第九章 输气管道的水力计算
《管道的水力计算》PPT课件
（1）按ΣQi=0分配流量 从A点和最远点F点分配，可假设
（2）计算各管段损失并填表 注意正负号 hi SiQi2
（3）计算校正流量ΔQ
注意公共段CD
环网计算表
环 管 假定流
路 段 量Qi
Si
管段校 校正后 校正后
hi
hi /Qi
ΔQ
正流量 的流量Qi 的hi
AB +0.15 59.76 +1.3346 8.897
vB2 2g
zA
zB
pA pB
g
v
2 A
2g
1 vB2Biblioteka 2gH0——作用水头
H0
1
vB2 2g
流速
vB
1
1
2gH0 2gH0
对锐缘进口的管嘴，ζ=0.5， 1 0.82
1 0.5
流量 Q vB A A 2gH0 A 2gH0
Qi 0 b.由流量确定各管段管径
d 4Qi ve
ve——经济流速（规范要求）
c.由控制线确定作用压力
p pi pc Spi Qi2 pc 或 H hi hc Shi Qi2 hc
d.阻力平衡，调整支管管径
（2）管网布置和作用压力已定，求di——校核计 算，扩建管网
短管的作用水头
H0
1
l d
v2 2g
1→突扩ζ=1，H0→H
H l v2
d 2g
v2
4Q
d
2
2
代入，得
城市燃气输配燃气管网水力计算
P＝P( x, )
＝ ( x, )
＝ ( x, )
解决问题的思路：
为了求得P、ρ及W必须借助于三个方程：
运动方程
连续性方程
状态方程
两点说明：
管道内燃气的流动为一维流动；
管道内燃气的流动为等温流动。
（一）、运动方程
物体动量的改变等于作用于该流体上所有力的冲量之和
dI N i d
燃气管道阻力损失计算图表
计算示例 附加压头 局部阻力
一、低压燃气管道水力计算公式
P
Q0 T 1.13 10 0 4 L d T0
10
层流区(Re<2100)： 临界区(Re=2100~3500) 紊流区(Re>3500)
4 2 11 . 8 Q 7 10 d Q P T 0 0 1.88 106 1 23.0Q 1 105 d d 5 0 T L 0 0
2 L 3； Q 16 T Z d 管道内径， m ； ρ -----燃气的密度， kg/Nm 0 0 PdP 5 0 P0 dx 2 P 0 1 T Z 2 d 0 0 P 标准大气压，P =101325 Pa； T 燃气绝对温度，K； P2
0
1
T0燃气标准状态绝对温度，T0=273K；Z压缩系数，K； Z0标准状态下的压缩系数； L 管道长度，m；
i
I
Ni d
—微小体积燃气动量的向量 —作用力冲量的向量
1、动量的变化
动量随时间的变化：
指气体微元Fdx，由于在dτ时间内过程的不稳定所发生的改 变量，可表示为：
[( Fdx )W ] ( W ) d Fdxd
低压燃气管道水力计算公式
低压燃气管道水力计算公式-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1燃气管道输送水力计算一、适用公式燃气的管道输配起点压力为10KPa，按《城镇燃气设计规范》，应纳入中压燃气管道的范围。
但本设计认为，虽然成套设备的输出压力为10KPa，出站后，压力即降至10KPa以下。
整个管网系统都在10KPa以下的压力状态下工作，因此，在混空轻烃管道燃气输配过程的水力计算，应采取低压水力计算公式为宜。
二、低压燃气管道水力计算公式：1、层流状态 R e≤2100λ＝64/R e R e＝dv/γΔP/L＝×1010（Q0/d4）γρ0（T/T0）2、临界状态 R e＝2100~3500λ＝＋（R e－2100）/（65 R e－1×105）ΔP/L＝×106［1＋（ Q0－7×104dγ）/（－1×105dγ）］（Q02/d5）ρ0（T/T0）3、紊流状态 R e≥35001）钢管λ＝［（Δ/d）＋（68/ R e）］ΔP/L＝×106［（Δ/d）＋（dγ/ Q0）］（Q02/d5）ρ0（T/T0）2）铸铁管λ＝［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］ΔP/L＝×106［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］（Q02/d5）ρ0（T/T0）注：ΔP——燃气管道的沿程压力降（Pa） L——管道计算长度（m）λ——燃气管道的摩阻系数 Q0——燃气流量（Nm3/h）d——管道内径（mm）ρ0——燃气密度（kg/Nm3）γ——0℃和时的燃气运动粘度（m2/s）Δ——管壁内表面的绝对当量粗糙度（mm） R e——雷诺数T——燃气绝对温度（K） T0——273Kv——管内燃气流动的平均速度（m/s）（摘自姜正侯教授主编的《燃气工程技术手册》——同济大学出版社1993版P551）二、燃气的输配工况条件起点压力——10KPa 最大流速——10m/s燃气密度——Nm3（20℃和浓度20%时）纯轻烃燃气运动粘度——×10－6m2/s（0℃和时）燃气运动粘度——×10－6m2/s（0℃和时）三、钢管阻力降的计算与查表结果注：1、——*因计算数据与实际数据误差过大，已无计算、列表的必要。
关于长输天然气管道水力计算的分析
2018年06月关于长输天然气管道水力计算的分析刘燕宁（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010）摘要：在天然气管道建设过程中，管道水力计算是一项重要环节，只有准确计算管道水力相关参数，才能够确保管道建设质量。
本文主要结合实际分析了长输天然气管道水力计算的相关问题，希望有助于促进我国天然气管道建设的进步。
关键词：长输天然气管道；水力计算；水力摩阻系数；输气管流量；物性参数管道水力计算是长输天然气管道建设过程中的一项关键性任务，只有经过科学计算后得出准确的管道水力参数，再以此为依据进行长输天然气管道建设，才能够确保管道建设质量。
以下笔者就结合实际，来谈谈长输天然气管道水力计算的相关问题，仅供参考。
1水力摩阻系数计算天然气管道工艺设计计算的准确性，直接影响着管道工程建设质量。
有些时候，即使只是一点细微的误差，都有可能会引起重大质量安全问题，从而不但增加了管道建设成本，更威胁到人们的生命财产安全。
对于天然气管道而言，天然气流态、管道的粗糙程度等因素，都会对其管流产生很大的影响。
在此背景下，一些发达国家基于尼古拉兹试验、普朗特理论、阔尔布鲁克公式等，以雷诺数与管壁粗糙程度作为变量，提出了几种水力摩阻系数计算公式。
根据雷诺数的不同划分天然气管道内流动流体的流态，可以将之分为三类，分别是：层流区、临界区、紊流区（又包括阻力平方区、水力光滑区、混合摩擦区）。
一般情况下，对于长输天然气管道而言，其中流体的流态主要以紊流区的阻力平方区为主，因此，在长输天然气管道建设过程中，应当采用有效的阻力平方区摩阻系数公式来计算其水力摩阻系数。
具体来说，常用的阻力平方区摩阻系数公式有：①威莫斯公式：λ=0.009407D 13。
根据有关研究显示，威莫斯公式一般适用于当天然气管道管径在280-500mm ，且管壁较为粗糙时的阻力平方区摩阻系数计算，而若管壁粗糙程度＜1/1000时，应用该公式得出的计算结果往往会偏小。
②潘汉德尔A 式：λ=0.08472Re -0.1461。
管道输气能力理论计算
管道输气能力理论计算管道输气能力是指管道在一定的压力、温度和流量条件下，所能输送的天然气或其他气体的最大量。
管道输气能力的理论计算依赖于流体力学和热力学原理，以及管道的几何特征、材料性质等因素。
以下是关于管道输气能力理论计算的一些主要内容。
首先，管道输气能力的计算需要确定流体的压力、温度和密度等参数。
在计算之前，需要根据设计要求和现场实际情况确定管道的内径、长度、输送气体的物理性质以及管道的工作条件等参数。
其次，根据流体力学原理，可以利用连续方程和能量方程来计算管道内气体的速度和压力变化。
连续方程用来描述流体的连续性原理，即单位时间内流过管道截面的质量必须相等。
能量方程则用来描述气体的能量变化，包括气体的压力、温度和速度等参数的关系。
通过连续方程和能量方程的计算，可以得到管道内气体的流速、压力分布和温度分布等参数。
根据这些参数可以进一步计算输气能力。
然后，根据管道的几何特征和气体的流动性质，可以采用一些经验公式或者理论模型来计算管道的输气能力。
其中最常用的是Colebrook公式和Weymouth公式。
Colebrook公式用来计算流体在光滑管道中的摩擦阻力系数，该公式基于实验数据和经验关系，可以准确地计算管道内气体的摩擦阻力。
根据Colebrook公式，可以计算出管道的摩擦系数，并据此计算管道的压力损失。
Weymouth公式是一种经验公式，可以用于计算管道中天然气的流量和压力降。
该公式基于气体的流动特性和管道的几何参数，根据Weymouth公式可以计算出管道的流量系数和压力降。
利用上述公式和模型，可以计算出管道的输气能力，即单位时间内通过管道的气体质量或体积。
除了上述方法，还可以采用数值模拟方法，如计算流体力学（CFD）方法来计算管道的输气能力。
CFD方法可以更准确地模拟管道内气体的流动和压力变化，从而得到更准确的输气能力计算结果。
总之，管道输气能力的理论计算是一个复杂的过程，需要考虑诸多因素，如管道的几何特征、气体的物理性质、流体力学原理等。
低压燃气管道水力计算公式
燃气管道输送水力计算一、适用公式燃气的管道输配起点压力为10KPa，按《城镇燃气设计规范》，应纳入中压燃气管道的范围。
但本设计认为，虽然成套设备的输出压力为10KPa，出站后，压力即降至10KPa以下。
整个管网系统都在10KPa以下的压力状态下工作，因此，在混空轻烃管道燃气输配过程的水力计算，应采取低压水力计算公式为宜。
二、低压燃气管道水力计算公式：1、层流状态 Re≤2100λ＝64/Re Re＝dv/γΔP/L＝1.13×1010（Q0/d4）γρ0（T/T0）2、临界状态 Re＝2100~3500λ＝0.03＋（Re －2100）/（65 Re－1×105）ΔP/L＝1.88×106［1＋（11.8 Q0－7×104dγ）/（23.0Q－1×105dγ）］（Q02/d5）ρ（T/T）3、紊流状态 Re≥35001）钢管λ＝0.11［（Δ/d）＋（68/ Re）］0.25ΔP/L＝6.89×106［（Δ/d）＋192.26（dγ/ Q0）］0.25（Q2/d5）ρ（T/T）2）铸铁管λ＝0.102［（1/d）＋4960（dγ/ Q）］0.284ΔP/L＝6.39×106［（1/d）＋4960（dγ/ Q0）］0.284（Q02/d5）ρ0（T/T0）注：ΔP——燃气管道的沿程压力降（Pa） L——管道计算长度（m）λ——燃气管道的摩阻系数 Q——燃气流量（Nm3/h）d——管道内径（mm）ρ——燃气密度（kg/Nm3）γ——0℃和101.325kPa时的燃气运动粘度（m2/s）Δ——管壁内表面的绝对当量粗糙度（mm） Re——雷诺数T——燃气绝对温度（K） T——273Kv——管内燃气流动的平均速度（m/s）（摘自姜正侯教授主编的《燃气工程技术手册》——同济大学出版社1993版P551）二、燃气的输配工况条件起点压力——10KPa 最大流速——10m/s燃气密度——1.658kg/Nm3（20℃和浓度20%时）纯轻烃燃气运动粘度——1.92×10－6m2/s（0℃和101.325kPa时）燃气运动粘度——11.1×10－6m2/s（0℃和101.325kPa时）三、钢管阻力降的计算与查表结果注：1、——*因计算数据与实际数据误差过大，已无计算、列表的必要。
气体管网水力特征与水力计算
压力容器或上级管网。
与环境交界面的压力；
流体机械提供的压力。 作用点在环路的一个“断面”位置，作用于整个 环路，作用于共用管段时，则共用该管段所有环 路受到全压相同。 将回路中的压力叠加 。压力作用力有方向性，当 其方向与回路方向一致时取正值，反之取负值。
2.2 管网水力工况分析理论基础
PG g ( H 起点 H终点 )
2.2 管网水力工况分析理论基础
叠加闭合回路中所有段落的重力作用力，得到该 回路沿规定回路方向的总重力作用力。 重力作用力值为正，表明该回路中重力作用力推 动规定回路方向的流动；其值为负，阻碍规定回 路方向的流动。
2.2 管网水力工况分析理论基础
p
q1
pq 2
H1
g (
a
)dH p p1 2
气体管流水力特征综合概括，适用于重力流、压 力流及二者综合作用的性况。
2.2 管网水力工况分析理论基础
在管网的任意闭合回路中，驱使流体流动 的动力与流动的阻力相平衡。
P P P G q
独用管段与共用管段
通路一：1-3-5-6-7 通路二：2-3-5-6-7
通路一、二：管段1、2分别为的独用管段，管段 3-5-6-7为两个通路的共用管段。
2.2 管网水力工况分析理论基础
水力计算的本质：
水力计算即将资用压力分配到环路管段。
与最不利环路的共用管段的资用压力，由 最不利环路资用动力分配确定。 任意环路只在独有管路上有分配资用压力 的自由。
2.2 管网水力工况分析理论基础
环路独用管段资用压力分配方法：
共用管路的资用压力等于共用管路的流动阻力 ΔPg。 独用管路的资用压力Pd=PzbL- ΔPg 。 按确定的方案将Pd分配给独用管路的每一段管 路。
输气管道水力等计算公式(输气管道设计与管理)
潘汉德 注：该式适用于管径从168.3mm到610mm，雷诺数范围从 尔A式 14×106的天然气管道 潘汉德 注：该式适用于管径大于610mm的天然气管道 尔B式
λ= 0.008159
m /s 0.0000109 (Ns)/m2 0.44 16 m m3/s
2
三个公式可任选一个,其中二式用 三式用的是体积流量）
第一边界雷诺数 Re1= 第二边界雷诺数 Re2=
2174.974 3210493
前苏联取k=0.03mm，我国常取
输量不大、净化程度较差
雷诺数范围从5×10 到
6
的天然气管道
管壁的当量粗糙度
k=
0.00005 m
水力摩阻系数λ 水力摩阻系数λ的计算
1、光滑区 2、混合摩擦区 λ= 0.009146 λ= 0.012997 或 0.011836166
λ= 0.012368
威莫斯 注：此公式取k=0.mm，适用于管径小、输量不大 的矿区集气管网 公式
3、阻力平方区
λ= 0.009436
雷诺数
Re=
0
0
33307000﹤Re﹤Re1 Re﹥3000 流态为紊流 Re1﹤Re﹤Re2 Re﹥Re2 流态判断 光滑区 混合摩擦区 阻力平方区 阻力平方区 注：目前美国取k=0.02mm， 0.05mm 第一边界雷诺数 第二边界雷诺数
计算雷诺数
气体流速 气体密度 气体相对密度 v= ρ= △= 0.65 1.206 kg/m3 kg/s （含推导过程，三个公式可任选一个 的是质量流量，三式用的是体积流量 m/s kg/m3 气体运动粘度 气体动力粘度 管道内径 ν= = D=
空气密度（标况） ρa= 输气管道质量流量 M=
输气管道流量（标况） Q=
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2
令
2g a ZRT
16 ZRT b 2 D5
M
Q Z
4
ZRTL
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。
Q M / 0
0 P0 / Z 0 RT0
标标准状态下Z0=1，所以 0 P0 / RT0
4
第九章 输气管道的水力计算
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
dx
得：
bM 2 aS dP 2 P 2 L P dx
令：
aS 2 bM 2 P dP S 2 LP a L
PdP aS dx 2L bM 2 P2 S a L
bM 2 E S a L
5
第九章 输气管道的水力计算
9.2地形起伏地区输气管道的基本公式 9.9.1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： dP dx v 2 S 将状态方程和上述两式代入，得 gdS dS dx
D 2
L
v M / A
0.5
公式分析： ( PQ2 PZ2 ) D 5 QC 1）对比平坦地区输气管道 ZTL 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。
13
第九章 输气管道的水力计算
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。
2 2
由此得到输气管道质量流量计算公式。
3
第九章 输气管道的水力计算
质量流量计算公式：
M [
2 ( PQ PZ2 ) A2
ZRT (
P L 2 ln Q ) D PZ
]0.5
4
[
2 ( PQ PZ2 ) D 4
ZRT (
P L 2 ln Q ) D PZ
]0.5
对于长距离输气管道可以忽略速度变化对流量的影 响，即： 2 2 5 (P P )D
a(S3 S 2 S1 ) a(S3 S 2 S 2 S1 S1 SQ ) a(S3 SQ )
因此上述一系列公式变为：
P P e
2 Q 2 a ( S1 SQ ) 1
e 1 Q 1 bM L1 a ( S1 S Q )
2Leabharlann a( S S )Re 1 Re<2000,层流； 3/ 7 2k Re>3000,紊流 D 其中：3000<Re<Re1,水力光滑区； Re1 <Re< Re2, 混合摩擦区； Re2<Re，阻力平方区 59.7 2k Re 2 11 D
1 .5
15
第九章 输气管道的水力计算
DN>899 E=0.91 ～0.94
Q
r
17
第九章 输气管道的水力计算
9.3 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。 vD 4Q 4M 4 a Q Re 9.3.1雷诺数 D D D 9.3.2流态的判断
2
aS
x L
)
1 e aS bM L( ) aS
e aS 1 P P e bM L( ) aS 1 e aS 2 aS 2 2 PQ e PZ bM L( ) aS
2 Q 2 aS Z 2
aS
S 0 时即为水平输气管道的计算公式,将 e
a PQ2 PZ2 (1 aS ) bM 2 {( L1 L2 LZ ) [(S1 S Q ) L1 ( S 2 S1 ) L2 ( S Z S Z 1 ) LZ ] 2 a n 2 bM L 1 (S i S i1 ) Li 2 L i 1
油气管道输送课程
第二部分
输油管道设计与管理
第九章 输气管道的水力计算
2009-02-17
第九章 输气管道的水力计算
本章的主要内容 9.1平坦地区输气管道的基本公式
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。 由稳定流动的运动方程： 有：
aS ) 2
8
第九章 输气管道的水力计算
9.9.2 沿线地形起伏的影响 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。
2 PQ e aS
1 e aS PZ2 bM 2 L( ) aS
9
第九章 输气管道的水力计算
9.9.2 沿线地形起伏的影响 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。
[ PQ2 PZ2 (1 aS )]D 5 Q C ZTL 1 a (Si Si1 ) Li 2L
0.5
14
第九章 输气管道的水力计算
9.3 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。 vD 4Q 4M 4 a Q Re 9.3.1雷诺数 D D D 9.3.2流态的判断
3
0.009407
4）前苏联早期公式 5）前苏联近期公式
（4）紊流区通用公式
2k D 0.2 2k 0.067 D k 1 2.51 2 lg 3.7 D Re
1 11 .81 Re 0.1461 1 68.03 Re 0.0392 0.4
2 PQ e aS
1 e aS PZ2 bM 2 L( ) aS
10
第九章 输气管道的水力计算
对上述方程依次乘以 e aS ，e a( S S ) ，……，并考虑到 ：
1
2 1
aS1 a(S1 SQ )
a(S 2 S1 ) a(S 2 S1 S1 SQ ) a(S 2 SQ )
2 Q 2 aS Z Z 2
因此：
e aSZ 1 aSZ 1 a(S Z SQ ) 1 aS
(aSi ) 2 (aSi 1 ) 2 1 aSi [1 aSi 1 ] e aSi e aSi 1 a 2 2 1 ( S i S i 1 ) a( S i S i 1 ) a( S i S i 1 ) 2
以上各式相加，并考虑到 SQ=0：
e aS1 e aSQ e aS 2 e aS1 e aS Z e aS Z 1 P P e bM L1 L2 LZ a( S1 SQ ) a( S 2 S1 ) a( S Z S Z 1 ) (aS) 2 (aS) 3 aS 另外，由于 e 1 aS 2! 3!
……………………………
P e
a ( S Z 1 S Q ) 2 Z 1
e 2 a(S3 S2 )
a( S SQ )
P e
2 a ( S Z SQ ) Z
bM LZ
2
e
a( S Z SQ )
e Z 1 a(SZ SZ 1 )
a( S
SQ )
11
第九章 输气管道的水力计算
MZRT 4 MZRT PA D 2 P
图2-1 同一坡度输气管道
ZRT 16 MZRT S dP dx dx g P 2D 2 D 4 P L
2
dx v 2 g sin dx D 2 dP
6
第九章 输气管道的水力计算
两边同时除
R a 1 Ra 0
0 P0 / RaT0
( P 2 PZ2 ) D 5 Q
所以 令：
Q
C
T0 Ra
4 P 0
Ra P0
ZTL
( PQ2 PZ2 ) D 5
T0
4
则得到体积流量计算公式：
QC
ZTL
不同的量纲得到不同的Ｃ值，计算时应特别注意。
则：
Px
PQ
x aS 2 PdP dx 2 0 P E L
x ln 2 aS Px E L
7
2 PQ E
第九章 输气管道的水力计算
整理化简后得：
Px2 PQ2 e
x aS L
当x=L时：
P P e
2 Z 2 aS Q
1 e bM 2 L( aS
P e
2 a ( S1 SQ ) 1
P e
2 a ( S 2 SQ ) 2
bM L2
2
e
a ( S 2 SQ )
e 1 a(S 2 S1 )
a ( S SQ )
Pe
2 a( S 2 SQ ) 2
P e
2 a ( S3 SQ ) 1
bM L3
2
e
a ( S3 SQ )
12