第四章-输气管的水力计算

1第四章输气管的水力计算王武昌储运与建筑工程学院2目录第一节稳定流动气体管流的基本方程第二节水平输气管的流量基本公式第三节地形起伏地区输气管的流量基本公式第四节摩擦阻力系数与常用的输气管流量公式第五节输气管基本参数对流量的影响第六节输气管的压力分布和平均压力第七节等流量复杂管计算第八节环状集气管网的计算3第一节稳定流动气体管流的基本方程连续性方程运动方程()()0FwFx22()()sin2FwwFpFwgFFxxD4一、简化条件1.气体在管内作稳定流动()0dwFdx＝（3-2）MwFconstwconst这与正常工况的输气管基本相符。52.气体在管道中的流动过程为等温过程Tconst实际上，气井出口、压气站出口的气体温度都高于地温，沿途会散热降温。有很长一段气管温度接近甚至低于地温。这一假定与实际情况有出入。63.水力摩阻系数沿管长不变λ＝f（Re,ε）在大型输气管中，气体流态主要处于阻力平方区或混合摩擦区，稳定流动时全线Re变化不大，故λ完全或主要取决于ε。λ＝const是符合输气管实际情况的。7稳定流动运动方程：2ddd0ddd2pwswwgxxxD气管压降由三部分组成：摩阻损失、克服高差的压降损失、由于流速变化产生的压降损失。22dddd22pxwwgsD(4-1)8第二节水平输气管的流量基本公式当地形起伏高差小于200m时，认为是水平输气管（2003年规范）即：ds=022ddd22pxwwD(4-2)pZRTMFwconstMMZRTwFFp9222dd11d22pxMZRTMZRTZRTpDFPFp21dd22MZRTxpFpDp23112ddppp22ddd22MZRTxpppFDp2pZRT第二节水平输气管的流量基本公式10第二节水平输气管的流量基本公式220ddd22ZZQQpLpppMZRTpppxFDp22222ln22ZQZQpppMZRTLFDp111、输气管基本流量公式输气管的质量流量：224()42lnQZQZppDMpLZRTDp注：公式中P、T用绝对压力和绝对温度(4-5)12长距离输气管：L=100km,D=1m,λ=0.01,PQ=60×105pa,PZ＝30×105pa1000DL2ln1.39QZPP∴对长管路可忽略影响不大2lnQZPP13短距离放空管：L=100m,D=0.5m,λ=0.01,PQ=60×105pa，PZ＝3×105paL2D2ln6QZPP∴对短距离放空管路不可忽略2lnQZPP14长距离水平输气管：225()4QZppDMZRTL(4-6)152、工程输气管流量公式天然气工业中，习惯用工程标准状态下的气体体积来表示天然气的贮量、产量和输气管输量，需把M换算成工程标况，即：1.01325×105pa，20℃时的体积流量Q。天然气特性常数不好求，用空气特性常数Ra和天然气相对密度取代。0MQ0000pZRT1aaRR162250()QZppDQCZTL2100/2-150293287.10.03848441.013251m.s.K0.kgaRTCp(4-9)17表4-1C0值参数的单位单位的系统C0压力p长度L管径D流量QPa(N/m2)mmm3/s我国法定单位0.03848kgf/m2mmm3/s秒0.377kgf/cm2kmcmm3/d混合103.10kgf/cm2kmmmMm3/d混合0.326*106105PakmmmMm3/d我国法定单位0.332*106MPakmmmMm3/d我国法定单位0.332*10518输气管设计规范20030.5225QPPQ1051ZDZTL•Q---气体（工程标况，101325Pa，293K）的流量（m3/d）•T----输气管内的平均温度，K•P—都是绝压MPa•D----cm•L---Km19第三节地形起伏地区输气管流量基本公式起终点高程差大于200米，要考虑高程的影响。输气管沿线地形起伏情况也会影响输气量的大小？20一、起终点高差的影响2ddd2pxwgsD22211asasiieppeMblas21二、地形起伏地区输气管流量公式工程标准状况下的体积流量：225011[(1)]1()2QZZZiiiippasDQCaZTLsslL(4-16)Zas：输气管终点与起点高差的影响11()2ZiiiiasslL：线路纵断面特征对输气能力的影响22111()2ZiiiisslF图4-2线路纵断面特征示意图线路起伏对输气管参数有影响，是由于气体的可压缩性造成的。23第四节摩阻系数与常用的输气管流量公式一、雷诺数0Re1.536QD西气东输一期，120亿Nm3/年，350天工作，流量为396.82Nm3/s,相对密度在0.6的天然气的动力粘度：1.073*10-5Pa.s（10℃，2MPa）：Re=2.92*10724二、管壁粗糙度表面状态绝对粗糙度，mm新钢管0.013～0.091室外暴露6个月0.025～0.03212个月0.038清管器清扫0.008～0.013喷砂0.005～0.008内壁涂层0.005～0.008对于新管，我国通常当量粗糙度取0.05mm25减阻内涂层技术使内壁光滑，粗糙度降低至0.005mm，输量一般可提高5～10％。一般的管道运行过程中粗糙度会增大，而带内涂层的增加很少减少管内壁腐蚀保持天然气净化，以免天然气携带钢管的锈蚀物减少清管次数，降低操作费用26西气东输管道采用减阻内涂层技术：１．管内壁加上内涂层之后，可节省３座压气站，减去涂层的费用，一次性投资就可节约资金约７亿元。２．每年可节约运行费１.５５亿元左右。27三、输气管常用水力摩阻系数威莫斯(Weymouth)公式潘汉德尔(Panhandle)公式30.009407D0.03920.01961240.0147(16.49)ReRe28前苏联天然气研究所公式规范推荐柯列勃洛克公式：0.20.009588D12.512.01lg3.71eKDRe29四、常用的输气管流量公式威莫斯公式：规范中推荐手算时采用潘汉德尔B式：0.52283QZwppQCDZTL0.51222.530.961QZpppQCEDZTL•E输气管效率系数：管道公称直径DN300-800E取0.8-0.9；DN800E取0.91-0.9430表4-2系数参数的单位单位的系统系数压力p长度L管径D高程s流量QCwCpPa(N/m2)mmmm3/s我国法定单位0.3967039314kgf/m2mmmm3/s秒3.894.0355kgf/cm2kmcmmm3/d混合493.411077.48kgf/cm2kmmmmMm3/d混合1.063*1063.18*106105PakmmmmMm3/d我国法定单位1.084*1063.224*106MPakmmmmMm3/d我国法定单位1.084*1053.224*105MPakmcmmm3/d规范11522wCpC31第五节输气管基本参数对流量的影响决定输气管输量的管道参数包括：D、T、L、PQ、PZ0.52283QZwppQCDZTL32一、管道直径对流量的影响加大直径是增加输气管流量的主要措施！831122QDQD2.6721126.4QQQD2=2D133二、输气温度对流量的影响压缩机出口温度一般为50℃，如果要提高将流量提高5%，温度需要降低多少？0.51221TTQQ19.95℃•低温输送有利；•输气管设计时水力计算应该取全年最高月平均地温34三、站间距对流量的影响输气管管道的站间距一般在110Km到150Km。0.51221QLQL21121.414QQQL2=1/2L135四、起、终点压力对流量的综合影响高压输送是输气管增加流量的另外一个主要措施。改变相同的δp时，提高起点压力对流量增大的影响大于降低终点压力的影响。22()()()QZQZQZQZppppppppp36五、终点压力对输气量的影响ZQpp＝δ：0→1222QZppCQ221QCQpQmaxCpQ22max1QQ371123maxQQδQ12Zpp＝Q=0.866Qmax目前在输气管线上有缩短站间距，减小压比的趋势。38小结增大管径是提高输量的主要方法；减小站间距、减小压比对提高输量作用很大，但是要经济比较考虑。低温输送有利于增加输量，但是输气管是否采用低温输送要进行经济分析。高压输送是提高输量的另一个主要途径、末端压力波动对输量影响不大，进站压力一般保持在。39第六节输气管的压力分布和平均压力pQpxpZLxMAB全线流量相等：222222QxQZxZppppppxLxL222()xQQZxppppL(4-38)一、沿线压力分布40图4-3px和2xp的变化417063.85749.240Lx412143QP0.866QP100.707QP0.5QP00ZP40ZPbar沿线压力的变化输气管压力高一些，对降低能耗和输气成本有利；42二、平均压力按停输前后管路内气体质量不变为原则计算平均压力。2220000111ddd()dLLLLpjxpjxpjxQQZXFLFxxppxpppxLLLL223ZpjQQZppppp(4-39)43平均压力的应用求输气状态的物性参数计算管线中的储气量（稳定流动状态）pjppjzTPTvPv00044确定管壁厚度，等强度设计。02222QpjQZppxLpp工程上近似可取x0≈0.5L，即输气管后一半管段要按平均压力选择壁厚。45第七节等流量复杂管计算主干线和豫鲁支干线上下游直径并不一致，这种管线称为变径管。沿线有分气点，上下游流量发生变化，整个干线又为一个不等流量管。46靖边天然气净化厂47复杂管的求解目的：已知流量、压降等参数，求管径，设计用。已知管径等参数、求该管允许通过的流量或者压降。校核，运行用。48一、当量管法定义：复杂管以简单管代替，使其输气效果相同（相同的出入口压力，相同的输气量），该简单管称该复杂管的当量管。当量管径法当量管长法491、当量管径法P1P1P2QP2QD1,L,Q1D2,L,Q2DeLe0.5222.67120wCppQDzTL50例题：如果两条旧1m平行管用一条新的管线代替，P1、P2、Q、L相同，则新管直径？67.2267.2167.2DDDemDe29.1267.21当量管径：512、当量管长法p1p1p2QLep3Db,LbDa,LaDa,Lap3p2Q5.34aebbDllD当量管长：52二、流量系数法流量系数法：假定任何等流量复杂管的流量都可以由某一标准简单管的流量乘以该复杂管的流量系数求得。0.5220QZLLwppQQKKCZTLw22222QZLQZTLppKC53管径D0为某一标准值(一般取D0=1m)的管子代替复杂管中的任一根管子，1m的管子称标准管，并假设：标准管和所代替的管子长度相同；P1、P2、K、△、T、Z相同。54标准管的流量为：非标准的简单管：非标准简单管的流量系数：0.522812