天然气长输管道水力坡降设计计算书

天然气长输管道水力坡降设计计算书（含摩阻系数与高程修正）工程名称某天然气长输管道工程（试验段）文件编号GS-SJ-2026-SL-001设计阶段初步设计文件类型水力计算专项报告编制人________________审核人________________批准人________________二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1设计依据本计算书依据下列现行国家标准、行业规范及设计文件编制：（1）GB50251—2015《输气管道工程设计规范》；（2）GB50028—2006（2020年版）《城镇燃气设计规范》；（3）GB50350—2015《油气集输设计规范》；（4）GB/T9711—2017《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》；（5）SY/T0003—2012《石油天然气工程制图标准》；（6）本工程可行性研究报告及线路走向平面图、纵断面图。1.2设计范围本计算书针对某天然气长输管道试验段（起点首站至终点末站，全长100km）进行水力坡降计算。计算内容包括：水力摩阻系数迭代求解、平坦管段压降计算、考虑纵断面高程变化的位压修正计算、多工况对比分析及安全核验。1.3设计原则（1）严格执行GB50251—2015所规定的水力计算公式与摩阻系数计算方法；（2）当管道纵断面相对高差大于200m时，必须计入高程修正项（位压影响）；（3）计算结果应满足管道强度设计压力、终点供气压力及输量保证率三重约束；（4）所有参数取值应留有合理裕量，摩阻系数取值应考虑管道投运后内壁结垢、积液等效率衰减。2设计计算参数2.1管道几何参数表2-1管道几何参数表序号参数名称符号单位取值备注1管道公称外径Dmm1016X70螺旋埋弧焊管2管壁厚度δmm14.6按强度计算确定3管道内径dmm986.8d=D−2δ4计算管段长度Lkm100.0首站→末站5管道内壁绝对粗糙度Kmm0.0457新钢管，GB50251附录A6管道效率系数E—0.92d>800mm取0.91~0.942.2天然气物性参数表2-2天然气物性参数表序号参数名称符号单位取值备注1天然气相对密度Δ—0.65空气=1.02气体平均输送温度TK283.1510℃，地温均值3气体压缩因子Z—0.92对应平均压力4标准状态压力P₀MPa0.1013251atm5标准状态温度T₀K293.1520℃6气体动力黏度μPa·s1.1×10⁻⁵8MPa、10℃条件7年平均输量Qₐ10⁸m³/a120设计输量8年运行天数Nd350考虑检修9日均输量qᵥ10⁴m³/d3428.6Qₐ/N2.3纵断面高程参数本试验段沿管道走向划分为4个计算分段，各分段起止里程及高程见表2-3。起点海拔400m，终点海拔650m，总相对高差Δh=+250m，大于200m，必须进行高程修正计算。表2-3管道纵断面高程分段表分段编号起讫里程(km)段长Lᵢ(km)起点高程hᵢ₋₁(m)终点高程hᵢ(m)段高差Δhᵢ(m)第1段0~2525400550+150第2段25~5530550720+170第3段55~8025720680−40第4段80~10020680650−30合计/终点0~100100400(起点)650(终点)+250(总)3水力摩阻系数计算3.1流态判别与雷诺数计算根据GB50251—2015第3.3.2条，输气管道水力摩阻系数λ应按Colebrook-White公式计算。计算前需先判别流态，即计算雷诺数Re。雷诺数计算公式为：Re=d·v·ρμ（式中：Re——雷诺数（无量纲）；d——管道内径（m）；v——气体平均流速（m/s）；ρ——气体在管段平均压力下的密度（kg/m³）；μ——气体动力黏度（Pa·s）。管段平均压力取P̄=(P₁+P₂)/2≈7.5MPa（绝压），工作状态下天然气密度为：ρ=ρ0·P̄·代入数据：ρ₀=0.65×1.293=0.840kg/m³，ρ=0.840×7.5×293.15/(0.101325×0.92×283.15)=69.9kg/m³。工作状态下实际体积流量：qv,实=q代入数据：qᵥ=3.4286×10⁷m³/d=396.8m³/s（标准状态），实际体积流量qᵥ,实=396.8×0.101325×0.92×283.15/(7.5×293.15)=4.85m³/s。管道流通截面积A=πd²/4=π×0.9868²/4=0.765m²，气体平均流速v=qᵥ,实/A=4.85/0.765=6.34m/s。将上述数据代入式(3-1)：Re=0.9868×69.9×6.34/(1.1×10⁻⁵)=3.97×10⁷。远大于4000，流态为充分湍流。3.2Colebrook-White公式迭代求解根据GB50251—2015第3.3.2条，水力摩阻系数λ按下式计算（Colebrook-White公式）：1λ=-2·lgK3.7d式中：K——钢管内壁绝对粗糙度（m），取0.0457mm=4.57×10⁻⁵m；d——管道内径（m），取0.9868m；Re——雷诺数，取3.97×10⁷。相对粗糙度K/d=4.57×10⁻⁵/0.9868=4.63×10⁻⁵。由于式(3-4)为隐式方程，需采用迭代法求解。迭代过程见表3-1。表3-1Colebrook-White公式迭代求解过程表迭代次数初始λ₀√λ₀2.51/(Re·√λ₀)K/(3.7d)括号内之和-2lg(和)√λλ第1次0.01000.10006.32×10⁻⁷1.25×10⁻⁵1.31×10⁻⁵9.7660.10240.01049第2次0.010490.10246.18×10⁻⁷1.25×10⁻⁵1.31×10⁻⁵9.7650.10240.01049第3次0.010490.10246.18×10⁻⁷1.25×10⁻⁵1.31×10⁻⁵9.7650.10240.010493.3摩阻系数计算结果经两次迭代即收敛，最终水力摩阻系数λ=0.0105。该值处于充分湍流粗糙区（阻力平方区），雷诺数变化对λ影响很小，摩阻主要取决于管壁相对粗糙度K/d。为考虑管道投运后内壁结垢、积液及输送效率衰减，本计算书在后续水力计算中取设计摩阻系数λ=0.0110（在计算值0.0105基础上增加约5%裕量）。4平坦管段水力坡降计算4.1基本公式根据GB50251—2015第3.3.2条第1款，当输气管道纵断面相对高差Δh≤200m且不考虑高差影响时，输气管道通过能力按下式计算：qv=1051·E·P1式中：qᵥ——气体（P₀=0.101325MPa，T=293K）的流量（m³/d）；E——输气管道效率系数；P₁——计算段起点压力（绝压，MPa）；P₂——计算段终点压力（绝压，MPa）；d——管道内径（cm）；λ——水力摩阻系数；Z——气体压缩因子；Δ——气体相对密度；T——气体平均温度（K）；L——计算段长度（km）。4.2终点压力反算已知起点压力P₁=8.5MPa（绝压），日均输量qᵥ=3.4286×10⁷m³/d，设计摩阻系数λ=0.0110，求平坦条件下终点压力P₂。将式(4-1)变形求解P₂²：P22=P代入数据计算：d=98.68cm，d⁵=98.68⁵=9.358×10⁹cm⁵；(qᵥ/(1051·E))²=(3.4286×10⁷/(1051×0.92))²=(35462)²=1.257×10⁹；λ·Z·Δ·T·L=0.0110×0.92×0.65×283.15×100=186.2；(P₁²−P₂²)=1.257×10⁹×186.2/9.358×10⁹=25.01MPa²；P₂²=8.5²−25.01=72.25−25.01=47.24MPa²；P₂=√47.24=6.873MPa（绝压）。4.3水力坡降线平坦管段水力坡降沿程呈平方关系衰减。根据式(4-1)，距起点x处的压力P(x)满足：P(x)2=P1各里程处压力计算结果见表4-1。表4-1平坦管段沿程压力表里程x(km)x/LP(x)²(MPa²)P(x)(MPa，绝压)P(x)(MPa，表压)00.0072.258.508.40200.2062.257.897.79400.4052.247.237.13600.6042.246.506.40800.8032.235.685.581001.0047.24*6.87*6.77*注：表中100km处P(x)²=47.24MPa²为反算终点值；中间里程按线性插值P(x)²=P₁²−25.01×(x/L)计算。表中数值为平坦条件下理论水力坡降值。5高程修正计算5.1高程修正原理天然气在倾斜管段中流动时，除摩阻损失外还需克服气体柱自重（位压）。当管道上坡时，位压使沿程压力衰减加剧；当管道下坡时，位压可部分补偿摩阻损失。根据GB50251—2015第3.3.2条第2款，当考虑纵断面相对高差影响时，应计入高程修正项。5.2位压修正系数α高程修正系数α按下式计算：α=2g·Δ·ρ空气R·T式中：g——重力加速度，取9.81m/s²；Δ——天然气相对密度；R——空气气体常数，取287.1J/(kg·K)；T——气体平均温度（K）。代入数据：α=0.0683×0.65/283.15=1.567×10⁻⁴m⁻¹。终点对起点的相对高差Δh=650−400=250m，则1+αΔh=1+1.567×10⁻⁴×250=1.0392。5.3考虑高差的水力计算公式根据GB50251—2015第3.3.2条第2款，考虑纵断面高程影响时，输气管道通过能力按下式计算：qv=1051·E·P1式中：Δh——计算管段终点对起点的标高差（m）；n——沿线计算管段数；hᵢ、hᵢ₋₁——各分段终点和起点高程（m）；Lᵢ——各分段长度（km）。5.4高程修正项计算根据表2-3的纵断面分段数据，逐项计算高程加权和Σ(hᵢ+hᵢ₋₁)·Lᵢ：表5-1高程加权和计算表分段hᵢ₋₁(m)hᵢ(m)(hᵢ+hᵢ₋₁)(m)Lᵢ(km)(hᵢ+hᵢ₋₁)·Lᵢ(m·km)第1段4005509502523750第2段55072012703038100第3段72068014002535000第4段68065013302026600合计Σ———100123450高程修正分母项：1+α/(2L)·Σ(hᵢ+hᵢ₋₁)·Lᵢ=1+(1.567×10⁻⁴)/(2×100)×123450=1+0.1935=1.1935。5.5高程修正后终点压力已知qᵥ=3.4286×10⁷m³/d，P₁=8.5MPa（绝压），反算考虑高程修正后的终点压力P₂。将式(5-2)变形：[P₁²−P₂²(1+αΔh)]/1.1935=25.01（同平坦段右侧值）P₁²−P₂²×1.0392=25.01×1.1935=29.85P₂²×1.0392=72.25−29.85=42.40P₂²=40.80MPa²P₂=6.388MPa（绝压）=6.287MPa（表压）。对比平坦管段结果（P₂=6.873MPa绝压），高程修正后终点压力降低了0.485MPa。这是因为管道整体呈上坡（终点比起点高250m），气体柱自重额外消耗了压力能。表5-2高程修正前后终点压力对比表计算工况P₁(MPa绝压)P₂(MPa绝压)P₂(MPa表压)压降ΔP(MPa)与平坦段偏差不考虑高程（平坦）8.506.8736.7721.627基准考虑高程修正8.506.3886.2872.112−0.485MPa偏差率—−7.0%−7.2%+29.8%—6多工况计算与对比分析6.1不同输量工况对比在P₁=8.5MPa（绝压）、λ=0.0110、考虑高程修正条件下，计算不同输量对应的终点压力，结果见表6-1。表6-1不同输量工况下终点压力表工况编号输量qᵥ(10⁴m³/d)负荷率(%)P₂(MPa绝压)P₂(MPa表压)压降ΔP(MPa)工况1（最低）200058.37.357.251.15工况2（平均）3428.6100.06.396.292.11工况3（高峰）4000116.75.825.722.68工况4（满输）4500131.35.215.113.296.2不同摩阻系数公式对比工程上常用的输气管道摩阻系数公式除Colebrook-White外，还包括Weymouth公式和PanhandleB公式。三种公式计算结果对比见表6-2。表6-2不同摩阻系数公式计算结果对比表公式名称摩阻系数λ平坦段P₂(MPa)高程修正后P₂(MPa)与Colebrook偏差Colebrook-White0.01056.876.39基准Weymouth0.01186.626.10−4.5%PanhandleB0.00987.026.56+2.7%本设计取值(裕量)0.01106.876.390.0%由表6-2可见，Weymouth公式偏保守（摩阻偏大、通过能力偏小），PanhandleB公式偏乐观。本设计采用Colebrook-White公式并计入5%裕量，结果介于两者之间，符合GB50251—2015要求。7安全核验7.1终点供气压力核验本管道末站下游接入城市燃气门站，要求门站进站压力不低于4.0MPa（表压）。由表6-1可知，最不利工况（工况4满输量4500×10⁴m³/d）下终点表压为5.11MPa，高于4.0MPa最低要求，裕量为1.11MPa，满足供气要求。7.2管道强度与设计压力核验管道材质为X70钢，外径1016mm，壁厚14.6mm。按GB50251—2015第4.2节，管道设计压力Pₑ计算公式为：Pe=2·δ·[σ]式中：δ——管壁厚度（mm）；[σ]——管材最小屈服强度（X70为485MPa）；φ——焊缝系数（取1.0）；D——外径（mm）；K——设计系数（一级地区取0.72）。Pₑ=2×14.6×485×1.0/(1016×0.72)=19.37MPa。本设计起点最高操作压力为8.5MPa（绝压）=8.4MPa（表压），远低于设计压力19.37MPa，强度裕量充足。7.3流速与冲蚀核验GB50251—2015规定输气管道内流速不宜超过20m/s。本工程在最不利工况下实际流速v_max≈6.34×(4500/3428.6)=8.32m/s，远低于20m/s限值，无冲蚀风险。7.4水合物与气质核验管道起点温度10℃，在8.5MPa压力下天然气水合物形成温度约为7～8℃。为防止水合物生成，应在首站设置脱水装置，保证天然气水露点低于输送最低温度5℃以上，即水露点≤5℃。本计算书按已满足气质要求进行水力计算。8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总表8-1水力坡降计算结果汇总表序号计算项目单位计算结果备注1水力摩阻系数λ（计算值）—0.0105Colebrook-White迭代2水力摩阻系数λ（设计取值）—0.0110含5%裕量3雷诺数Re—3.97×10⁷充分湍流4位压修正系数αm⁻¹1.567×10⁻⁴式(5-1)5高程修正分母项—1.1935含Σ项6平坦段终点压力P₂MPa绝压6.873不考虑高程7高程修正后终点压力P₂MPa绝压6.388考虑Δh=250m8终点压降ΔP（含高程）MPa2.112P₁−P₂9平均水力坡降MPa/100km2.11含位压10终点表压MPa6.29绝压减0.1018.2敏感性分析（1）摩阻敏感性：λ每增大10%，终点压力约降低0.3～0.4MPa。管道投运后内壁粗糙度增加（结垢、积液）是最主要的水力衰减因素，建议每3～5年进行一次清管作业并重新校核摩阻系数。（2）高程敏感性：管道每升高100m，终点压力约降低0.25～0.30MPa。本工程段最高点（里程55km处，海拔720m）为压力最低点附近，应重点监控该段的压力分布。（3）温度敏感性：气体平均温度每升高10℃，通过能力约下降3%～5%。夏季高温时段应适当降低输量或提高起点压力。8.3工程指导建议（1）首站出站压力应按8.5MPa（绝压）设计并预留0.5MPa调节裕量，即最高操作压力不超过9.0MPa（绝压）。（2）本试验段无需设置中间压气站。若未来输量提升至5000×10⁴m³/d以上，应在里程50～60km处（高程最高点附近）增设中间压气站。（3）建议在里程55km处设置线路压力监测点，作为最不利断面监控点。（4）管道投运后应建立水力坡降实测数据库，每年度根据实际运行数据反演摩阻系数，动态修正设计计算模型。（5）冬季运行时应重点关注水合物生成风险，必要时在高点（里程55km）设置注入点加注甲醇或乙二醇抑制剂。参考文献[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50251—2015输气管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,