第6章 燃气管网的水力工况

第六章燃气管网的水力工况 本章分析了燃气用户压力的波动及其影响因素 燃气管网计算压力降的确定方法 低压燃气管网在不同情况下的水力工况 学习提示 1 概念 计算工况 2 掌握计算压力降的确定 3 掌握低压管网的水力工况 4 理解管网水力可靠性 6 1管网计算压力降的确定 低压管网和次高压 中压管网压力降的影响因素不同 因而其计算压力降的确定方法不同 6 1 1低压管网计算压力降的确定 一 用户处的压力波动及其影响因素1 用户与管网的连接方式与用户的压力 1 管网 用户调压器 燃气器具 2 管网 用户方式 1 管网压力波动 不影响用户处的压力 方式 2 管网中流量变化和压力波动 用户处的压力也随之变化 为满足燃具燃烧的稳定性和良好运行工况 应控制燃具前压力波动范围 起点压力 终点压力干管压力 支管压力用户处压力 计算工况 指管道系统的流量满足最大负荷 计算流量Q 燃具前的压力为额定压力Pn 燃具的流量为额定流量Qn时的工况 图7 l为计算工况 即最大负荷时 的压力图 当调压器出口压力为定值时 随着负荷的降低 管道中流量减小 压力降也随之减小 用户处的压力将增大 当负荷为零时 所有用户处的压力都落在A C4 线上 随着负荷变化 用户处的压力波动在A C4 C4 A 范围内 用户C1波动范围为C1 C1 用户C2波动范围为C2 C2 用户C3波动范围为C3 C3 用户C4波动范围为C4 C4 用户处压力的最大波动范围等于计算压力降 所取的计算压力降越大 则其波动范围也超大 若根据系统负荷的变化而改变起点压力 就可大大提高用户处压力的稳定性 随着负荷的降低而使起点压力随之降低 则燃具前的压力将不会增加 当负荷为零时 把起点压力P1降至P2 则干管和所有用户的压力都落在A C4 直线上 综上所述 用户处的压力及其波动范围取决于如下三个因素 1 计算压力降的大小和压降利用程度 2 系统负荷 流量 的变化情况 3 调压器出口压力调节方法 二 管网计算压力降的确定 1 计算压力降的决定因素计算压力降的大小取决于两个因素 与燃具的颔定压力Pn有关 增大Pn 就增大管网计算压力降 p 可节约管网投资 但Pn越大 对设备制作和安装质量耍求就越高 管网的运行费用也越大 因此 在选取Pn时要兼顾技术耍求和经济性 与燃具的压力波动范围有关 增大燃具的压力波动范围 就增大管网的计算压力降 节省金属用量 燃具在超过额定压力下工作 燃具的热效率将降低 引起过多的燃气损失 会产生不完全燃烧 致使燃烧产物中出现过多的一氧化碳等有害气体 燃具在低于额定压力下工作 将导致热强度降低 使加热过程延长 或达不到工艺要求的燃烧温度 燃具前的压力不允许有很大的彼动 2 计算压力降的确定 实验和研究表明 一般民用燃具的正常工作可以允许其压力在 50 范围内波动 即k1 1 5 k2 0 5 由得 得流量波动范围 0 7 1 2 Q考虑到高峰时燃具不宜在过低负荷下工作 取k2 0 75则 P k1 k2 Pn 0 75Pn当用气量最小时 靠调压站最近用户处有可能达到压力的最大值 但调压站到此用户最小仍有约150Pa的阻力 包括煤气表阻力和干 支管阻力 故低压燃气管道 含室内和庭院管 总的计算压力降还可加150Pa 则燃气低压管道从调压站到最远燃具的管道允许阻力损失 可按下式计算 6 1 2次高 中压管网计算压力降的确定 在次高压 中压燃气管网只有通过调压器才能与低压管网或用户相连 因此 次高压 中压管网中的压力波动 并不影响低压用户处的燃气压力 6 1 2次高 中压管网计算压力降的确定 1 高中压管网与用户的连接方式高中压管网 区域调压室 低压管网或用户2 高中压管网计算压力降 P 管网起点压力 管网末端压力确定高 中压管网末端最小压力时 应保证区域调压站能正常工作并通过用户在高峰时的用气量 次高压 中压燃气管网末端压力主要由管网末端调压器的最小进口压力和过滤器的阻力确定 当管网末端有工业大型用户 应按工业用户专用调压器的出口压力 即用户需要的压力 调压器和过滤器的阻力确定 过滤器的阻力一般为8 10kPa 采用箱式调压器的供气系统仍按上述原则确定末端压力 当高 中压管网与中压引射式燃烧器连接时 燃气压力需保证这种燃烧器的正常工作 此外还要考虑专用调压站的压力降及用户管道的阻力损失等 这样即可确定高 中压管网的最小压力 通常取0 05 0 1MPa已足够 6 1 3工业企业燃气管道计算压力降的确定 厂区和车间燃气管道的计算压力降与哪些因素有关 供气方案 燃烧器前所需燃气压力的稳定程度 管道可能出现的最小流量与最大流量之比 1 设有总调压装置的一级系统计算压力降为表示用气设备允许最大负荷与额定负荷的比值 表示管道的最小流量与最大流量之比管道内燃气流量波动越小 2接近1 则计算压力降可选取的值越大 即敷设管道所用的金属量超小 2 两级系统 不设总调压室的两级系统厂内燃气管道的总压力降 取决于城市管网连接点处的燃气压力 车间燃气管道的起点压力和调压装置的压力降 计算压力降要在厂区管道和车间调压装置之间进行合理分配 设总调压室的两级系统 计算压力降要在总调压站 厂区管道和车间调压装置之间进行合理分配 6 2低压管网的水力工况 一 管网系统起点压力为定值时的工况1 管网压力基本方程式当起点压力为定值时 随负荷的降低 管道中的实际压力降减少 用户处的压力升高 Pb P1 PPb P1 Pp综合两式 得 6 14 6 12 6 15 6 13 2 任意工况下用户燃具的压力特性 设P1 1 5Pn 取 P 0 75Pn带入式7 16得 7 17 式 7 17 反映了燃具的压力随流量的变化曲线如图7 3 1 当 1和Pb Pn时 x 0 794 当x 0 0 794则Pb Pn当x 1 0 794则Pb Pn当x 1则Pb 0 75Pn 高峰负荷时 2 在系统起点压力为定值的情况下 燃具大部分时间在超负荷情况下工作 若调节凋压器出口压力不随燃气用量的变化而进行相应的调节 那么燃具就不能在良好的状况下工作 二 按月 或季节 调节调压器出口压力时的水力工况 指在用气量较低月份降低起点压力以缩短燃具超负荷工作的时间 起点压力保证在该月最大小时用气量时燃具前的压力为额定压力 若某月的最大小时用气量为Qm 且则 不同月份调压器出口压力按以下步骤确定 1 求各月最大小时流量与管道计算流量的比值Xm 通常各月的最大日不均匀系数与最大小时不均匀系数变化很小 计算中可以认为相等 则 2 根据各月的Xm值计算压力降3 确定各月调压器的出口压力 例题6 1 已知某市一年中各月的月不均匀系数见表2 3 燃具的额定压力Pn 2000pa 按月调节调压器出口压力 试求 1 各月的调压器出口压力 2 在 1时 作图比较冬 夏季 8月份为例 燃具前压力在不同流量比时的波动范围 解 P 0 75Pn 150 1650Pa计算各月的流量比 计算各月最大小时流量时的实际压力降 Pp P xm 1 75 确定各月调压器的出口压力为P1 Pn Pp 2000 Pp 2 当 1时 冬季燃具前的压力为 夏季燃具前的压力为 三 随管网负荷变化调节调压器出口压力时的水力工况 管网起点压力是根据在任意工况下燃具前的压力等于或接近额定压力而确定的 取 1 Pb Pn P 0 75Pn 则上式为按上式得曲线如图7 5 即在0 X 0 794时 为保持燃具前压力Pb Pn 调压器出口压力应按曲线1进行调节 当X 0 794时 调压器出口压力P1已达最大值1 5Pn 并应维持P1为1 5Pn 之后 随着X的增大即X 0 794 1 燃具前的压力将减小 调压器出口的压力随管网负荷调节的方法 使调压器出口的压力随管网负荷调节的方法有许多种 可采用在调压器出口安装节流孔板的方法 调压原理 将管网负荷的变化所导致的压力的变化反馈在调压器上 以此来控制调压器的出口压力 具体作法是 导压管连在孔板后 保持孔板后的静压为定值 当燃气用量增加时 孔板处的动压增加 当气流流进孔板后 动压逐渐减少 静压逐渐扩大 管网起点压力升高 调压过程 导压管连接孔板后 调压器将以孔板后的静压Pg为定值 燃气流量增加 在孔板处得气流动压也增加 气流流过孔板后 过流断面逐渐扩大 动压逐渐减少 静压逐渐增大 管网起点的燃气压力P1就会增加 反之亦然 即管网起点压力随燃气用量的变化而变化孔板的孔径越小 管网起点压力变化的幅度越大 因而可通过选择不同的孔板孔径d0 得到不同的管网的起点压力P1 根据A A B B断面的能量方程 得PA P1 P0 6 20 孔板的压力降 P0 1 m PA Pg 6 21 m A0 A由 6 20 和 6 21 得 P1 Pg m PA Pg 孔板流量计算公式 得 管网起点压力公式 调压器和孔板联合工作时的特性方程式 在选择Pg和mA的条件下 应保证燃具前的压力波动范围为0 75 Pb Pn 1 2 这时 随着流量比x的变化 管道起点压力和燃具前压力均会发生变化 燃前最大压力等于起点压力1 2Pn燃前最小压力等于起点压力0 75Pn 起点压力P1 1 5Pn x 1 1 表6 4和图6 7 例题6 2 已知人工燃气燃烧器的额定pn 1000Pa 管径为D165 4 5 燃气的相对密度S 0 328 Qmax 1000m3 h 试确定调压器出口压力Pg和孔板直径d0 并绘图表示 1燃烧器前压力的波动范围 用孔板调节管网起点压力改善了燃具的工况 缩小了燃具前压力的波动范围 6 3高中压环网的水力可靠性 城市高 中压燃气管网 通常设计成环状 以保证供气的可靠性 当个别管段发生事故时 若整个系统通过能力的减少是在许可的范围以内 则该系统认为是可靠的 下面对管径d为常数的等管径环路和为常数的环路的水力可靠性进行分析 一 管径d为常数时 事故工况下的供气能力计算工况下 各管段直径均为d 长度均为l 各管段计算流量和节点流量如图6 10 a 事故工况下 若事故发生在靠近气源点处 为最不利点 假定事故状态用户的供气量均匀下降 即Q xQ 如图6 10 b 1 高中压管网的水力计算公式2 计算工况下管网的总阻力损失3 事故工况下管网的总阻力损失4 事故工况下的供气能力如果计算工况和事故工况的起点压力和终点压力相同 则 x 0 345 可见流量的减少是很大的 事故工况下只能满足计算工况的34 5 不能保证可靠供应 5 提高x的办法与所需的压力储备通常以系统能保证事故工况下供给计算工况70 的用气量为可靠 即x 0 7 其方法是使系统有一定的压力储备 即增加允许压力降 从而增加流量 这时计算压力降的利用程度应为 结论 压力储备的真正含义是 在设计高中压管网时 计算压降的选取并不是用管网起点压力与末端压力之差值 而是比此值小 压力储备值与瞥网布置 负荷及供气保证系数有关 对于单环管网 当供气保证系数为1时 压降利用系数可取为1 保证系数为0 7时 压降利用系数可取0 25 0 3 保证系数为0 5时 压降利用系数可取0 6 所选的压力储备是否正确 应由最不利事故工况下的校核计算确定 对于多环管网 需要做校核计算的最不利工况可能有几个 压力储备随管网环数增多而减少 而用户的供气保证系数随着环数增多而增大 二 用PA2 PB2 L为常数计算管网时 事故工况下的供气能力 如图6 11 a 所示 由于环中各管段长度一致 因此 事故工况见图6 11 b 其计算如下 假设事故工况和计算工况起点压力和终点压力相同 则 三 两种方法金属用量的分析 比较前提 水力可靠性相同 即事故工况下的流量与压降均相同 根据比较前提 比较两种方法事故工况下的总压力降 得 因为 金属耗量比较 管道金属用量表达式 等管径环路金属用量为 等压降环路金属用量为 等压降环路比等管径环路多耗金属用量 6 4低压管网的水力可靠性 低压环网在事故工况下 各用户供气量的减少是不同的 其减少程度取决于支管压力降和支管与环网连接点处的压力 低压环网模型管道直径均为d 阻抗均为a0 节点负荷均为Q 计算压力降为0 75Pn 其中干管为0 5Pn 支管为0 25Pn 用户前的最小压力为0 75Pn 起点压力为1 5Pn P1 0 5Pn 0 25Pn 0 75Pn 一 计算工况的计算 计算的主要内容是环路与支管的接点压力 以及各支管的压力降 对于半环1 2 3主干管 因干管计算压力降为0 5Pn 即 下面确定环路与各支管连接点的压力和各支管的压力降 包括庭院支管 引入管 室内管的压力降和燃具前的压力 以上计算表明 事故工况下 各用户的用气量减少是不同的 离起点 即供气点 越近 燃气量减少越少 反之减少得越多 低压管网水力可靠性高的原因由于支管用户直接与低压管网相连 事故发生时 流量的减少导致了燃具的工作压力下降 因此 管网的实际压力降增加 增加了流通能力 支管压力降的作用对于总压降的影响 末端支管影响小 而离起点近的管段则影响大 四 提高输配管网水力可靠性的途径 1 管网系统应有两个或两个以上的供气点以防供气中断 向大用户 调压站及小区居民用户供气时 都应双侧供气 高 中 低压管网都要连成环形 如果管网系统是由几个压力级组成 则应设一定数量的连接点 即凋庄站 以保证多点供气 2 如果存在大然或人工障碍 低压管网最好分区布置 而不要连成整体系统 但每一独立区至少应有两个调压站 各调压站的出口可用同径管道以最短的线路互相连接 以保证当一个调压站关断时由另一个调压站供给必要数量的燃气 3 如果高 中压管网只有一个环时 可采用相同或相近的管径 并留有一定的压力