第五章 输气管的热力计算
燃气输配-05第五章-燃气管网的水力计算
（3）紊流状态：Re＞3500 钢管： 0.11 K 68 0.25
d Re
铸铁管：
0.102236
1 d
5158 d
Q
0.284
2.高压和中压燃气管道
高压和中压燃气管道单位管长沿程 阻力损失的计算公式如下：
P12 P22 L
（a）只有转输流量的管段；（b）只有途泄流量的管段； （c）有途泄流量和转输流量的管段
二、变流量低压分配管段计算流量的 确定
1.途泄流量Q1的确定
2.变负荷管段的计算流量的确定
1.途泄流量Q1的确定 几点假设：
（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；
106
8
6
4
2
105 8 6 4
2
10 4 8 6 4
2
103 8 6 4
2
102 8 6 4
2 10
12
4 6 810 2
4 6 8102 2
4 6 8103 2
4 6 8104 2
D820×8 D920×8 D1020×10 D1120×10 D1220×10
4 6 8105 2 4 6 8106 Q（m3 /h）
二、燃气管道水力计算图表
D32×3 D38×3 D45×3.5 D57×3.5 D76×4 D89×4 D108×5 D133×5 D159×6 D219×6 D273×6 D325×6 D377×6 D426×6 D478×6 D529×7 D630×7 D720×7
P21-P22 L
输气管道水力计算相关公式
Px=
4587143 Pa
Px=[PQ2-(PQ2-PZ2)*x/
已知起点、终点压力，计算输气管道平均压力
管道的平均压力 Pcp= 4748879 Pa
PCP=(2/3)[PQ+PZ2/(P
已知起点压力，计算输气管道任一点压力
说明：以长输管道常用的潘汉德A式和潘汉德B式为例进行推导，仅限于阻力平方区，其他的计算可由本
潘汉德B式
PZ=
1842028 Pa
PZ={PQ2-[Q/(C2ED2.53)1/0.51Z△0.96
起点温度 ℃ 5
终点温度 ℃ 5
式
0.64 3510000 0.95 110000 278.15 0.67 293.15 K m K m Pa
用D计算,长距 离输气管道， 109.8225672 公式进行了简 化 0.0384 C的数值见右表
输气管道断面面积 A= 标准参比压力 天然气气体常数 P0= R=
0.321699 m2 101325 Pa 428.5075 m2/(s2•K)
平坦地区输气管道质量流量公式
M=
109.7884431
常数C 平坦地区输气管道体积流量公式 （注：工程设计及生产上通常采用的是标况 下的体积流量，因此将质量流量进行转换）
[Q/(C2ED2.53)1/0.51Z△0.961TL]}0.5
管道内径 起点压力 mm 640 MPa 5.8
终点压力 MPa 3.51
管线长度 km 110
平坦地区输气管道基本公式
输气管道质量流量 M= 计算段起点压力 水力摩阻系数 空气气体常数 PQ= λ = Ra= kg/s 5800000 Pa 0.0094 287.1 m2/(s2•K) 管道内径 计算段终点压力 天然气压缩系数 输气管道计算段长度 天然气平均温度 气体相对密度 标准参比温度 D= PZ= Z= L= T= △= T0= 用A计 算
第五章 输气管道水力计算
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。 连续性方程
A AV 0 t x
运动方程
dp V 2 V V g sin V dx 2D x t
18
第一节 输气管道流量的基本公式
3）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。
Q C0
2 2 [ pQ p Z (1 aSz )]D 5
ZTL 1
a 2L
( S i S i 1 ) Li
19
第二节 摩阻系数与常用输气管道流量
)
或
2 pQ
2 p Z e a S
bqm
2
e aS 1 L( ) aS
对每一段都可以写上述形式的方程：
2 pQ
2 p1
2 p1 e aS1
2 p2 e aS 2
e 2 bqm L1 (
e 2 bqm L2 (
2
aS1
aS 2
1 ) aS1
1 )
aS 2
2 p2
∴
p0 0 RaT0
T0 Ra Q 4 P 0
Q C0
则得到体积流量计算公式： 令
C0
( P 2 PZ2 ) D 5 Q
ZTL
T0 Ra
4 P0
2 ( PQ PZ2 ) D 5
ZTL
不同的量纲得到不同的Ｃ0值，计算时应特别注意。Ｃ0 ＝0.0384
整理管道总传热系数计算
1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态 运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响 温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
1.1利用管道周围埋设介质热物性计算K 值管道总传热系数K 指油流与周围介质温差为 1C 时，单位时间通过管道单位 传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热 阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：式中：K ――总传热系数，W/( m 2 C )；D e ――计算直径，m ；(对于保温管路取保温层外径的平均值， 对于无保 温埋地管路可取沥青层外径)； D n ---------- 管道直径，m ； D w ---------- 管道最外层直径，m ;1――油流与管壁放热系数， W/(m 2 C );2 --------管外壁与周围介质的放热系数， W/(m 2 C )；i――第i 层相应的导热系数，W/(m ・C )；D i ，D i+1 ――管道第i 层的外直径，m 其中i =1,2,3…n ；D L 结蜡后的管径，m为计算总传热系数K ，需分别计算部放热系数1、自管壁至管道最外径的导 热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数 2。
(1)部放热系数1的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用1与放热准数N u、自然对流准数G r 和流体物理性质准数P r 间的数学关系式来表示[47] o在层流状态(Re<2000,当GrgPr<500时：2l L-1In D L(1-1 )2l ia d"比=丄=3.65 (1-2)y l在层流状态(Re<2000,当GrgPr>500时：Nu y =a i d= 0.15Re 0.33鬃；43 Gr；1'琪y(1-3)1琪P r b在激烈的紊流状态(Re>10) Pr<2500时：■骣p r0.25a1 = 0.021 - Re；8鬃Pr^4ip (1-4)d 琪Pb在过渡区(2OOO<Re<10)(1-5)式中：N u——放热准数，无因次；——流体物理性质准数，无因次；――自然对流准数，无因次；――雷诺数；K。
输气管温度分布规律
安全管理编号：LX-FS-A26163 输气管温度分布规律In the daily work environment, plan the important work to be done in the future, and require the personnel to jointly abide by the corresponding procedures and code of conduct, so that the overall behavior oractivity reaches the specified standard编写：_________________________审批：_________________________时间：________年_____月_____日A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑输气管温度分布规律使用说明：本安全管理资料适用于日常工作环境中对安全相关工作进行具有统筹性，导向性的规划，并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则，使整体行为或活动达到或超越规定的标准。
资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。
输气管段的热力计算主要有两个目的，一是为同一管段的水力计算服务，二是预测管段中出现凝析液及水合物的情况。
由输气管段的流量公式可知：在其他条件一定的前提下，输气管段的流量取决于整个管段中气体的平均温度，而这一平均温度又取决于整个管段沿轴向的温度分布。
另一方面，输气管段的稳态温度分布又取决于该管段的流量。
因此，输气管段的稳态水力计算与热力计算实际上是相互耦合的一对问题。
为了求出一个输气管段的流量与沿线温度分布，需要联立求解输气管段的流量关系式和温度分布关系式。
由于这两个关系式中的气体物性取决于气体温度和压力，故要进行精确的联立求解是相当困难的。
为此，在工程上通常采用近似解法，即：先假定输气管段的平均温度，按该温度计算输气管段中气体的物性参数并计算输气管段的流量，然后根据该流量求出输气管段沿线的温度分布及平均温度，若该平均温度与假设的平均温度之差满足工程精度的要求，则计算结束；否则，以计算出的平均温度作为新的假设平均温度并重复前面的计算过程，直到输气管段平均温度的假设值与新的计算值之差满足工程上的精度要求为止。
输气工艺计算
输气管道工艺计算第一节 管内气体流动的基本方程1．1气体管流基本方程气体在管内流动时，沿着气体流动方向，压力下降，密度减少，流速不断增大，温度同时也在变化。
在不稳定流动的情况下，这些变化更为复杂。
描述气体管流状态的参数有四个：压力P 、密度ρ、流速v 和温度T 。
为求解这些参数有四个基本方程：连续性方程、运动方程、能量方程和气体状态方程。
1、连续性方程连续性方程的基础是质量守恒定律。
科学实践证明，在运动速度低于光速的系统中，质量不能被创造也不能被消灭，无论经过什么运动形式，其总质量是不变的。
气体在管内流动过程中，系统的质量保持守恒。
对于稳定流，常用的连续性方程为：常数=vA ρ 或 222111A v A v ρρ=2、运动方程运动方程的基础是牛顿第二定律。
也就是控制体内流体的动量改变等于作用该流体上所有力的冲量之和：即()τd N mv d i ∑= 式中：()mv d ——动量的改变量；τd N i∑——流体方向上力的冲量稳定流常用的运动方程为：022=+++ρλρρv D dx ds g dx dv v dx dP 3、能量方程能量方程的基础是能量守恒定律。
根据能量守恒定律，能量既不能被创造，也不能被消灭，而是从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量的总量保持不变。
对任何系统而言，各项能量之间的平衡关系一般可表示为：进入系统的能量－离开系统的能量＝系统储存能的变化。
稳定流常用的能量方程为：dx dQ dx ds g dx dv v dxdpp h dx dT T h T p -=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 4、气体状态方程Z R T PV = Z R T P ρ=由连续性方程、运动方程、能量方程、气体状态方程组成的方程组可以用来求解管道中任一断面和任一时间的气体流动参数压力P 、密度ρ、流速v 和温度T 由于这是一组非线性偏微分方程一般情况下没有解析解，因而只能在一定条件下以简化、线性化和数值化的方法求得近似解。
输气管第五章__输气管的热力计算
1 RL = KπD 1 R1 L α1πD1 R2 L lnD( i 1) / Di 2πλi
1 R3 L α2 πDw
第三节 总传热系数
Tq
Tb1 Tbi
1 KπD
介质
1 α1 πD1
Tb( i+1)
对流
对流
D1
Dw
T0
土壤
1 α2 πDw
钢管 沥青绝缘层 保温层
lnD2 /D1 2πλ1 lnD3 /D2 2πλ2 lnD4 /D3 2πλ3
dQ h dT h T dP dx T P dx T P P h dx
c p dT c p Di dP dQ
K D(T T0 ) dx c p Di dP c p dT M
K D a Mc p
第一节 输气管的温度分布
温降计算公式的探讨一
T
TQ
考虑焦耳-汤姆逊效应
T T0 (TQ T0 )e ax
T T0 (TQ T0 )e ax Di
x
苏霍夫公式
T0
TZ TZ x0
PQ PZ aL
(1 e ax )
当
x
Tmin T0
Tmin T0 Di pQ pZ aL
x2 x3 ln(1 x ) = x 2 3
D α2 Dw
(1)n1 xn + Rn ( x ) n
1 D D δi D K α1 D1 λi Di α2 Dw
第三节 总传热系数
1 D D δi D K α1 D1 λi Di α2 Dw
dQ h dT h dP dx T P dx P T dx
29输气管的热力计算(完整)
第九节输气管的热力计算这章我们主要讲述在输气管里面，能量的转换，由于输气管的温度和周围环境的温度有温差，这章我们来讲如何计算输气过程中，气体的温度随着输送距离的改变。
实际输气管线都不是等温流动（在第本章前面讲到，假设温度时常数，我们知道这个假设和实际是有出入的，这节就讲我们实际的输气管线温度的变化规律），热力计算的目的：1.计算平均气体温度，和平均压力一起计算z值，即平均温度求Q。
2.根据沿线温降曲线（根据温降曲线结合压降曲线），分析凝析水和水合物可能形成的段落。
在输气管线中一个非常重要的特点就是，在某些压力、温度条件下，如果管线中还有水分的话，它就会形成天然气的水合物，天然气的水合物和凝析水在哪个位置能形成，它们形成的条件，我们就需要通过温降曲线结合压降曲线来进行判断可能形成的区段。
3.为管线热应力计算和绝缘层选材提供依据。
（在设计管线的时候，我们要对管线的局部的一些应力来进行校核，对管线的可靠性来进行校核，如弯头，有跨越的地方等等，校核时候很重要的一个参数就是热应力，因为管线是钢材的，它有一个特性就是热胀冷缩，根据最高温度和最低温度差，当热胀和冷缩的时候他有一个热应力，这时候我们就需要进行计算温度，为计算提供一个基础？的数据；同时根据温度可以选择绝缘层的材料，绝缘层材料是和温度有关系的，温度不同，对绝缘层的要求也不一样）。
一、公式推导由第二章稳定流动的气管能量方程（基础就是前面的三个方程）22V dQ d h sg ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭(流体与外界的换热量等于流体自身能量的变化）教材中推导时忽略了后两项一个是动能的变化，另一个是位能的变化。
由热力学第一定律，开口系统（闭口系统和开口系统，这个开口系统他有一个流动功pv ，）稳定过程的能量方程：公式中的h 、是指焓。
dpdQ dh vdp dh ρ=-=-dx 管段上，单位质量气体的热量变化等于焓增dh 减去vdp ，vdp 是气体膨胀功和推动功的代数和，即：211221pdv p v p v =-⎰dQ 包含了两个部分：与外界交换的热量和摩擦生热。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
11
T T0 TQ T0 e
ax
Di e
ax
x
0
dp ax e dx dx
为了简化，在式（5-4）中取 长是线性分布，则
dp pQ pZ L ，即认为压力沿管 dx
T T0 (TQ T0 )e
ax
Di
pQ pZ aL
1 e
23
内部放热系数1的值一般在50~400W/(m2·k)之间，要比外部放 热系数大一、二个数量级（地下管 2 =1.5~5W/(m2·k) ，地上 管 2 =5~20W/(m2·k) ）；况且钢管管壁的导热系数又很大。因 此，常用
式中
j 、 j ——绝缘层的厚度与导热系数。
1 j 1 K j 2
0
0
0
dp 0
，故
带入式（5-3）得
C TQ T0
ax
T T0 TQ T0 e
Di e
ax
x
0
dp ax e dx dx
（5-4）
8
该式为确定温度分布的基本方程。该方程的最后一项是考虑了焦耳-汤 姆逊效应而得出的。为了最后求解，还必须解决该项中的积分。根据 式（ 4-38），压力沿管长x的变化可写为
（5-9） 16
略去焦耳 -汤姆逊效应的影响，则
1 e aL Tpj T0 TQ T0 aL
（5-10）
从平均温度公式可知， T0愈高，Tpj也愈高。而计算输
气管流量时， Tpj愈高，流量就愈小，因此，应选择夏
季的 T0作为水力计算的依据。
Q C0
值可由附录一查得。故式（5-4）可写为
D T T0 TQ T0 e ax i 2
I
a
e
2 apQ ax I
ap 2 ap 2 Q Q ax （5-5） I I
2 2 ( pQ pZ ) D5
Z*TL
17
第三节 总传热系数
传热学告诉我们，管内气体与周围介质间的总传热系数可 由下列公式确定：
Di 1 ln n Di 1 1 1 （5-11） KD j 1 Dn i 1 2i 2 Dw
式中 K——总传热系数， W / m K
29
30
n i 1 1 1 K 1 i 1 i 2
——管材、绝缘层等的导热系数， W / m2 K ；
对于直径较大的管子，可近似认为
（5-12）
式中
i ——管壁、绝缘层等厚度，m。
19
内部放热系数 1 可根据下列准则方程求得
Nu 0.021Re0.8 Pr 0.43
1
第一节 输气管的温度分布
输气管的温度状态决定于气体运动的物理 条件，以及气体与周围介质的热交换。这些有
可以由能量方程确定。对于稳定流动，从式 （3-16）已知
dw ds dQ h dT h dp w g dx dx dx T p dx p T dx
（5-3）
dp ax Di e dx C dx
7
T T0 e
ax
dp ax D e dx C i dx
根据边界条件，当x=0时，T=TQ（起点温度），代入式（5-3） 可求得积分常数C
式中
0
TQ T0 Di dp C
时，可求得最低温度为
Tmin T0 Di
pQ pZ aL
若将 T=T0代入式（5-6），距离x=x0，即该点以后输气管的温度低 于周围介质温度。
1 aL TQ T0 x0 ln 1 a Di pQ pZ
(5-8)
15
第二节 输气管的平均温度
（5-13）
式中 N u——努谢尔数， Nu 1 Dn
，
Re —— 雷诺数；
Pr c p Pr ——普朗特数，
、c p、 ——平均温度下气体的动力粘度、定压比热和导热系
数。
20
外部放热系数 2 决定于管道铺设条件。地下管为
2
2t
2 2 H 2 H Dw ln 1 Dw Dw
合物有两种结构，低分子的气体（如 CH4， C2H6， H2S）
的水合物为体心立方晶格，较大的气体分子（如C3H8，
iC4H10）则是类似于金刚石的晶体结构。
25
26
27
28
2007年 5月 1日凌晨，国土 资源部中国地质 调查局在我国南 海北部成功钻获 天然气水合物实 物样品“可燃 冰”。
平均温度是水力计算的主要参数之一。求平均温度的原则
是输气管温降曲线与x轴所包的面积等于平均温度线与x轴所 包的矩形面积，故
由于式（5-5）内有概率积分函数，只能求数值解，不能求解析
解，故以式（5-6）代入得
T T0 (TQ T0 )e
ax
1 L Tpj Tdx L 0
Di
2 2 pQ pZ
p
2 pQ
令
2 2 I pQ pZ L
L
x
，得
dp I 2 dx 2 pQ Ix
9
所以
x
0
dp ax I x e dx dx 2 0
e ax
2 pQ Ix
dx
进行积分变换，令
Z
2 apQ
I
ax
当 x=0， Z=Z0
Z0
2
忽略高差和流速变化的影响，则得
dQ h dT h dp dx T p dx p T dx
（5-1）
h c p为气体的定压比热。同时 cp， 根据热力学知道 T p
在估计焦耳-汤姆逊效应的影响时，可认为焓h不变，故
2
1——管内气流至管内表面的放热系数， W / m2 K ；
Dj——确定总传热系数的计算管径，m； Dn——管内径，m；
18
；
Dw——管道的最外径，m； Di——管子、绝缘层等内径，m； Di+1——管子、绝缘层等外径，m；
i
2——管道外表面至周围介质的放热系数， W / m2 K 。
根据第三章定义，dQ为单位质量流量气体在长dx上的热损失，由传 热学可知
k D(T T0 ) dQ dx M
式中 K——总传热系数 ， W D——管径， m； T——管道的温度，K（或℃）； T0——管道周围介质的温度， K（或℃）； M——质量流量， kg ； /( m2 K )
s
。
第五章 输气管的热力计算
实际上长距离输气管的温度分布和水力计算中的假设 相反，几乎不存在等温流动。无论是气田的地层温度，或 是压缩机的出口温度，或是从净化厂出来的气体温度，一 般都超过输气管道埋置深度的土壤温度。气体在管道内流 动过程中温度逐步降低，在管道的末段趋近于甚至低于周 围介质的温度。 为此，必须了解输气管的温度分布，以便为水力计算 参数（ T、Z）的选取提供正确的基础。同时也为输气管的 强度计算和绝缘层的设计，以及为判断输气管水合物的形 成提供温度依据。
h h dh dp 0 dT T p p T
3
由此得
h h T p T p p T h
而
T Di ，即焦耳 -汤姆逊效应系数，故 p h
4
4
（5-16）
式中 C——管壁辐射系数，C≈4.4~5.5W/（m2·K4)； T ——管表面温度，K；
Ta ——空气温度，K。
22
对流放热系数
T Ta d 1.16 Dw
4
（5-17）
有风时，
2 可根据下式计算
（5-18）
2 11.6 7 w
式中 w——风速，m/s。
5
c p dT c p Di dp dQ
所以式（5-2）可写为
K D T T0 dx c p dT c p Di dp M
上式即为确定温度分布的能量方程。在该式两端除以
K D 并令 a Mc p
整理后得
c p dx ，
d T T0 dp a T T0 Di dx dx
条件下，输气管的a值大很多，温降比输油管快得多，温
降曲线较陡。
13
Tpj T0 Tmin TZ
图5-1 温降曲线 1-输油管；2-输气管
14
T T0 (TQ T0 )e
ax
Di
pQ pZ aL
1 e
ax
式（ 5-7）表明，当x 时， T T0，即温度不低于周围介质 的温度。若考虑了焦耳-汤姆逊效应，输气管的温度则可能低于周围 介质温度，这也符合实际情况。根据式（5-6），当x
实际计算时，干线输气管上可取 Di 2.5 ~ 3 0 C MPa 。计算
结果表明，式（5-5）与（5-6）基本一致，相差不超过 1℃，要求较高时可用公式（5-5），一般则用公式（56），甚至公式（5-7）。