第五章 输气管道水力计算

2020/1/19第五章输气管道的水力计算2天然气由气田或气体处理厂进入输气干管，其流量和压力是稳定的，在有压气站的长输管道两站间的管段，起点与终点的流量相同，压力也是稳定的，属于定常流动。长输管道的末段，有时由于城镇用气量的不均衡，要承担城镇日用气量的调峰任务。即长输管道末段在既输气又储气、供气的条件下，它的起点和终点压力，以及终点流量二十四小时都是不同的，属于非定常流动。3第一节输气管道流量的基本公式等温流动是认为温度T已知，实际上是采用某个平均温度，如两个压气站间气体的平均温度，这样在方程组中就去掉了能量方程，使问题简化。定常流动则连续性方程和运动方程中当地系数项为零。0AVxAtxVVtVDVgdxdp2sin2连续性方程运动方程4xVVDVgdxdP2sin2两边同乘dx，并用22dV代替VdV，dz代替sinθdx2222dVgdzVDdxdp2222dVgdzVDdxdp定常流动管道压降由三部分组成：消耗于摩擦阻力的压降，气体上升克服高差的压降和流速增大引起的压降。0tA0tV整理后得第一节输气管道流量的基本公式5所谓平坦地区输气管道，是指高差等于零的管道以及虽然高差不等于零，但这高差不足以影响计算的准确性的输气管道，一般当沿线地形高差在200米以下时，可以认为是平坦地区输气管道。2222dVVDdxdP一、平坦地区输气管道的基本公式第一节输气管道流量的基本公式由稳定流动的运动方程：2222dVgdzVDdxdp6ZRTppAZRTqAqVmm)2(222pdpDdxAZRTqpdpm)ln2(2222ZQmZQppDLAZRTqpp2222dVVDdxdppdpDdxpAZRTqZRTpdpm2)(21222第一节输气管道流量的基本公式由气体状态方程和连续性方程有：带入公式经整理得：设管道长度L，起点压力和终点压力为pQ、pZ，积分得：7)ln2()(4)ln2()(422222ZQZQZQZQmppDLZRTDppppDLZRTAppqZRTLDppqZQm522)(4第一节输气管道流量的基本公式由此得到输气管道质量流量计算公式。对于长距离输气管道，ZQppln2DL与（如入＝0.011，L＝100000m,D=0.7m,pQ=8Mpa，Pz=6MPa,则压力比项＝0.58，另一项＝1571）；距离短，压力大的管道则必须考虑。相比很小，可以略去80mqQ0000RTZp000RTp工程上习惯于运用标准状态下的体积流量作为计量单位，因此把质量流量换算成体积流量。标标准状态下Z0=1，所以由气体状态方程910aaRR000TRpaTLZDPPPRTQZQa52200)(40004PRTCaTLZDPPCQZQ5220)(第一节输气管道流量的基本公式为了方便计算，把天然气的气体常数换算成空气的气体常数Ra∴则得到体积流量计算公式：令不同的量纲得到不同的Ｃ0值，计算时应特别注意。Ｃ0＝0.038410同一坡度输气管道dxgVDdxdPsin22dxLSdSpZRTqDpAZRTqAqVmmm24dxLSgdxpZRTqDDdppZRTm242162gdSVDdxdP22二、地形起伏地区输气管道的基本公式第一节输气管道流量的基本公式终点与起点高差的影响如图所示的坡度均匀向上的输气管道，对dx微元段写运动方程：由连续性方程有：将状态方程和上述两式代入，得11pZRTdxZRTpLSgpDZRTqdpm52221652162DZRTbZRTgadxpLSapbqdpm222dxLSabqpLpSadpm222第一节输气管道流量的基本公式两边同时除令∴dxLSaLSabqppdpm22212LSabqEm2dxLSaEppdpxPPxQ022LxSaEpEpxQ22ln令)1(222SaeLbqePPLxSamLxSaQx整理化简后得：13)1(222SaeLbqePPSamSaQZ)1(222SaeLbqPePSamZSaQ0S!3)(!2)(132SaSaSaeSaSae)21()1(222SaLbqpSapmZQ)21(])1([4522SaZRTLDpSapqZQm)1(222SaeLbqePPSamSaZQ第一节输气管道流量的基本公式当x=L时：时即为水平输气管道的计算公式。将按级数展开取前面两项（右边取三项）代入公式得：或14思路：将实际输气管道看成由不同终点与起点高差、坡度均匀向上或向下的若干直线管段组成。第一节输气管道流量的基本公式沿线地形起伏的影响15)1(222SaeLbqpepSamZSaQ)1(222SaeLbqeppSamSaZQ)1(11221211SaeLbqeppSamSaQ)1(222222122SaeLbqeppSamSa)1(332232233SaeLbqeppSaSam)1(2221ZSaZmSaZZSaeLbqeppZZ第一节输气管道流量的基本公式由起点、终点高程差输气管道计算公式：对每一段都可以写上述形式的方程：或…………161Sae)(12SSae)(11QSSaSa)()()(211212QQSSaSSSSaSSa)()()(311223123QQSSaSSSSSSaSSSa)(11)(12)(21211QSSamSSaQSSaeLbqeppQQ)(12)()(22)(22)(211221SSaeeLbqepepQQQQSSaSSamSSaSSa)(23)()(32)(21)(222332SSaeeLbqepepQQQQSSaSSamSSaSSa)(1)()(2)(2)(2111ZZSSaSSaZmSSaZSSaZSSaeeLbqepepQZQZQZQZ第一节输气管道流量的基本公式对上述方程依次乘以1，，……，并考虑到：，因此上述一系列公式变为：…………17以上各式相加，并考虑到SQ=0：)()()(1122112221121ZZaSaSZaSaSQaSaSmaSZQSSaeeLSSaeeLSSaeeLbqeppZZQZ!3)(!2)(132aSaSaSeaSSaSSaaSeQZZaSZ1)(11)(21)(]2)(1[2)(1)(11211211iiiiiiiiiiaSaSSSaSSaaSaSaSaSSSaeeiiniiiimZZZQZmzZQLSSLaLbqLSSLSSLSSaLLLbqaSpp11212121121222)(21])()()[(2){()1(第一节输气管道流量的基本公式另外，由于因此：18公式分析：1）对比平坦地区输气管道由于密度的变化，克服上坡段的能量损失不能在下坡段气体所获得的位能所补偿。2）对比输油管道的管路特性方程输油管道只考虑起点终点高程差。iiizZQmLSSLaZRTLDaSppq)(21)]1([41522iiizZQLSSLaTLZDaSppCQ)(21)]1([15220TLZDPPCQZQ522)(第一节输气管道流量的基本公式将b值代入，得到地形起伏地区的水力计算公式：193）相同起点终点的输气管道，如果中间的地形起伏不同，输气能力也不相同。第一节输气管道流量的基本公式iiizZQLSSLaTLZDaSppCQ)(21)]1([1522020第二节摩阻系数与常用输气管道流量DQDqDQvDam444Re5.127/31211Re27.59ReDkDk水力摩阻系数与常用计算公式水力摩阻系数计算公式的选用决定着水力计算的准确性，不同的水力摩阻公式得到不同的输气管道实用计算公式。水力摩阻系数与气体在管道中的流态和管道内壁粗糙度有关。1.雷诺数2.流态的判断），粗糙区（阻力平方区，混合摩擦区，水力光滑区紊流层流Re2ReRe2ReRe1Re1Re30003000,Re2000,Re21管壁粗糙度处于阻力平方区的天然气管道，粗糙度是确定水力摩阻系数的决定因素，粗糙度取值的正确与否直接关系到计算结果的准确性。输气管道设计时所采用的粗糙度是指绝对当量粗糙度（或有效粗糙度），它包括了管子表面粗糙度，焊缝，弯头以及腐蚀等的综合影响。因此绝对当量粗糙度应该是管线运行时的平均粗糙度。一般比管壁粗糙度大2%～11%。22目前，在我国输气管道工程设计规范中没有对输气管道当量粗糙度的取值做出规定，建议在输气管道工程计计算中，对管内壁当量粗糙度的取值为：输气管道采用直缝钢管时，取k=20μm；气管道采用螺旋钢时，取k=30μm；输气管道采用直缝钢管且采用环氧内涂层时，取k=7μm。在天然气管道输送技术比较先进的欧美国家，管道内涂层减阻技术已得到普遍应用。国外许多大口径、长距离天然气管道由于采用了此项技术,不仅保证了管道的安全运行，而且取得了非常好的经济效益。23管道内涂层优点(1)增大输气量。(2)扩大增压站站间距，减少增压站的数目。(3)节约管材费用和施工费用。管道内壁涂刷涂层后，由于粗糙度减少，使水力摩阻减少，管径的设计值可减小，这样相应的管材费用也就减少。管径减小，管道的施工费用也减少，管道综合造价就节约了。(4)防止内壁腐蚀，减少管道事故，保证输送天然气高质量。钢管出厂后，一般不会立即使用，到铺管时往往已经锈蚀，如有内涂层，可长期储存，并保持钢管内表面光滑。当输送介质含有腐蚀性，采用耐腐蚀的内涂层，可防止腐蚀，避免腐蚀产物聚集污染气质。这一点，对于经干燥、净化后的天然气输送尤为重要。(5)减少维护费用，清管频率明显下降。24水力摩阻系数计算公式（1）水力光滑区（2）混合摩擦区（3）阻力平方区1）威莫斯公式2）PanhandleA式168.3D6103）PanhandleB式D6104）前苏联早期公式5）前苏联近期公式（4）紊流区通用公式2.0Re1844.02.02Re158067.0Dk25.0Re6811.0Dk3009407.0D1461.0Re81.1110392.0Re03.6814.02383.0Dk2.02067.0DkRe51.27.3lg21Dk2526272829303132局部摩阻由于干线输气管道中气体的流态一般总是处于阻力平方区，因此，局部阻力对输气管道流量的影响较大，必须考虑由于焊缝，阀门，弯头，三通，过滤器等引起的局部摩阻。但在实际中，通常不单独计算，而是使水力摩阻系数λ增加5%，作为对局部摩阻的考虑。33常用输气管道计算公式将不同的水力摩阻计算公式代入水力计算公式中，可得到不同的实用公式。威莫斯公式(1912年美国总结经验，比实际小10％左右)：潘汉德尔A式：潘汉德尔B式（GB50251-2003）：前苏联早期公式：前苏联近期