燃气管网水力计算方法

《现代燃气工程》结课论文------------------------------------------------------------------------题目：燃气管网水力计算姓名：王朋飞学号：S20090146教师：范慧方引言随着能源结构的不断改变，燃气开发规模和应用规模的不断扩大。城市燃气管网是现代化城市人民生活和工业生产的一种主要能源配送方式，燃气输配管网的设计和运行要求对系统进行水力计算，获取必要的参数。燃气输配管网系统由高度整体化的管网所组成，在系统内燃气压力和流量变化很大，需要通过水力计算来确定管网中每一管段的尺寸（如管径、管径）、材质等参数以及压缩机的台数功率以保证既向用户合理地供应天然气，又能降低操作管理费用。[1]同时，考虑在满足用户用气量的前提下，当某一条或几条管道的使用有一定的压力要求时，水力计算数据可确定在这种最大承受压力下管道各个节点的压力，从而保证管网的正常运行。另外，水力计算也用于调整各个调压阀的出口压力来适应事故工况下输送压力的要求。随着燃气事业的发展，燃气输配管网系统也日趋庞大和复杂，为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定管道系统的设计和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管理水平，解决管网流动的动态特性，在一些比较大型的城市燃气管网的水力计算分析中，必须要依靠相关的计算分析软件进行，以减少手工量和人工误差。1燃气管网水力计算燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，由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，这些因素都导致了燃气管道内燃气压力和流量的变化。管内燃气沿程压力下降会引起燃气密度的减小。但是在低压管道中燃气密度变化可以忽略不计。所以，除了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，设计燃气管道时都将燃气流动按稳定流计算。此外，很多情况下，燃气管道内的流动可认为是等温的，其温度等于埋管周围土壤的温度。燃气管网按照敷设形式可分为两大类：枝状管网和环状管网。[2]下面就分别介绍两种形式的管网的水力计算特点和方法。1.1枝状管网水力计算1.1.1枝状管网水力计算特点枝状管网是由输气管段和节点组成。任何形状的枝状管网，其管段数P和节点数m的关系均符合：1Pm燃气在枝状管网中从气源至各节点只有一个固定流向，输送至某管段的燃气只能由一条管道供气，流量分配方案也是唯一的，枝状管道的转输流量只有一个数值，任意管段的流量等于该管段以后（顺气流方向）所有节点流量之和，因此每一管段只有唯一的流量值，如图1所示。管段3-4的流量为：10985443qqqqqQ管段4-8的流量为：109884qqqQ此外，枝状管网中变更某一管段的直径时，不影响管段的流量分配，只导致管道终点压力的改变。因此，枝状管网水力计算中各管段只有直径id与压力降iP两个未知数。1.1.2枝状管网水力计算步骤⑴对管网的节点和管段编号。⑵确定气流方向，从主干线末梢的节点开始，利用0iQ的关系，求得管网各管段的计算流量。⑶根据确定的允许压力降，计算管线单位长度的允许压力降。⑷根据管段的计算流量及单位长度允许压力降预选管径。⑸根据计算选定的标准管径，求摩擦阻力损失和局部阻力损失，计算总的压力降。⑹检查计算结果。若总的压力降超出允许的精度范围，则适当变动管径，直至总压力降小于并趋近于允许值为止。1.1.3摩擦阻力损失,局部阻力损失和附加压头的计算方法一、摩擦阻力损失的计算方法根据《城镇燃气设计规范》（GB50028-93,2003版）附录A燃气管道摩擦阻力计算:1、低压燃气管道根据燃气在管道中不同的运动状态，其单位长度的摩擦阻力损失采用下列各式计算：(1)层流状态：2100ReRe6404101013.1TTdQlP(2)临界状态：3500~2100Re510Re652100Re03.0052546)10231078.111(109.1TTdQdQdQlP(3)湍流状态：3500Re1）钢管：25.0)Re68(11.0dK05225.06)2.192(109.6TTdQQddKlP2）铸铁管：284.0)51581(102236.0Qdd052284.06)51581(104.6TTdQQddlP2、中压燃气管道根据燃气在管道中不同的材质，其单位长度的摩擦阻力损失采用下列各式计算：1）钢管：25.0)Re68(11.0dK05225.092221)2.192(104.1TTdQQddKLPP2）铸铁管：284.0)51581(102236.0Qdd052284.092221)51581(103.1TTdQQddLPP根据《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-95）知，聚乙烯燃气管道单位长度的摩擦阻力计算和钢管公式一样,只是K=0.01.而钢管K=0.15.二、局部阻力损失的计算方法当燃气流经三通、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。在进行城市燃气管网的水力计算时，管网的局部阻力损失一般不逐项计算，可按然气管道摩擦阻力损失的5%～10%进行估算。对于庭院管和室内管道及厂、站区域的燃气管道，由于管路附件较多，局部阻力损失所占比例较大，常需逐一计算。局部阻力损失，可用下式求得：22uP式中P—局部阻力的压力损失（Pa）；—计算管段中局部阻力系数的总和；u—管段中燃气流速（sm/）；—燃气的密度（3/mkg）。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2L，各种管件当量长度2L查《燃气热力工程常用数据手册》，实际工程中通常按当量长度计算局部阻力。三、附加压头的计算方法由于燃气与空气的密度不同，当管段始末段存在标高差值时，在燃气管道中将产生附加压头，其值由下式确定：HgPga)(式中P—附加压头（Pa）；g—重力加速度；a—空气的密度（3/Nmkg）；g—燃气的密度（3/Nmkg）；H—管段终端和始端的标高差值（m）。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。1.2环状管网的水力计算1.2.1环状管网的水力计算特点环状管网是由一些封闭成环的输气管段与节点组成。任何形式的环状管网，其管段数P、节点数m和环数n的关系均符合下式：1Pmn环状管网任何一个节点均可由两向或多向供气，输送至某管段的燃气同时可由一条或多条管道供气，可以有不同的流量分配方案。此外，环状管网中变更某一管段的直径时，就会引起管段流量的重新分配，并改变管段各节点的压力值。因此，环状管网水力计算中各管段有三个未知量：直径id与压力降iP以及流量iQ，这与之前枝状管网的流动特点不一样，因而水力计算也不一样。1.2.2水力计算基本方程1、连续方程气体被视为连续介质，在气体流动时总是连续地充满它所占据的空间，不出现空隙。这样根据质量守恒定律，流入节点的流体质量必然等于流出节点的流体质量，又由于假设气体稳定流动，所以体积流量也相等。也可以说连接于任何节点的所有管段流量，其代数和为零。用方程表示为：0iQi=1,2,...m-1（）2、压降方程（能量方程）气体在管线中流动将产生摩阻损失，长输管线的摩阻损失一般包括两部分，一是气体通过直管段所产生的沿程摩阻；二是气体通过各种阀件、管件所产生的局部摩阻。压降方程反应的就是管段流量与压力损失之间的关系，可用下面的表达式来描述：KjjjjjQPlj=1,2,...Pd（）式中和值与燃气流动状况及管道粗糙度有关，而常数Kj则与燃气性质有关。3、回路方程回路方程表示的是每个基环中各管段的压力损失代数和为零。即0nPn=1,2,...n（）上述的三个方程构成的联立方程组亦称为管网的基本方程。现在已有的天然气水力计算方法和计算机软件都是对这三个方程的联立求解。1.2.3环状管网的水力计算方法一般地，天然气管网稳态分析是指：己知管径D、压力损失P、摩阻系数f以及配气站或控制点的压力和节点流量，求出各管段的流量和各节点的压力。当管道中的气体为等温流动时，可以用流量Q、压力损失P、管径D、管长L和摩阻系数f来描述其流动状态。当D、L、f为已知时，只有Q、P为未知数时，而Q和P的关系可以用压降方程来表示。根据求解的未知量不同，可以将管网分析方法分为：（1）通过天然气管网基本方程，将P消去，以Q为未知量的计算方法，称为流量法，根据方程组的构造方法又可将其分为解环方程法和解管段方程法。[3]（2）通过天然气管网基本方程，将Q消去，以P为未知量的计算方法，称为节点压力法。下面将分别介绍这三种方法。1、环方程法环方程法的基本思想是：在满足节点连续性条件下，由能量方程组成非线性方程组，引进环修正流量概念，以此修正流量为未知数，将非线性方程组线性化来求解，方程组的个数为管网基环数。解环方程的主导思想是在满足连续性方程的前提下，逐步修正管段流量减小环闭合差，从而最后满足压降方程。环方程法的典型算法有牛顿—拉夫逊(Newton-RaphSon)法和哈迪—克劳斯法等。国内学者李德波(2005年)基于哈迪一克劳斯法原理，通过严密的数学推导，给出了节点流量修正量的一般表达式，从而解决了复杂管网的流量分配问题，是改进目前大城市复杂环状管网水力计算的一种有效方法。[4]2、管段方程法管段方程法的基本思想是：将能量方程线性化处理，与节点连续方程联立形成以管段流量为未知数的线性方程组来求解，方程个数为管网管段数。由于其原理主要是将非线性的能量方程线性化，故也可称之为线性化方法。其具体过程是，先将回路方程线性化，然后结合连续性方程组成线性方程组进行迭代求解。田贯三等学者(2002年)总结了城镇燃气管网稳态分析管段方程法的基本原理及其数学推导过程，并对管网稳态分析几种常用方法进行了系统的研究与比较，在计算工作量、计算精度、收敛速度等方面做出了综合评价，为提高编程质量提供了理论依据[5]。3、节点方程法节点方程法的基本思想是：将管段流量通过管段压降方程转化为用管段两端的节点压力表示之后，代入节点连续方程，形成以节点压力为未知量的非线性方程组来求解，方程个数为管网的节点数(一般情况下不包括参考节点)。解节点方程法的具体过程是，先将压降方程改变形式，用各管段两端节点的压力差表示管段的压力损失，使其成为关于节点压力的表达式，然后代入连续性方程构造关于节点压力的非线性方程组，通过各种算法来求解这个非线性方程组。应用于节点方程法的典型算法有牛顿—拉夫逊法、有限单元法和线性逼近法等。段常贵等(2000年)在对燃气管网进行水力分析的基础上，建立了通用的管网稳态分析数学模型，用简单迭代法(原理同线性逼近法)和牛顿—拉夫逊法分别求解数学模型，并根据两种算法的不同特点将其结合起来。通过两个算例来比较各种算法的计算效果，提出了稳定、高效的求解模型算法。[6]除此之外，还有很多管网计算方法，如拟牛顿法[7]、蒙卡特罗法、延拓法等等，然而无论使用那种方法，都是在满足天然气管网连续性方程、压降方程和回路方程基础上求解未知管径、流量和压降。2燃气管网水力计算模拟软件随着计算机技术的发展，现有很多关于燃气管网的软件。燃气管网仿真经历了由数字仿真到可视化仿真阶段，而可视化仿真是数字模拟与科学计算可视化技术相结合的产物。这些软件不仅仅能进行水力计算，还能进行管道模拟仿真，越来越集成化。2.1单一水力计算软件编制西南石油大学袁崇明、汪玉春、李长俊等人在建立数学模型和求解模型所采用的数学方法上作了许多探讨，并且取得了一定的成果，其开发的GASFLOW和EGPNS动态仿真软件已得到了初步应用，但这两套软件的建模思想均忽略了温度变化。可见，其计算所得结果对于低压燃气管网是可以接受的，相对误差较小，但对于长输管线、复杂的燃气管网以及在燃气和环境温差较大时计算所