燃气管网水力计算

第六章城市燃气管网的水力计算 燃气管网水力计算的任务 1 根据燃气的计算流量和允许的压力损失计算管道直径 以确定管道投资和金属消耗 2 对已有管道进行流量和压力损失的验算 以充分发挥管道的输气能力 或决定是否需要对原有管道进行改造 因此 正确地进行水力计算 是关系到输配系统经济性和可靠性的问题 是城市燃气规划与设计中的重要环节 城市燃气管道水力计算公式和计算图表燃气分配管道计算流量的确定枝状管网的水力计算环状管网的水力计算室内燃气管道的水力计算 第六章城市燃气管网的水力计算 第一节城市燃气管道水力计算公式和计算图表 低压燃气管道阻力损失计算公式高中压燃气管道阻力损失计算公式燃气管道阻力损失计算图表计算示例附加压头局部阻力 一 低压燃气管道水力计算公式 层流区 Re3500 钢管 塑料管 铸铁管 二 高中压燃气管道水力计算公式 钢管 塑料管 铸铁管 三 燃气管道水力计算图表 压力不同 管材不同 水力计算公式也不同 所以也就对应着不同的水力计算图表 另外 燃气种类不同时 由于不同种类燃气的密度 粘度等有很大的不同 所以计算图表也不同 决定水力计算图表的因素主要有三个 不同的燃气种类 管道的压力级别 不同的管道材质 三者的不同组合得到不同的水力计算图表 图 燃气976 4 5 计算图表的绘制条件 1 燃气密度按计算 使用时不同的燃气密度要进行修正 低压管道 高中压管道 2 运动粘度 人工燃气 天然气 3 取钢管的当量绝对粗糙度 例题1 已知 人工燃气的密度 运动粘度 15 时燃气流经l 100m长 的低压燃气钢管 当流量Q0 10Nm3 h时 管段压力降为4Pa 求该管道管径 图表法 据d计算Re 1768 2100 层流区 假设正确 计算有效 据流量和压降查表得 d 80mm 已知人工燃气密度0 7kg Nm3 运动粘度25 10 6m2 s 有 219 7中压燃气钢管 长200m 起点压力150KPa 输送燃气流量2000Nm3 h 求0 时该管段末端压力 公式法图表法 例题2 由于空气与燃气密度不同 当管道始 末端存在标高差时 在燃气管道中将产生附加压头 对始末端高程差值变化甚大的个别管段 包括低压分配管道及建筑物的室内的低压燃气管道 必须将附加压头计算在内 四 附加压头 计算公式 空气密度 1 293kg Nm3 燃气密度 kg Nm3 管段终端与始端的标高差值 m 管道内流动气体上升时将产生一种升力 下降时将增加阻力 管道内流动气体下降时将产生一种升力 上升时将增加阻力 某多层住宅 燃气室内立管终端标高17m 引入管始端标高 0 6m 密度0 71kg Nm3 计算附加压头 又已知引入管起点压力P1 1000Pa 80Pa 求P2 P1 P2 0 6m 17m 五 局部阻力损失计算 城市燃气管网计算时 管网的局部损失一般以沿程损失的5 10 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进行计算 计算方法有两种 一种是用公式计算 根据实验数据查取局部阻力系数 代入公式进行计算 另一种用当量长度法 当燃气流经三通管 弯管 变径异型管 阀门等管路附件时 由于几何边界的急剧改变 燃气在管道内气流方向和气流断面改变 燃气运动受到扰乱 必然产生额外的压力损失 式中 P 局部压力降 Pa 计算管段中局部阻力系数的总和 燃气在管道中的流速 m s 燃气密度 kg Nm3 T 燃气绝对温度 K T0 273K 1 公式法 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 2 当量长度法 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 管道计算长度L应为L L1 L2式中 L1 管道实际长度 m L2 管道上附件的当量长度 m 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 第二节燃气分配管道计算流量 燃气分配管网供气方式燃气分配管道计算流量的确定燃气分配管道途泄流量的确定节点流量 一 燃气分配管网供气方式 只有转输流量的管段 只有途泄流量的管段 有途泄流量和转输流量的管段 燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况 可分为三种 燃气分配管段的负荷变化示意图 对于管段AB 途泄流量为Q1 转输流量为Q2管道起点A处 流量为转输流量与途泄流量之和 管道终点B处 流量仅为Q2 而管段内各段面处的流量是不断变化的 数值处于二者之间 若假定沿管线长度向用户均匀地配气 则沿线流量变化呈直线关系 二 燃气分配管道计算流量的确定 确定变负荷管段的计算流量原则 以计算流量求得的管段压力降应与变负荷管段的实际压力降相等 式中 Q 计算流量 Nm3 h Q1 途泄流量 Nm3 h Q2 转输流量 Nm3 h 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 计算流量先用转输流量与途泄流量的组合来表示 1 实际压力降的求解 采用微元的方法求解管段的实际压力降简化 管段上有n条分支管 各分支管间距均相等 并且每条分支管的途泄流量q也相等 n条分支管就管段AB均匀地分成了n 1条小管段 压降计算公式 流进管段的总流量 QN Q2 Q1 每一条分支管段的流量 在AB上取任一小段y 该管段上的流量用Qy表示 则 令 x是途泄流量Q1与总流量QN的比值 0 x 1 则 所以 整个管段的压力降为 将括号内各项以麦克劳林级数展开 取其前三项 并将 n 1 式相加 得 整理得 压降计算公式 在总流量QN一定时 整个管段的压降为支管数n与途泄流量的函数关系式 2 以计算流量求压力降 把带入压降计算公式 由 得 水力计算公式中幂指数为1 75时所得 值 对于燃气分配管道 分支管数一般不少于5 10个 x值在0 3 1 0之间 此时系数 在0 5 0 6之间 水力计算公式中幂指数等于1 75 2 0时 值的变化并不大 实际计算中均可采用平均值 0 55 故燃气分配管道的计算流量公式为 1 途泄流量的范围 途泄流量只包括大量的居民用户和小型公共建筑用户 用气负荷较大的公共建筑用户应作为集中负荷来计算 2 两点假设 供气区域内居民用户和小型公共建筑用户是均匀分布的 途泄流量只取决于居民的人口密度 三 燃气分配管道途泄流量的确定 3 计算步骤 对如图所示的小区 计算步骤如下 管段途泄流量的计算过程 a 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 F b 分别计算各个街区居民用气量及小型公共建筑年用气量 小时计算流量 并按照用气量的分布情况布置配气管道1 2 2 3 c 根据每个街区的燃气计算流量和燃气管道的长度 计算管道单位长度向该街区供应的途泄流量 d 求管段的途泄流量 管段的途泄流量等于单位长度途泄流量乘以该管段的长度 若管段是两个小区的公共管道 需同时向两侧供气时 其途泄流量应为两侧的单位长度途泄流量之和乘以管长 四 转输流量的确定 a 确定各管段途泄流量 b 从管段末段向上反推 例1枝状管网转输流量的计算 枝状管网如下图所示 已知各管段途泄流量 试确定各管段转输流量及计算流量 1 2 3 4 5 例题2环状管网转输流量的计算 已知途泄流量 求转输流量计算流量 2 3 4 5 1 60 80 130 110 100 第三节枝状管网水力计算 枝状管网水力计算特点枝状管网水力计算步骤 一 枝状管网水力计算特点 管段数等于节点数减1气源至各节点一个固定流向送至某一管线的燃气只能由一条管线供气 流量分配方案唯一任一管段流量等于该管段以后所有节点流量之和 顺气流方向 管段流量唯一改变某一管段管径 不影响管段流量分配 只导致管道终点压力的改变各管段未知数 直径与压力降两个 二 枝状管网水力计算步骤 对管网的节点和管道编号 根据管线图和用气情况 确定管网各管段的计算流量 选定枝状管网的干管 根据给定的允许压力降确定管线单位长度上的允许压力降 根据管段的计算流量及单位长度允许压力降预选管径 根据所选定的标准管径 反算管段实际沿程压力降和局部压力降 并计算总的压力降 检查计算结果 若总的压力降未超过允许值 并趋近允许值 则认为计算合格 否则应适当变动管径 直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止 第四节环状管网的计算 环状管网的特点环状管网的水力计算方法环状管网的水力平差计算环状管网的计算举例 一 环状管网的特点 某一管段同时可由1条或几条管道供气 并有许多不同的分配方案若改变环网某一管段的管径 就会引起管网流量的重新分配并改变各节点的压力值 而枝状管网的某一管段直径变动时 只导致该管段压力降数值的变化 而不会影响流量分配 枝状管网水力计算只有直径和压力降两个变量 而环状管网水力计算则有直径 压力降和计算流量三个未知量 二 环状管网的水力计算方法 节点连续性方程环压降闭合差为零 1 环状管网流动规律 2 环状管网水力计算步骤 手工方法解环方程的计算方法 管网的平差计算 预先分配流量 计算单位长度压力降 预选管径 计算各环的压力降闭合差 计算结束 0 0 重新分配流量 环状管网水力计算通常采用解管段方程组 解环方程组和解节点方程组的方法 是对压降方程 连续性方程和能量方程的联立求解 环状管网的水力计算过程 就是重新分配各管段的流量 反复计算 直到同时满足连续性方程和能量方程组为止 这一计算过程称为管网平差 绘制管网平面图 对节点 管段 环网进行编号 并标明管道长度 集中负荷 气源或调压站的位置 计算管网各管段的途泄流量 按气流沿最短路径从供气点流向零点的原则 拟定环网各管段中的燃气流向 气流的方向总是流离供气点 而不应逆向流动 从零点开始 逐一推算管段的转输流量 求管网各管段的计算流量 预选管径 a 由管网的允许压降及供气点至零点的计算长度确定单位长度允许的压降 b 由单位长度允许压力降预选管径 c 将管径化为规格系列 初步计算管网各管段的压降及每环的压力降闭合差 管网平差计算 求每环的校正流量 使所有封闭环网压力降的代数和等于零或接近于零 达到工程容许的误差范围 验证总压降 若满足要求 计算结束 不满足 重复 4 校正流量的计算 经初步计算后环网中各管段的管道直径已定 但第 环和第 环的压力降的代数和均不等于零 第 环的压力降闭合差为 P 第 环的压力降的闭合差为 P 低压管网假设条件 水力光滑区引入校正流量后 各管段气体流动状态不变各管段压降计算式 式中 P 管段的压力降 Q 燃气流量 管道阻抗 其中包括物理常数 管段长度和直径 系数 的值随气流流动状况的改变而改变 由初步计算结果 用压降方程表示 用流量形式表示 为不破坏节点的流量平衡 采用校正流量 以校正环网的闭合差 在 环中引入校正流量 Q 在 环中引入校正流量 Q 并且规定校正流量的方向为顺时针方向 根据方程组可以得到 Q Q 的表达式 分析 第一项为未考虑邻环校正流量的影响而得到的计算环的校正流量值 第二项则考虑到邻环校正流量对计算环的影响 对于任意环 的一般式可写为 流量的第一个近似值 称为校正 称为校正流量的第二个近似值 其表达式中含有邻环的 校正流量 用邻环校正流量的第一个近似值来代替校正流量 另外 考虑到任何环都有多个和邻环共用的管段 的一般形式可以写为 式中 邻环校正流量的第一个近似值 与邻环共用管段的值 校正流量的一般表达式 对于环网的平差计算步骤 可按照这样的顺序来进行 1 计算各环的 2 计算各环的校正流量 3 以环校正流量值校正各管段的计算流量 4 验证各环压降闭合差若不满足闭合差要求 重复第 1 直至满足精度要求为止 高中压 低压 已知低压管网各管段长度各环面积人口密度用气量指标3 6节点集中用户天然气物性管网计算压力降 四 环状管网的计算举例 解 绘图计算各环单位长度途泄流量 解 绘图计算各环单位长度途泄流量确定各管段初步计算流量 第五节室内燃气管道的计算 考虑附加压头 局部阻力损失的计算 管段计算流量的确定 同时工作系数法 室内燃气管道的计算需根据燃具的布置 燃具的数量以及燃具的灶前压力的要求 确定室内管道走向 通过水力计算 确定管径 下面以某居民住宅为例 说明室内燃气管网的一般计算过程 例 如图所示某五楼居民住宅 每户安装两眼燃气灶一具 额定流量1 6m3 h 燃气室内管及用气管的允许压力降为200Pa 求管道直径 燃气相对密度为0 6 室内温度15 计算步骤如下 1 管道节点按顺序编号 标出各管段的长度 8 5 0 5 8 2 3 2 9 2 9 2 9 0 5 1 5 2 根据各管段供应的用具数及其同时作用系数计算管段计算流量 管道供应户数 1 2106 722 397 813 458 914 549 1015 63 同时工作系数 1 20 546 712 30 567 813 40 688 914 50 759 1015 60 85 2 根据各管段供应的用具数及其同时作用系数计算管段计算流量 各管段计算流量Nm3 h 1 28 646 73 22 38 067 81 63 45 448 91 64 54 89 101 65 64 08 单位长度上的允许压力降 200 30 1 5 4 44Pa m并以此初选各管段的管径 3 估计室内管道的局部阻力为沿程阻力的50 根据室内管道允许压力降和管道的总长度 求单位长度的允许压力降 各管段管径mm 1 2326