第六章_燃氣管網(wǎng)的水力計算

1、第六章 燃氣管網(wǎng)的水力計算 一、不穩(wěn)定流動方程式燃氣是可壓縮流體，一般情況下管道內(nèi)燃氣的流動時不穩(wěn)定流。由于氣田調(diào)節(jié)采氣的工況，壓送機站開動壓縮機不同臺數(shù)的工況以及用戶用氣量變化的工況，都決定了其具有不穩(wěn)定流的性質(zhì)，這些因素導致管道 內(nèi)燃氣的壓力變化和流量變化。隨著管道內(nèi)沿程壓力的下降，燃氣的密度也在減小。只有在低壓管道中燃氣密度的變化可忽略不計。此外，在多數(shù)情況下，管道內(nèi)燃氣的流動可認為是等溫的，其溫度等于埋管周圍土壤的溫度。6.1 管道內(nèi)燃氣流動的基本方程式 決定燃氣流動狀態(tài)的參數(shù)為：壓力P、密度和流速W，均沿管長隨時間變化，它們是距離x和時間的函數(shù)，即:(一) 運動方程： (二) 連續(xù)性

2、方程： (三) 氣體狀態(tài)方程： ),(),(),(xWWxxPP2sin)()(22WdgxPxWW0)(xWRTZP運動方程的基礎是牛頓第二定律，對于微小體積(或稱元體積)的流體可寫為：微小體積流體動量的改變量等于作用于該流體上所有力的沖量之和，即(一) 運動方程： (二) 連續(xù)性方程： (三) 氣體狀態(tài)方程： 2sin)()(22WdgxPxWW0)(xWRTZP從工程觀點，運動方程中的慣性項和對流項在大多數(shù)情況下均可忽略不計，這是因為慣性項只在管道中燃氣流量隨時間變化極大時才有意義，而對流項只在燃氣流速極大時（接近聲速）才有意義。通常管道中燃氣流速不大于20-40m/s，且流量變化的程度

3、也不太大。此外，在城市燃氣管網(wǎng)中，當標高的差值不太大時，運動方程中的重力項一般也可以忽略不計。管道內(nèi)壓力越高，則燃氣的密度越大，重力項值就越大。在低壓管道中，計算壓力降很小。當燃氣和空氣密度相差較大時，附加壓頭值有時是較大的，在計算高層建筑室內(nèi)燃氣立管時必須考慮。(四) 簡化方程組RTZPxWCPWdxP)(222二、燃氣管道內(nèi)燃氣穩(wěn)定流方程式 000WPRTZPWWdxP常數(shù)22除單位時間內(nèi)輸氣量波動大的超高壓天然氣長輸管線，要用不穩(wěn)定流進行計算外，在大多數(shù)情況下，設計城市燃氣管道時燃氣流動的不穩(wěn)定性可不予考慮。 得到：高、低壓(Pa)燃氣管道的基本計算公式用于低壓燃氣，上式簡化為： 對于低

4、壓燃氣：采用習慣采用單位kPa，并考慮城市燃氣管道壓力一般在1.6MPa以下，ZZ0=1，則高、中燃氣管道和低壓燃氣管道計算公式為：ZTTdQLPP05201022211027. 1052071026. 6TTdQlPLZZTTPdQPP0000520222162. 1mPPPPPPPP2)(212122210PPmLZZTTdQLZZTTPPdQPPm00052000005202181. 0262. 1三、燃氣管道的摩擦阻力系數(shù) 概念：它是反映管內(nèi)燃氣流動摩擦阻力的確個無因次系數(shù)，其值與燃氣在管道內(nèi)的流動狀況，燃氣性質(zhì)，管材(內(nèi)壁粗糙度)及連接方法，安裝質(zhì)量有關。不同流態(tài)區(qū)的摩阻系數(shù)的經(jīng)驗及

5、半經(jīng)驗公式 （一）層流區(qū)：（二）臨界區(qū)： ),(dRfe)2100ReRe64；（)3500Re2100(Re0025. 03；（三）紊流區(qū)1.適用于整個紊流區(qū)的通用公式： 柯列勃洛克公式： 阿里特蘇里公式： 謝維列夫公式：2.適用于一定流態(tài)區(qū)的專用公式：（1）水力光滑區(qū) 尼古拉茨公式： )Re51. 27 . 3(211dg25. 0)Re68(11. 0d)()Re(11用于新鑄鐵管mmmBdA237. 0Re0221. 00032. 065103Re108 . 0)(Re211g7/8)(2 .22Re4000d謝維列夫公式： 對于新鋼管： 對于新鑄鐵管： 過渡區(qū) 對于新鋼管：對于新鑄鐵

6、管： 阻力平方區(qū)尼古拉茨半經(jīng)驗公式：謝維列夫公式：對于新鋼管： 對于新鑄鐵管： 226. 021Re25. 0KK284. 01Re77. 0K226. 06226. 021)109 . 1 (23. 0WVdKK6104 . 2VW284. 06284. 01)1055. 0(75. 0WVdK6107 . 2VW2)7 . 3lg(21d8/9)(597Red226. 0216121. 0104 . 2dKKVW284. 0160143. 0107 . 2dKVW城市燃氣管道水力計算公式和計算圖表一、低壓燃氣管道摩擦阻力損失計算公式（一）層流狀態(tài)(Re3500) 鋼管鑄鐵管 25. 0)R

7、e68(11. 0d0052025. 006)2 .192(109 . 6TTdQQdvdlP284. 00)51581(12. 0Qdvd00520284. 006)51581(104 . 6TTdQQdvdlP二、高、中壓燃氣管道摩擦阻力損失計算公式 （一）鋼管、塑料管（二）鑄鐵管 25. 0)Re68(11. 0d0052025. 0092221)2 .192(104 . 1TTdQQdvdLPP284. 00)51581(12. 0Qdvd0052084. 0092221)51581(103 . 1TTdQQdvdLPP三、燃氣管道摩擦阻力損失計算圖表 五、燃氣管道局部阻力損失和附加壓

8、頭 （一）局部阻力損失 當燃氣流經(jīng)三通、彎頭、變徑管、閥門等管道附件時，由于幾何邊界的急劇改變，燃氣流線的變化，必然產(chǎn)生額外的壓力損失，稱之為局部阻力損失。 22WP局部阻力損失也可用當量長度來計算，各種管件折成相同管徑管段的當量長度L2可按下式確定：對于=1時各不同直徑管段的當量長度可按下法求得：根據(jù)管段內(nèi)徑、燃氣流速及運動粘度求出Re，判別流態(tài)后采用不同的摩阻系數(shù)的計算公式，求出值，而后可得： 實際工程中通常根據(jù)此式，對不同種類的燃氣制成圖表，見圖6-6，可查出不同管徑不同流量時的當量長度。 管段的計算長度L可由下式求得 dLWdLdP2222dl 22121lLLLL（二）附加壓頭 由于

9、燃氣與空氣的密度不同，當管段始末端存在標高差值時，在燃氣管道中將產(chǎn)生附加壓頭，其值由下式確定：當附加壓頭為正值時，會減少壓力降，有助于燃氣流動；當附加壓頭為負值時，阻礙燃氣流動。計算室內(nèi)燃氣管道及地面標高變化相當大的室外或廠區(qū)的低壓燃氣管道，應考慮附加壓頭。HgPga)(6.2 建筑燃氣系統(tǒng)的水力計算在進行建筑燃氣系統(tǒng)水力計算時，應首先根據(jù)土建、給排水、采暖及電氣等各專業(yè)的平面圖和系統(tǒng)圖選定并布置燃氣表、用戶燃氣用具和燃氣管道，畫出燃氣系統(tǒng)圖。利用同時工作系數(shù)法計算確定各管段 的計算流量。自引入管到各燃具之間的壓力降，其最大值即為建筑燃氣系統(tǒng)的總壓降。例題6-1試做六層住宅樓的建筑燃氣系統(tǒng)的水

10、力計算，燃氣管道的布置見圖6-6和圖6-7，每家用戶裝雙眼灶一臺，額定熱負荷4.82kW，燃氣熱值為18MJ/m3，燃氣密度=0.45kg/m3，運動黏度=2510-6 m2/s.室內(nèi)燃氣管道計算方法和步驟(1)先選定和布置用戶燃具，并畫出管道系統(tǒng)圖。(2)將各管段按順序編號，凡是管徑變化或流量變化處均應編號。(3)求出各管段的額定流量，根據(jù)各管段供氣的用具數(shù)得同時工作系數(shù)值，可求出各管段的計算流量。(4)由系統(tǒng)圖求得各管段的長度，并根據(jù)計算流量預選各管段的管徑。(5)算出各管段的局部阻力系數(shù)，求出其當量長度，可得管段的計算長度，根據(jù)管段計算流量及已定管徑，查圖6-6求得=1時的t2，求d/。

11、 (6) 由燃氣密度進行水力計算修正：(7) 計算各管段的附加壓頭(8) 求各管段的實際壓力損失 (9) 求室內(nèi)燃氣管道的總壓力降，核實總壓力降與規(guī)范要求標準。 (10) 若總壓力降與允許的計算壓力降相比較，不合適，則可改變個別管段的管徑以滿足要求。 gasLPLP1)(HgPgaf)()(gagHP從結果可知，系統(tǒng)最大壓降值是從用戶引入管至用具14，通過計算，各管段的管徑均可確定。課后作業(yè)某多層住宅，已知燃氣室內(nèi)立管終端標高15m，引入管始端標高-0.6m，燃氣密度0.71kg/Nm3，引入管起點壓力P1=1100Pa，燃氣由起點到終點的總阻力損失為80Pa，計算附加壓頭及立管終端壓力P2。

12、 6.3 燃氣分配管網(wǎng)計算流量 一、燃氣分配管段計算流量的確定 燃氣分配管網(wǎng)各管段根據(jù)連接用戶的情況，分為三種：只有轉(zhuǎn)輸流量的管段 只有途泄流量的管段 有轉(zhuǎn)輸、途泄流量的管段 二、變負荷低壓分配管段計算流量在設計低壓分配管網(wǎng)時，一般只能獲得街坊或區(qū)域的總的用氣負荷，各用戶用氣的原始資料無法詳盡，在確定管段計算流量時，一般應首先確定途泄流量的大小。1途泄流量的Q1的確定在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)計算途泄流量時，可做如下假設：（1）途泄流量Q1沿管段均勻輸出；（2）途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑類商業(yè)用戶。若該管段上連有負荷較大的用戶，應當作集中負荷進行計算。（3）供氣區(qū)域內(nèi)居民用戶和小型公共建筑

13、類商業(yè)用戶的負荷時均勻分布的。按上述假設，途泄流量可確定為：1）在供氣范圍內(nèi)按不同居民人口密度劃分成小區(qū)。2）分別計算各小區(qū)用氣量。即Qz=Ne3)計算各小區(qū)管段單位長度途泄流量為：qz=Qz/L4）求各管段的途泄流量，即：Q1=qz.L二、途瀉流量的計算途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑用戶。用氣負荷較大的公共建筑或工業(yè)用戶應作為集中負荷來進行計算。以圖6-9所示為例，各管段的途瀉流量計算步驟如下： （一）將供氣范圍劃分為若干小區(qū) 根據(jù)該區(qū)域內(nèi)道路、建筑物布局及居民人口密度等劃分為A、B、C、D、E、F小區(qū)，并布置配氣管道1-2、2-3。 （二）分別計算各小區(qū)的燃氣用量 分別計算各小

14、區(qū)居民用氣量、小型公共建筑及小型工業(yè)用氣量，其中居民用氣量可用居民人口數(shù)乘以每人每小時的燃氣計算流量e（m3(人.h)）求得。 (三）汁算各管段革位長度途泄流量 汁算中可以認為，途泄流量是沿管段均勻輸出的，管段單位長度的途泄流量為 LQq1圖6-9中A、B、C各小區(qū)管道單位長度途瀉為：733211211221616554433221LLLQqLLQqLLLLLLQqCCBBAA（四）求管段途泄流量管段途瀉流量等于單位長度途瀉流量乘以該管段長度；需同時向兩側(cè)供氣時，其途瀉流量為兩側(cè)的單位長度途瀉流量之和乘以該管段長度。圖6-9中各管段的途瀉流量如下：61611848413232121211)()

15、()(LqQLqqQLqqQLqqQAEDCABA例題如下圖所示的區(qū)域燃氣管網(wǎng)，各管段長度如圖所示（m）。人口密度為600人/公頃，每人每小時的燃氣用量為0.06Nm3，節(jié)點上有集中負荷Qs=100Nm3/h，計算各管段的途泄流量。 變負荷管段的計算流量的確定確定原則是用計算流量Q求得的管段壓力降應與變負荷管段的實際壓力降相等。計算流量Q可用式6-23表示：Q=Q1Q2取不同的n和x所得值列于下表 對于燃氣分配管道，一管段上的分支管數(shù)一般不小于5一10個，a值在0.31.0的范圍內(nèi)，從上述兩表中所得數(shù)值可以看出，此時系數(shù)。在0.5-0.6之間，水力計算公式中冪指數(shù)等于1.752.0時，a值的變

16、化并不大，實際計算中均可采用平均值a0.55。 故燃氣分配管道的計算流量公式為Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 變流量分配計算流量公式：Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 由上式可見，燃氣分配管道可看作在終端有一集中負荷，流量為Q，則其壓力降等于實際上既有轉(zhuǎn)輸流量，又有途泄流量的該管段的壓力降。因此，途泄流量?？煽醋飨喈斢趦蓚€集中流量值，即在管段始端為0.45Q1，而在終端為0.55Q1。 6.3.3節(jié)點流量在用電子計算機進行燃氣環(huán)狀管網(wǎng)水力計算時，常把途泄流量轉(zhuǎn)化成來表示。這樣，假設沿管線不再有流量流出，即管段中的流量不再沿管線變化，它產(chǎn)生的管段壓力降與實際壓力降相等。由式Q=Q1Q2 可

17、知，與管道途泄流量Q1相當?shù)挠嬎懔髁?，可由管道終端節(jié)點流量為Q1和始端節(jié)點流量為（l-）Q1來代替。(1)當取0.55時，管道始端i、終端j的節(jié)點流量分別為：(2)圖6-10各節(jié)點流量為： jijjiiQqQq1155. 045. 016156164512515615341451434132133212512112211161145. 045. 045. 045. 055. 045. 055. 055. 055. 045. 055. 055. 045. 055. 0QQqQQQqQQqQQqQQQqQQq(3)管段上所接的大型用戶為集中流量，也可轉(zhuǎn)化為節(jié)點流量。根據(jù)集中流量離該管段兩端節(jié)點的距

18、離，近似地按按比例分配于兩端節(jié)點上。 6.4 管網(wǎng)水力計算 一、枝狀管網(wǎng)水力計算（一）環(huán)狀管網(wǎng)水力計算特點特點(1)管段數(shù)P和節(jié)點數(shù)m的關系：p=m-1。(2)流量分配方案是唯一的，任一管段的流量都為該管段后所有節(jié)點流量之和 。(3)枝狀管網(wǎng)管段直徑改變，只導致管道終點壓力改變，并不影響管段流量變化。枝狀管網(wǎng)水力計算中各管段的未知數(shù)只有直徑和壓力降兩個。 （二）枝狀管網(wǎng)水力計算計算步驟 (1)確定管網(wǎng)各管段的計算流量(2)計算單位長度的允許壓力降(3)預選管徑(4)根據(jù)所選管徑求摩擦阻力損失和局部阻力損失，計算總壓降(5)檢查計算結果，比較總壓降是否超出允許范圍 二、環(huán)狀管網(wǎng)水力計算（一） 環(huán)

19、狀管網(wǎng)水力計算特點管段數(shù)P，節(jié)點數(shù)m和環(huán)數(shù)n的關系：p=m+n-1 流量分配方案不是唯一的。這是因為環(huán)狀管網(wǎng)任一管段的燃氣可由多條管道供氣，管道流量是可以再分配的。再分配燃氣流量時，必須保證每一節(jié)點的燃氣連續(xù)流動，即流向節(jié)點的流量必須等于流離節(jié)點的流量。環(huán)狀管網(wǎng)管段直徑改變，會導致管道壓力和流量的改變，因此環(huán)狀管網(wǎng)水力計算中各管段的未知數(shù)有直徑、壓力降和流量三個。 環(huán)狀管網(wǎng)水力計算原理（1）每一管段的壓力降(2)節(jié)點流量（3）每個環(huán)的壓力降之和（4）計算壓力降等于從管網(wǎng)源點至零點各管段壓力降之和。0PPiiiaiiildQKP0nP（二）環(huán)狀管網(wǎng)水力計算步驟 (1)繪制管網(wǎng)平面示意圖，對節(jié)點、管段、環(huán)網(wǎng)編號，并標明管道長度，集中負荷，氣源或調(diào)壓站位置等。(2)計算管網(wǎng)各管段的途泄流量。(3)按氣