第六章_燃气管网的水力计算

1、第六章 燃气管网的水力 计算 一、不稳定流动方程式 燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃 气的流动时不稳定流。由于气田调节采气 的工况，压送机站开动压缩机不同台数的 工况以及用户用气量变化的工况，都决定 了其具有不稳定流的性质，这些因素导致 管道 内燃气的压力变化和流量变化。随着 管道内沿程压力的下降，燃气的密度也在 减小。只有在低压管道中燃气密度的变化 可忽略不计。此外，在多数情况下，管道 内燃气的流动可认为是等温的，其温度等 于埋管周围土壤的温度。 6.1 管道内燃气流动的基本方程式 决定燃气流动状态的参数为：压力P、密度和流速W，均沿管长 随时间变化，它们是距离x和时间的函数，即: (一

2、) 运动方程： (二) 连续性方程： (三) 气体状态方程： ),( ),( ),( xWW x xPP 2 sin )()( 22 W d g x P x WW 0 )( x W RTZP 运动方程的基础是牛顿第二定律，对 于微小体积(或称元体积)的流体可写为： 微小体积流体动量的改变量等于作用 于该流体上所有力的冲量之和，即 (一) 运动方程： (二) 连续性方程： (三) 气体状态方程： 2 sin )()( 22 W d g x P x WW 0 )( x W RTZP 从工程观点，运动方程中的惯性项和 对流项在大多数情况下均可忽略不计， 这是因为惯性项只在管道中燃气流量 随时间变化极

3、大时才有意义，而对流 项只在燃气流速极大时（接近声速） 才有意义。通常管道中燃气流速不大 于20-40m/s，且流量变化的程度也不 太大。此外，在城市燃气管网中，当 标高的差值不太大时，运动方程中的 重力项一般也可以忽略不计。 管道内压力越高，则燃气的密度越大， 重力项值就越大。在低压管道中，计 算压力降很小。当燃气和空气密度相 差较大时，附加压头值有时是较大的， 在计算高层建筑室内燃气立管时必须 考虑。 (四) 简化方程组 RTZP x W C P W dx P )( 2 2 2 二、燃气管道内燃气稳定流方程式 000 WP RTZP W W dx P 常数 2 2 除单位时间内输气量波动大

4、的超高压天然气长输管线，要用不稳定 流进行计算外，在大多数情况下，设计城市燃气管道时燃气流动的 不稳定性可不予考虑。 得到： 高、低压(Pa)燃气管道的基本计算公式 用于低压燃气，上式简化为： 对于低压燃气： 采用习惯采用单位kPa，并考虑城市燃气管道压力一般 在1.6MPa以下，ZZ0=1，则高、中燃气管道和低压燃 气管道计算公式为： Z T T d Q L PP 0 5 2 0 10 2 2 2 1 1027. 1 0 5 2 0 7 1026. 6 T T d Q l P L Z Z T T P d Q PP 00 00 5 2 0 2 2 2 1 62. 1 m PPPPPPPP2)(

5、 2121 2 2 2 1 0 PP m L Z Z T T d Q L Z Z T T P P d Q PP m00 0 5 2 0 00 0 0 5 2 0 21 81. 0 2 62. 1 三、燃气管道的摩擦阻力系数 概念：它是反映管内燃气流动摩擦阻力的确个无因次 系数，其值与燃气在管道内的流动状况，燃气性质， 管材(内壁粗糙度)及连接方法，安装质量有关。 不同流态区的摩阻系数的经验及半经验公式 （一）层流区： （二）临界区： ),( d Rf e )2100Re Re 64 ；（ )3500Re2100(Re0025. 0 3 ； （三）紊流区 1.适用于整个紊流区的通用公式： 柯列勃

6、洛克公式： 阿里特苏里公式： 谢维列夫公式： 2.适用于一定流态区的专用公式： （1）水力光滑区 尼古拉茨公式： ) Re 51. 2 7 . 3 (21 1 d g 25. 0 ) Re 68 (11. 0 d )() Re ( 11 用于新铸铁管 m mm B d A 237. 0 Re 0221. 0 0032. 0 65 103Re10 8 . 0)(Re21 1 g 7/8 )(2 .22Re4000 d 谢维列夫公式： 对于新钢管： 对于新铸铁管： 过渡区 对于新钢管： 对于新铸铁管： 阻力平方区 尼古拉茨半经验公式： 谢维列夫公式： 对于新钢管： 对于新铸铁管： 226. 0 2

7、1 Re 25. 0 KK 284. 0 1 Re 77. 0 K 226. 06 226. 0 21 )109 . 1 ( 23. 0 W V d KK 6 104 . 2 V W 284. 06 284. 0 1 )1055. 0( 75. 0 W V d K 6 107 . 2 V W 2 )7 . 3lg(2 1 d 8/9 )(597Re d 226. 0 21 6 121. 0 104 . 2 d KK V W 284. 0 1 6 0143. 0 107 . 2 d K V W 城市燃气管道水力计算公式和计算图 表 一、低压燃气管道摩擦阻力损失计算公式 （一）层流状态(Re350

8、0) 钢管 铸铁管 25. 0 ) Re 68 (11. 0 d 0 0 5 2 025. 0 0 6 )2 .192(109 . 6 T T d Q Q dv dl P 284. 0 0 )5158 1 (12. 0 Q dv d 0 0 5 2 0284. 0 0 6 )5158 1 (104 . 6 T T d Q Q dv dl P 二、高、中压燃气管道摩擦阻力损失计算公式 （一）钢管、塑料管 （二）铸铁管 25. 0 ) Re 68 (11. 0 d 0 0 5 2 025. 0 0 9 2 2 2 1 )2 .192(104 . 1 T T d Q Q dv dL PP 284.

9、0 0 )5158 1 (12. 0 Q dv d 0 0 5 2 084. 0 0 9 2 2 2 1 )5158 1 (103 . 1 T T d Q Q dv dL PP 三、燃气管道摩擦阻力损失计算图表 五、燃气管道局部阻力损失和附加压头 （一）局部阻力损失 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。 2 2 W P 局部阻力损失也可用当量长度来计算，各种管件折成相同管径管 段的当量长度L2可按下式确定： 对于=1时各不同直径管段的当量长度可按下法求得： 根据管段内径、燃气流速及运动粘度求出R

10、e，判别流 态后采用不同的摩阻系数的计算公式，求出值， 而后可得： 实际工程中通常根据此式，对不同种类的燃气制成图 表，见图6-6，可查出不同管径不同流量时的当量长度。 管段的计算长度L可由下式求得 d L W d Ld P 2 2 2 2 d l 2 2121 lLLLL （二）附加压头 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，其值由下式 确定： 当附加压头为正值时，会减少压力降，有助于燃气流 动；当附加压头为负值时，阻碍燃气流动。 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，应考虑附加压头。 HgP ga )( 6.2 建筑

11、燃气系统的水力计算 在进行建筑燃气系统水力计算时，应 首先根据土建、给排水、采暖及电气 等各专业的平面图和系统图选定并布 置燃气表、用户燃气用具和燃气管道， 画出燃气系统图。利用同时工作系数 法计算确定各管段 的计算流量。自引 入管到各燃具之间的压力降，其最大 值即为建筑燃气系统的总压降。 例题6-1试做六层住宅楼的建筑燃气系 统的水力计算，燃气管道的布置见图 6-6和图6-7，每家用户装双眼灶一台， 额定热负荷4.82kW，燃气热值为 18MJ/m3，燃气密度=0.45kg/m3，运 动黏度=2510-6 m2/s. 室内燃气管道计算方法和步骤 (1)先选定和布置用户燃具，并画出管道系统图。

12、 (2)将各管段按顺序编号，凡是管径变化或流量变化处均 应编号。 (3)求出各管段的额定流量，根据各管段供气的用具数得 同时工作系数值，可求出各管段的计算流量。 (4)由系统图求得各管段的长度，并根据计算流量预选各 管段的管径。 (5)算出各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，可得 管段的计算长度，根据管段计算流量及已定管径，查 图6-6求得=1时的t2，求d/。 (6) 由燃气密度进行水力计算修正： (7) 计算各管段的附加压头 (8) 求各管段的实际压力损失 (9) 求室内燃气管道的总压力降，核实总压力降与规范 要求标准。 (10) 若总压力降与允许的计算压力降相比较，不合适， 则可改变个

13、别管段的管径以满足要求。 gas L P L P 1 )( HgP gaf )( )( ga gHP 从结果可知，系统最大压降值是从用 户引入管至用具14，通过计算，各管 段的管径均可确定。 课后作业 某多层住宅，已知燃气室内立管终端 标高15m，引入管始端标高-0.6m，燃 气密度0.71kg/Nm3，引入管起点压力 P1=1100Pa，燃气由起点到终点的总阻 力损失为80Pa，计算附加压头及立管 终端压力P2。 6.3 燃气分配管网计算流量 一、燃气分配管段计算流 量的确定 燃气分配管网各管段根 据连接用户的情况，分 为三种： 只有转输流量的管段 只有途泄流量的管段 有转输、途泄流量的管

14、段 二、变负荷低压分配管段计算流量 在设计低压分配管网时，一般只能获 得街坊或区域的总的用气负荷，各用 户用气的原始资料无法详尽，在确定 管段计算流量时，一般应首先确定途 泄流量的大小。 1途泄流量的Q1的确定 在城镇燃气管网计算途泄流量时，可做如 下假设： （1）途泄流量Q1沿管段均匀输出； （2）途泄流量只包括大量的居民用户和小 型公共建筑类商业用户。若该管段上连有 负荷较大的用户，应当作集中负荷进行计 算。 （3）供气区域内居民用户和小型公共建筑 类商业用户的负荷时均匀分布的。 按上述假设，途泄流量可确定为： 1）在供气范围内按不同居民人口密度 划分成小区。 2）分别计算各小区用气量。即

15、 Qz=Ne 3)计算各小区管段单位长度途泄流量 为：qz=Qz/L 4）求各管段的途泄流量，即： Q1=qz.L 二、途泻流量的计算 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或工业用户应作为集中负荷 来进行计算。 以图6-9所示为例，各管段的途泻流量计算步骤如下： （一）将供气范围划分为若干小区 根据该区域内道路、建筑物布局及居民人口密度等划 分为A、B、C、D、E、F小区，并布置配气管道1-2、 2-3。 （二）分别计算各小区的燃气用量 分别计算各小区居民用气量、小型公共建筑及小型工 业用气量，其中居民用气量可用居民人口数乘以每人 每小时的燃气计算流量e（m

16、3(人.h)）求得。 (三）汁算各管段革位长度途泄流量 汁算中可以认为，途泄流量是沿管段均匀输出的，管 段单位长度的途泄流量为 L Q q 1 图6-9中A、B、C 各小区管道单位 长度途泻为： 7332112 11221 616554433221 LLL Q q LL Q q LLLLLL Q q C C B B A A （四）求管段途泄流量 管段途泻流量等于单位长度途泻流量乘以该管段长度； 需同时向两侧供气时，其途泻流量为两侧的单位长度 途泻流量之和乘以该管段长度。 图6-9中各管段的途泻流量如下： 61 61 1 84 84 1 32 32 1 21 21 1 )( )( )( LqQ

17、LqqQ LqqQ LqqQ A ED CA BA 例题 如下图所示的区域燃气管网，各管段 长度如图所示（m）。人口密度为600 人/公顷，每人每小时的燃气用量为 0.06Nm3，节点上有集中负荷 Qs=100Nm3/h，计算各管段的途泄流 量。 变负荷管段的计算流量的确定 确定原则是用计算流量Q求得的管段 压力降应与变负荷管段的实际压力降 相等。计算流量Q可用式6-23表示： Q=Q1Q2 取不同的n和x所得值列于下表 对于燃气分配管道，一管段上的分 支管数一般不小于5一10个，a值在 0.31.0的范围内，从上述两表中所得 数值可以看出，此时系数。在0.5-0.6 之间，水力计算公式中幂指

18、数等于 1.752.0时，a值的变化并不大，实际 计算中均可采用平均值a0.55。 故燃气分配管道的计算流量公式为 Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 变流量分配 计算流量公式：Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 由上式可见，燃气分配管道可看作在终端有一集中负 荷，流量为Q，则其压力降等于实际上既有转输流量， 又有途泄流量的该管段的压力降。因此，途泄流量常 可看作相当于两个集中流量值，即在管段始端为 0.45Q1，而在终端为0.55Q1。 6.3.3节点流量 在用电子计算机进行燃气环状管网水力计算时， 常把途泄流量转化成来表示。这样， 假设沿管线不再有流量流出，即管段中的流量 不再沿管线变化，

19、它产生的管段压力降与实际 压力降相等。 由式Q=Q1Q2 可知，与管道途泄流量Q1相当 的计算流量，可由管道终端节点流量为Q1和 始端节点流量为（l-）Q1来代替。 (1)当取0.55时，管道始端i、 终端j的节点流量分别为： (2)图6-10各节点流量为： ji j ji i Qq Qq 1 1 55. 0 45. 0 16 1 56 16 45 1 25 1 56 15 34 1 45 14 34 1 32 13 32 1 25 1 21 12 21 1 16 11 45. 045. 0 45. 045. 055. 0 45. 055. 0 55. 055. 0 45. 055. 055.

20、 0 45. 055. 0 QQq QQQq QQq QQq QQQq QQq (3)管段上所接的大型用户为集中流量，也可转化为节点流量。 根据集中流量离该管段两端节点的距离，近似地按按比例分配于 两端节点上。 6.4 管网水力计算 一、枝状管网水力计算 （一）环状管网水力计算特点特点 (1)管段数P和节点数m的关系：p=m-1。 (2)流量分配方案是唯一的，任一管段的流量都为该管段 后所有节点流量之和 。 (3)枝状管网管段直径改变，只导致管道终点压力改变， 并不影响管段流量变化。枝状管网水力计算中各管段 的未知数只有直径和压力降两个。 （二）枝状管网水力计算计算步骤 (1)确定管网各管段的

21、计算流量 (2)计算单位长度的允许压力降 (3)预选管径 (4)根据所选管径求摩擦阻力损失和局部阻力损失，计算 总压降 (5)检查计算结果，比较总压降是否超出允许范围 二、环状管网水力计算 （一） 环状管网水力计算特点 管段数P，节点数m和环数n的关系：p=m+n-1 流量分配方案不是唯一的。这是因为环状管网任一管 段的燃气可由多条管道供气，管道流量是可以再分配 的。再分配燃气流量时，必须保证每一节点的燃气连 续流动，即流向节点的流量必须等于流离节点的流量。 环状管网管段直径改变，会导致管道压力和流量的改 变，因此环状管网水力计算中各管段的未知数有直径、 压力降和流量三个。 环状管网水力计算原理 （1）每一管段的压力降 (2)节点流量 （3）每个环的压力降之和 （4）计算压力降等于从管网源点至 零点各管段压力降之和。 0 PP i i i a i ii l d Q KP 0 n P （二）环状管网水力计算步骤 (1)绘制管网平面示意图，对节点、管段、环网编号，并 标明管道长度，集中负荷，气源或调压站位置等。 (2)计算管网各管