第5章 燃气管网的水力计算

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1、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、密度和流速W，均沿管长随时间变化，它们是距离x和时间的函数，即: (一) 运动方程： (二)

2、连续性方程： (三) 气体状态方程：,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：,微小体积Fdx的动量变化（，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

3、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,二、燃气管道内燃气稳定流方程式,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

4、一般在1.6MPa以下，ZZ0=1，则高、中燃气管道和低压燃气管道计算公式为：,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：,（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：,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

5、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：,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),式5-4,式5-6,（三） 紊流状态(Re3500),钢管 铸铁管,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,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

6、外的压力损失，称之为局部阻力损失。,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=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的计算公式，求出值，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,（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

7、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。,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4.82kW，燃气热值为18MJ/m3，燃气密度=0.45kg/m3，运动黏度=2510-6 m2/s.

8、,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=1时的t2，求d/。,(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。 (

9、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。,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,

10、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

11、=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，

12、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,图5-9中A、B、C各小区管道单位长度途泻为：,（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：,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

13、=Q1Q2,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0.31.0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，水力计算公式中幂指数等于1.752.0时，a值的变化并不大，实际计算中均可采用平均值a0.55。 故燃气分配管道的计算流量公式为 Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2,变流量分配 计算流量公式：Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 由上式可见，燃气分配管道可看作在终端有一集中负荷，流量为Q，则其压力降等于实际上既有转输流量，又有途泄流量的该管段的压力降。因此，途泄流量常可看作相当于两个集中流量值，即在管段始端为

14、0.45Q1，而在终端为0.55Q1。,5.3.3节点流量,在用电子计算机进行燃气环状管网水力计算时，常把途泄流量转化成节点流量来表示。这样，假设沿管线不再有流量流出，即管段中的流量不再沿管线变化，它产生的管段压力降与实际压力降相等。 由式Q=Q1Q2 可知，与管道途泄流量Q1相当的计算流量，可由管道终端节点流量为Q1和始端节点流量为（l-）Q1来代替。,(1)当取0.55时，管道始端i、终端j的节点流量分别为： (2)图6-10各节点流量为：,(3)管段上所接的大型用户为集中流量，也可转化为节点流量。根据集中流量离该管段两端节点的距离，近似地按按比例分配于两端节点上。,5.4 管网水力计算,

15、一、枝状管网水力计算 （一）环状管网水力计算特点特点 (1)管段数P和节点数m的关系：p=m-1。 (2)流量分配方案是唯一的，任一管段的流量都为该管段后所有节点流量之和 。 (3)枝状管网管段直径改变，只导致管道终点压力改变，并不影响管段流量变化。枝状管网水力计算中各管段的未知数只有直径和压力降两个。,（二）枝状管网水力计算计算步骤,(1)确定管网各管段的计算流量 (2)计算单位长度的允许压力降 (3)预选管径 (4)根据所选管径求摩擦阻力损失和局部阻力损失，计算总压降 (5)检查计算结果，比较总压降是否超出允许范围,二、环状管网水力计算,（一） 环状管网水力计算特点 管段数P，节点数m和环

16、数n的关系：p=m+n-1 流量分配方案不是唯一的。这是因为环状管网任一管段的燃气可由多条管道供气，管道流量是可以再分配的。再分配燃气流量时，必须保证每一节点的燃气连续流动，即流向节点的流量必须等于流离节点的流量。 环状管网管段直径改变，会导致管道压力和流量的改变，因此环状管网水力计算中各管段的未知数有直径、压力降和流量三个。,环状管网水力计算原理,（1）每一管段的压力降 (2)节点流量 （3）每个环的压力降之和 （4）计算压力降等于从管网源点至零点各管段压力降之和。,（二）环状管网水力计算步骤,(1)绘制管网平面示意图，对节点、管段、环网编号，并标明管道长度，集中负荷，气源或调压站位置等。 (2)计算管网各管段的途泄流量。 (3)按气流沿最短路径从供气点流向零点的原则，拟定环网各管段中的燃气流向。 (4)从零点开始，逐一推算各管段的转输流量。 (5)求管网各管段的计算流量。 (6)根据管网允许压力降和供气点至零点的管道计算长度(局部阻力损失通常取沿程阻力损失的5%-10%)，求得单位长度允许压力降，并预选管径