算图表课本P95图6-26-5分别是人工燃气和天然气的高中低压钢管的水力计算图表，我们看其中的 图6-2吧，图6-2是人工燃气高中压管道的水力计算图，横坐标是管道中燃气的流量，纵坐标是，图中的每条线对应着不同的管道内径。在使用时，我们根据燃气流量，以及管径就可以查出的数值，对于低压管道，如图6-3，可以查出的数值，再根据管道长度以及管道起始端的压力就可以求出管道末端的压力值，需要注意的是图表的绘制是按燃气密度得到的，根据前面的水力计算公式，可以看出对于低压管道与密度成正比，高中压管道也与密度成正比，因此如果管道内所输送的燃气密度1，则应按下面公式进行修正。查图表得到的数据低压管道查图表得到的数据高、中压管道下面我们通过一个例题来熟悉以下这个图表的使用课本P99，例6-1图表法：根据题目中所给的条件可以知道，这是一条输送人工燃气的中压管道，因此，我们选择图6-2，输送燃气的流量是2000Nm3/h，管径为，从图上找到流量为2000的地方，图上102代表100，后面的2，3，4一直到9代表200，300，400，直到900，103代表流量1000，后面的2代表流量为2000 Nm3/h，沿着2000 Nm3/h往上找，找到与这条线相交的地方，看他的横坐标为3.1，=3.1本题中所输送的燃气的密度为0.7kg/Nm3，对进行修正得到然后再把已知的起始端压力P1150kPa，管道长度200m带入即可求得管段末端压力P2若将该题目用公式进行计算，则选择高中压钢管的计算公式进行计算10的9次方P1=150kPa，L=0.2km，取0.10.2mm，带入管道内径时要注意，219代表管道外径，7代表管道壁厚，管道内径d=219-72=205mm，燃气动力粘度v带入2510-6，Q0带入流量2000，密度为0.7，温度T为0，换算成绝对温度为273.16K，T0=273.16K。将这些数值带入公式即可求出管段末端压力P2。例6-2该题在计算时要选择低压管道的计算公式进行计算，低压管道水力计算公式分层流区、临界区和紊流区三种情况，由于本题中管径是未知的，他的雷诺数无法求出，无法判断是那种流动状态，因此我们先假设管道中的燃气是在层流区流动，选择层流区的计算公式，公式中除管径之外，其他条件均已知，可以求出管径，求出管径之后我们再来判断我们的假设对不对，将管径带入雷诺数的计算公式中求出雷诺数，如果雷诺数小于2100，则表示燃气流动状态为层流，说明假设是正确的，前面计算所得的管径是正确的，若求得的雷诺数不是在层流区，则需要重新假设在临界区或紊流状态流动，重新选择公式计算管径，重复前面的步骤，验证雷诺数，知道假设正确，求得的管径即为正确的管径。图表法：人工燃气低压钢管，因此选用表6-3，本题中流量已知，管径未知，但知道压降为4Pa，表6-3中的纵坐标为，因此求得，这个0.04Pa/m是经过密度修订后得到的，查图时跟前一个例题相反，要除以燃气的密度得到，根据流量和=0.08Pa/m可以查的管径约为80mm四、燃气管道局部阻力损失和附加压头1.局部压力降城市燃气管网计算时，管网的局部损失一般以沿程损失的510%估计对于室内燃气管道和厂、站区域的燃气管道，由于管路附件较多，局部损失所占的比例较大，应逐项进行计算。局部阻力损失有两种计算方法，一种是利用公式，根据实验数据查取局部阻力系数，代入公式进行计算，另一种是用当量长度法计算我们先看第一种计算方法：局部阻力损失可用下式求得：w为燃气在管道中的流速，为管段中局部阻力系数的总和，他通常由试验测得，燃气管路中一些常用管件的局部阻力系数可查表得到。当量长度法当量长度法是将各种管件折成相同管径管段的当量长度来计算，当量长度可按下式计算：当量长度不但与局部阻力系数有关，还与管径、沿程阻力系数有关因此，管件的局部压力降等于其当量长度为L2的直线管段的沿程压力降，在计算管道及管道附件的总压力降时L= L1 + L2其中L1为管道的实际长度，L2为管道的当量长度实际管道计算长度L乘以该管段单位长度摩擦阻力损失，就可得到该管段的压力损失。2.附加压头在始末端高程差值变化特别大的个别管段，当燃气密度小于空气密度时，管道内燃气向上流动时时，空气对将对燃气产生一种升力，管道内燃气下降时将增加阻力，因此引入附加压头的概念为空气的密度为燃气的密度为管段终端和始端的标高差值，沿气体的流动方向计算第三节 燃气分配管网计算流量（一）计算流量燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况，可分为三种情况：（1）第一种情况是像这样的只有转输流量的管段，该管段沿途不输出燃气，用户连接在管段的末端（2）这种是只有途泄流量的管段，由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户（3）这种是既有途泄流量又有转输流量的管段，这种管段是我们生活中最常见的一种，既有沿程输出的燃气流量，又在管段末端输出转输流量。像上面的第二中和第三种管段，在燃气输送的过程中管内的流量是变化的，对于这种变负荷管段的计算我们要确定出他的一个计算流量，计算流量可按下式计算： Q1为途泄流量，Q2为转输流量，为流量折算系数，它与途泄流量与转输流量之比、沿途支管数有关。按这个计算流量确定的管段的压力降应与实际的压力降相等，根据这一原则我们求得对于一般的燃气分配管道，在0.50.6之间，变化范围较小，在实际计算中可将其作为常数，取其平均值=0.55，则燃气分配管道的计算流量为Q=0.55Q1+ Q2（二）途泄流量以下图所示的燃气管网系统为例来讲一下途泄流量的计算方法：、在供气范围内，按不同的居民人口密度或道路和建筑物的布局划分街区A、B、CF小区，并布置配气管道1-2、2-3、分别计算各个街区的用气量其中包括各区居民用气量、小型公共建筑及小型工业用气量，可根据前面讲得各种用气对象的用气量指标进行确定，假定A小区每小时的用气量为QA，B小区每小时的用气量为QB，以此类推得到QC，. QF，、计算单位长度的途泄流量根据每个区的燃气计算流量和燃气管道的长度，计算管道单位长度途泄流量。如图中ABCD各区的管道的单位长度的计算流量为：A区：B区.C区4. 求管段的途泄流量管段的途泄流量等于该管段的长度与其单位长度途泄流量的乘积若管道是两个区的公共管道，需同时向两侧供气时，其管段途泄流量应为管道两侧单位长度途泄流量之和乘以管长（三）节点流量一下图为例讲一下节点流量的计算方法节点流量等于燃气流入节点的所有管段的途泄流量的0.55倍，与燃气流出节点的所有管道的途泄流量的0.45倍之和，再加上节点上另有的集中流量节点流量=0.55流入该节点的所有管段的途泄流量+0.45流出该节点的所有管段的途泄流量以节点1为例：他的节点流量q1为节点2：节点5：