燃气管道摩擦阻力计算的探讨

燃气管道摩擦阻力计算的探讨2004-4-23分享到： QQ空间 新浪微博 开心网 人人网 摘要：分析了燃气管道摩擦阻力计算公式中各参数适用的基准状态，提出了天然气管道摩擦阻力计算时计量基准状态与摩阻计算基准状态不一致的的解决方案；通过计算比较，提出了柯列勃洛克公式的适用范围；分析了低压燃气管道摩擦阻力计算公式的计算误差，对摩擦阻力和摩阻系数计算公式的分类与选用提出了建议。关键词：燃气管道；摩擦阻力；计算公式；基准状态中图分类号：TU996 文献标识码：BDiscussion on Calculation of Frictional Resistance for Gas PipelineJIANG Xiang-long(Central and Southern China Municipal Engineering Design & Research Institute, Wuhan , China)Abstract: This paper analyses the reference conditions that are applicable to the parameters of formula for calculating the pressure loss from frictional resistance (PLFR) in gas pipeline, puts forward a solution to calculate the pressure loss when the metering reference condition is inconsistent with the reference conditionfor calculating PLFR. Comparing by calculation, the proposals on the scope of application of Colebrook formulaare offered. Analyzing the calculation error of the formula for calculating PLFR in low-pressure gas pipeline, the proposals on the classification, selection of the formula for calculating PLFR and the coefficient of frictional resistance are provided.Key words： gas pipeline; frictional resistance; calculation formula; reference condition0 引 言在城镇燃气工程的规划、可行性研究和工程设计中，燃气管道摩擦阻力计算(以下简称摩阻计算)对燃气管网管径确定、燃气输配系统压力级制选择以及项目经济性等的影响都是至关重要的。为此，本文对燃气管道摩阻的计算进行探讨。1 参数计算的基准状态在文献1中规定燃气小时计算流量的标准状态为0，101325kPa。在我国城市燃气行业，人工燃气一般按标准状态(0，101325kPa)计量，对于天然气，国家有关部门规定按照20，101325kPa进行计量。人工燃气和天然气计量基准状态不一致，燃气管道摩擦阻力计算的参数取值状态不明确，给有关规范的执行带来一定困难。在燃气管道摩擦阻力和摩擦阻力系数计算公式中，与气体状态有关的参数有温度、压力、燃气体积流量、密度、压缩因子、粘度等。在管道中燃气质量流量相同的情况下，对不同温度、压力状态下的计算流量、密度等值，摩阻计算结果也不同，可能影响管径的确定，从而影响到工程项目的适用性和经济性。以0和20为例，因温度基准引起的体积流量、密度之差分别为7322，-6822，如不修正，摩擦阻力的差别较大。决定燃气管道计算的状态参数主要是温度和压力。对于压力，一般都采用101325 kPa，异议较小。对于温度，除了0，20外，也有用25，155作为基准。究竟取哪种状态作为燃气体积流量等参数的计算基准，取决于摩阻计算公式推导的前提和推导过程。在管道中燃气为稳定流动和等温流动的前提下，燃气管道中的燃气流动由简化运动方程、连续性方程和气体状态方程组成2：qm=qv=wA=常数 (2) p=ZRT (3) 式中：管道的燃气绝对压力，Pa；x燃气在管道中流动产生的位移，m；摩擦阻力系数；燃气密度，kgm3；qv燃气体积流量，m3s；d管道内径，m；qm燃气质量流量，kgs；w燃气在管道中的流速，ms；A燃气管道流通截面积，m2；Z压缩因子；R气体常数，J(kgK)；T燃气温度，K。为了简化方程组，定义pm，Tm为计算基准状态，相应参数为m，qv，m和Zm，则连续性方程和气体状态方程为：qv=mqv,m (4)将式(4)，(5)代人式(1)，在x=0L范围内，将，T和Z视为常数，对式(1)进行积分就得到燃气管道水力计算公式：式中：P1，P2燃气在管道起点、终点的绝对压力，Pa；L燃气管段的长度，m；qv,m燃气在摩阻计算基准状态(pm,Tm)的体积流量，m3s；Z燃气在管道中T、平均压力状态下的压缩因子；Zm燃气在计算基准状态的压缩因子；Tm摩阻计算基准状态温度，K；pm摩阻计算基准状态压力，Pa；m燃气在计算基准状态的密度，kgm3。从上述推导过程可见，摩阻计算基准状态(pm，Tm)可以是任一给定的状态，但qv,m,m,Zm等应该与状态(pm,Tm)相对应。如果将摩阻计算基准状态(pm,Tm)定义为标准状态(p0=101325kPa，T0=27315K)，将p0=101325kPa，Z0=1代入式(1)，再将压力P(kPa)，流量qv,0(m3h)，管径d(mm)代人就得到式(7)：式中：qv,0燃气在标准状态(p0，T0)的体积流量，m3s；T0标准状态温度，27315K；0燃气在标准状态(p0，T0)的密度，kgm3。显然，式(7)中已将p0，Z0以常数代入，且规定T0为27315K，因此，其流量及密度均应为标准状态(101325 kPa，27315 K)下的值；至于和Z，分别取管道中燃气温度和压力下的摩阻系数和压缩因子较为合适。摩阻计算的基准状态为0，101325kPa，对于天然气，就出现了摩阻计算基准状态和计量基准状态的不一致。为了正确计算天然气管道的摩阻损失，需要在计算之前将计量基准状态的流量转化成摩阻计算基准状态的流量。设计量基准状态(pj，Ti)，用qv,i，表示该状态下的体积流量。按近似理想气体考虑，有：将式(8)代入阻计算式(6)中，对管网计算程序进行相应修改，以便输入原始数据时直接输入计量基准状态下的流量参数，避免计算前后对流量数据的人工转换。2 柯列勃洛克公式的适用范围文献1对燃气管道摩擦阻力系数的计算，引入了柯列勃洛克公式(以下称柯氏公式)。式中：K管壁内表面的当量绝对粗糙度，mm。柯氏公式适用于各种管材，用于湍流状态下摩阻系数的计算，同时也替代了层流状态、临界状态摩阻系数计算公式，使用范围非常广。但是以内径200mm的钢管输送天然气的摩阻系数计算为例，柯氏公式在层流状态和临界状态与其它公式计算结果的比较见表1。在层流状态和临界状态，除雷诺数Re=1000及Re=3500附近的少部分区域，在Re3 500的大部分区间，柯氏公式与对比公式计算结果的差均较大，表中数据的差值在10以上的占80；在湍流状态，柯氏公式与阿里特苏里公式计算结果的差较小，表中数据的差值均在2以下。因此，笔者认为柯氏公式的适用范围还是与阿里特苏里公式一致，即用于湍流状态的钢管、PE管等光滑管的摩阻系数的计算较为合适。表1 柯列勃洛克公式与其它公式计算结果的比较流量/(m3h-1)流速/(ms-1)Re不同公式计算出的摩阴系数柯式公式与其他公式计算的误差柯式公式层流状态公式(燃规5.2.4-2)Re2100临界状态公式(燃规5.2.4-3)Re=21003500湍流状态阿里特苏里公式Re35004.00.0354990.0.*0.0.-36.42%6.00.0537480.0.*0.0.-18.34%10.00.08812470.0.*0.0.13.49%16.00.14119950.0.*0.0.55.48%20.00.17724940.0.0.*0.27.95%24.00.21229930.0.0.*0.11.54%30.00.26537410.0.0.0.*1.31%50.00.44262360.0.0.0.*-0.59%100.00.884124710.0.0.0.*-1.83%200.01.768249420.0.0.0.*-1.89%500.04.421623550.0.0.0.*-0.93%1000.08.8420.0.0.0.*-0.02%注：(1)燃气运动粘度为1.41810-5m2/s，管材为钢管，公称管径200mm，当量绝对糙度为0.1mm；(2)计算结果的误差指柯式公式的计算结果与其它公式计算结果中的挂星号的数据之差的百分比；(3)在雷诺数相同的情况下，对DN 100mm,DN 300mm,DN 400mm及DN 500mm等管径进行计算比较的结果与本表类似。 3 对公式分类及选用的建议(1)高中压和低压燃气管道采用统一公式低压燃气管道摩擦阻力计算公式是在管道起点和终点压力均接近标准大气压的情况下，对高中压燃气管道摩擦阻力计算公式进行简化，将管道两端压力的二次方差转化为压力差而成的简化公式，其优点是便于手工计算，缺点是降低了计算的精度。由此带来的的计算误差为： 理论上，在P1等于低压管道压力范围的上限，且p2逼近p1时，该误差逼近最大值。当低压燃气管道的压力上限由5kPa提高到10kPa后，由于简化公式所带来的计算误差将随之提高，该误差的最大理论极限值由以前的-470提高到-898，增加近1倍。在计算机性能飞速发展、计算机空前普及的今天，燃气管网的数值计算已经普遍由计算机进行，因此，建议低压燃气管道摩擦阻力也与高中压管道一样，采用统一的公式。(2)按流态和管材的不同分类选公式燃气管道摩阻系数的大小，与管道中介质的压力等级并无直接的关系，主要取决于燃气介质密度、粘度、流动状态、管道材质等因素。在燃气介质一定的情况下，主要取决于流动状态和管道材质。对于城市燃气管网设计，通常要考虑提高供气可靠性和为远期预留一定的发展余地，需要将一部分管网布置成环状、并适当放大部分管段的管径；另外，对于热值较高的燃气(如液化石油气和天然气)，根据用气负荷计算，需要的管径可能很小，但由于该管段位于市政道路上，管材的投资在整个管道工程投资中仅占一小部分，考虑到发展和提高管网对可能出现的不确定性集中用气负荷的适应性，通常在规划和设计中，会根据具体情况确定市政道路上燃气管道的最小管径不小于某一特定值。这样，在该供气区域的高中压燃气