輸氣工藝計(jì)算

1、輸氣管道工藝計(jì)算第一節(jié) 管內(nèi)氣體流動(dòng)的基本方程1. 1氣體管流基本方程氣體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沿著氣體流動(dòng)方向，壓力下降，密度減少，流速不斷增大，溫度同 時(shí)也在變化。在不穩(wěn)定流動(dòng)的情況下，這些變化更為復(fù)雜。描述氣體管流狀態(tài)的參數(shù)有四個(gè)： 壓力P、密度P、流速V和溫度To為求解這些參數(shù)有四個(gè)基本方程：連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、 能量方程和氣體狀態(tài)方程。1、連續(xù)性方程連續(xù)性方程的基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。科學(xué)實(shí)踐證明，在運(yùn)動(dòng)速度低于光速的系統(tǒng)中，質(zhì) 量不能被創(chuàng)造也不能被消滅，無(wú)論經(jīng)過(guò)什么運(yùn)動(dòng)形式，具總質(zhì)量是不變的。氣體在管內(nèi)流動(dòng) 過(guò)程中，系統(tǒng)的質(zhì)量保持守恒。對(duì)于穩(wěn)定流，常用的連續(xù)性方程為：vA 常數(shù) 或1V1A1

2、2v2A22 、運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)是牛頓第二定律。也就是控制體內(nèi)流體的動(dòng)量改變等于作用該流體上所 有力的沖量之和：即d mvNid式中：d mv動(dòng)量的改變量；Nid 流體方向上力的沖量穩(wěn)定流常用的運(yùn)動(dòng)方程為：2dPdvds v v g 0dxdxdx D 23、能量方程能量方程的基礎(chǔ)是能量守恒定律。根據(jù)能量守恒定律，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消 滅，而是從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量的總量保持不變。對(duì)任何系統(tǒng)而言， 各項(xiàng)能量之間的平衡關(guān)系一般可表示為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量一離開(kāi)系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化穩(wěn)定流常用的能量方程為：h dTT p dxh dpP t dxdv dsv g

3、-dx dxdQdx4、氣體狀態(tài)方程PV ZRTP ZRT由連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程、氣體狀態(tài)方程組成的方程組可以用來(lái)求解管道中任一斷面和任一時(shí)間的氣體流動(dòng)參數(shù)壓力 P、密度p、流速v和溫度T由于這是一組非線性偏 微分方程一般情況下沒(méi)有解析解，因而只能在一定條件下以簡(jiǎn)化、線性化和數(shù)值化的方法求 得近似解。1. 2穩(wěn)定流動(dòng)的氣體管流的基本方程為了簡(jiǎn)化上述方程組，假設(shè)：(1)氣體在管道中的流動(dòng)過(guò)程為等溫流動(dòng)，即溫度不變，T為常數(shù)。(2)氣體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)，即在管道的任一截面上，氣體的質(zhì)量流量M為一常數(shù),也就是說(shuō)氣體的質(zhì)量流量不隨時(shí)間和距離的改變而改變，M vA常數(shù)。等溫流動(dòng)則認(rèn)為溫度T已

4、知，實(shí)際上是采用某個(gè)平均溫度，這樣就可以在方程組中除去 能量方程，使求解簡(jiǎn)化；穩(wěn)定流動(dòng)則可從運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程中舍去隨時(shí)間改變的各項(xiàng)。這樣的假設(shè)和簡(jiǎn)化對(duì)輸氣管，特別是長(zhǎng)距離輸氣管可以認(rèn)為是基本相符的 穩(wěn)定流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程：2dP dv ds v - v g0dx dx dx D 2或:兩邊乘以dx,并用vdv2整理后得:dx v2dv2dPgdsD 22dP1 2 dx vdv2gdsD 222(21)式中：P壓力，Pa；氣體得密度，kg /m3;水力摩阻系數(shù);x 管道得軸向長(zhǎng)度，miD管道內(nèi)徑，m；v 管道內(nèi)氣體流速，m / s ；g 重力加速度， m / s 2；s蓿I, m公式（2-1）

5、說(shuō)明管道得壓降由三部分組成：消耗于摩阻得壓降，氣體上升克服高差的 壓降和流速增大引起的壓降。該式即為穩(wěn)定的氣體管流的基本方程，也是推導(dǎo)輸氣管水力計(jì) 算基本公式的基礎(chǔ)。第二節(jié)地形平坦地區(qū)輸氣管道的基本公式所謂地形平坦地區(qū)輸氣管道，是指地形起伏高差dS小于200m的管道。這種輸氣管道克服高差而消耗的壓降所占的比重很小，但還不足以影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，故可忽略不計(jì)，可認(rèn) 為ds 0o所以這種管道可視為水平輸氣管道，壓力P、密度p、流速v三個(gè)變量，p、v是隨壓力P而變化的變量，必須借助連續(xù)性方 程和氣體狀態(tài)方程共同求解。22 A 2PQ Pz ALRZRT 2In 一DPz整理化簡(jiǎn)最后得:Pq pZ&qu

6、ot; d4LPQZRT 2In DPz式中：M天然氣質(zhì)量流量，kg/s ;MpaMpaP Q輸氣管道計(jì)算段起點(diǎn)壓力或上一壓縮機(jī)站的出站壓力, P z輸氣管道計(jì)算段終點(diǎn)壓力或下一壓縮機(jī)站的進(jìn)站壓力, D 管道內(nèi)徑，m；水力摩阻系數(shù)，無(wú)因次；Z天然氣壓縮系數(shù)，無(wú)因次；R天然氣的氣體常數(shù)，R2/（s2K）;T天然氣的平均溫度，K;L輸氣管道計(jì)算段的長(zhǎng)度或壓縮機(jī)站站間距，m；a輸氣管道斷面面積，m。 一PQ公式（2 5）中的21n上項(xiàng)表示輸氣管道沿線動(dòng)能（速度）的增加對(duì)流量M的影響。下Pz面我們以實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一項(xiàng)的影響。= 0.01, PQ= 5MPa,Pz=2.5Mpa?！纠?1】有一條干線輸氣管

7、道，L=100kmi A lm,試說(shuō)明2InPQ項(xiàng)在公式Pz(2 5)中的影響。解:L 0.01D100 1000 10001Pq2In2Pz= 0.25MPa,解：-D0.01幽200.52InPz5In 1.3862.5Pc兩項(xiàng)數(shù)值相比，相差很大，這說(shuō)明對(duì)于壓降小、距離長(zhǎng)的輸氣管道，可以不考慮2In，這Pz一項(xiàng)的影響。但對(duì)于距離短、壓降大的輸氣管道必須考慮這一項(xiàng)的影響，這可用下面的實(shí)例 來(lái)說(shuō)明?！纠? 2】有一段長(zhǎng)1000m直徑0.5m的輸氣管道，其起點(diǎn)壓力PQ= 5MPa終點(diǎn)壓力Pz一 P= 0.01。試說(shuō)明2In，項(xiàng)在公式(2 5)中的影響。Pz由上例可看出，兩項(xiàng)數(shù)值相比，相差不大，這

8、說(shuō)明必須考慮輸氣管道沿線動(dòng)能的增加對(duì) 流量的影響。因此，對(duì)于平坦地區(qū)長(zhǎng)距離輸氣管道，可化簡(jiǎn)為M4 . zRTL公式(2 6)是平坦地區(qū)輸氣管道的質(zhì)量流量公式。 但在工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上通常采用的是 在標(biāo)準(zhǔn)狀況(R= 1.1325 x 10 5Pa, T° = 293.15K)下的體積流量。因此，必須把質(zhì)量流量M換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。RaT0PQ2P； D5P0Z TL設(shè):RaT。P0則:I pQ Pz2 D5Z TL式中Q 天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，標(biāo)m3/s ;C 常數(shù)，數(shù)值隨各參數(shù)所用得單位而定；Ra 空氣的氣體常數(shù)，mi/(s 2 K);一天然氣的相對(duì)密度，無(wú)因次。上式是

9、以體積流量表示的水平輸氣管道的基本公式。公式中白常數(shù)C的數(shù)值隨所采用的單位而定，例如用國(guó)際單位制：Po= 1.1325 x 10 5Pa, To=293.15K , Ra= 287.1 m2/(s 2 - K),則 3 14293 -C 3 93 3 .287.10.0384(m2 s . K / kg)4101.3 10如采用其它單位時(shí)，C的數(shù)值列于表2 1中。表2 1常數(shù)C值參數(shù)的單位C壓力P長(zhǎng)度L管徑D油QPa ( N/m 2 )mmm3/s0.03848kgf / m 2mmm3/s0.337r2kgf / cmkmcmm3/d103.15kgf /c m 2kmmmMrr/d0.32

10、6 10 6105PakmmmMrr/d0.332 10 6第三節(jié)地形起伏地區(qū)輸氣管道的基本公式一般對(duì)高差不超過(guò)100200m在地形比較平坦地區(qū)的輸氣管道都可按上一節(jié)推導(dǎo)的公式(2-11)進(jìn)行水力計(jì)算，這是由于天然氣的密度小，高差所引起的能量損失也很小。但在地形起伏、高差較大的情況下，不計(jì)高差和地形的影響，會(huì)造成很大誤差，特別當(dāng)輸氣管道的壓力較高時(shí)，誤差更大(Q可達(dá)10%。例如，當(dāng)壓力為7. 5MPa寸，7.5近似為52.5kg/m3,高差1000m就相當(dāng)于0.525MPa的壓力，這樣的壓力就不能忽略。因此，凡是在輸氣管道線 路上出現(xiàn)有比管路起點(diǎn)高或低200m的點(diǎn)，就必須在輸氣管道的水力計(jì)算中

11、考慮高差和地形的 影響。這樣的輸氣管可以看作是不同坡度的直管段聯(lián)接而成，每一直管段的始點(diǎn)和終點(diǎn)就是 線路上地形起伏較大的特征點(diǎn)，特征點(diǎn)之間的微小起伏則可以忽略，如圖 2-1所示。$1圖2-1地形起伏輸氣管計(jì)算簡(jiǎn)圖(a)同一坡度的直管段(b)地形起伏的輸氣管圖21(a)表?xiàng)l坡度均勻向上的輸氣管道，其起點(diǎn)的高程S= 0,終點(diǎn)與起點(diǎn)的高程為S。在該輸氣管道上取一小段dx,其高差用ds來(lái)表示。(b)所示的輸氣管，起點(diǎn)壓力為Pq,終點(diǎn)壓力為Pz,中間各點(diǎn)壓力相應(yīng)為P1、P1、P2、P3PZ-1、距離為L(zhǎng)1、L2、L3Lz,各點(diǎn)高程為S、S2、S3Sz。整理合并得:PQ2 Pz2 1 aSzZbL 1 S

12、i Si_1 Li2L i 1化為工程標(biāo)準(zhǔn)下的體積流量，則:_ 2_ 2_ 5Pq Pz 1 aSz DZZ TL 1 Si Si 1 Li2L i 1式中：C 同水平輸氣管，其值可查表;SZSi任意一點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)得高程;Li 任一直管段長(zhǎng)度。公式即所謂地形起伏地區(qū)的輸氣管道基本公式。和水平輸氣管公式比較可看出：在公式的分子上多了一項(xiàng)(1+aSz),它表示輸氣管道終點(diǎn)與起點(diǎn)的高差對(duì)流量的影響，Sz越大，則Q越小；反之亦然；在分母上多了一項(xiàng)az2L-(Si Si1)Li,它表示輸氣管道沿線地形對(duì)流量的影響。由此可見(jiàn)，不僅終點(diǎn)與起點(diǎn)的高差影響輸氣管道的能量損失，而且沿線地形也影響輸氣管道的能量損失，

13、這種對(duì)輸氣管 道特有的現(xiàn)象可解釋為：由于輸氣管道沿線壓力的變化，氣體的密度也跟隨變化，壓力高， 密度大；壓力低，密度小。因此，消耗于克服上坡管段的能量損失不能被在下坡管段中氣體獲得的位能所補(bǔ)償從幾何意義上來(lái)講，公式中的L (Si Si 1 ) Li這一項(xiàng)就是通過(guò)線路起點(diǎn)Sq所畫的2水平線與線路縱斷面線所形成的幾何面積之和，即1 ccA -(SiSi i)Li2把上式代入(215)得：TPQ2- 1 aSz D5Q C ,aZTL1 LA圖2 2線路縱斷面特征示意圖線路縱斷面線與從起點(diǎn)開(kāi)始所畫的水平線之間所 包代數(shù)和?？v斷面線高于水平線的地方,面積取正值, 低與水平線的面積取負(fù)值。由式可知,當(dāng)其

14、他條件相同時(shí)，面積的代數(shù)和越小，則輸氣能力越大。如圖2-2 所示，輸氣管1-2-3-4的輸氣能力小于長(zhǎng)度一樣、管徑一樣的輸氣管15,這不僅是由于S4S5,而且是由于F1 50 ,而F1 2 3 40的緣故I-I方案沿線高程II-II方案沿線高程III-III圖2-3是具有相同起、終點(diǎn)高程且距離相等的幾個(gè)線路方案， 總面積代數(shù)和A值最小的 輸氣管道，將有最大的輸氣能力如圖 2 3中的III方案。若起、終點(diǎn)高程相同，則向下鋪設(shè) 的管道就比向上鋪設(shè)的有更大的輸氣能力。方案沿線高程第四節(jié) 水力摩阻系數(shù)與常用輸氣公式4 .1水力摩阻系數(shù)前兩節(jié)推導(dǎo)了地形平坦地區(qū)、地形起伏地區(qū)輸氣管道的基本公式。但在工程計(jì)

15、算中卻有許多不同形式的計(jì)算公式，這些公式大都是從基本公式導(dǎo)出來(lái)的，只是代入了不同的水力摩還決定于水力摩阻系數(shù)的阻系數(shù) 的計(jì)算公式。因此，輸氣管道的計(jì)算公式選得正確與否,計(jì)算公式選擇是否正確。水力摩阻系數(shù)與氣體在管道中的流態(tài)和管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)。1 、雷諾數(shù)輸氣管道的雷諾數(shù)可按以下公式計(jì)算式中RevD Q D 4Q D 4QD24Q a 4MD D(218)v 氣體白流速，m/s；氣體的運(yùn)動(dòng)粘度;氣體的動(dòng)力粘度;a 空氣的密度(在標(biāo)準(zhǔn)狀況下:a 1.206kg/m3)；天然氣的相對(duì)密度;管道內(nèi)徑;輸氣管道流量;輸氣管道質(zhì)量流量，kg/s o如流量Q的單位取m3/s,管內(nèi)徑口取現(xiàn)動(dòng)力粘度取N s/m

16、2。由式(218)得:QRe 1.536 D2 、流態(tài)劃分和邊界雷諾數(shù)流體在管道中的流態(tài)劃分為兩大類：層流和紊流。(1) Re<2000,流態(tài)為層流。層流的特點(diǎn)是靠近管壁處有邊界層存在，而且邊界層很 厚，完全蓋住了管壁上的粗糙凸起，流體質(zhì)點(diǎn)平行于管軸作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。(2) Re>3000,流態(tài)為紊流。紊流又分為三個(gè)區(qū)：1 ) 3000V Re< Re1,光滑區(qū)：靠近管壁處有較薄的層流邊界層存在，且能蓋住管壁上的粗糙凸起。Re1為光滑區(qū)一混合摩擦區(qū)的邊界雷諾數(shù)，或稱第一邊界雷諾數(shù)59.72k 37-D(219)式中k管壁的當(dāng)量粗糙度(絕對(duì)粗糙度的平均值)，mm2) Re1<

17、;Re< Re2,混合摩擦區(qū)：管壁上的部分粗糙凸起露出層流邊界層Re2為混合摩擦區(qū)一阻力平方區(qū)的邊界雷諾數(shù)，或第二邊界雷諾數(shù):Re2112k1.5(2 20)3) Re >Re2,阻力平方區(qū)：層流邊界層很薄，管壁上的粗糙凸起幾乎全部露出層流邊界層。城市及居民區(qū)的低壓輸氣管道可能處于層流或紊流光滑區(qū)外，中壓和高壓輸氣管道的流態(tài)主要處于混合摩擦區(qū)和阻力平方區(qū)，對(duì)干 線輸氣管道來(lái)說(shuō)，基本上都處于阻力平方區(qū)， 不滿負(fù)荷時(shí)在混合摩擦區(qū)。因此，重要的是要 知道從混合摩擦區(qū)進(jìn)入阻力平方區(qū)的邊界雷諾數(shù)。有關(guān)這一邊界雷諾數(shù)的計(jì)算公式很多， 而且相互之間差別很大。式(220)是前蘇 聯(lián)在工程計(jì)算中所采

18、用的確定輸氣管道第二 邊界雷諾數(shù)的公式。如已知直徑D和流量Q,可利用圖24o O 1 1 p>X d圖2-4天然氣在干線輸氣管道中的流態(tài)1阻力平方區(qū) 2 過(guò)渡區(qū)來(lái)確定干線輸氣管道中氣體的流態(tài)。3、水力系數(shù)的計(jì)算公式水力摩阻對(duì)于氣體和對(duì)于液體在本質(zhì)上是一樣的，因此計(jì)算水力摩阻系數(shù)的公式對(duì)于輸氣管道和對(duì)于輸油管在原則上沒(méi)有什么區(qū)別。(1)光滑區(qū)0.1844一R；2(221)(2)混合摩擦區(qū)= 0.067158 2k(2 22)0.2ReD0.2568 k或： =0.11 Re D(3)阻力平方區(qū)因?yàn)殚L(zhǎng)距離輸氣管道中氣體的流態(tài)大多在阻力平方區(qū)，因此各國(guó)研究人員對(duì)輸氣管道計(jì)算公式的研究也主要集中

19、在這一區(qū)域。下面介紹五個(gè)在工程計(jì)算上曾廣泛采用過(guò)的計(jì)算公式。1) 威莫斯(Weymouth公式(2 23)_ 0.1844 二寸式中管路內(nèi)徑D的單位為R!這一公式是威莫斯于1912年從生產(chǎn)實(shí)踐中歸納出來(lái)的，已不符合現(xiàn)代情況。當(dāng)時(shí)的情況 是天然氣的管路輸送還只是開(kāi)始發(fā)展，具特點(diǎn)是管徑小、輸量小、天然氣凈化程度低，且制 管技術(shù)差，管內(nèi)壁表面很不光滑。威莫斯取管壁絕對(duì)粗糙度k = 0.0508mm(目前美國(guó)取k =0.02mm前蘇聯(lián)取k = 0.03mn),并認(rèn)為是一常數(shù)。這些情況比較符合輸氣管道發(fā)展初期的條 件，加之這個(gè)公式比較簡(jiǎn)單，因此，該公式適用于管徑小、輸量不大、凈化程度較差的礦場(chǎng) 集氣管網(wǎng)

20、，仍有足夠的準(zhǔn)確性。2)潘漢德?tīng)?Panhandle) A式(224)1ii.8ir0.1461該式適用于管徑從168. 3mmiij 610mm雷諾數(shù)范圍從5 106到14 106的天然氣管道3) 潘漢德?tīng)?Panhandle) B式(2 25)168.03蠟392該式適用于管徑大于610mm的天然氣管道。從式(2 24)、(2-25)可以看出，潘漢德?tīng)柊演敋獾匿摴芸醋鳌肮饣堋?，因此水力?阻系數(shù)僅表示為與雷諾數(shù) Re的函數(shù)，這可理解為鋼管內(nèi)壁表面很光滑 (目前在美國(guó)取管壁粗 糙度k= 0.02mm,粗糙度很小，因此可不考慮其影響。4)前蘇天然氣研究所早期公式0.3830；4 D2k(2

21、26)前蘇聯(lián)早期（20世紀(jì)5060年代）在輸氣管道的工藝計(jì)算中取管內(nèi)壁粗糙度k =0.04mm把此值代入上式，得：0.0555D04公式中D的單位為mm5）前蘇天然氣研究所近期公式0.2-2k 0.067 D(2 27)對(duì)于新設(shè)計(jì)的輸氣管道，前蘇聯(lián)取 k = 0.03mm將此值代人上式，得：0.03817D0.2公式中D的單位為mm（4）適用于紊流三個(gè)區(qū)的公式柯列勃洛克公式1 k 2.5121g3.7Re .(2 28)4、局部摩阻由于干線輸氣管道中氣體的流態(tài)一般總是處于阻力平方區(qū)，因此，局部阻力對(duì)輸氣管道流量的影響較大。為此，必須考慮由于焊縫、閘門、彎頭、三通、孔板等引起的局部摩阻。在實(shí)際計(jì)

22、算中，通常是使水力摩阻系數(shù)增加5%作為對(duì)局部摩阻的考慮。4. 2常用輸氣管道流量計(jì)算公式1、威莫斯公式水平輸氣管：Q CwD83220.5Pq2Pz2Z TL(2 29)0.5地形起伏輸氣管：Q CwD83PQ2Pz2 1 aSzZ TL 1az_一SiSi 1 Li(230)2L i 12、潘漢德?tīng)栃拚剿捷敋夤埽篞 CpED2.53P2Pz2051Z 0.961tl(231)0.51地形起伏輸氣管： Q CpED2.53 pPQ2 Pz2 1 aSz0.961aZ TL 1 一2LzSii 1(2 32)3、前蘇聯(lián)早期公式:水平輸氣管:CszD2'空0.5地形起伏輸氣管:QCs

23、zD2.7Pc2 P0 1 aSzaz_TL 1 Si Si 1 Li2L i 14、前蘇聯(lián)近期公式:水平輸氣管:Q Csjaed2.6P2 Pz2 0"Z TL地形起伏輸氣管:Q CsjaED2.6PQ PZ 1 aSzSiLi(2 33)0.5(2 34)(235)0.5zaZ TL 1 S Si 1 Li2L i 1(2 36)上述公式中，源CSz、CSJ的值，隨公式中各參數(shù)的單位不同而不同，具體數(shù)值見(jiàn)表 22 o表22 系數(shù)C、C矯口 G的值參數(shù)的單位系學(xué)攵值壓力P長(zhǎng)度L 管徑D油QCWCPCSZCsj2 _N/m (Pa)mm3Z m/s0.39670.39310.4102

24、0.3930_2Kgf/mmmm3/s3.88704.03154.01913.8502.2Kgf/cmkmcmm3/d493.471077.58437.5637664.3641.2Kgf/cmkmmmMrmd1.063 10 6一64.19110_ _ _"60.873 10 “61.6686 10105PakmmmMrmd1.082510 64.269710 60.889 10 61.6994 10 6MPakmcmm3/d5033115224464.26775.6a=1,如偏離阻式（235）、（236）中a為流態(tài)修正系數(shù)，當(dāng)流態(tài)處于阻力平方區(qū)時(shí),力平方區(qū)，a按下式計(jì)算1 201

25、D21 2.92 Q式中D管道內(nèi)徑，m；Q 輸氣量，Mr3/d為管道接口的墊環(huán)修正系數(shù)。無(wú)墊環(huán),=1;墊環(huán)間距12m=0.975;墊環(huán)間距6ml= 0.950在美國(guó)和前蘇聯(lián)的近期公式中,都引入了輸氣管道效率系數(shù)考慮：當(dāng)天然氣中含有水分、特別是當(dāng)含有硫化氫時(shí)（會(huì)造成內(nèi)腐蝕）E,這是出于對(duì)下述情況的,管壁粗糙度將逐漸增加，使水力摩阻系數(shù)增大；止匕外，在輸氣管道沿線一些低洼處，凝析液和水分很容易積聚, 這會(huì)使水力摩阻大大增加；水化物的形成對(duì)水力摩阻也有極大的影響。由于以上這些原因, 使輸氣管道效率隨時(shí)間不斷地降低。為了說(shuō)明運(yùn)行中的輸氣管道的工作狀況、管路的臟度,在生產(chǎn)上就引入了輸氣管道效率系數(shù)E,用

26、以表示輸氣管道流量被減少的程度或輸氣管道的效率，計(jì)算公式為:EQs式中Qs 輸氣管道的實(shí)際流量;Q輸氣管道的設(shè)計(jì)流量；s實(shí)測(cè)的水力摩阻系數(shù)；設(shè)計(jì)中采用的水力摩阻系數(shù)。輸氣管道的效率系數(shù)E 一般小于1, E越小，表示輸氣管道越臟，管內(nèi)沉積物越多，流 量也就越小。因此，必須定期測(cè)定 E值，以確定是否需要采取相應(yīng)的措施，如發(fā)送清管球等， 以保證輸氣管道的正常輸量。在輸氣管道設(shè)計(jì)中考慮效率系數(shù) E是為了在輸氣管道投產(chǎn)以后的較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍能保持 原先的設(shè)計(jì)能力。在美國(guó)一般取 E= 0.90.96;在前蘇聯(lián)，對(duì)無(wú)內(nèi)壁涂層的新輸氣管道，取 E= 1;有內(nèi)壁涂層的輸氣管 E>1。我國(guó)管道公稱直徑為 DN3

27、00- DN800mm, E= 0.80.9公 稱直徑大于 DN800mm, E=0.91 0.94。4. 3輸氣管道流量計(jì)算公式的選用為使輸氣管道的理論計(jì)算值盡可能地接近實(shí)際工況下的流量，對(duì)不同的工況須選擇不同的流量計(jì)算公式。我們?cè)谶x用水力計(jì)算公式時(shí)應(yīng)考慮天然氣管中的流態(tài)和管子本身的粗糙度及氣體的凈化情況，四個(gè)公式中只有前蘇聯(lián)近期公式考慮了流態(tài)修正系數(shù)a,因此當(dāng)計(jì)算的流態(tài)屬非阻力平方區(qū)時(shí)，應(yīng)用此公式為宜；對(duì)制管水平較低的螺旋縫焊接管，且所輸送的介質(zhì)為未經(jīng)凈化處理的天然氣時(shí)宜采用威莫斯公式。 表 2 3 中列舉了四川氣田三條集氣管線運(yùn)行的情況， 其中 Q 為管線運(yùn)行的實(shí)測(cè)流量，Q潘和Q威是根據(jù)

28、實(shí)際測(cè)出的壓力、溫度等參數(shù)，采用上述兩公式計(jì)算在不同工況下的流量。 表中包 24 井至張公橋的集氣管線， 長(zhǎng)為 40 . 65km. 管內(nèi)徑 20 . 3cm， 起點(diǎn)壓力為5.0MPa，終點(diǎn)壓力為3.8MPa， 實(shí)測(cè)量為 62.5 104m3/d 。 采用威斯公式計(jì)算出輸量為 64.61 104m3/d ，二者之差與實(shí)測(cè)量之比為3.37%；采用潘漢德修正公式計(jì)算出輸量為72.92 104m3/d （其中E為0.9）,其差值與實(shí)測(cè)量之比為16.46%其它兩例也可看出：采威莫斯公式計(jì)算集氣管道 的流量較采用潘漢德修正公式更接近于實(shí)測(cè)量，即威莫斯公式更符合集氣管線運(yùn)行的實(shí)際。因此，對(duì)于氣質(zhì)條件較差、

29、管徑較小的集管線，采用威莫斯公式進(jìn)行流量計(jì)算是比較適宜的。對(duì)于新設(shè)計(jì)的大口徑長(zhǎng)輸管道，因管子焊縫處理得好，可認(rèn)為是光滑管，大都采用潘漢德修正式，我國(guó)的輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50251-94也推薦采用此公式。表 2 3 威莫斯公式與潘漢德修正公式計(jì)算對(duì)照表膏賤起lz點(diǎn)包M并至 些處新站索分僑生霜8井站七是？井至 大竹站管找賽格卜mm網(wǎng)gxg卡325 M 7f219x8管線性便，km40.6545,6530.10實(shí)朝教口, MPa5.00L.B66.1pi，MPa3.801.745JT, K工的291283A0.5760,5760.58qt miMi"62.503工6578.10計(jì)算

30、一政聲中.MPa&切1.8015.615Z0.91配州50.876理籍計(jì)算源量 x/i/zaQ64.6137.8118,5272.79犯,66101.0計(jì)算量與 立溫*之比 %Q3370.420.Sq.-Q Q16,463.219第五節(jié) 輸氣管基本參數(shù)對(duì)流量的影響前面已分析了高差和地形對(duì)輸氣管道流量的影響。這里著重分析輸氣管道的基本參數(shù)DXL、T、Pq,Pz對(duì)輸氣流量的影響。它們對(duì)流量的影響是不同的，下面就以水平輸氣管流量公式為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。公式為:225(Pq Pz2)D5Z TL或：PQ2pZ2 c'lq2Z Tc2d55. 1直徑D對(duì)流量Q的影響當(dāng)其他條件相同，直徑分別D

31、i、D2為時(shí)的流量為:(Pq pZ5DiQi C .Z TLQ2 C_ 2_ 2 _ 5(Pq PzRZ TL兩式相除，得Q1 D12.5Q2(D7)即說(shuō)明輸氣管通過(guò)能力與管徑的 2.5次方成正比，若管徑增大一倍，即 D2 2D則流量為：Q222.5Qi566Qi ,流量是原來(lái)的5.66倍。由此可以看出，加大管徑是增加輸氣管流量的主要方法。這也正是目前輸氣管向大管徑方向發(fā)展的主要原因。5. 2輸氣管的計(jì)算段長(zhǎng)度（或站間距）L對(duì)流量的影響當(dāng)其他條件相同而L改變時(shí),Q2(L2)0.5即流量與長(zhǎng)度的0.5次方成反比。當(dāng)長(zhǎng)度縮小一半，如在兩個(gè)壓氣機(jī)站之間增設(shè)一個(gè)壓氣站 L205 Li ,則 Q2 20

32、.5Qi141Qi流量是原來(lái)的1.41倍。即即倍增壓縮機(jī)站，輸氣量增加41%5. 3輸氣溫度T對(duì)流量的影響當(dāng)其他條件不變而T改變時(shí):Qi, T2、0.5一(一)Q2 T/說(shuō)明輸氣量與輸氣的絕對(duì)溫度的 0.5次方成反比。可見(jiàn)，輸氣量溫度越低，輸氣能力越大。目前，國(guó)外已提出了低溫輸氣的設(shè)想，他們認(rèn)為在解決低溫管材的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)上是可行的。但是，由于公式中溫度T采用絕對(duì)溫度T= 273+1, t與273比較起來(lái)，其值較小，故用冷卻氣體溫度的方法增加輸量，冷卻氣體對(duì) 輸氣量的增加并不顯著（除非深度冷卻或冷至液化、并輔以高壓）。例如 若：輸氣溫度由50c降到一70C,即Ti=50C, T2= 70c00

33、 5則：Q2273 50 Qi i.26Qi,流量只提高 26%273 70因此，實(shí)際輸氣中，是否采用冷卻措施，必須經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)論證。當(dāng)然，如在壓縮機(jī)站出口由于天然氣經(jīng)過(guò)壓縮而使其溫度升高到高于管路防腐絕緣層所能承受的溫度，或在永凍土地 帶的輸氣管道，則必須在壓縮機(jī)站出口對(duì)氣體進(jìn)行冷卻，然后才能輸入干線輸氣管道，否則 會(huì)破壞管路上的絕緣層、破壞永凍土層而帶來(lái)的其它問(wèn)題。5. 4起終點(diǎn)壓力PQ和PZ對(duì)輸氣量的影響當(dāng)其它條件相同時(shí)，輸氣量與起終點(diǎn)壓力平方差的 0.5次方成正比，故改變Pq和Pz都能影響輸氣但影響效果不同。設(shè)起點(diǎn)壓力增加P ,壓力平方差為：(Pq P)2 Pz2 pq2 2Pq P (

34、P)2 Pz2設(shè)終點(diǎn)壓力下降p,壓力平方差為：Pq (PzP)2 P(2 Pz2 2Pz P ( P)2使兩式的右端相減，得：22 P(Pq Pz) 2 p2因?yàn)椋篜q>Pz, 2 P(Pq Pz) 0; 2 P2 0所以：2 P(PQ PZ) 2 P20上式說(shuō)明：改變相同的 P時(shí)，提高起點(diǎn)壓力對(duì)流量增大的影響大于降低終點(diǎn)壓的影響。 也就是說(shuō)，提高起點(diǎn)壓力比降低終點(diǎn)壓力更有利。壓力平方差還可寫為：PQ2 Pl (Pq Pz)(Pq Pz) (Pq Pz) P該式說(shuō)明：如果起終點(diǎn)壓力差 P保持不變，同時(shí)提高起終點(diǎn)壓力，也能增大輸氣量，即 高壓輸氣比低壓輸氣更有利。第六節(jié)輸氣管道壓力分布與平

35、均壓力6 .1沿線壓力分布設(shè)有一段輸氣管道AC長(zhǎng)為L(zhǎng),起點(diǎn)壓力為Pq ,終點(diǎn)壓力為Pz ,輸氣管流量為Q ,x表示B至起點(diǎn)A的距離，見(jiàn)圖2-5AB段Q c(Pq2zPTXD5圖2 5沿線任意點(diǎn)壓力BC段225Q C ZtL，流量相同，以上兩式相等得:PQP：Px2PZx L x整理后得:(2 37)PxP(2PQ2Pz2XLL在上式中代入不同的x值，可求得輸氣管道沿線任意一點(diǎn)的壓力。如代入 x 0,得PxPq,即起點(diǎn)壓力；代入x L,得PxPz ,即終點(diǎn)壓力。由該式可看出，輸氣管道沿線的壓力是按拋物線的規(guī)律變化的，這與等溫輸油管中壓力按直線規(guī)律變化是不同的。兩 者所以不同，是因?yàn)檩敋夤艿垒斔偷?/p>

36、是可壓縮的氣體。根據(jù)公式（236）可作出如圖2 6所示的輸氣管道壓降曲線。圖2 6輸氣管道壓降曲線圖2 7輸氣管道壓力平方的變化曲線從圖2 6可看出，靠近起點(diǎn)的管段壓力下降比較緩慢，距離起點(diǎn)越遠(yuǎn)，壓力下降越快， 在前3/4的管段上，壓力損失約占一半，另一半消耗在后面的1/4的管段上。因?yàn)殡S著管道內(nèi)氣體壓力的降低，氣體體積流量增大，而質(zhì)量流量是恒定的，因此速度增大，摩阻損失隨 著速度的增加而增加，因此，壓力下降也加快，在接近輸氣管道的終點(diǎn)，氣體流速最大，壓 力下降也最快。輸氣管道壓縮機(jī)站站間終點(diǎn)壓力不能降得太低，否則是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)槟芰繐p失大，也 就是說(shuō)，輸氣管道站間終點(diǎn)壓力應(yīng)保持較高的數(shù)值才是

37、經(jīng)濟(jì)合理的，如前蘇聯(lián)一般取Pq 5.57.5 MPa,而 Pz 2.54Mpa另外由水平輸氣管流量基本公式，可得：_ 2_ 2_ '2Px Pq CQ Dix，,1其中 C 2Z TC2對(duì)于一條已定的干線輸氣管道，可近似認(rèn)為 CQ2 不隨輸氣管道的長(zhǎng)度x而變化，因 D5此，Px2與x的關(guān)系為直線關(guān)系，如圖2-7所示，也就是說(shuō)，輸氣管道沿線的壓力平方的變化是一條直線。輸氣管道的壓降曲線或Px2與x的關(guān)系在輸氣管道的實(shí)際操作中有很重要的意義。 利用實(shí) 測(cè)的壓降曲線可判斷輸氣管段的內(nèi)部狀態(tài)（是否有臟物、水化物、凝析液的積聚等） ，大致確 定局部堵塞（形成水化物）或漏氣地點(diǎn)等。6 .2 平均壓

38、力1、平均壓力當(dāng)輸氣管道停止輸氣時(shí)，管道內(nèi)的壓力并不象輸油管道那樣立刻消失，而是仍處于壓力狀態(tài)下，高壓端的氣體逐漸流向低壓端。 起點(diǎn)壓力Pq逐漸下降，而低壓端因有高壓氣體流入，圖28輸氣管的平均壓力終點(diǎn)壓力Pz逐漸上升，最后兩端壓力都達(dá)到某個(gè)平均值 %即平均壓力，這就是輸氣管道中的壓力平衡現(xiàn)象，見(jiàn) 圖 2 8。利用公式（236）,按管道的全長(zhǎng)積分，即可求得 輸氣管道的平均壓力：PLPxdxPcp o Ldx L1011P2 PQ2 Pz2積分并整理后得：2PZ2(2 38)Pcp - Pqp 3Pq Pz2、平均壓力的實(shí)際應(yīng)用Vs（1）用來(lái)求輸氣管道的儲(chǔ)氣能力Pcp maxPcp min T0

39、PoTZ式中V管路的幾何容積（2）用來(lái)求天然氣的壓縮系數(shù)Z根據(jù)平均壓力按第一章的方法求得壓縮系數(shù)。（3）在設(shè)計(jì)中，為了節(jié)約鋼材，在可能的情況下，應(yīng)采用等強(qiáng)度管，即采用不同壁厚的管子。對(duì)輸氣管道來(lái)說(shuō)，只有在管內(nèi)壓力大于平均壓力 Pep的管段上才能采用等強(qiáng)度管，也即輸氣管道最小壁厚所能承受的壓力不能小于Pep ,這是出于對(duì)輸氣管道的壓力平衡現(xiàn)象的考 慮。如果管道某點(diǎn)的壓力P Pep ,則可求得該點(diǎn)距起點(diǎn)的距離，設(shè)此點(diǎn)至輸氣管道起點(diǎn)的距離為Xep,見(jiàn)圖2 8。由輸氣沿線任意一點(diǎn)壓力的計(jì)算公式可得:xcpPq2Pc)PQ2p；(239)從(2 39)當(dāng)Pz。時(shí)，由公式（238）得Pep23PPqPz代

40、人式(2 39),得xcpPl 0.55LP| Pz2求得此點(diǎn)就可確定此點(diǎn)前的管段可采用等強(qiáng)度管，而此點(diǎn)后的管段，其壁厚應(yīng)按Pep考慮。ep可看出，Xcp是隨壓力而變化的函數(shù)，但其變化范圍不是很大:當(dāng)Pz故Pz從Pq時(shí)，由公式（2 38）得Pep Pq,代人式（239）,得:xep0.5L0變化至Pq時(shí)，Xep從0.55L變化至0.5L。公程上近似可取Xep0.5L ,即輸氣管后一半管段要按平均壓力選擇壁后0第七節(jié)復(fù)雜輸氣管道的計(jì)算7 .1等流量復(fù)雜管計(jì)算復(fù)雜管按各斷面流量可分為等流量和不等流量?jī)烧撸紫扔懻摰攘髁繌?fù)雜管，也就是該管道或管系統(tǒng)各斷面流量不變的復(fù)雜管。求解等流量復(fù)雜管常用當(dāng)量管法

41、（將復(fù)雜管轉(zhuǎn)化為流量相等的簡(jiǎn)單管）或流量系數(shù)法。兩者本質(zhì)上無(wú)多大差別，但后者由于流量系數(shù)很容易從表格上查得，計(jì)算和使用都比較方便，故一般較多使用流量系數(shù)法當(dāng)量管法就是已知一條直徑為 D、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的輸氣管道，若在相同的起終點(diǎn)壓力Pq和Pz下，由另一條直徑為Dd、長(zhǎng)度為L(zhǎng)d的管道來(lái)代替，而且兩條管道具有相同的輸氣量，那么 后者稱為前者的當(dāng)量輸氣管，Dd為當(dāng)量直徑，Ld為當(dāng)量長(zhǎng)度。根據(jù)公式（2 31）其換算關(guān)系式為:Ld Lc 4o965 4o96DdD若已知當(dāng)量輸氣管的直徑Dd ,即可求出當(dāng)量輸氣管的長(zhǎng)度Ld :4.96LdL上D同理，如給出當(dāng)量長(zhǎng)度Ld,也可求出當(dāng)量直徑Dd4.96Dd D Ld

42、流量系數(shù)法假定任何等流量復(fù)雜管的流量都可以由某一標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單管的流量乘以該復(fù)雜管 的流量系數(shù)來(lái)求得。所謂標(biāo)準(zhǔn)管就是 Pq、Pz、L、 、Z和T都與要計(jì)算的復(fù)雜管相同，而 管徑D0為某一標(biāo)準(zhǔn)值（一般取Do 1m的輸氣管，標(biāo)準(zhǔn)管的流量為:Q0 C”根據(jù)定義，復(fù)雜管的流量:或:L 2_2_5PqPz D0QoKl Qo C oZ TLKl(2 40)2220 LPq Pz BQ Dr K2(2 41)其中：B 3C2式中Kl流量系數(shù)。對(duì)于一條非標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單管:P。D5Z TL故簡(jiǎn)單管的流量系數(shù):K 0D5L Qo . D5取 0.067 2K/D 0.2 貝KL D Do 2.6若標(biāo)準(zhǔn)管Do 13根據(jù)上式

43、計(jì)算得到的各種管徑的簡(jiǎn)單管的流量系數(shù)如表2 4所示等流量復(fù)雜管實(shí)質(zhì)上是簡(jiǎn)單管的不同組合。復(fù)雜管的流量系數(shù)可由組成復(fù)雜管的簡(jiǎn)單管的流 量系數(shù)求得。從而可根據(jù)公式（2 40）和（2 41）求得流量或壓力平方差。表24簡(jiǎn)單管的流量系數(shù)，氣管外徑管壁摩，mm6789W111213 14 J15162190.01670.01620.0158Q.01540.01500,01460.01422730.03040.慎如0.02920.02860,02fl00.02750.02693250.04B80.04800.04720.04640.04560.04480.O44A0.04330.042b0.04180.0

44、41137?0.07280.B170.07070.06970,06S70.06770.06670.06570.06480.06380.06294260J0100.09970.0985Q.09720.09600.QW80,09350,0923LwhO.MOO0.U8橢5290.17810.17630.17S40.172B0.1710。.儂303675046580.16410.16246判0.28610,2B370.2813 0-27900.27660.2743.27190.260.M730.26500,26277200.M750.40450*40150.3985.0.39560,39270.38

45、970,3S6S0.3B400,38110-37828200.57450.57080.56710.56350.55 購(gòu)0.55620.55260.5490O.MM0.54180+53829200,77810.77360.76920.76480.764M0,75600.75160.74730.74290.73660.7343G201.02091.01570.01041.0052L00W0.994g0.98960.98450.97930.97420.W9112201.63451,62741,62041.61341.60551.59951.59261.58571.57881,57191.56501、

46、平行管有相同起點(diǎn)和終點(diǎn)的若干條輸氣管道稱為平行輸氣管道，又叫并聯(lián)輸氣管道。平行輸氣 管道的長(zhǎng)度、以及起終點(diǎn)壓力 Pq和Pz是一樣的。設(shè)有n條平行輸氣管道，見(jiàn)圖29,其總Qi輸量為:Qi Qo Ku故:nQ Qo KLii 1所以平行管的流量系數(shù)等于各管流量系數(shù)之和，即nKl KLii 1圖29平行管求得流量系數(shù)后可根據(jù)公式（2 40）和（2 41）求得流量或壓力平方差。2、變徑管變徑管各段流量相等，全線的壓力平方差等于各段壓力平方差之和，如圖 2-1。所示。全線:P2iP2BQ2 -4DoLjK2Pq2Pz2BQ2 oD5 ii Ku兩式比較:LiK2i圖2 10變徑管變徑管的流量系數(shù)為:Kl

47、Ln Li1 K2i變徑管是提高流量或終點(diǎn)壓力的措施之一設(shè)某管路長(zhǎng)為L(zhǎng),起終點(diǎn)壓力為Pi、P20管徑第i段的壓力平方差:后半部改建成管徑為為D1,流量系數(shù)為Kl1,流量為Q1。為了將輸氣量增至Q2,終點(diǎn)壓力升至Pz,將該管道的D2 ,流量系數(shù)為K L2的變徑管。試求其改建的長(zhǎng)度 X。原管道：QiQoKli改建后：Q2 Qo22 o5Kl Qo P-Z2PP2LL X XK21K22流量提高比220.5P12PZ2P12P222Kl1K L2由上式得X:Pz2p2K22Kl2 K21若僅僅提高流量而不改變終點(diǎn)壓力,則:根據(jù)公式Kl又可寫成:12D DoK22K22 K22.6D1D3.副管多根并

48、列得副管稱為多線副管。多線副管如圖2-11所示，可以看作試由n段不同管徑組成的變徑管，根據(jù)變徑管流量系數(shù)公式可得:KlLn Li1 K2i圖211多線副管每一段由m條平行管組成mK1 k,LiLijj 1所以多線副管的流量系數(shù)為:KlLn Li2i 1 mKLijj 1圖212單線副管一條最簡(jiǎn)單的多線副管如圖2-12所示，即n 2, L1 L x , L2 x , m1 1 , m2 2,其流量系數(shù)為:KlQ1 QoKl1鋪設(shè)后:Q2Pz20.5Kli流量比:P22Pz20.5P22X12Kl1Kl1 Kl22Kl1Kl1 Kl2鋪設(shè)副管長(zhǎng)度P2P12Pz2P2212Kl1Kl1 Kl2當(dāng)副管

49、與主管管徑相同時(shí):x 41工3 E2P12若僅僅提高流量或終點(diǎn)壓力,pZP22則分別為:Kli2d xKl11 1L Kl1 Kl2鋪設(shè)單線副管也可以提高流量或終點(diǎn)壓力。鋪設(shè)前:從上述公式中可以看出，x值與副管所在的位置無(wú)關(guān),平行管線之間的連通管稱為跨接管。如兩條平行管道,PZ2P22P2P22即副管鋪設(shè)在管道的前段、中間或尾部對(duì)改變流量和終點(diǎn)壓 力的影響是一樣的。從節(jié)約金屬的觀點(diǎn)來(lái)看，鋪在壓力較低 的尾部較好。4、跨接管圖2 13跨接管及其P：的分布一條為等徑管，一條為變徑管（或副管）。如圖213所示,兩條管道的壓力平方降落線是不一樣的。前者為一條直線，后者為一條折線。如果在變徑點(diǎn) 處用一跨

50、接管將兩者連通，這兩條管道的壓力平方分布線都會(huì)變?yōu)閳D2-13中的虛線。壓力和流量的再分配會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的流量增加。兩管跨接之前為一簡(jiǎn)單管和一單線副管平行使用，流量系數(shù)為：Kl Kli Kl23 Kl1 2xx .K L21 1L L Kl2 Kl3跨接之后，其流量系數(shù)可由單線副管流量系數(shù)公式推導(dǎo)而得:KLLKli Kl22Kli Kl2KL1 K L2 K L3流量提高比為:Kl若管徑相同，Kli Kl2Kl3,并設(shè) x/L1/2,則Kl 2.353KLi Kl 2.265KLi所以E 2.353 2.265 1.04上式說(shuō)明，該系統(tǒng)跨接之后輸送能力可提高 4%0但平行的管數(shù)愈多，跨接的效果愈不 明顯。如果平行管都是直徑一致的，既無(wú)副管，又無(wú)變徑管，各管的壓力平方分布線