城市天然气工程第七章 燃气管网的水力工况1

1、第七章 燃气管网的水力工况 第一节 管网计算压力降的确定 第二节 低压管网的水力工况 第三节 高、中压环网的水力可靠性 第四节 低压环网的水力可靠性 第一节 管网计算压力降的确定 一、低压管网计算压力降的确定 二、高、中压管网计算压力降的确定 三、工业企业燃气管道计算压力降的确 定 一、低压管网计算压力降的确定 低压管网分两种情况： a. 与用户直接连接 b. 通过调压器与用户连接 此处介绍的计算压力降是指第一种情况下 管网的压力降。 一、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 用户直接与低压管网连接，随着管网中流 量变化，燃具前的压力也随之变化。为满 足燃具燃烧的稳定性

2、和良好的运行工况， 应控制燃具前压力的波动范围。 燃具能够正常工作的最大允许压力和最小 允许压力可用燃具的额定压力乘一个系数 表示。 n b PkP 1max n b PkP 2min 一、低压管网计算压力降的确定 燃气管网设计时采用的计算工况：管道系 统的流量是最大流量（小时计算流量）， 管网系统的压力降最大，称为计算压力降， 用户处的压力最小。 运行中的最不利工况：管网负荷最小，管 网的压力降最小，燃具前压力最大。 对于管网起点压力为定值的情况， PPPPP bb minminmax 1 一、低压管网计算压力降的确定 由图中可见，从调压器出口A到各用户的压 力降是不同的，这就使用户处出现不

3、同的 压力。由A点到用户C2、C4的压力降为计算 压力降，而到用户C1、C3的实际压力降小于 计算压力降。因此，不同用户的压降利用 程度不同，则燃具前压力波动的范围也不 同。 一、低压管网计算压力降的确定 实际应用中，管网负荷随着时间而不断变 化，当调压器出口压力为定值时，随着负 荷的降低，管道中流量减少，压力降减小， 用户处的压力增大。在最不利工况下，管 网负荷为零，所有用户处的压力都等于调 压器出口压力P1。 因此，用户处压力的最大波动范围等于计 算压力降。 n PkkP)( 21 一、低压管网计算压力降的确定 若根据系统负荷的变化而改变起点压力， 可大大提高用户处压力的稳定性。即随着 管

4、网负荷的降低而使起点压力随之降低， 则燃具前的压力不会增加。 用户处压力波动范围影响因素： 1、计算压力降的大小、压降利用程度。 2、管网系统负荷的变化情况。 3、调压器出口压力的调节方法。 一、低压管网计算压力降的确定 （二）低压管网计算压力降的确定 由以上分析知，与用户直接相连的低压管道的计 算压力降等于燃具的最大允许波动范围。即取决 于（k1k2）和Pn。 增大Pn可以增大管网计算压力降，降低金属用量， 节约管网投资。但是，Pn越大，对设备的制作和 安装质量要求越高，管网的运行费用越大；若Pn 取得过小，将增加管网的投资。 （k1k2）代表了燃具前压力的波动，其值越大， 计算压力降越大，

5、但燃具的正常工作要求其压力 波动不超过一定的范围。 一、低压管网计算压力降的确定 研究表明，民用燃具的正常工作波动范围 为 ，即k1=1.5，k2=0.5。考虑到高峰时一 部分燃具不宜在过低的负荷下工作，因此k2取 0.75， k1取1.5。 总计算压力降确定为： 因为即使在最不利情况下，调压站至用户间仍然 有约150Pa的压力损失，因此，规范中规定总计算 压力降在以上基础上还可加大150Pa。 %50 nn PPkkP75. 0)( 21 15075. 0 n PP 一、低压管网计算压力降的确定 一、低压管网计算压力降的确定 低压燃气管道总计算压力降的分配，应根 据技术经济分析比较后确定。

6、我国几个城市低压管道计算压力降 项目北京上海沈阳天津 燃具额定压力8009008002000 管网起点压力110012001500180020003150 燃具最低压力6006006001500 计算压力降55090013001650 干管15050010001100 支管200200100300 户内管1008080100 煤气表100120120150 一、低压管网计算压力降的确定 （三）计算工况下管网水力工况分析 计算工况下，管网负荷为最大小时计算流量，管 网的压力降为计算压力降。燃具负荷为额定负荷， 即燃具前最小压力为额定压力Pn。 但选取计算压力降时取k2=0.75，即在管网为最大

7、负荷时，燃具却在小于额定压力下工作。管网的 计算流量和燃具的总流量不一致，此种情况下， 管网的工况如何？ nn PPkP 1 一、低压管网计算压力降的确定 由理论上分析，这种情况下，在高峰负荷 时，管网的流量达不到计算流量，用气高 峰不能保证。设用气高峰时管网的实际流 量与计算流量之比为x，即 ， 管道压力降与燃具前压力之和等于起点压 力。 xQQP Pb PPP 1 75. 1 1 2 21 )()(xQaxQaPk nn nnn PkkxPxPk)( 21 75. 12 1 0)( 1 75. 1 21 2 kxkkx 一、低压管网计算压力降的确定 当k2=0.75时，x=0.92。 而根

8、据燃具流量水力公式 管网总流量应为 说明当管网按0.75Pn的计算压力降进行设计，尽 管管网的输送能力小于计算流量，但用户处的压 力高于最低允许压力0.75Pn，而达到0.85Pn。这 是由于随着管网的流量小于计算流量，管道的压 力降小于计算压降，在起点压力为定值的情况下， 使得燃具前的压力提高。 2 2nn QaP QQ865. 075. 0 一、低压管网计算压力降的确定 实际上，高峰用气时的管网负荷还会进一步地接 近计算流量。因为： 1、用气高峰时，燃具处为最低压力，燃具在负荷 不足的情况下工作，势必延长燃具的使用时间， 使得同时工作的燃具数增加。 2、有一部分用户并没有充分利用计算压力降

9、，这 些用户燃具前的压力在用气高峰时，可能接近于 额定压力，燃具可能在额定负荷下工作。 因此，计算压力降选择0.75Pn是完全合理的。 二、高中压管网计算压力降的确 定 （一）高中压管网通过调压器与用户或低压管网 相连，其压力波动不影响低压用户的燃气压力。 高中压管网的起点压力主要受上游供气压力的影 响，其末端压力应保证中低压或高中压调压器能 正常工作并通过用户在高峰时的用气量。 高中压管网的计算压力降等于起点压力与末端最 小允许压力之差。 二、高中压管网计算压力降的确 定 （二）高中压管网与中压引射式燃烧器相 连时，需保证其在额定压力下工作，并考 虑专用调压器的压力降及用户管道的压力 损失。

10、这样确定高中压管网末端的最小压 力（通常取0.051.0MPa）。由上游提供的 压力和下游最小压力求得其计算压力降。 （三）为了保证供气的可靠性，在确定环 网的计算压力降时应留有适当的压力储备。 三、工业企业管道计算压降的确 定 （一）设有总调压装置的一级系统，管道直接与 各车间的燃烧器相连。 车间燃烧器的最低压力控制在Pn，管网的压力降 取决于管网负荷的稳定性和燃具前压力的允许波 动范围。 假定管网起点的压力足够高，管网负荷越稳定， 可取的计算压力降越高；但若管网负荷不稳定， 计算压力降太大，会导致燃具前压力超过其允许 范围。 n PPP 1 三、工业企业管道计算压降的确 定 因为，一旦压力

11、降确定，管网起点的压力 也随之确定。若管网负荷减小，管道压力 降减小，燃具前压力升高。而燃具前的压 力波动有其允许的范围。因此，计算压力 降的确定应综合考虑以上两个因素。 设燃具允许最大压力为 ，对应的流 量为 ，有 ， 设管网负荷波动系数为 ， 即 。 max b P max b Q nb QQ max maxmin QQ 三、工业企业管道计算压降的确 定 管道最大负荷时，管道压力降为计算压力 降， ；管道为最小负荷时， 管道压力降为最小， 。 起点压力为定值，所以，有下式成立 n PPP 1 max min1b PPP nb PPPP max min nn PPPP 22 n PP 2 2

12、 1 1 三、工业企业管道计算压降的确 定 （二）管道通过调压器与燃烧器相连 与高中压燃气管道计算压力降的确定情况 相同。 第二节 低压管网的水力工况 主要讨论用户燃具与低压管网直接相连时，在任 意工况下，用户燃具前的压力变化情况。 一、管网系统起点压力为定值时的工况 1、计算工况时，管网中的负荷最大，管网压力降 最大，燃具前压力最低。 2、任意工况时，随着管网负荷的降低，管网压力 降减少，用户燃具前压力升高。 设任意工况时，流量变化系数为x，则管道起点压力、 燃具前压力和管道计算压降的关系为 PxPP b 75. 1 1 一、管网起点压力为定值时的工 况 因为P1=1.5Pn， P=0.75

13、Pn。 由图中可见，当x=0.794时，燃具前压力为 额定压力。当x=00.794时，燃具前压力大 于额定压力。 75.1 75.05.1x P P n b 一、管网起点压力为定值时的工 况 二、按月调节调压器出口压力时的 水力工况 为了缩短燃具超负荷工作的时间，可采取 按月调节调压器出口压力的措施，在用气 量较低的月份降低出口压力。 调压器出口压力的调整值应满足该月最大 小时用气量时燃具前压力为额定压力。 各月最大小时用气量公式 8760 max 3 max 21 y m Q KKKQ 二、按月调节调压器出口压力时的 水力工况 一年中不同月份调压器出口压力P1可按以下步骤 确定： 1、求各月

14、最大小时流量与管道小时计算流量之比 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，计算中认为相等，则 2、根据各月的 xm值计算当月最大压力降。 3、确定各月调压器的出口压力。 max 1 1 K K Q Q x m m 75. 1 )( mP xPP Pn PPP 1 二、按月调节调压器出口压力时的 水力工况 例题：已知一年中各月的月不均匀系数如 下表，燃具的额定压力Pn=1000Pa，求 1、各月调压器出口压力； 2、作图比较冬、夏季燃具前压力的波动范 围。 月份123456789101112 K11.261.261.211.120.990.820.670.680.830

15、.941.081.14 例题： 求计算压力降， 求各月的最大小时流量与计算月的最大小 时流量之比。 求各月最大小时流量时的实际压力降。 an PPP75075. 0 月份123456789101112 xm110.960.890.7850.6510.5320.540.6590.7460.8570.905 750750698612492354248255361449572630 P P 例题： 确定调压器最大出口压力， 求各月调压器的出口压力， 按上式计算的P1值大于P1max时，取P1max 比较冬、夏季用户燃具前的压力变化范围。 冬季燃具前压力Pb=1500750 x1.75 夏季燃具前压力

16、Pb=1255750 x1.75 an PPP15005 . 1 max 1 Pn PPP 1 月份123456789101112 P1150015001500150014901350125012551360145015001500 三、随管网负荷变化调节调压器出 口压力时的水力工况 管网起点压力根据在任意工况下燃具前的 压力等于或接近于额定压力而确定的。 由上式，管网起点压力的最佳调节曲线和 用户燃具前的压力曲线见下图。 PxPP b 75. 1 1 75.1 1 75.01x P P n 三、随管网负荷变化调节调压器出 口压力时的水力工况 由图可见，当0 x0.794时，调 压器出口压力保

17、持1.5Pn，燃具前压力为下 式表达的曲线。 75.1 75.05.1x P P n b 第三节 高、中压环网的水力可靠性 当管网中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范围以内，则 认为该系统是可靠的。城市高中压管网系 统，为了保证供气的可靠性，通常设计成 环网。但环网中的管径选择情况不同，环 路的可靠性不同。以下分两种情况讨论： 1、等管径环路的水力可靠性 2、等比压降环路的水力可靠性 一、等管径环路的水力可靠性 为了分析方便，假设各管段的直径均为d，长度均 为l，各管段的计算流量和节点流量如下图所示。 一、等管径环路的水力可靠性 1、计算工况下，半环的压力损失： 此压力损

18、失即为环网的压力损失。 2 0 2 3 2 1 2 0 2 0 2 2 2 1 2 0 2 0 2 3 2 2 5 . 2 25. 2)5 . 1 ( 25. 0)5 . 0( QaPP QaQaPP QaQaPP 一、等管径环路的水力可靠性 2、事故工况下，假设在最不利点即靠近供气点处 出现事故，各管段的流量如图所示。假定所有用 户的用气量都均匀下降，其流量以计算工况下的 节点流量乘以x表示，即Q=xQ。事故工况下环网 的总压力损失为： 2 0 22 5 2 1 2 0 22 0 2 4 2 1 2 0 22 0 2 3 2 4 2 0 22 0 2 2 2 3 2 0 22 0 2 5 5

19、 2 21 25.12)5.3( 25.6)5.2( 25.2)5.1( 25.0)5.0( QaxPP QaxxQaPP QaxxQaPP QaxxQaPP QaxxQaPP 一、等管径环路的水力可靠性 3、水力可靠性分析 如果计算工况和事故工况的起点压力和终 点压力相同，则 也就是说，事故工况时，用户能够得到的 燃气量将减少到计算流量的34.5%，这不能 保证系统的供气可靠性。 345. 0 215 . 2 2 0 22 0 x QaxQa 一、等管径环路的水力可靠性 通常认为管网燃气的供气量不低于计算流量的70时系统 是可靠的，即所有用户的供气保证系数为0.7。为了保证为了保证 供气的可

20、靠性，管网系统应有一定的压力储备，以便在事供气的可靠性，管网系统应有一定的压力储备，以便在事 故发生时，增加允许压力降，从而增加流量故发生时，增加允许压力降，从而增加流量。也就是说计 算工况下管网的压力降小于计算压力降，计算压力降的利 用程度为： 即计算压力降利用系数为25。 压降利用系数的大小与管网布置、供气保证系数等因素有 关。 25. 0 7 . 021 25 2 0 2 2 0 Qa Qa 二、用单位长度压降为常数计算管 网时，环网的水力可靠性 假定环中各管段长度相等，因此各管段压降相等。 由于各管段管径不同，其阻抗也不同。 二、用单位长度压降为常数计算管 网时，环网的水力可靠性 1、

21、计算工况下各管段压降及总压力降 2 21 2 3 2 1 2132 2132 2 2 2 1 2 3 2 2 2 21 2 21 2 2 2 1 2 32 2 32 2 3 2 2 5 .4 9 25.225.0 25.2)5 .1 ( 25.0)5 .0( QaPP aa aa PPPP QaQaPP QaQaPP 二、用单位长度压降为常数计算管 网时，环网的水力可靠性 2、事故工况下，各管段压降及总压力降 2 21 22 5 2 1 2 21 22 41 2 4 2 1 2 21 22 34 2 3 2 4 2 21 22 32 2 2 2 3 2 21 22 21 2 5 2 2 89

22、25.12)5 . 3 ( 925. 6)5 . 2( 925. 2)5 . 1 ( 25. 0)5 . 0 ( QaxPP QaxxQaPP QaxxQaPP QaxxQaPP QaxxQaPP 二、用单位长度压降为常数计算管 网时，环网的水力可靠性 3、水力可靠性分析 如果计算工况和事故工况的起点压力和终 点压力相同，则 说明事故工况时，用户能够得到的燃气量 将减少到计算流量的22.5%。 为保证70的供气保证系数，需要压力储 备，压降利用系数为： 225. 0 895 . 4 2 21 22 21 x QaxQa %10 7 . 0895 . 4 2 21 22 21 y QayQa 三

23、、两种方法金属用量的分析 两种方法的比较在其水力可靠性相同的基础上进 行。即在事故工况下，环路的过流能力和总压力 降相同。 过流能力相同，则x相同。 总压力降相同，则 管径与管段阻抗的关系如下： 02132 021 2 21 22 0 2 12. 29 236. 0 8921 aaa aa QaxQax 25.5 0 25.5 21 21 d l ka d l ka 三、两种方法金属用量的分析 由上述阻抗之间的关系式，有 管道金属用量的近似表达式 等管径环路的金属用量 等比压降环路的金属用量 可见，第二种方法的金属用量多9.25。 dd dd a a a a a a d d 867.0 32.

24、1 236.0 32 21 19.0 0 0 19.0 21 0 25.5 1 21 021 ldcldM ldcM 4 1 ldcdlcM37. 4)867. 032. 1 (2 2 四、结论 在相同水力可靠性的情况下，等管径环路比等比 压降环路的金属用量要少。 在事故工况分析过程中，假定用户的用气量是均 匀降低的，这在以下情况下完全成立。 1、事故工况不与全年的用气高峰期重合。季节性 的用气量减少比由于个别管段损坏引起的管网通 过能力的降低还要大。事故工况并不影响用户的 正常工作，用户的负荷均匀降低。适合管网大修。 2、在管段发生事故时，通过调度管理缩减部分用 户的用气量，使用户的负荷均匀

25、降低。 第四节 低压环网的水力可靠性 低压管网和用户直接相连时，由于各用户 的燃气量是无法调节的，当发生事故时， 各用户的用气量的减少是不同的，其取决 于用户支管与环网连接点的压力和用户支 管的压力降。连接点的压力降低，供气量 随之减少。这是计算低压管网事故工况的 基础。 第四节 低压环网的水力可靠性 为了方便说明，设管网为等管径环路，管网 总压力降为0.75Pn，其中环路干管的计算压 降为0.5Pn，支管的计算压降为0. 25Pn， 管网起点压力为1.5Pn。 第四节 低压环网的水力可靠性 一、计算工况的计算 二、事故工况的计算 三、用全压降计算支管时管网的供气能力 四、用等压降计算支管时管

26、网的供气能力 一、计算工况的计算 1、环网干管的压力降 2、支管连接点压力及支管压力降 将用户燃具看作支管管路的一部分，末端压力为 大气压。各连接点的压力分别为 P1=1.5Pn，P2=1.5Pna0(1.5Q)2=1.05Pn， P3=Pn。 2 0 2 0 2 031 5 . 2)5 . 1 ()5 . 0(QaQaQaPP n n n PQa QaP PQaPP 2 . 0 5 5 . 05 . 2 2 0 2 0 2 031 一、计算工况的计算 各支管（包含燃具）压降及阻抗 0 2 2 0 51 2 51151 5 .7 55 .1 5 .1 a Q Qa a QaPPP n 0 2 2 0 62 2 62262 25.5 505.1 05.1 a Q Qa a QaPPP n 0 2 2 0 73 2 73373 5 5 a Q Qa a QaPPP n 一、计算工况的计算 3、整个系统的总压力降及总阻抗 0 2 2 0 2 1 469. 0 16 55 . 1 )4(5 . 1 a Q Qa a QaPPP s sns 二、事故工况的计算 最不利的情况是在节点1发生事故，假设用 两个相同的平行管段111、910代替管 段15，每根管段的流量为0.5Q。根据并 联回路的特点，以上两根管道的阻抗如下 整个管网构成一个串并联