1、2022年8月11日星期四城市燃气输配城市燃气输配_燃气管网燃气管网水力计算水力计算管内燃气流动基本方程式城市燃气管道水力计算公式和计算图表燃气分配管道计算流量的确定枝状管网的水力计算环状管网的水力计算室内燃气管道的水力计算第六章第六章 城市燃气管网的水力计算城市燃气管网的水力计算 稳定流动燃气管道的水力公式稳定流动燃气管道的水力公式 ：n假设条件：稳定流；等温过程；n适用于高压与低压燃气管道基本公式。对于低压燃气管道，可以做进一步的简化：对于低压燃气管道，可以做进一步的简化：Pm=(P1+P2)/2P0Pm=(P1+P2)/2P0；所以低压管道的基本计算公式表达为下列形式所以低压管道的基本计
2、算公式表达为下列形式 ：若采用习惯的常用单位，并考虑城市燃气管道的压力一般在4.0Mpa以下，故可以取Z=Z0=1，则高、中压及低压燃气管道的计算公式，又可分别表示为：高、中压燃气管道：高、中压燃气管道：低压燃气管道：低压燃气管道：三、三、燃气管道的摩擦阻力系数燃气管道的摩擦阻力系数n简称摩阻系数 n反映管内燃气流动摩擦阻力的一个无因次系数 n其数值与燃气的流动状况、管道材质、管道的连接方法及安装质量、燃气的性质等因素有关 n是雷诺数和相对粗糙度的函数 紊流区包括水力光滑区、过渡区和阻力平方区。该区的流动状态比较复杂，摩阻系数的计算公式很多，下面仅介绍城市燃气设计规范推荐的适用于紊流三个区的综
3、合公式。n层流区(Re2100)n临界区(Re=21003500)n紊流三个区(Re3500)n钢管、塑料管 n铸铁管 n管道内表面当量绝对粗糙度，对于钢管取0.2mm，塑料管取0.01mm；n0摄氏度、1.01325105Pa时的燃气运动粘度，m2/s。第二节第二节 城市燃气管道水力计算公式和计算图表城市燃气管道水力计算公式和计算图表n低压燃气管道阻力损失计算公式 n高中压燃气管道阻力损失计算公式n燃气管道阻力损失计算图表n计算示例n附加压头 n局部阻力一、低压燃气管道水力计算公式一、低压燃气管道水力计算公式n层流区(Re3500)n钢管、塑料管：n铸铁管：二、高中压燃气管道水力计算公二、高
4、中压燃气管道水力计算公式式n钢管、塑料管：n铸铁管：三、燃气管道水力计算图三、燃气管道水力计算图表表压力不同、管材不同，水力计算公式也不同，所以也就对应着不同的水力计算图表。另外，燃气种类不同时，由于不同种类燃气的密度、粘度等有很大的不同，所以计算图表也不同。决定水力计算图表的因素主要有三个，不同的燃气种类、管道的压力级别、不同的管道材质。三者的不同组合得到不同的水力计算图表。图：燃气97 64、5 计算图表的绘制条件：计算图表的绘制条件：1 1、燃气密度、燃气密度按按 计算，使用时不同的燃计算，使用时不同的燃气密度要进行修正。气密度要进行修正。低压管道：低压管道：高中压管道：高中压管道：2
5、2、运动粘度：、运动粘度：人工燃气：人工燃气：天然气：天然气：3 3、取钢管的当量绝对粗糙度、取钢管的当量绝对粗糙度：例例 题题 1 1：已知：已知：人工燃气的密度人工燃气的密度 ，运动粘度：运动粘度：1515时燃气流经时燃气流经l=100ml=100m长长的低压燃气钢管，当流量的低压燃气钢管，当流量Q Q0 010Nm10Nm3 3/h/h时，管段压力降时，管段压力降为为4Pa4Pa，求该管道管径求该管道管径。图表法：图表法：解：解：公式法公式法：假设为层流：将：假设为层流：将和和代入：代入：得：得：d=78.16mm,d=78.16mm,取标准管径取标准管径80mm80mm。据据d d计算
6、计算Re=17682100,Re=17682100,层流区。假设正确，计算有效。层流区。假设正确，计算有效。据流量和压降查表得：据流量和压降查表得：d=80mmd=80mmn已知人工燃气密度0.7kg/Nm3，运动粘度2510-6m2/s，有2197中压燃气钢管，长200m，起点压力150KPa，输送燃气流量2000Nm3/h，求0时该管段末端压力。n公式法公式法n图表法图表法例例 题题 2 2：由于空气与燃气密度不同，当管道始、末端存在标高差时，在燃气管道中将产生附加压头。对始末端高程差值变化甚大的个别管段，包括低压分配管道及建筑物的室内的低压燃气管道，必须将附加压头计算在内。四、附加压头四
7、、附加压头 计算公式：计算公式：空气密度，1.293kg/Nm3，燃气密度，kg/Nm3管段终端与始端的标高差值，m管道内流动气体上升时将产生一种升力，下降时将增加阻力。管道内流动气体下降时将产生一种升力，上升时将增加阻力。n某多层住宅，燃气室内立管终端标高某多层住宅，燃气室内立管终端标高17m，引入管始端，引入管始端标高标高0.6m，密度，密度0.71kg/Nm3，计算附加压头；又已，计算附加压头；又已知引入管起点压力知引入管起点压力P1=1000Pa，80Pa，求，求P2。P1P20.6m17m五、局部阻力损失计算五、局部阻力损失计算 n城市燃气管网计算时，管网的局部损失一般以沿程损失的5
8、10%估计.n对于室内燃气管道和厂、站区域的燃气管道，由于管路附件较多，局部损失所占的比例较大应进行计算。计算方法有两种，一种是用公式计算，根据实验数据查取局部阻力系数，代入公式进行计算；另一种用当量长度法。当燃气流经三通管、弯管、变径异型管、阀门等管路附件时，由于几何边界的急剧改变，燃气在管道内气流方向和气流断面改变，燃气运动受到扰乱，必然产生额外的压力损失。式中：P-局部压力降，Pa；-计算管段中局部阻力系数的总和；-燃气在管道中的流速，m/s；-燃气密度，kg/Nm3；T -燃气绝对温度，K，T0=273K。1、公式法：、公式法：n当量长度不但与局部阻力系数有关，还与管径、沿程阻力系数有
9、关 2 2、当量长度法、当量长度法n因此，管件的局部压力降等于其当量长度为L2的直线管段的沿程压力降，在计算管道及管道附件的总压力降时，管道计算长度L应为 L=L1+L2式中：式中：L1-管道实际长度，m；L2-管道上附件的当量长度，m。n实际管道计算长度L乘以该管段单位长度摩擦阻力损失，就可得到该管段的压力损失。第三节第三节 燃气分配管道计算流量燃气分配管道计算流量 n燃气分配管网供气方式燃气分配管网供气方式 n燃气分配管道计算流量的确定燃气分配管道计算流量的确定n燃气分配管道途泄流量的确定燃气分配管道途泄流量的确定 n节点流量节点流量(一一)燃气分配管网供气方式燃气分配管网供气方式 只有转
10、输流量的管段 只有途泄流量的管段 有途泄流量和转输流量的管段 燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况，可分为三种：燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况，可分为三种：燃气分配管段的负荷变化示意图燃气分配管段的负荷变化示意图对于管段AB，途泄流量为Q1，转输流量为Q2管道起点A处，流量为转输流量与途泄流量之和；管道终点B处，流量仅为Q2。而管段内各段面处的流量是不断变化的，数值处于二者之间。若假定沿管线长度向用户均匀地配气，则沿线流量变化呈直线关系。(二二)燃气分配管道计算流量的确燃气分配管道计算流量的确定定 n确定变负荷管段的计算流量n原则-以计算流量求得的管段压力降应与变负荷管段的实际压力降
11、相等。式中：Q-计算流量，Nm3/h；Q1-途泄流量，Nm3/h；Q2-转输流量，Nm3/h；-流量折算系数，它与途泄流量与转输流量之比、沿途支管数有关。计算流量先用转输流量与途泄流量的组合来表示1 1、实际压力降的求、实际压力降的求解解采用微元的方法求解管段的实际压力降采用微元的方法求解管段的实际压力降简化：管段上有n条分支管，各分支管间距均相等，并且每条分支管的途泄流量q也相等，n条分支管就管段AB均匀地分成了n+1条小管段。压降计算公式压降计算公式：流进管段的总流量：流进管段的总流量：QN=Q2+Q1每一条分支管段的流量：每一条分支管段的流量：在AB上取任一小段y，该管段上的流量用Qy表
12、示，则令令：x是途泄流量是途泄流量Q1与总流量与总流量QN的比值，的比值，0 x10 x1则则：所以：n整个管段的压力降为：整个管段的压力降为：整理得：整理得：压降计算公式：压降计算公式：n在总流量QN一定时，整个管段的压降为支管数n与途泄流量的函数关系式。2、以计算流量求压力降、以计算流量求压力降 把 带入压降计算公式：由得：水力计算公式中幂指数为1.75时所得值 对于燃气分配管道，分支管数一般不少于510个，x值在0.31.0之间。此时系数在0.50.6之间，水力计算公式中幂指数等于1.752.0时，值的变化并不大；实际计算中均可采用平均值=0.55。故燃气分配管道的计算流量公式为：故燃气
13、分配管道的计算流量公式为：1.1.途泄流量的范围：途泄流量的范围：n途泄流量只包括大量的居民用户和小型公共建筑用户。n用气负荷较大的公共建筑用户应作为集中负荷来计算。2.2.两点假设：两点假设：n供气区域内居民用户和小型公共建筑用户是均匀分布的；n途泄流量只取决于居民的人口密度。(三三)燃气分配管道途泄流量的确燃气分配管道途泄流量的确定定 3.3.计算步骤计算步骤对如图所示的小区，计算步骤如下：管段途泄流量的计算过程管段途泄流量的计算过程 n（a）在供气范围内，按不同的居民人口密度或道路和建筑物的布局划分街区A、BF。n（b）分别计算各个街区居民用气量及小型公共建筑年用气量、小时计算流量，并按
14、照用气量的分布情况布置配气管道1-2、2-3n（c）根据每个街区的燃气计算流量和燃气管道的长度，计算管道单位长度向该街区供应的途泄流量。（d）求管段的途泄流量管段的途泄流量等于单位长度途泄流量乘以该管段的长度。若管段是两个小区的公共管道，需同时向两侧供气时，其途泄流量应为两侧的单位长度途泄流量之和乘以管长。(四四)转输流量的确转输流量的确定定a、确定各管段途泄流量；b、从管段末段向上反推。例1 枝状管网转输流量的计算枝状管网如下图所示，已知各管段途泄流量，试确定各管段转输流量及计算流量。12345例题例题2 环状管网转输流量的计算环状管网转输流量的计算n已知途泄流量，求转输流量n计算流量234
15、516080130110100 (五五)节点流节点流量量1.在燃气管网计算时，特别是用电子计算机进行燃气环状管网水力计算时，常把途泄流量转化为节点流量来表示。2.假设沿管线不再有燃气流出，即管段中的流量不再沿管长而变化，它产生的管段压力降与实际压力降相等。与管道途泄流量Q1相当的计算流量Q=Q1，可由管道终端节点流量为Q1；始端节点流量为（1-）Q1来代替。3.3.节点流量计算公式节点流量计算公式当取0.55时，管道始端i、终端j的节点流量分别为：从i节点到j节点管道的途泄流量，Nm3/h;qi、qji、j节点的节点流量，Nm3/h。对于连接多根管道的节点，其节点流量等于燃气流入节点的对于连接
16、多根管道的节点，其节点流量等于燃气流入节点的所有管段的途泄流量的所有管段的途泄流量的0.550.55倍，与燃气流出节点的所有管道倍，与燃气流出节点的所有管道的途泄流量的的途泄流量的0.450.45倍之和，再加上节点上另有的集中流量。倍之和，再加上节点上另有的集中流量。对于管段中接有公共建筑用户等用气量较大的用户，其流量可按离该管段两端节点的距离，近似地按反比例分配于两端节点上。用气量特大的用户，其接出点本身往往可作为一个节点进行计算。管网各节点流量的综合应与管网区域的总计流量相等第四节第四节 枝状管网水力计算枝状管网水力计算n枝状管网水力计算特点n枝状管网水力计算步骤n枝状管网水力计算举例一、
17、枝状管网水力计算特点一、枝状管网水力计算特点n管段数等于节点数减1n气源至各节点一个固定流向n送至某一管线的燃气只能由一条管线供气，流量分配方案唯一n任一管段流量等于该管段以后所有节点流量之和（顺气流方向），管段流量唯一n改变某一管段管径，不影响管段流量分配，只导致管道终点压力的改变n各管段未知数：直径与压力降两个。二、枝状管网水力计算步骤二、枝状管网水力计算步骤n对管网的节点和管道编号。n根据管线图和用气情况，确定管网各管段的计算流量。n选定枝状管网的干管，根据给定的允许压力降确定管线单位长度上的允许压力降。n根据管段的计算流量及单位长度允许压力降预选管径。n根据所选定的标准管径，反算管段实
18、际沿程压力降和局部压力降，并计算总的压力降。n检查计算结果。若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。三、枝状管网计算举例三、枝状管网计算举例1 123846751-10006-4004-4007-7002-7005-6003-800管段号管长m 节 点 流 量Nm3/h 2000300020002000如图所示中压管道，1为源点，4、6、7、8为用气点（中-低压调压器），已知气源点的供气压力可达200kPa，保证调压器正常运行的调压器进口压力为120kPa。123846751-10006-4004-4007-7002-7
19、005-6003-8002000200030002000燃气密度为1kg/Nm3，运动粘度为2510-6m2/s。各管段长度及调压器的流量如图所示，若使用钢管，求各管段的管径。123846751-10006-4004-4007-7002-7005-6003-8002000200030002000确定气流方向，并根据图示各调压器的输气量（中压管网的节点流量），计算各管段的计算流量：3-8003000200050002000200040009000123846751-10006-4004-4007-7002-7005-6003-80020002000300020003-80030002000500
20、02000200040009000选管道1-2-3-4为本枝状管网的干管，总长度=2500m，先行计算。根据气源点的供气压力及调压器进口的最小需求压力确定干管的允许压力平方差：2002-1202=25600(kPa)2 则干管的单位长度允许压力平方差（含5%的局部阻力）为：25600/(25001.05)=9.75(kPa)2/m 123846751-1000-3256-4004-4007-7002-700-2735-60020002000300020003-800-2193000200050002000200040009000123846751-1000-3256-4004-4007-700
21、2-700-2735-60020002000300020003-800-2193000200050002000200040009000由各管段的管径及其管段流量得到各管段单位长度压力平方差(kPa)2/m，（含局部损失5%）。75.46.3123846751-1000-3256-4004-4007-7002-700-2735-60020002000300020003-800-2193000-529220005000-39692000200040009000-73505.46.3管段1：1.0571000=7350(kPa)2管段2：1.055.4700=3969(kPa)27管段3：1.056
22、.3800=5292(kPa)2干管总压力降：=7350+3969+5292=16611(kPa)2检查计算结果检查计算结果123846751-1000-3256-4004-4007-7002-700-2735-60020002000300020003-800-2193000-529220005000-39692000200040009000-7350若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。计算干管上各节点压力：P3=(1202+5292)0.5=140.3kPaP2=(1 4 0.32+3 9 6 9)0.5=153.
23、8kPaP1=(1 5 3.82+7 3 5 0)0.5=176.1kPa176.1153.8140.3120P1=176.1kPa120，满足要求n某低压配气管网，输送天然气，物性已知，输送温度、压力已知，钢管，管内壁当量粗糙度已知，各管段长度已知。已知1-6干线及支线单位长度途泄流量，节点5有集中负荷。四、枝状管网计算举例四、枝状管网计算举例2 n计算各管段途泄流量计算各管段途泄流量n计算各管段计算流量计算各管段计算流量n干管允许压力降已知，干管允许压力降已知，d d及各节点压力及各节点压力n第五节第五节 环状管网的计算环状管网的计算n环状管网的特点 n环状管网的水力计算方法n环状管网的水
24、力平差计算n环状管网的计算举例环状管网的计算举例 （一）环状管网的特点（一）环状管网的特点n某一管段同时可由1条或几条管道供气，并有许多不同的分配方案n若改变环网某一管段的管径，就会引起管网流量的重新分配并改变各节点的压力值，而枝状管网的某一管段直径变动时，只导致该管段压力降数值的变化，而不会影响流量分配。n枝状管网水力计算只有直径和压力降两个变量，而环状管网水力计算则有直径、压力降和计算流量三个未知量。（二）（二）环状管网的水力计算方法环状管网的水力计算方法n每条管段：3个未知量n管段数：Pn未知数个数：3Pn需要列出方程数：3P1、提出问题2.环状管网水力计算方程式n管段的压力降方程：管段
25、的压力降方程：（j=1,2P）式中与值与燃气流动状态及管道粗糙度有关，而Kj则与燃气性质有关。一共有P个方程式；n每一节点处流量的代数和为零每一节点处流量的代数和为零 Qi=0 (i=1,2,m-1)管网系统共有m个节点，但其中有一个节点的流量可由其它节点的流量来表示，只有m-1m-1个独立的方程。环的压力降之和为零环的压力降之和为零n若规定按顺时针流量的管段的压力降为正值，逆时针流量的管段的压力降为负值，在环网的压力降之和为零 Pn=0 (n=1,2n)n所得方程数等于环数n n。燃气管网的计算压力降燃气管网的计算压力降PPn燃气管网的计算压力降P等于从管网源点至零点各管段的压力降之和Pi，
26、即n所得方程数等于管网的零点数q q。n零点零点是环网最末管段的终点，是除源点外管网中已知压力值的节点。nn个环，P条管道，m个节点，q个零点，n可列出：P+m-1+n+q=2P+q个方程n环网未知量：3Pn剩余未知量：P-q n在数学上不定解。补充方程的思路n按供气可靠性原则预先分配流量预先分配流量，n按经济性原则采用等压降法选取管径经济性原则采用等压降法选取管径。4 4、校正流量的计算、校正流量的计算 经初步计算后环网中各管段的管道直径已定，但第环和第环的压力降的代数和均不等于零。第环的压力降闭合差为P；第环的压力降的闭合差为P；低压管网低压管网假设条件：假设条件：n水力光滑区水力光滑区n
27、引入校正流量后，各管段气体流动状态不变引入校正流量后，各管段气体流动状态不变各管段压降计算式：各管段压降计算式：式中：P管段的压力降；Q燃气流量；管道阻抗，其中包括物理常数、管段长度和直径。系数的值随气流流动状况的改变而改变。由初步计算结果，用压降方程表示：由初步计算结果，用压降方程表示：n用流量形式表示：用流量形式表示：n为不破坏节点的流量平衡，采用校正流量校正流量，以校正环网的闭合差。n在环中引入校正流量Q，在环中引入校正流量Q，并且规定校正流量的方向为顺时针方向。将括号内各多项式展开为麦克劳林级数，因Q与Q相比甚小，故只取前两项：带入，可得：带入，可得：根据以上所述可得：根据以上所述可得
28、：n该式是一次联立方程组，此式方程式的数量等于未知量的数量，由此方程组可解出校正流量Q值。n通常在环网中几个环连成一片，故方程式较多，解联立方程较为繁琐；n在实际计算中常用逐次渐近法来求解。根据方程组可以得到根据方程组可以得到Q、Q的表达式的表达式：分析：分析：第一项第一项为未考虑邻环校正流量的影响而得到的计算环的校正流量值；第二项第二项则考虑到邻环校正流量对计算环的影响。对于任意环，的一般式可写为：流量的第一个近似值。称为校正称为校正流量的第二个近似值，其表达式中含有邻环的校正流量，用邻环校正流量的第一个近似值来代替校正流量，另外，考虑到任何环都有多个和邻环共用的管段，的一般形式可以写为：式
29、中：邻环校正流量的第一个近似值；与邻环共用管段的 值。校正流量的一般表达式：校正流量的一般表达式：思考：各项的符号？思考：各项的符号？与 的符号关系？对于环网的平差计算步骤，可按照这样的顺序来进行对于环网的平差计算步骤，可按照这样的顺序来进行：（1）计算各环的 ，（2）计算各环的校正流量 =+（3）以环校正流量值校正各管段的计算流量（4）验证各环压降闭合差若不满足闭合差要求，重复第（1），直至满足精度要求为止。高中压低压n已知已知n低压管网n各管段长度n各环面积n人口密度n用气量指标n3、6节点集中用户n天然气物性n管网计算压力降n解：解：n绘图n计算各环单位长度途泄流量n解：n绘图n计算各环
30、单位长度途泄流量n确定各管段初步计算流量六、室内燃气管道的计算六、室内燃气管道的计算12345678910例：如图所示某五楼居民住宅，每户安装两眼燃气灶一具，额定流量1.6m3/h，燃气室内管及用气管的允许压力降为200Pa，求管道直径。燃气相对密度为0.6，室内温度15。8.50.582.32.92.92.90.51.5室内燃气管道的计算需根据燃具的布置、燃具的数量以及燃具的灶前压力的要求，确定室内管道走向，通过水力计算，确定管径。下面以某居民住宅为例，说明室内燃气管网的一般计算过程。计算步骤如下：1、管道节点按顺序编号，标出各管段的长度。2、根据各管段供应的用具数及其同时作用系数计算管段计
31、算流量。管道供应户数：1-2 10 6-7 22-3 9 7-8 13-4 5 8-9 14-5 4 9-10 15-6 312345678910同时工作系数：1-2 0.54 6-7 12-3 0.56 7-8 13-4 0.68 8-9 14-5 0.75 9-10 15-6 0.852、根据各管段供应的用具数及其同时作用系数计算管段计算流量。12345678910各管段计算流量Nm3/h：1-2 8.64 6-7 3.22-3 8.06 7-8 1.63-4 5.44 8-9 1.64-5 4.8 9-10 1.65-6 4.0812345678910单位长度上的允许压力降：200/(3
32、01.5)=4.44Pa/m 并以此初选各管段的管径。3、估计室内管道的局部阻力为沿程阻力的50%，根据室内管道允许压力降和管道的总长度，求单位长度的允许压力降。各管段管径mm：1-2 32 6-7 252-3 32 7-8 253-4 25 8-9 204-5 25 9-10 155-6 254、根据管径和计算流量，查单位长度压力降，并作修正，乘以管道长度得到各管段的沿程压力降。各管段沿程压力降Pa：1-2 4.99 6-7 2.462-3 4.35 7-8 0.613-4 7.09 8-9 1.964-5 5.52 9-10 8.595-6 3.995、根据室内管道管件的种类和数量，查局部阻力系数，计算各管段的局部压力降。各管段局部压力降Pa：1-2 32.84 6-7 1.352-3 3.18 7-8 0.343-4 21.39 8-9 21.534-5 4.54 9-10 27.505-6 2.196、根据管道的标高，计算各管段的始末两端的高差H，并计算附加压头=g(a-g)H 各管段附加压头Pa：1-2 16.22 6-7 14.72-3 2.53 7-8 14.73-4 -8-9 -4-5 11.67 9-10 6.595-6 14.7123456789107、计算各管段总压力降管段总压力降：局部压力降+沿程压力降-附加压头
