第5章 燃气管网的水力计算

第五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。5.1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ρ和流速W，均沿管长随时间变化，它们是距离x和时间τ的函数，即:(一)运动方程：(二)连续性方程：(三)气体状态方程：),(),(),(xWWxxPP2sin)()(22WdgxPxWW0)(xW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：2sin)()(22WdgxPxWW0)(xWRTZP微小体积Fdx的动量变化（τ，x）等于压力、重力、摩擦力的冲量之和。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RTZPxWCPWdxP)(222二、燃气管道内燃气稳定流方程式000WPRTZPWWdxP常数22除单位时间内输气量波动大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。所得方程式是燃气在等温流动时，高压和低压燃气管道计算的基本公式。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，Z≈Z0=1，则高、中燃气管道和低压燃气管道计算公式为：ZTTdQLPP05201022211027.1052071026.6TTdQlPLZZTTPdQPP0000520222162.1mPPPPPPPP2))((212122210PPmLZZTTdQLZZTTPPdQPPm00052000005202181.0262.1式5-1式5-11三、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：),(dRfe)2100ReRe64；（)3500Re2100(Re0025.03；（三）紊流区1.适用于整个紊流区的通用公式：柯列勃洛克公式：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：)Re51.27.3(211dg25.0)Re68(11.0d)()Re(11用于新铸铁管mmmBdA237.0Re0221.00032.065103Re108.0)(Re211g7/8)(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：226.021Re25.0KK284.01Re77.0K226.06226.021)109.1(23.0WVdKK6104.2VW284.06284.01)1055.0(75.0WVdK6107.2VW2)]7.3lg(2[1d8/9)(597Red226.0216121.0104.2dKKVW284.0160143.0107.2dKVW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(Re2100)（二）临界状态(Re=2100-3500)64Re0040101013.1TTvdQlP510Re652100Re03.00052050406)10231078.111(109.1TTdQdvQdvQlP式5-4式5-6（三）紊流状态(Re3500)钢管铸铁管25.0)Re68(11.0d0052025.006)2.192(109.6TTdQQdvdlP284.00)51581(12.0Qdvd00520284.006)51581(104.6TTdQQdvdlP式5-8式5-10二、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)Re68(11.0d0052025.0092221)2.192(104.1TTdQQdvdLPP284.00)51581(12.0Qdvd0052084.0092221)51581(103.1TTdQQdvdLPP式5-12式5-13三、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。22WP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ζ=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Re，判别流态后采用不同的摩阻系数λ的计算公式，求出λ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dLWdLdP2222dl22121lLLLL（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。HgPga)(5.2建筑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5-1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5-6和图5-7，每家用户装双眼灶一台，额定热负荷4.8×2kW，燃气热值为18MJ/m3，燃气密度ρ=0.45kg/m3，运动黏度ν=25×10-6m2/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。(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ξ=1时的t2，求d/λ。(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，则可改变个别管段的管径以满足要求。gasLPLP1)(HgPgaf)()(gagHP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。5.3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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（m3／(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LQq1图5-9中A、B、C各小区管道单位长度途泻为：733211211221616554433221LLLQqLLQqLLLLLLQqCCBBAA（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：61611848413232121211)()()(LqQLqqQLqqQLqqQAEDCABA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⑥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5-23表示：Q=αQ1＋Q2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0.3—1.0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