水力计算教材资料

1、燃气工程庭院户内水力计算重庆市川东燃气工程设计研究院齐海鸥2010.01一、水力计算基础知识水力计算的目的：树立 “成本意识 ”，合理的确定管网的管径、流量、压力 （压力降）。 由于项目公司所做设计多为小区内的燃气管道，因此这里主要介绍小区庭 院燃气管道水力计算、户内燃气管道水力计算、商业用户燃气管道水力计算。1、水力计算步骤（1）选择一条最不利管路（离已知压力点最远的一条管路） ，标好节点及 管道长度；（2）确定节点流量；（3）初选管径，再进行校核并修改；（4）完善水力计算图（标管径，压力降，节点压力） 。2 、水力计算的基本公式（1）总压力降 =局部压力降 +沿程压力降（简化计算：总压力降

2、 =1.051.1 倍沿程压力降）（2）压力降计算公式：A、低压管道计算公式P7Q2T6.261075ld5T0B、中压管道计算公式22P12LP22 1.4 109(Kd 192.2dQv)0.25Qd52 TT0C、速度控制低压管道流速控制在 5m-8m（经济流速为 6m） ,中压管道流速控制在 10-16m。3、燃气小时计算流量的确定燃气管道及设备的通过能力都应按燃气计算月的小时最大流量进行计算 小时计算流量的确定， 关系着燃气输配系统的经济性和可靠性。 确定燃气小时计 算流量的方法有两种：不均匀系数法和同时工作系数法。1）不均匀系数法适用于城镇燃气分配管道计算流量，对于整个城市管网的水

3、力计算一般用此方法。计算公式如下：Qh（1n）Qa 式中：Qh 燃气小时计算流量（ m3 h）；3Qa 年燃气用量（ m3 a）；n 燃气最大负荷利用小时数 （h）；其值 n（365 24）KmKdKh Km月高峰系数。计算月的日平均用气量和年的日平均用气量之比； Kd日高峰系数。计算月中的日最大用气量和该月日平均用气量之比；Kh小时高峰系数。计算月中最大用气量日的小时最大用气量和该日小时平均用气量之比；居民生活和商业用户用气的高峰系数， 应根据该城镇各类用户燃气用量 （或 燃料用量）的变化情况，编制成月、日、小时用气负荷资料，经分析研究确定。 当缺乏用气量的实际统计资料时， 结合当地具体情况

4、， 可按下列范围选用。 月高 峰系数取 1.11.3；日高峰系数取 1.05 1.2；小时高峰系数取 2.23.2。工业企业和燃气汽车用户燃气小时计算流量，宜按每个独立用户生产的特 点和燃气用量（或燃料用量）的变化情况，编制成月、日、小时用气负荷资料确 定。采暖通风和空调所需燃气小时计算流量。可按国家现行的标准城市热力 网设计规范 CJJ34 有关热负荷规定并考虑燃气采暖通风和空调的热效率折算确 定。2）同时工作系数法在设计庭院燃气支管和室内燃气管道时，燃气的小时计算流量，应根据所有燃具的额定流量及其同时工作系数确定。计算公式如下：QhK t （ KNQ n）公式 1）式中 Qh 燃气管道的计

5、算流量（ m3h）；Kt 不 同 类 型 用 户 的 同 时 工 作 系 数 ； 当 缺 乏 资 料 时，可取 Kt 1；K 燃具同时工作系数，居民生活用燃具可按表 1确定，商业和工业用燃具可按加热工艺要求确定；N 同一类型燃具的数目； Qn 燃具的额定流量（ m3h）居民生活用燃具的同时工作系数 K 表 1同类型燃 具数目 N燃气双眼灶燃气双眼灶 和快速热水 器同类型燃 具数目 N燃气双眼灶燃气双眼灶 和快速热水 器11.001.00400.390.1821.000.56500.380.17830.850.44600.370.17640.750.38700.360.17450.680.358

6、00.350.17260.640.31900.3450.17170.600.291000.340.1780.580.272000.310.1690.560.263000.300.15100.540.254000.290.14150.480.225000.280.138200.450.217000.260.134250.430.2010000.250.13300.400.1920000.240.12二、庭院燃气管道水力计算1、低压燃气管道的基本计算公式（单位长度的摩擦阻力损失）低压燃气管道单位长度的摩擦阻力损失应按下式计算：2公式 2）7 Q T6.26 10 5 L d 5 T0式中 P 燃气

7、管道摩擦阻力损失（ Pa）；燃气管道摩擦阻力系数；计算方法如下公式 3-公式 6 计算 L 燃气管道的计算长度（ m）；Q 燃气管道的计算流量（ m3/h）； d 管道内径（ mm）； 燃气的密度（ kg/m3）；T 设计中所采用的燃气温度（ K），本设计中取燃气温度为 15；T0 273.15（K ）；层流状态（ Re3500）：钢管0.1168 0.25 d Re公式 5）铸铁管0.1022360.2845158 dv Q公式 6）式中 燃气管道摩擦阻力系数；Re雷诺数， Re dw ，d 为管道内径（ m）， w 为管道断面的平均 v流速（ m/s），d 管道内径（ mm）；Q 燃气管道

8、的计算流量（ m3/h）；v 燃气的运动粘度（ m2/s）； 管壁内表面的当量绝对粗糙度， 对钢管：输送天然气和气态液化 石油气时取 0.1；输送人工煤气时取 0.15对于庭院燃气管道， 燃气在管道中的运动状态绝大多数在紊流过渡区， 因此0.25一般取 0.11 68 ，相应的单位长度的摩擦阻力损失计算公式为：d Re0.25 2 6.9 106192.2 dvQ5 T（公式 7）L d Qd 5 T02、低压燃气管网压降及压降分配（1）城镇低压燃气管道从调压柜到最远端燃具的管道允许阻力损失 城市燃气管网与用户的连接有两种方法：一、通过用户调压器与燃具连接， 这样管网中压力的波动不影响用户处的

9、压力， 燃气具就能在恒定压力下工作； 二、 用户直接与低压管网相接， 这样， 随着管网中流量的变化和压力的波动， 燃具前 的压力也随之变化。 为了满足燃具燃烧的稳定性和良好的运行工况， 应控制燃具 前的压力波动范围。 在计算工况下， 管网的计算压力降就等于燃具压力的最大波 动范围： P Pmax Pmin （K1 K 2）Pn一般民用燃具的正常工作可允许其压力在 50%范围内波动， 但考虑到高峰 期一部分燃具不宜在过低的负荷下工作，因此，取最小压力系数K2=0.75，最大压力系数 K1=1.50。这样，低压燃气管网（包括庭院和室内管）总的计算压力降 可确定为： P 0.75Pn （不包括煤气表

10、）按最不利情况即当用气量最小时， 靠近调压柜的最近用户处有可能达到压力 的最大值， 但由调压柜到此用户之间最小仍有约 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）总的计算压力降最少还可 以加大 150Pa。则燃气低压管道从调压柜到最远燃具的管道允许阻力损失，可按 下式计算： P 0.75Pn 150式中 P 从调压柜到最远燃具的管道允许阻力损失（ Pa）；Pn 低压燃具的额定压力（ Pa）。注： P 含室内燃气管道允许阻力损失。 根据上式，推算出低压燃气管道允许总压降如下表 2 所示。压力（ Pa）天然气燃具额定压力 Pn2000燃具前最大压力 Pmax2

11、000 1.5=3000燃具前最小压力 Pmin20000.75=1500区域调压柜出口最大压力3000+150= 3150允许总压降3150-1500= 1650低压燃气管道允许总压降表2低压燃气管道允许总压力降的分配按 城镇燃气设计规范（GB50028-2006） 281 页）的推荐值，如下表 3：低压燃气管道允许总压力降的分配 表 3天燃气灶具额定压力总压力降 P街区单层建筑多层建筑庭院室内庭院室内200016501050300300200400如果调 压箱出口压 力调到 3000Pa， 则庭院的最 大压力降为 3000-1500-400=1100Pa；庭院的额定压力降为 3000-20

12、00-400=600Pa。即：庭院 压力降范围 P=600Pa1100Pa。室内管道压力损失 300-400Pa，假定调压柜出口 3000（2800）Pa，灶具额定 压力 2000Pa。庭院总压力损失 3000（2800）-2000-300（400）=700（400）Pa。因此，总压力损失在 400-700 之间是合理的，大于 700，管径偏小，小于 400， 管径偏大。 以总压降与允许的计算压力降比较， 如不合适需要改变个别管段的管 径。公共建筑和工业企业专用调压站出口最大压力由燃烧器具工艺而定。 当由小区内直接调压时， 燃气管道允许的阻力损失应保证最不利点 （包括 最近端和最远端及特殊点）

13、 处的燃具在其最低和最高使用压力之间正常工 作。2、节点流量的计算在枝状管网中节点流量即从该节点流出的燃气流量， 节点流量等于该节点后 管段的计算流量，即： Qn=Qnn+1。详细算法详见例题。3、节点压力的计算节点压力即为沿燃气流动方向上该节点上一节点与该节点前管段压降之差 详细算法详见例题 1。例题 1：图 1 庭院燃气管道水利计算图下面以图 1 为例详细说明一下庭院燃气管道水力计算的做法， 主要包括管段 压力降的计算、节点流量的计算和节点压力的计算。1、管段压力降的计算 计算可按下述步骤进行： （1）首先选取最不利管路（一般选最长的管路） ，将各管段按顺序编号，凡 是管径变化或流量变化处

14、均应编号。（2）求出各管段的额定流量 Qn，由 Qn 及各管段供气的用具同时工作系数 值 K 可求得各管段的计算流量值 Q 。庭院燃气管道燃气小时计算流量采用同时工作系数法，计算公式用公式 1（3）根据各管段的计算流量 Q 以及预选的管径 d 确定单位长度的摩擦阻力 损失。低压燃气管道单位长度的摩擦阻力损失应按公式 2公式 7 计算。（4）根据已知管段长度和步骤（ 3）所计算的单位长度的摩擦阻力损失可求 得管段压力降 P= L。L结合上述步骤，以管段 1-2 为例计算管段流量，管段 1-2 所带用户数为 216 户。每户燃具的额定用气量为：燃气灶取 1.0Nm3/h 台，家用燃气热水器取 1.

15、13Nm3/h 台，即3Qn=1.0+1.1=2.1 Nm3/h 台。由表 1线性插值查得， 216户用户燃气双眼灶和快速热水器同时工作系数为 K=0.158，将 Qn、K 带入公式 1 得：Q1-2Kt（KNQn）=1.00.1582162.1=71.67Nm3/h 管段1-2是预选管径 dn63 SDR11系列 PE100材质的聚乙烯管，则管道内径 为：d=dn- 2 dn =63- 263 =51.5mmSDR 11本例题中取 =0.75kg/m3；=14.02-16m0 2/s，将其带入公式 7，则该管段单 位长度的摩擦阻力损失为：21-2 6.9 106（ K +192.2 dv ）

16、0.25 Q5 TL dQ1 2d 5 T062=6.9 106（ 0.1 +192.2 51.5 14.02 10 ）0.2571.675 0.75 288.15 51.5 71.6751.55273.15=19.31Pa/m根据上面的计算1-2 =19.31Pa/m，已知管段 1-2 的长度 L=2m，则：L1-2P1-2= 1-2 L=19.31 2=36.63Pa对于管段 2-3，所带用户数为 44+58+42+12+20=176户，由表 1 线性插值查 得 176 户同时工作系数为 K=0.162 ，将 Qn、K 带入公式 1，得：Q2-3Kt（KNQn）=1.00.1621762.

17、13=59.88Nm3/h管段 2-3同管段 1-2是预选管径 dn63 SDR11系列 PE100材质的聚乙烯管， 管道内径 d=51.5mm，则：22-3 6.9 106( K +192.2 dv )0.25 Q5 TL dQ2 3d 5 T0=6.9 106( 0.1 +192.2 51.5 14.02 10 6 )0.2559.8852 0.75 288.15 51.5 59.88 51.55 273.15=13.80Pa/m已知管段 2-3 的长度 L=6m ，则：2-3P2-3= 2-3 L=13.80 6=82.80Pa将其列入表 4 中。 同理，可求得其他管段的压降，如表 4

18、所示：庭院燃气管道水利计算表 表 4用户户数对应 K 值流量管径修正管 径比压降 （ P/l ）管长 m压降 P122160.15871.676351.500019.31238.63231760.16259.886351.500013.80682.80341320.16746.296351.50007.681746.0545740.17326.886351.50002.951650.0956320.18812.636351.50000.781912.51合计230.08修正水力损失276.10一般取压力修正系数可取 1.2，最后的修正压力损失为 1.2 230.08=276.10Pa。2、节点

19、流量的计算在枝状管网中节点流量即从该节点流出的燃气流量， 节点流量等于该节点后 管段的计算流量，即：Qn=Qnn+1如图 1 所示，则各节点流量为：3Q1= Q1-2=1.0 0.158 2162.1=71.67Nm3/h3Q2= Q2-3=1.0 0.162 1762.1=59.88Nm3/h同理103Q3= Q3-4=46.29Nm3/h3Q4= Q4-5=26.88Nm3/h3Q5= Q5-6=12.63Nm3/h3Q6= 1.0 0.188 322.1=12.63Nm3/h3、节点压力的计算 节点压力即为沿燃气流动方向上该节点上一节点与该节点前管段压降之差， 调压箱位置的节点压力已知，

20、 在本例题中， 调压箱出口压力为 2800Pa，即节点 1 的节点压力为 2800Pa，则节点 2的节点压力为节点 1的节点压力与管段 1-2 的管段压降之差，以此类推：节点 3的节点压力为节点 2的节点压力与管段 2-3 的管段压降之差P1=3000PaP2=P1- P1-2=2800-38.63=2761.37 PaP3=P2- P2-3=2761.37-82.80=2678.57 PaP4=P3- P3-4=2678.57-46.05=2632.52 PaP5=P4- P4-5=2632.52-50.09=2582.43 PaP6=P5- P5-6=2582.43-12.51=2569.

21、92 Pa11三、户内燃气管道水力计算1、计算方法：户内燃气管道压力降 P = 管段压力降 + 燃气表压力降 附加压力 管段压力降 = 沿程压力降 + 局部阻力2、管段压力降计算方法一：计算局部阻力损失法当燃气流经三通、弯头、变径管、阀门等管道附件时，由于几何边界的急 剧改变，燃气流线的变化，必然产生额外的压力损失，称之为局部阻力损失。在进行城市燃气管网水力计算时，管网的局部阻力损失一般不逐项计算， 可按燃气管道摩擦阻力损失的 5%-10%进行估算。对于街坊内庭院管道和室内管道，由于管道附件较多，压力损失主要消耗 在局部阻力损失，常需要按下式逐一计算。2Pj W 0（公式 8）2式中 Pj局部

22、阻力的压力损失（ Pa）；计算管段中局部阻力系数的总和 （局部阻力系数可由表 5 查得）；W管段中燃气流速（ m/s）；0燃气的容重（ kg/Nm3）。管段压力降 P Pl+ Pj（ Pl沿程压力降，计算方法如公式 2）方法二：当量长度计算法局部阻力损失一般用当量长度来计算，各种管件折成相同管径管段的当量 长度 L2。则管段的计算长度 L 等于管段实际长度 L1 与局部阻力系数的当量长度 L2之 和。局部阻力系数对应的当量长度可根据下式计算：dL2=（公式 9）式中d 管道内径（ m）；燃气管道的摩擦阻力系数，计算公式同公式 3、4、5、6；12 计算长度 L=L1+ L2，单位长度摩擦阻力损

23、失同公式 2。3、附加压力计算 由于燃气与空气的密度不同，当管段始末端存在标高差值时，在燃气管道 中将产生附加压头。 因此，计算室内燃气管道及地面标高变化相当大的室外或厂 区的低压燃气管道时， 应考虑因高程差而引起的燃气附加压力。 燃气的附加压力 可按下式计算：P附=g（k-m）H =9.81（1.293-0.75）H（公式 10）式中P附 沿燃气流动方向管段终端及始端的标高差，计算时注意正负号（ Pa）；k 空气的密度（ kg/m3），一般取 1.293；m 燃气的密度（kg/m3），为方便计算，这里统一取 0.75；H 燃气管道终、起点的高程差 （m）。例如：P2=P1+H 对天然气： P

24、2P1P1max=3000Pa，如果 P2P1，P2 点压力大于 3000Pa，将产生脱火。为了避免高层最高点用户用气压力过高，调压器出口压力一般要设定小于 3000Pa，一般视情况设定为 2600-2800Pa。4、燃气表压力降表的压损一般取 150Pa。5、各管段的实际压力损失13为管段压力降与附加压头之差： P实 = P - P附6、例题表5 管件局部阻力系数直流三通1.00分流三通1.5090弯头 DN152.2090弯头 DN252.10变径0.35球阀4.00旋塞DN154.00户内燃气管道水利计算步骤如下：（1）将个管段顺序编号，凡是管径变化或流量变化处均应编号，如图4、14图

25、5 所示（2）根据同时工作系数，求各管段的计算流量，计算方法同庭院计算流量 的计算。（3）算出各管段的局部阻力系数，各管件的局部阻力系数可由表5 查得，并求出局部阻力系数的当量长度 L2。当量长度按公式 9 进行计算。（4）计算管段的压力损失，求得管段单位长度摩擦阻力损失后，乘以管段 的计算长度，即得该管段的压力损失。室内燃气管道单位长度摩擦阻力损失同公式 2。管段压力损失：P=LL5）计算各管段的附加压头，用公式 10。6）求得各管段的实际压力损失，为管段压力与附加压头之差7）求室内燃气管道的总压降。结合上述步骤，以图 4 所示系统为例计算户内燃气管道的水力计算：管段 0-1 所带的用户数为

26、 1 户，每户的额定用气量为 2.1Nm3/h（燃气灶取1.0Nm3/h，家用燃气热水器取 1.1 Nm3/h），由表 1 查得 1台燃气双眼灶和快速热 水器的同时工作系数为 1.00，则管段 1-2 的计算流量为：3Q=1.0 1.0012.1=2.1 Nm3/h同理可求出其他管段的计算流量，并将其列入表 7 中管段 0-1 中燃气的流速 ：4Q4 2.13600 d3600 3.14 0.0153.30 m / sRe0.015 3.3014.02 10 6Re3500，处于紊流状态，则：0.250.11 01.51 3568360.044各管件局部阻力系数可由表 5查得，管段 0-1的局

27、部阻力系数如下表 6所示：15表 6 管段 0-1 局部阻力系数表管件名称个数局部阻力系数分流三通1=1.5090 弯头 DN152 =22.2球阀1=4.0旋塞1=4.00-1=13.9L2=0 1d13.9 0.0150.0444.72m其他管段的局部阻力系数计算方法同管段 1-2，并列于表 7 中 管段 0-1 局部阻力系数的当量长度为：管段 0-1的实际长度为 L1=0.7+0.8=1.5m，则管段 0-1 的计算长度为：L=L 1+L2=1.5+4.72=6.22m0-1L6.261070.04421.515 0.75288.15273.15=12.69Pa/m则管段 0-1 的压降

28、 (包括燃气流经计量表时的压力损失，表的压损一般取150Pa)：0-1=01LL+表=12.69 6.22+150=229.01Pa管段 0-1 的附加压头：0-1附 =Hg（a-g）=（H0-H1）g（a- g）=（14.5-14.6 ）9.81 （1.239-0.75）=- 0.53Pa管段 0-1 的实际压降为：0-1实 = 0-1- 0-1附 =229.01- (- 0.53)=229.54Pa同理，可求出其他管段的实际压降，并列入表 7 中。16户内燃气管道水力计算表 表 7管 段 编 号户 数同 时 工 作 系 数计算流量3Nm3/h管 径 m流速m/h雷诺 数摩擦 阻力 系数局部 阻力 系数当量长度L2