天然气管道输送(第三章：输气管道水力计算第二次课)

2014-04-22天然气管道输送1天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算第四节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Re2000，层流：靠近管壁处有边界层存在，且边界层很厚能够覆盖粗糙凸起，流体与轴线平行流动Re3000，紊流：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性其中：3000ReRe1，水力光滑区；（低压输气管道）Re1ReRe2,混合摩擦区；ReRe2，阻力平方区（中压和高压输气管道）第四节第四节水力摩阻系数与常用计算公式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。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水力摩阻系数与气体在管道中的流态流态和管道内壁和管道内壁粗糙度粗糙度有关。有关。11雷诺数雷诺数22流态的判断流态的判断RRee20002000，层流：，层流：靠近管壁处有边界层存在，且边界层很厚能够覆盖粗糙凸起，流体与轴线平行流动靠近管壁处有边界层存在，且边界层很厚能够覆盖粗糙凸起，流体与轴线平行流动RRee30003000，紊流：，紊流：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性其中：其中：3000R3000ReeRRe1e1，水力光滑区；（低压输气管道），水力光滑区；（低压输气管道）RRe1e1ReRReRe2e2,,混合摩擦区；混合摩擦区；ReRReRe2e2，，阻力平方区阻力平方区（中压和高压输气管道）（中压和高压输气管道）ρμν=aρρ=ΔμπμΔπρνπνπννDMDQDQDDQAQDvDRea44442======2014-04-22天然气管道输送23水力摩阻系数计算公式（本质上对于输气和输油无区别）（1）水力光滑区（2）混合摩擦区前苏联公式阿里特苏里公式（3）阻力平方区（长输天然气管道的流态区域）1）威莫斯公式管径小、输量小和净化程度差的集输管道2）PanhandleA式168.3D6103）PanhandleB式D6104）前苏联早期公式(上课推导)k表示绝对粗糙度5）前苏联近期公式（4）紊流区通用公式(电算)33水力摩阻系数计算公式（本质上对于输气和输油无区别）水力摩阻系数计算公式（本质上对于输气和输油无区别）（（11）水力光滑区）水力光滑区（（22）混合摩擦区）混合摩擦区前苏联公式前苏联公式阿里特苏里公式阿里特苏里公式（（33）阻力平方区）阻力平方区（长输天然气管道的流态区域）（长输天然气管道的流态区域）11）威莫斯公式）威莫斯公式管径小、输量小和净化程度差的集输管道管径小、输量小和净化程度差的集输管道22））PanhandleAPanhandleA式式168.3D610168.3D61033））PanhandleBPanhandleB式式D610D61044）前苏联早期公式）前苏联早期公式((上课推导上课推导))kk表示绝对粗糙度表示绝对粗糙度55））前苏联近期公式前苏联近期公式（（44）紊流区通用公式）紊流区通用公式((电算电算))2.0Re1844.0=λ2.02Re158067.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=Dkλ25.0Re6811.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=Dkλ3009407.0D=λ1461.0Re81.111=λ0392.0Re03.681=λ4.02383.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛=Dkλ2.02067.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛=Dkλ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=λλRe51.27.3lg21Dk天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算2014-04-22天然气管道输送34常用输气管道计算公式(P76)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。公式(3-72)—(3-81)公式说明：（1）前苏联近期公式中引入流态修正系数α和垫环修正系数φ；（2）在潘汉德与苏联近期公式中引入了输气管道效率系数E由于在实际中，管道的由于内腐蚀k↑、低洼处水的聚集和形成水合物使得水力摩阻系数逐渐增大，使输气能力降低，因此引入E表示输气管道的实际输气能力偏离理论输气能力的层度。我国规定：DN300～800E=0.8～0.9DN899E=0.91～0.9444常用输气管道计算公式常用输气管道计算公式(P76)(P76)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。公式公式。公式(3(3--72)72)——(3(3--81)81)公式说明：公式说明：（（11）前苏联近期公式中引入流态修正系数）前苏联近期公式中引入流态修正系数αα和垫环修正系数和垫环修正系数φφ；；（（22）在潘汉德与苏联近期公式中引入了输气管道效率系数）在潘汉德与苏联近期公式中引入了输气管道效率系数EE由于在实际中，管道的由于内腐蚀由于在实际中，管道的由于内腐蚀kk↑↑、低洼处水的聚集和形成水合物、低洼处水的聚集和形成水合物使得水力摩阻系数逐渐增大，使输气能力降低，因此引入使得水力摩阻系数逐渐增大，使输气能力降低，因此引入EE表示输气管道的表示输气管道的实际输气能力偏离理论输气能力的层度。实际输气能力偏离理论输气能力的层度。我国规定：我国规定：DN300DN300～～800E=0.8800E=0.8～～0.90.9DN899E=0.91DN899E=0.91～～0.940.94rrQQEλλ==天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算2014-04-22天然气管道输送4第五节输气管道压力分布与平均压力1沿线压力分布用起点压力和终点压力表示任意一点压力。把流量公式写成如下形式对前段：对后一段同一管道同一节点流量相等，因此有所以第五节第五节输气管道压力分布与平均压力输气管道压力分布与平均压力11沿线压力分布沿线压力分布用起点压力和终点压力表示任意一点压力。把流量公式写成如下形式用起点压力和终点压力表示任意一点压力。把流量公式写成如下形式对前段：对前段：对后一段对后一段同一管道同一节点流量相等，因此有同一管道同一节点流量相等，因此有所以所以沿线任意点压力5.022)(LPPKQZQ−=5.05.2)1(TZCDKΔ=λ5.022)(xPPKQxQ−=5.022)(xLPPKQZx−−=xLPPxPPZxxQ−−=−2222LxPPPPZQQx)(222−−=天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算2014-04-22天然气管道输送5天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算公式分析：1）输气管道沿线压力呈抛物线分布（本质区别），靠近起点压降慢，靠近终点压降快，前3/4压力下降一半，而后1/4下降一半(Why?)，因此，输气管道进站压力不能定得太低。2）P2与x呈直线关系（沿线的压力平方分布是一条直线）由有:其中：利用压降曲线可以判断输气管道内部情况（局部堵塞和漏气）公式分析：公式分析：11）输气管道沿线压力呈抛物线分布（本质区别），靠近起点压降慢，靠近终）输气管道沿线压力呈抛物线分布（本质区别），靠近起点压降慢，靠近终点压降快，前点压降快，前3/43/4压力下降一半，而后压力下降一半，而后1/41/4下降一半下降一半(Why?)(Why?)，，因此，输气管道进因此，输气管道进站压力不能定得太低。站压力不能定得太低。22））PP2与与xx呈直线关系（沿线的压力平方分布是一条直线）呈直线关系（沿线的压力平方分布是一条直线）由由有有::其中：其中：利用压降曲线可以判断输气管道内部情况（局部堵塞和漏气）利用压降曲线可以判断输气管道内部情况（局部堵塞和漏气）TxZDPPCQxQΔ−=λ522)(xDBQPPQx5222λ−=TZCBΔ=21LxPPPPZQQx)(222−−=ρλ22vD2014-04-22天然气管道输送62平均压力（1）压力平衡现象（停输）（2）平均压力（3）平均压力的实际应用1）求管道储气能力（标准状态下）2）计算Z：PcpPr、Tr3）设计壁厚平均压力点前采用等强度管（不同壁厚的管道），后采用等壁厚管。（按照PCP）由任意一点的压力公式，得2平均压力（1）压力平衡现象（停输）（2）平均压力（3）平均压力的实际应用1）求管道储气能力（标准状态下）2）计算Z：PcpPr、Tr3）设计壁厚平均压力点前采用等强度管（不同壁厚的管道），后采用等壁厚管。（按照PCP）由任意一点的压力公式，得dxLxPPPLdxPLPLZQQLxCP))((1102220∫∫−−==⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=ZQZQCPPPPPP232TZPPVVCPTs15.2930=LPPPPxZQCPQCP2222−−=LxPPPPCPZQQCP)(222−−=天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算2014-04-22天然气管道输送7当PZÆ0当PZÆPQ，而：所以即：PZÆPQ时，因此可以认为，在压力平衡过程中有：当当PPZZÆÆ00当当PPZZÆÆPPQQ，，而：而：所以所以即：即：PPZZÆÆPPQQ时，时，因此可以认为，在压力平衡过程中有：因此可以认为，在压力平衡过程中有：QZQZQCPPPPPPP32322=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=LLLPPPPxZQCPQCP56.0952222≅=−−=ZCPCPPPZCPCPPPZQCPQPPPPPPPPPPPPQZQZQZ''2222limlimlim22→→→=−−=−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=22'2')(23232)(ZQZZQZZQZQCPPPPPPPPPPPP21]232[limlimlim'2222=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−+==−−→→→ZQZZQCPPPZCPCPPPZQCPQPPPPPPPPPPPPPPPQZQZQZconstLxCP≅≅5.0LxCP5.0→天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算2014-04-22天然气管道输送8天然气管道的水力计算天然气管道的水力计算第六节主要工艺参数的特点输气管道的基本参数包括：直径、长度、温度、起终点压力，这些参数对流量的影响各不相同。1管径的影响用前苏联近期公式进行分析管径增加一倍，流量增加22.6=6.1，因此输气管道向大口径方向发展。第六节第六节主要工艺参数的特点主要工艺参数的特点输气管道的基本参数包括：直径、长度、温度、起终点压力，这些参数输气管道的基本参数包括：直径、长度、温度、起终点压力，这些参数对流量的影响各不相同。对流量的影响各不相同。11管径的影响管径的影响用前苏联近期公式进行分析用前苏联近期公式进行分析管径增加一倍，流量增加管径增加一倍，流量增加222.62.6=6.1=6.1，因此输气管道向大口径方向发展。，因此输气管道向大口径方向发展。5.0226.211)(393.0TLZPPDQZQΔ−=5.0226.222)(393.0TLZPPDQZQΔ−=6.21212⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=DDQQ2.02067.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛=DkλTLZD)PP(CQZQΔλ522−=2014-04-22天然气管道输送92输气管道长度（站间距）的影响输气管道的流量与计算长度的0.5次方成反比。若长度缩短一半（倍增压缩机站），则增大41%。3温度对流量的影响输气管道的流量与温度的0.5次方成反比，输气管道内气体的温度越低，输气量越大，因此冷却气体可以增大输量，但并不显著。一般不采用降温的方法来提高管道的输送能力，但压缩机出口若温度过高，则有可能高于防腐层所能承受温度或永冻土地区就必须进行冷却。22输气管道长度（站间距）的影响输气管道长度（站间距）的影响输气管道的流量与计算长度的输气管道的流量与计算长度的0.50.5次方成反比次方成反比。。若长度缩短一半（倍增若长度缩短一半（倍增压缩机站），则压缩机站），则增大增大41%41