水力計算教材

燃氣工程庭院戶內水力計算重慶市川東燃氣工程設計研究院齊海鷗2010.01一、水力計算基礎知識水力計算的目的：樹立“成本意識”，合理的確定管網(wǎng)的管徑、流量、壓力（壓力降）。由于項目公司所做設計多為小區(qū)內的燃氣管道，因此這里主要介紹小區(qū)庭院燃氣管道水力計算、戶內燃氣管道水力計算、商業(yè)用戶燃氣管道水力計算。1、水力計算步驟（1）選擇一條最不利管路（離已知壓力點最遠的一條管路），標好節(jié)點及管道長度；（2）確定節(jié)點流量；（3）初選管徑，再進行校核并修改；（4）完善水力計算圖（標管徑，壓力降，節(jié)點壓力）。2 、水力計算的基本公式（1）總壓力降=局部壓力降+沿程壓力降（簡化計算：總壓力降=1.051.1倍沿程壓力降）（2）壓力降計算公式：A、低壓管道計算公式 B、中壓管道計算公式 C、速度控制低壓管道流速控制在5m-8m（經濟流速為6m）,中壓管道流速控制在10-16m。3、燃氣小時計算流量的確定燃氣管道及設備的通過能力都應按燃氣計算月的小時最大流量進行計算。小時計算流量的確定，關系著燃氣輸配系統(tǒng)的經濟性和可靠性。確定燃氣小時計算流量的方法有兩種：不均勻系數(shù)法和同時工作系數(shù)法。（1）不均勻系數(shù)法適用于城鎮(zhèn)燃氣分配管道計算流量，對于整個城市管網(wǎng)的水力計算一般用此方法。計算公式如下：Qh（1n）Qa 式中： Qh 燃氣小時計算流量（m3h）；Qa 年燃氣用量（m3a）；n 燃氣最大負荷利用小時數(shù)（h）；其值 n（36524）KmKdKhKm月高峰系數(shù)。計算月的日平均用氣量和年的日平均用氣量之比；Kd日高峰系數(shù)。計算月中的日最大用氣量和該月日平均用氣量之比；Kh小時高峰系數(shù)。計算月中最大用氣量日的小時最大用氣量和該日小時平均用氣量之比；居民生活和商業(yè)用戶用氣的高峰系數(shù)，應根據(jù)該城鎮(zhèn)各類用戶燃氣用量（或燃料用量）的變化情況，編制成月、日、小時用氣負荷資料，經分析研究確定。當缺乏用氣量的實際統(tǒng)計資料時，結合當?shù)鼐唧w情況，可按下列范圍選用。月高峰系數(shù)取1.11.3；日高峰系數(shù)取1.051.2；小時高峰系數(shù)取2.23.2。工業(yè)企業(yè)和燃氣汽車用戶燃氣小時計算流量，宜按每個獨立用戶生產的特點和燃氣用量（或燃料用量）的變化情況，編制成月、日、小時用氣負荷資料確定。采暖通風和空調所需燃氣小時計算流量。可按國家現(xiàn)行的標準城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范CJJ34有關熱負荷規(guī)定并考慮燃氣采暖通風和空調的熱效率折算確定。（2）同時工作系數(shù)法在設計庭院燃氣支管和室內燃氣管道時，燃氣的小時計算流量，應根據(jù)所有燃具的額定流量及其同時工作系數(shù)確定。計算公式如下： QhKt（KNQn） （公式1）式中 Qh 燃氣管道的計算流量（m3h）； Kt 不同類型用戶的同時工作系數(shù)；當缺乏資料 時，可取Kt1； K 燃具同時工作系數(shù)，居民生活用燃具可按表1確定，商業(yè)和工業(yè)用燃具可按加熱工藝要求確定； N 同一類型燃具的數(shù)目； Qn 燃具的額定流量（m3h）。 居民生活用燃具的同時工作系數(shù) K 表1同類型燃具數(shù)目N燃氣雙眼灶燃氣雙眼灶和快速熱水器同類型燃具數(shù)目N燃氣雙眼灶燃氣雙眼灶和快速熱水器11.001.00400.390.1821.000.56500.380.17830.850.44600.370.17640.750.38700.360.17450.680.35800.350.17260.640.31900.3450.17170.600.291000.340.1780.580.272000.310.1690.560.263000.300.15100.540.254000.290.14150.480.225000.280.138200.450.217000.260.134250.430.2010000.250.13300.400.1920000.240.12二、庭院燃氣管道水力計算1、低壓燃氣管道的基本計算公式（單位長度的摩擦阻力損失）低壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力損失應按下式計算： 6.26107 （公式2）式中 P燃氣管道摩擦阻力損失（Pa）；燃氣管道摩擦阻力系數(shù)；計算方法如下公式3-公式6計算。L燃氣管道的計算長度（m）；Q燃氣管道的計算流量（m3/h）；d管道內徑（mm）；燃氣的密度（kg/m3）；T設計中所采用的燃氣溫度（K），本設計中取燃氣溫度為15；T0273.15（K）；不同流態(tài)下，摩擦阻力系數(shù)值不同，計算公式如下：層流狀態(tài)（Re3500）： 鋼管 （公式5）鑄鐵管 （公式6） 式中 燃氣管道摩擦阻力系數(shù)；Re雷諾數(shù)，d為管道內徑（m），為管道斷面的平均流速（m/s），d管道內徑（mm）；Q燃氣管道的計算流量（m3/h）；燃氣的運動粘度（m2/s）；管壁內表面的當量絕對粗糙度，對鋼管：輸送天然氣和氣態(tài)液化石油氣時取0.1；輸送人工煤氣時取0.15。 對于庭院燃氣管道，燃氣在管道中的運動狀態(tài)絕大多數(shù)在紊流過渡區(qū)，因此一般取，相應的單位長度的摩擦阻力損失計算公式為：6.9106 （公式7）2、低壓燃氣管網(wǎng)壓降及壓降分配（1）城鎮(zhèn)低壓燃氣管道從調壓柜到最遠端燃具的管道允許阻力損失城市燃氣管網(wǎng)與用戶的連接有兩種方法：一、通過用戶調壓器與燃具連接，這樣管網(wǎng)中壓力的波動不影響用戶處的壓力，燃氣具就能在恒定壓力下工作；二、用戶直接與低壓管網(wǎng)相接，這樣，隨著管網(wǎng)中流量的變化和壓力的波動，燃具前的壓力也隨之變化。為了滿足燃具燃燒的穩(wěn)定性和良好的運行工況，應控制燃具前的壓力波動范圍。在計算工況下，管網(wǎng)的計算壓力降就等于燃具壓力的最大波動范圍：一般民用燃具的正常工作可允許其壓力在50%范圍內波動，但考慮到高峰期一部分燃具不宜在過低的負荷下工作，因此，取最小壓力系數(shù)K2=0.75，最大壓力系數(shù)K1=1.50。這樣，低壓燃氣管網(wǎng)（包括庭院和室內管）總的計算壓力降可確定為：（不包括煤氣表）按最不利情況即當用氣量最小時，靠近調壓柜的最近用戶處有可能達到壓力的最大值，但由調壓柜到此用戶之間最小仍有約150Pa的阻力（包括煤氣表阻力和干支管阻力），故低壓燃氣管道（含室內和庭院管）總的計算壓力降最少還可以加大150Pa。則燃氣低壓管道從調壓柜到最遠燃具的管道允許阻力損失，可按下式計算：式中 從調壓柜到最遠燃具的管道允許阻力損失（Pa）； 低壓燃具的額定壓力（Pa）。注：含室內燃氣管道允許阻力損失。根據(jù)上式，推算出低壓燃氣管道允許總壓降如下表2所示。 低壓燃氣管道允許總壓降 表2壓力（Pa）天然氣燃具額定壓力2000燃具前最大壓力20001.5=3000燃具前最小壓力20000.75=1500區(qū)域調壓柜出口最大壓力3000+150=3150允許總壓降3150-1500=1650低壓燃氣管道允許總壓力降的分配按城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范（GB50028-2006）（281頁）的推薦值，如下表3： 低壓燃氣管道允許總壓力降的分配 表3 天燃氣灶具額定壓力總壓力降街區(qū)單層建筑多層建筑庭院室內庭院室內200016501050300300200400如果調壓箱出口壓力調到3000Pa，則庭院的最大壓力降為3000-1500-400=1100Pa；庭院的額定壓力降為3000-2000-400=600Pa。即：庭院壓力降范圍P=600Pa1100Pa。室內管道壓力損失300-400Pa，假定調壓柜出口3000（2800）Pa，灶具額定壓力2000Pa。庭院總壓力損失3000（2800）-2000-300（400）=700（400）Pa。因此，總壓力損失在400-700之間是合理的，大于700，管徑偏小，小于400，管徑偏大。以總壓降與允許的計算壓力降比較，如不合適需要改變個別管段的管徑。 公共建筑和工業(yè)企業(yè)專用調壓站出口最大壓力由燃燒器具工藝而定。 當由小區(qū)內直接調壓時，燃氣管道允許的阻力損失應保證最不利點（包括最近端和最遠端及特殊點）處的燃具在其最低和最高使用壓力之間正常工作。2、節(jié)點流量的計算在枝狀管網(wǎng)中節(jié)點流量即從該節(jié)點流出的燃氣流量，節(jié)點流量等于該節(jié)點后管段的計算流量，即：Qn=Qnn+1。詳細算法詳見例題。3、節(jié)點壓力的計算節(jié)點壓力即為沿燃氣流動方向上該節(jié)點上一節(jié)點與該節(jié)點前管段壓降之差。詳細算法詳見例題1。例題1： 圖1 庭院燃氣管道水利計算圖下面以圖1為例詳細說明一下庭院燃氣管道水力計算的做法，主要包括管段壓力降的計算、節(jié)點流量的計算和節(jié)點壓力的計算。1、管段壓力降的計算計算可按下述步驟進行：（1）首先選取最不利管路（一般選最長的管路），將各管段按順序編號，凡是管徑變化或流量變化處均應編號。（2）求出各管段的額定流量Qn，由Qn及各管段供氣的用具同時工作系數(shù)值K可求得各管段的計算流量值Q。庭院燃氣管道燃氣小時計算流量采用同時工作系數(shù)法，計算公式用公式1。（3）根據(jù)各管段的計算流量Q以及預選的管徑d確定單位長度的摩擦阻力損失。低壓燃氣管道單位長度的摩擦阻力損失應按公式2公式7計算。（4）根據(jù)已知管段長度和步驟（3）所計算的單位長度的摩擦阻力損失可求得管段壓力降=L。結合上述步驟，以管段1-2為例計算管段流量，管段1-2所帶用戶數(shù)為216戶。每戶燃具的額定用氣量為：燃氣灶取1.0Nm3/h臺，家用燃氣熱水器取1.1 Nm3/h臺，即Qn=1.0+1.1=2.1 Nm3/h臺。由表1線性插值查得，216戶用戶燃氣雙眼灶和快速熱水器同時工作系數(shù)為K=0.158，將Qn、K帶入公式1得：Q1-2Kt（KNQn）=1.00.1582162.1=71.67Nm3/h管段1-2是預選管徑dn63 SDR11系列PE100材質的聚乙烯管，則管道內徑為：d=dn-2=63-2=51.5mm本例題中取=0.75kg/m3；=14.0210-6m2/s，將其帶入公式7，則該管段單位長度的摩擦阻力損失為： 6.9106（+192.2）0.25=6.9106（+192.2）0.250.75=19.31Pa/m根據(jù)上面的計算=19.31Pa/m，已知管段1-2的長度L=2m，則：=L=19.312=36.63Pa對于管段2-3，所帶用戶數(shù)為44+58+42+12+20=176戶，由表1線性插值查得176戶同時工作系數(shù)為K=0.162，將Qn、K帶入公式1，得：Q2-3Kt（KNQn）=1.00.1621762.1=59.88Nm3/h管段2-3同管段1-2是預選管徑dn63 SDR11系列PE100材質的聚乙烯管，管道內徑d=51.5mm，則：6.9106（+192.2）0.25=6.9106（+192.2）0.250.75=13.80Pa/m已知管段2-3的長度L=6m，則：=L=13.806=82.80Pa將其列入表4中。同理，可求得其他管段的壓降，如表4所示： 庭院燃氣管道水利計算表 表4用戶戶數(shù) 對應K值流量管徑修正管徑比壓降 （P/l）管長m壓降P122160.15871.676351.500019.31238.63231760.16259.886351.500013.80682.80341320.16746.296351.50007.681746.0545740.17326.886351.50002.951650.0956320.18812.636351.50000.781912.51合計230.08修正水力損失276.10一般取壓力修正系數(shù)可取1.2，最后的修正壓力損失為1.2230.08=276.10Pa。2、節(jié)點流量的計算在枝狀管網(wǎng)中節(jié)點流量即從該節(jié)點流出的燃氣流量，節(jié)點流量等于該節(jié)點后管段的計算流量，即：Qn=Qnn+1如圖1所示，則各節(jié)點流量為：Q1= Q1-2=1.00.1582162.1=71.67Nm3/hQ2= Q2-3=1.00.1621762.1=59.88Nm3/h同理Q3= Q3-4=46.29Nm3/hQ4= Q4-5=26.88Nm3/hQ5= Q5-6=12.63Nm3/hQ6= 1.00.188322.1=12.63Nm3/h3、節(jié)點壓力的計算節(jié)點壓力即為沿燃氣流動方向上該節(jié)點上一節(jié)點與該節(jié)點前管段壓降之差，調壓箱位置的節(jié)點壓力已知，在本例題中，調壓箱出口壓力為2800Pa，即節(jié)點1的節(jié)點壓力為2800Pa，則節(jié)點2的節(jié)點壓力為節(jié)點1的節(jié)點壓力與管段1-2的管段壓降之差，節(jié)點3的節(jié)點壓力為節(jié)點2的節(jié)點壓力與管段2-3的管段壓降之差以此類推：P1=3000PaP2=P1-P1-2=2800-38.63=2761.37PaP3=P2-P2-3=2761.37-82.80=2678.57PaP4=P3-P3-4=2678.57-46.05=2632.52PaP5=P4-P4-5=2632.52-50.09=2582.43PaP6=P5-P5-6=2582.43-12.51=2569.92Pa三、戶內燃氣管道水力計算1、計算方法：戶內燃氣管道壓力降P = 管段壓力降 + 燃氣表壓力降 附加壓力管段壓力降 = 沿程壓力降 + 局部阻力2、管段壓力降計算 方法一：計算局部阻力損失法當燃氣流經三通、彎頭、變徑管、閥門等管道附件時，由于幾何邊界的急劇改變，燃氣流線的變化，必然產生額外的壓力損失，稱之為局部阻力損失。在進行城市燃氣管網(wǎng)水力計算時，管網(wǎng)的局部阻力損失一般不逐項計算，可按燃氣管道摩擦阻力損失的5%-10%進行估算。對于街坊內庭院管道和室內管道，由于管道附件較多，壓力損失主要消耗在局部阻力損失，常需要按下式逐一計算。Pj0 (公式8)式中 Pj局部阻力的壓力損失（Pa）；計算管段中局部阻力系數(shù)的總和（局部阻力系數(shù)可由表5查得）；W管段中燃氣流速（m/s）；0燃氣的容重（kg/Nm3）。管段壓力降PPl+Pj（Pl沿程壓力降，計算方法如公式2） 方法二：當量長度計算法局部阻力損失一般用當量長度來計算，各種管件折成相同管徑管段的當量長度L2。則管段的計算長度L等于管段實際長度L1與局部阻力系數(shù)的當量長度L2之和。局部阻力系數(shù)對應的當量長度可根據(jù)下式計算： L2= (公式9)式中 d管道內徑（m）；燃氣管道的摩擦阻力系數(shù)，計算公式同公式3、4、5、6；計算長度L=L1+ L2，單位長度摩擦阻力損失同公式2。3、附加壓力計算由于燃氣與空氣的密度不同，當管段始末端存在標高差值時，在燃氣管道中將產生附加壓頭。因此，計算室內燃氣管道及地面標高變化相當大的室外或廠區(qū)的低壓燃氣管道時，應考慮因高程差而引起的燃氣附加壓力。燃氣的附加壓力可按下式計算： =g（k -m）H =9.81（1.293-0.75）H (公式10) 式中 沿燃氣流動方向管段終端及始端的標高差，計算時注意正負號（Pa）； k 空氣的密度（kg/m3），一般取1.293； m 燃氣的密度（kg/m3），為方便計算，這里統(tǒng)一取0.75； H 燃氣管道終、起點的高程差(m)。例如：P2=P1+H對天然氣：P2P1P1max=3000Pa，如果P2P1，P2點壓力大于3000Pa，將產生脫火。為了避免高層最高點用戶用氣壓力過高，調壓器出口壓力一般要設定小于3000Pa，一般視情況設定為2600-2800Pa。4、燃氣表壓力降表的壓損一般取150Pa。5、各管段的實際壓力損失為管段壓力降與附加壓頭之差：= -6、例題 戶內燃氣管道水利計算步驟如下：（1）將個管段順序編號，凡是管徑變化或流量變化處均應編號，如圖4、圖5所示。（2）根據(jù)同時工作系數(shù)，求各管段的計算流量，計算方法同庭院計算流量的計算。（3）算出各管段的局部阻力系數(shù)，各管件的局部阻力系數(shù)可由表5查得，并求出局部阻力系數(shù)的當量長度L2。當量長度按公式9進行計算。（4）計算管段的壓力損失，求得管段單位長度摩擦阻力損失后，乘以管段的計算長度，即得該管段的壓力損失。室內燃氣管道單位長度摩擦阻力損失同公式2。管段壓力損失：=L（5）計算各管段的附加壓頭，用公式10。（6）求得各管段的實際壓力損失，為管段壓力與附加壓頭之差。（7）求室內燃氣管道的總壓降。結合上述步驟，以圖4所示系統(tǒng)為例計算戶內燃氣管道的水力計算：管段0-1所帶的用戶數(shù)為1戶，每戶的額定用氣量為2.1Nm3/h（燃氣灶取1.0Nm3/h，家用燃氣熱水器取1.1 Nm3/h），由表1查得1臺燃氣雙眼灶和快速熱水器的同時工作系數(shù)為1.00，則管段1-2的計算流量為：Q=1.01.0012.1=2.1 Nm3/h同理可求出其他管段的計算流量，并將其列入表7中。管段0-1中燃氣的流速：則 Re3500，處于紊流狀態(tài)，則：各管件局部阻力系數(shù)可由表5查得，管段0-1的局部阻力系數(shù)如下表6所示：表6 管段0-1局部阻力系數(shù)表管件名稱個數(shù)局部阻力系數(shù)分流三通1 =1.5090彎頭DN152 =22.2球閥1 =4.0旋塞1 =4.00-1=13.9其他管段的局部阻力系數(shù)計算方法同管段1-2，并列于表7中。管段0-1局部阻力系數(shù)的當量長度為：L2=m管段0-1的實際長度為L1=0.7+0.8=1.5m，則管段0-1的計算長度為：L=L1+L2=1.5+4.72=6.22m6.261070.0440.75 =12.69Pa/m則管段0-1的壓降 （包括燃氣流經計量表時的壓力損失，表的壓損一般取150Pa）：=L+=12.696.22+150=229.01Pa管段0-1的附加壓頭： =Hg（a-g）=（H0-H1）g（a-g） =（14.5-14.6）9.81（1.239-0.75） =-0.53Pa管段0-1的實際壓降為：=-=229.01-(-0.53)=229.54Pa同理，可求出其他管段的實際壓降，并列入表7中。 戶內燃氣管道水力計算表 表7 管段 編號戶數(shù)同時工作系數(shù)計算 流量 Nm3/h管徑 m流速 m/h雷諾數(shù)摩擦阻力系數(shù)局部 阻力 系數(shù)當量 長度L2 m管長L1 m計算 長度L m單位長度壓力損失Pa/mP Pa終始端高差H m附加 壓頭 P附Pa管段壓 力損失 P實 Pa0-11 1.002.115 3.3035340.044 13.904.721.56.2212.7 229.