1、第六章 燃氣管網的水力計算第一節 管道內燃氣流動的基本方程式我們先看以下燃氣管道計算的不穩定流動方程。一、不穩定流動方程式燃氣是可壓縮流體，一般情況下管道內燃氣的流動是不穩定流，管道內燃氣的壓力和流量在流動過程中都會發生變化，除此之外，隨著管道內沿程壓力的下降燃氣的密度也在減小，而管道內燃氣的溫度可以認為是不變的，其溫度等于管道周圍土壤的溫度。這樣，決定燃氣流動狀態的參數為：壓力P，流速w和密度，他們均隨燃氣流動的距離和時間而變化。是距離L和時間的函數，即為了求得燃氣流動的狀態參數P，w和，必須借助于運動方程，連續性方程和狀態方程三個方程。對管道內的燃氣列出運動方程和連續性方程，再將其與狀態方

2、程組合，可以得到求解管道內燃氣流動的基本方程式：其中指的是燃氣管道對水平面的傾斜角。為摩阻系數，d是燃氣管道的內徑。從理論上講，該式可用來求解在燃氣管道中任意斷面x和任一時間的氣流參數P，和流速w，但實際上這一組非線性偏微分方程組很難求解析解，在工程上常可忽略某些對計算結果影響不大的項，并對該方程組進行線性簡化，可求得近似解。到簡化后的方程組為：其中c為聲速上式即為簡化后的燃氣管道不穩定流動方程組，但在實際生產和生活中，該方程的應用并不多，除了單位時間內輸氣量波動大的超高壓天然氣長輸管線要用到上面的不穩定流進行計算外，設計城市燃氣管道時燃氣流動的不穩定性可以不考慮。因此我們下面主要講一下燃氣管

3、到計算的穩定流動方程式。二、穩定流動方程式通常在城市燃氣管網工程設計中，將某一小段時間內（如一小時或一天）的管內流動作為穩定流動，認為各運動參數P，w和不隨時間變化。這樣這三個參數對時間的偏導數都等于0，即將他們帶入不穩定流動方程組，然后進行適當簡化積分后可得穩定流動燃氣管計算的公式：該方程可以用來計算高壓和低壓燃氣管道。其中P1是管道起始端管內燃氣的絕對壓力Pa，P2是L處管道內燃氣的絕對壓力Pa，為摩阻系數，Q0為燃氣管道的計算流量Nm3/s，d是管道內徑m，為燃氣的密度kg/Nm3P0為標準大氣壓，P0=101325Pa，T為燃氣的溫度K，T0為標準狀態溫度，T0=273.16KZ是燃氣

4、在管內所處溫度壓力下的壓縮因子，Z0是燃氣在標準狀態下的壓縮因子，將該式用于計算低壓燃氣管道壓降時可以進行簡化，Pm為管道起始端和末端壓力的算數平均值，低壓管道本身壓力很低，可以認為，帶入穩定流動計算公式可得：若考慮城市燃氣管道的壓力一般在1.6MPa以下，此時可認為，并將公式中的各參數采用工程中常用的單位，P的單位用kPa，L的單位采用km，流量的單位采用Nm3/h，管道內徑d的單位采用mm，則低壓燃氣管道的計算公式為：10的7次方高中壓燃氣管道的計算公式為：10的10次方第三部分我們看一下計算公式中的摩阻系數三、燃氣管道的摩擦阻力系數簡稱摩阻系數，是反映管內燃氣流動摩擦阻力的一個無因次系數

5、，與燃氣在管道內的流動狀況、管道材質、管道的連接方法及安裝質量、燃氣的性質等因素有關，是雷諾數Re和相對粗糙度的函數。雷諾數，d是管道內徑m，w是燃氣流動斷面的平均流速m/s，v是燃氣的運動粘度。下面簡單介紹幾個常用的計算摩阻系數的經驗和半經驗公式。層流區（Re2100） 臨界區（Re=21003500）紊流區（Re>3500）分三種情況，鋼管，塑料管和鑄鐵管鋼管和塑料管的摩阻系數可用下公式計算：鑄鐵管：其中為管道內表面的當量絕對粗糙度，對于鋼管取0.10.2mm，塑料管取0.01mm，第二節 城市燃氣管道水力計算公式和計算圖表上一節我們講了燃氣管道水力計算的基本方程式，為了便于城市燃氣

6、管道的水力計算，我們通常將摩阻系數的表達式帶入水力計算公式中，得到實用的計算公式或將壓降與管長、流量以及管徑密度等參數的關系制成計算圖表進行水力計算。下面我們分別講幾個低壓和高中壓管網水力計算的實用公式一、低壓燃氣管道摩擦阻力損失計算公式（一）層流區（Re2100）將層流區的摩阻系數計算公式帶入低壓燃氣管道的計算公式中得到層流區的模組損失計算公式為：同樣，將臨界區和紊流區的摩阻系數計算式帶入低壓燃氣管道水力計算公式中分別得到相應的計算式：（二）臨界區（Re=21003500）（三）紊流區（Re>3500）二、高壓和中壓燃氣管道摩擦阻力損失計算公式高壓和中壓燃氣管道的流動流速快，基本處于紊

7、流區，因此，將紊流區的摩阻系數計算公式帶入第一節講得高中壓管道水力計算公式中可分別得到鋼管、塑料管和鑄鐵管的摩阻損失計算式：10的9次方公式中各個參數的單位采用前面講得工程上常用的單位三、燃氣管道摩擦阻力損失計算圖表課本P95圖6-26-5分別是人工燃氣和天然氣的高中低壓鋼管的水力計算圖表，我們看其中的 圖6-2吧，圖6-2是人工燃氣高中壓管道的水力計算圖，橫坐標是管道中燃氣的流量，縱坐標是，圖中的每條線對應著不同的管道內徑。在使用時，我們根據燃氣流量，以及管徑就可以查出的數值，對于低壓管道，如圖6-3，可以查出的數值，再根據管道長度以及管道起始端的壓力就可以求出管道末端的壓力值，需要注意的是

8、圖表的繪制是按燃氣密度得到的，根據前面的水力計算公式，可以看出對于低壓管道與密度成正比，高中壓管道也與密度成正比，因此如果管道內所輸送的燃氣密度1，則應按下面公式進行修正。查圖表得到的數據低壓管道查圖表得到的數據高、中壓管道下面我們通過一個例題來熟悉以下這個圖表的使用課本P99，例6-1圖表法：根據題目中所給的條件可以知道，這是一條輸送人工燃氣的中壓管道，因此，我們選擇圖6-2，輸送燃氣的流量是2000Nm3/h，管徑為，從圖上找到流量為2000的地方，圖上102代表100，后面的2，3，4一直到9代表200，300，400，直到900，103代表流量1000，后面的2代表流量為2000 Nm

9、3/h，沿著2000 Nm3/h往上找，找到與這條線相交的地方，看他的橫坐標為3.1，=3.1本題中所輸送的燃氣的密度為0.7kg/Nm3，對進行修正得到然后再把已知的起始端壓力P1150kPa，管道長度200m帶入即可求得管段末端壓力P2若將該題目用公式進行計算，則選擇高中壓鋼管的計算公式進行計算10的9次方P1=150kPa，L=0.2km，取0.10.2mm，帶入管道內徑時要注意，219代表管道外徑，7代表管道壁厚，管道內徑d=219-7×2=205mm，燃氣動力粘度v帶入25×10-6，Q0帶入流量2000，密度為0.7，溫度T為0，換算成絕對溫度為273.16K，

10、T0=273.16K。將這些數值帶入公式即可求出管段末端壓力P2。例6-2該題在計算時要選擇低壓管道的計算公式進行計算，低壓管道水力計算公式分層流區、臨界區和紊流區三種情況，由于本題中管徑是未知的，他的雷諾數無法求出，無法判斷是那種流動狀態，因此我們先假設管道中的燃氣是在層流區流動，選擇層流區的計算公式，公式中除管徑之外，其他條件均已知，可以求出管徑，求出管徑之后我們再來判斷我們的假設對不對，將管徑帶入雷諾數的計算公式中求出雷諾數，如果雷諾數小于2100，則表示燃氣流動狀態為層流，說明假設是正確的，前面計算所得的管徑是正確的，若求得的雷諾數不是在層流區，則需要重新假設在臨界區或紊流狀態流動，重

11、新選擇公式計算管徑，重復前面的步驟，驗證雷諾數，知道假設正確，求得的管徑即為正確的管徑。圖表法：人工燃氣低壓鋼管，因此選用表6-3，本題中流量已知，管徑未知，但知道壓降為4Pa，表6-3中的縱坐標為，因此求得，這個0.04Pa/m是經過密度修訂后得到的，查圖時跟前一個例題相反，要除以燃氣的密度得到，根據流量和=0.08Pa/m可以查的管徑約為80mm四、燃氣管道局部阻力損失和附加壓頭1.局部壓力降城市燃氣管網計算時，管網的局部損失一般以沿程損失的510%估計對于室內燃氣管道和廠、站區域的燃氣管道，由于管路附件較多，局部損失所占的比例較大，應逐項進行計算。局部阻力損失有兩種計算方法，一種是利用公

12、式，根據實驗數據查取局部阻力系數，代入公式進行計算，另一種是用當量長度法計算我們先看第一種計算方法：局部阻力損失可用下式求得：w為燃氣在管道中的流速，為管段中局部阻力系數的總和，他通常由試驗測得，燃氣管路中一些常用管件的局部阻力系數可查表得到。當量長度法當量長度法是將各種管件折成相同管徑管段的當量長度來計算，當量長度可按下式計算：當量長度不但與局部阻力系數有關，還與管徑、沿程阻力系數有關因此，管件的局部壓力降等于其當量長度為L2的直線管段的沿程壓力降，在計算管道及管道附件的總壓力降時L= L1 + L2其中L1為管道的實際長度，L2為管道的當量長度實際管道計算長度L乘以該管段單位長度摩擦阻力損

13、失，就可得到該管段的壓力損失。2.附加壓頭在始末端高程差值變化特別大的個別管段，當燃氣密度小于空氣密度時，管道內燃氣向上流動時時，空氣對將對燃氣產生一種升力，管道內燃氣下降時將增加阻力，因此引入附加壓頭的概念為空氣的密度為燃氣的密度為管段終端和始端的標高差值，沿氣體的流動方向計算第三節 燃氣分配管網計算流量（一）計算流量燃氣分配管網的各管段根據連接用戶的情況，可分為三種情況：（1）第一種情況是像這樣的只有轉輸流量的管段，該管段沿途不輸出燃氣，用戶連接在管段的末端（2）這種是只有途泄流量的管段，由管段始端進入的燃氣在途中全部供給各個用戶（3）這種是既有途泄流量又有轉輸流量的管段，這種管段是我們生

14、活中最常見的一種，既有沿程輸出的燃氣流量，又在管段末端輸出轉輸流量。像上面的第二中和第三種管段，在燃氣輸送的過程中管內的流量是變化的，對于這種變負荷管段的計算我們要確定出他的一個計算流量，計算流量可按下式計算： Q1為途泄流量，Q2為轉輸流量，為流量折算系數，它與途泄流量與轉輸流量之比、沿途支管數有關。按這個計算流量確定的管段的壓力降應與實際的壓力降相等，根據這一原則我們求得對于一般的燃氣分配管道，在0.50.6之間，變化范圍較小，在實際計算中可將其作為常數，取其平均值=0.55，則燃氣分配管道的計算流量為Q=0.55Q1+ Q2（二）途泄流量以下圖所示的燃氣管網系統為例來講一下途泄流量的計算方法：、在供氣范圍內，按不同的居民人口密度或道路和建筑物的布局劃分街區A、B、CF小區，并布置配氣管道1-2、2-3、分別計算各個街區的用氣量其中包括各區居民用氣量、小型公共建筑及小型工業用氣量，可根據前面講得各種用氣對象的用氣量指標進行確定，假定A小區每小時的用氣量為QA，B小區每小時的用氣量為QB，以此類推得到QC，. QF，、計算單位長度的途泄流量根據每個區的燃氣計算流量和燃氣管道的長度，計算管道單位長度途泄流量。如圖中ABCD各區的管道的單位長度的計算流量為：A區：B區.C區4. 求管段的途泄流量管段的途泄流量等于該管段的長度