輸氣工藝計(jì)算

1、第一節(jié) 管內(nèi)氣體流動的基本方程11氣體管流基本方程氣體在管內(nèi)流動時，沿著氣體流動方向，壓力下降，密度減少，流速不斷增大，溫度同時也在變化。在不穩(wěn)定流動的情況下，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：壓力P、密度、流速和溫度T。為求解這些參數(shù)有四個基本方程：連續(xù)性方程、運(yùn)動方程、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?？茖W(xué)實(shí)踐證明，在運(yùn)動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，無論經(jīng)過什么運(yùn)動形式，其總質(zhì)量是不變的。氣體在管內(nèi)流動過程中，系統(tǒng)的質(zhì)量保持守恒。對于穩(wěn)定流，常用的連續(xù)性方程為： 或 2、運(yùn)動方程運(yùn)動方程的基礎(chǔ)是牛頓第二定律。也就是控

2、制體內(nèi)流體的動量改變等于作用該流體上所有力的沖量之和：即 式中：動量的改變量；流體方向上力的沖量穩(wěn)定流常用的運(yùn)動方程為：3、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)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)儲存能的變化。穩(wěn)定流常用的能量方程為：4、氣體狀態(tài)方程由連續(xù)性方程、運(yùn)動方程、能量方程、氣體狀態(tài)方程組成的方程組可以用來求解管道中任一斷面和任一時間的氣體流動參數(shù)壓力P、密度、流速和溫度T由于這是一組非線性偏微分方程一般情況下沒有解析解，因而只

3、能在一定條件下以簡化、線性化和數(shù)值化的方法求得近似解。12穩(wěn)定流動的氣體管流的基本方程 為了簡化上述方程組，假設(shè)：（1） 氣體在管道中的流動過程為等溫流動，即溫度不變，T為常數(shù)。（2） 氣體在管道中作穩(wěn)定流動，即在管道的任一截面上，氣體的質(zhì)量流量M為一常數(shù)，也就是說氣體的質(zhì)量流量不隨時間和距離的改變而改變，。 等溫流動則認(rèn)為溫度T已知，實(shí)際上是采用某個平均溫度，這樣就可以在方程組中除去能量方程，使求解簡化；穩(wěn)定流動則可從運(yùn)動方程和連續(xù)性方程中舍去隨時間改變的各項(xiàng)。這樣的假設(shè)和簡化對輸氣管，特別是長距離輸氣管可以認(rèn)為是基本相符的。穩(wěn)定流動的運(yùn)動方程：兩邊乘以dx，并用 代替 整理后得：或： （2

4、1）式中： P 壓力，Pa；氣體得密度，/m3；水力摩阻系數(shù)；管道得軸向長度，m； D 管道內(nèi)徑，m；管道內(nèi)氣體流速，m / s； g 重力加速度，m / s2； s 高程，m。公式（21）說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。所以這種管道可視為水平輸氣管道，壓力P、密度、

5、流速三個變量，、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。整理化簡最后得：式中： M天然氣質(zhì)量流量，kg/s； PQ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，Mpa； PZ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，Mpa； D管道內(nèi)徑，m；水力摩阻系數(shù)，無因次； Z天然氣壓縮系數(shù)，無因次； R天然氣的氣體常數(shù)，m2/(s2·K)； T 天然氣的平均溫度，K； L輸氣管道計(jì)算段的長度或壓縮機(jī)站站間距，m； A輸氣管道斷面面積，m2。 公式（25）中的項(xiàng)表示輸氣管道沿線動能（速度）的增加對流量M的影響。下面我們以實(shí)例來說明這一項(xiàng)的影響。 【例21】有一

6、條干線輸氣管道，L100km，Dlm，0.01，PQ5MPa, PZ2.5Mpa。試說明項(xiàng)在公式（25）中的影響。 解： 兩項(xiàng)數(shù)值相比，相差很大，這說明對于壓降小、距離長的輸氣管道，可以不考慮這一項(xiàng)的影響。但對于距離短、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)例來說明。 【例22】有一段長1000m、直徑的輸氣管道，其起點(diǎn)壓力PQ5MPa,終點(diǎn)壓力Pz0.25MPa, 0.01。試說明項(xiàng)在公式（25）中的影響。 解：由上例可看出，兩項(xiàng)數(shù)值相比，相差不大，這說明必須考慮輸氣管道沿線動能的增加對流量的影響。 因此，對于平坦地區(qū)長距離輸氣管道，可化簡為公式(2一6)是平坦地區(qū)輸氣管道的質(zhì)

7、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（P01.1325 x 105Pa，T0293.15K）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。得：設(shè)： 則： ）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)，m2/(s2·K)；天然氣的相對密度，無因次。上式是以體積流量表示的水平輸氣管道的基本公式。公式中的常數(shù)C的數(shù)值隨所采用的單位而定，例如用國際單位制：P01.1325 x 105Pa，T0293.15K ，Ra287.1 m2/(s2·K)，則如采用其它單位時，C的數(shù)值列于表2一

8、1中。 表2一1 常數(shù)C值參 數(shù) 的 單 位C壓力P長度L管徑D流量QPa ( N/m2 )mmm3/skgf / m2mmm3/skgf / cm2kmcmm3/dkgf /c m2kmmmMm3/d105PakmmmMm3/d 第三節(jié) 地形起伏地區(qū)輸氣管道的基本公式一般對高差不超過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（211）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，會造成很大誤差，特別當(dāng)輸氣管道的壓力較高時，誤差更大（Q可達(dá)10%）。例如，當(dāng)壓力為7. 5MPa時，近似為/m3，高

9、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21所示。(b)(a) 圖21地形起伏輸氣管計(jì)算簡圖(a) 同一坡度的直管段 （b）地形起伏的輸氣管圖21（a）表示一條坡度均勻向上的輸氣管道，其起點(diǎn)的高程SQ0,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來表示。 （b）所示的輸氣管，起點(diǎn)壓力為PQ，終點(diǎn)壓力為

10、PZ，中間各點(diǎn)壓力相應(yīng)為P1、P1、P2、P3PZ-1、距離為L1、L2、L3LZ,各點(diǎn)高程為S1、S2、S3SZ。整理合并得： 化為工程標(biāo)準(zhǔn)下的體積流量，則： 式中： C同水平輸氣管，其值可查表；管路終點(diǎn)與起點(diǎn)的高程差；任意一點(diǎn)相對起點(diǎn)得高程；任一直管段長度。 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)（），它表示輸氣管道終點(diǎn)與起點(diǎn)的高差對流量的影響，越大，則Q越?。环粗嗳?；在分母上多了一項(xiàng)，它表示輸氣管道沿線地形對流量的影響。由此可見，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，這種對輸氣管道特有的現(xiàn)

11、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。從幾何意義上來講，公式中的這一項(xiàng)就是通過線路起點(diǎn)所畫的水平線與線路縱斷面線所形成的幾何面積之和，即 把上式代入（215）得：圖22線路縱斷面特征示意圖線路縱斷面線與從起點(diǎn)開始所畫的水平線之間所包代數(shù)和。縱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)其他條件相同時，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的輸氣能力小于長度一樣、管徑一樣的輸氣管15，這不僅是由于，而且是由于

12、，而的緣故。圖23是具有相同起、終點(diǎn)高程且距離相等的幾個線路方案，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23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。圖23沿線不同高程的線路方案I-I方案沿線高程 II-II方案沿線高程 III-III方案沿線高程第四節(jié) 水力摩阻系數(shù)與常用輸氣公式 41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)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)出來的，只是代入了不同的水力摩阻系數(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，還決定于水力摩阻系數(shù)的計(jì)算公

13、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 （218）式中 氣體的流速，m/s；氣體的運(yùn)動粘度；氣體的動力粘度；空氣的密度（在標(biāo)準(zhǔn)狀況下：）；天然氣的相對密度； D管道內(nèi)徑； Q輸氣管道流量； M輸氣管道質(zhì)量流量，kg/s。 如流量Q的單位取，管內(nèi)徑D取m，動力粘度取。由式（218）得： 2、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） Re2000，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。 （2）Re30

14、00，流態(tài)為紊流。紊流又分為三個區(qū)： 1）3000Re,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。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): （219）式中k管壁的當(dāng)量粗糙度（絕對粗糙度的平均值），mm。2）Re，混合摩擦區(qū)：管壁上的部分粗糙凸起露出層流邊界層。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)： （220） 3) Re，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。圖24天然氣在干線輸氣管道中的流態(tài)1阻力平方區(qū) 2過渡區(qū) 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

15、擦區(qū)和阻力平方區(qū)，對干線輸氣管道來說，基本上都處于阻力平方區(qū)，不滿負(fù)荷時在混合摩擦區(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24來確定干線輸氣管道中氣體的流態(tài)。3、水力系數(shù)的計(jì)算公式水力摩阻對于氣體和對于液體在本質(zhì)上是一樣的，因此計(jì)算水力摩阻系數(shù)的公式對于輸氣管道和對于輸油管在原則上沒有什么區(qū)別。 （1）光滑區(qū) （221） （2）混合摩擦區(qū) （222）或： （3）阻力平方區(qū) 因?yàn)殚L距離輸氣管道中氣體的流態(tài)大多在阻力

16、平方區(qū)，因此各國研究人員對輸氣管道計(jì)算公式的研究也主要集中在這一區(qū)域。下面介紹五個在工程計(jì)算上曾廣泛采用過的計(jì)算公式。 1)威莫斯（Weymouth）公式 （223）式中管路內(nèi)徑D的單位為m。 這一公式是威莫斯于1912年從生產(chǎn)實(shí)踐中歸納出來的，已不符合現(xiàn)代情況。當(dāng)時的情況是天然氣的管路輸送還只是開始發(fā)展，其特點(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。威莫斯取管壁絕對粗糙度k（目前美國取k、前蘇聯(lián)取k），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，加之這個公式比較簡單，因此，該公式適用于管徑小、輸量不大、凈化程度較差的礦場集氣管網(wǎng)，仍有足夠的準(zhǔn)確性。2

17、)潘漢德爾（Panhandle）A式 （224）該式適用于管徑從1683mm到610mm，雷諾數(shù)范圍從到的天然氣管道。 3)潘漢德爾（Panhandle）B式 （225）該式適用于管徑大于 610mm的天然氣管道。 從式（224）、（225）可以看出，潘漢德爾把輸氣的鋼管看作“光滑管”，因此水力摩阻系數(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（目前在美國取管壁粗糙度k），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 （226） 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，把此值代入上式，得：公式中D的單位為mm。 5)前蘇天然氣研究

18、所近期公式 （227）對于新設(shè)計(jì)的輸氣管道，前蘇聯(lián)取k，將此值代人上式，得:公式中D的單位為mm。 （4）適用于紊流三個區(qū)的公式 柯列勃洛克公式 （228）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)算中，通常是使水力摩阻系數(shù)增加5作為對局部摩阻的考慮。42常用輸氣管道流量計(jì)算公式1、威莫斯公式水平輸氣管： （229）地形起伏輸氣管： （230）2、潘漢德爾修正公式水平輸氣管： （231）地形起伏輸氣管：（232）3、前蘇聯(lián)早期公式：水平輸氣管： （233）地形

19、起伏輸氣管： （234）4、前蘇聯(lián)近期公式：水平輸氣管： （235）地形起伏輸氣管： （236）上述公式中，CW、CP、CSZ、CSJ的值，隨公式中各參數(shù)的單位不同而不同，具體數(shù)值見表22。表22 系數(shù)CP、CW和CS的值參 數(shù) 的 單 位系 數(shù) 值壓力P長度L管徑D流量QCWCPCSZCSJN/m2(Pa)mmm3/sKgf/m2mmm3/sKgf/cm2kmcmm3/dKgf/cm2kmmmMm3/d105PakmmmMm3/dMPakmcmm3/d503311522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，a1,如偏離阻力平方區(qū)，a按下式計(jì)算 式中 D管道內(nèi)徑，

20、m；輸氣量，Mm3/d。為管道接口的墊環(huán)修正系數(shù)。無墊環(huán)，1；墊環(huán)間距12m，0.975；墊環(huán)間距6m，在美國和前蘇聯(lián)的近期公式中，都引入了輸氣管道效率系數(shù)E，這是出于對下述情況的考慮：當(dāng)天然氣中含有水分、特別是當(dāng)含有硫化氫時（會造成內(nèi)腐蝕），管壁粗糙度將逐漸增加，使水力摩阻系數(shù)增大；此外，在輸氣管道沿線一些低洼處，凝析液和水分很容易積聚，這會使水力摩阻大大增加；水化物的形成對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間不斷地降低。為了說明運(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：

21、式中 輸氣管道的實(shí)際流量；輸氣管道的設(shè)計(jì)流量；實(shí)測的水力摩阻系數(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)以后的較長時期內(nèi)仍能保持原先的設(shè)計(jì)能力。在美國一般取E0.90.96；在前蘇聯(lián)，對無內(nèi)壁涂層的新輸氣管道，取E1；有內(nèi)壁涂層的輸氣管E>1。我國管道公稱直徑為DN300DN800mm800mm時，E0.910.94。43 輸氣管道流量計(jì)算公式的選用為使輸氣管道的理論

22、計(jì)算值盡可能地接近實(shí)際工況下的流量，對不同的工況須選擇不同的流量計(jì)算公式。我們在選用水力計(jì)算公式時應(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，應(yīng)用此公式為宜；對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宜采用威莫斯公式。表23中列舉了四川氣田三條集氣管線運(yùn)行的情況，其中為管線運(yùn)行的實(shí)測流量，和是根據(jù)實(shí)際測出的壓力、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，長為40 . 65km .管內(nèi)徑20 . 3cm，起點(diǎn)壓力為5.0MPa，終點(diǎn)壓

23、力為3.8MPa，實(shí)測量為。采用威斯公式計(jì)算出輸量為，二者之差與實(shí)測量之比為3.37%；采用潘漢德修正公式計(jì)算出輸量為（其中E為0.9），其差值與實(shí)測量之比為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)測量，即威莫斯公式更符合集氣管線運(yùn)行的實(shí)際。因此，對于氣質(zhì)條件較差、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。對于新設(shè)計(jì)的大口徑長輸管道，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23威莫斯公式與潘漢德修正公式計(jì)算對照表第五節(jié) 輸氣管基本參數(shù)對流

24、量的影響前面已分析了高差和地形對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)D、L、T、對輸氣流量的影響。它們對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：或：51 直徑對流量的影響當(dāng)其他條件相同，直徑分別、為時的流量為：兩式相除，得即說明輸氣管通過能力與管徑的次方成正比，若管徑增大一倍，即則流量為：，流量是原來的倍。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。52 輸氣管的計(jì)算段長度（或站間距）對流量的影響當(dāng)其他條件相同而改變時，即流量與長度的次方成反比。當(dāng)長度縮小一半，如在兩個壓氣機(jī)站之間增設(shè)一個壓氣站，則

25、流量是原來的倍。即即倍增壓縮機(jī)站，輸氣量增加41%。53 輸氣溫度對流量的影響當(dāng)其他條件不變而改變時：說明輸氣量與輸氣的絕對溫度的次方成反比?？梢姡敋饬繙囟仍降?，輸氣能力越大。目前，國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，由于公式中溫度采用絕對溫度，與273比較起來，其值較小，故用冷卻氣體溫度的方法增加輸量，冷卻氣體對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50降到70，即=50，=70 則：，流量只提高26%因此，實(shí)際輸氣中，是否采用冷卻措施，必須經(jīng)過經(jīng)濟(jì)論證。當(dāng)然，如在壓縮機(jī)站出口由于天然氣經(jīng)過壓縮而使其溫

26、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)站出口對氣體進(jìn)行冷卻，然后才能輸入干線輸氣管道，否則會破壞管路上的絕緣層、破壞永凍土層而帶來的其它問題。 54 起終點(diǎn)壓力和對輸氣量的影響當(dāng)其它條件相同時，輸氣量與起終點(diǎn)壓力平方差的次方成正比，故改變和都能影響輸氣但影響效果不同。 設(shè)起點(diǎn)壓力增加，壓力平方差為：設(shè)終點(diǎn)壓力下降，壓力平方差為： 使兩式的右端相減，得：因?yàn)椋?gt;,；所以：上式說明：改變相同的時，提高起點(diǎn)壓力對流量增大的影響大于降低終點(diǎn)壓的影響。也就是說，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：該式說明：如果起終點(diǎn)壓力差保持不變，同

27、時提高起終點(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均壓力 61 沿線壓力分布圖25沿線任意點(diǎn)壓力設(shè)有一段輸氣管道AC長為L，起點(diǎn)壓力為，終點(diǎn)壓力為，輸氣管流量為,x表示管段上任意一點(diǎn)B至起點(diǎn)A的距離，見圖25。AB段 BC段 流量相同，以上兩式相等得：整理后得: （237） 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，得，即起點(diǎn)壓力；代入，得，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)檩敋夤艿垒斔偷氖强蓧嚎s的氣體。根據(jù)公式（236）可作出如圖2

28、6所示的輸氣管道壓降曲線。 圖26輸氣管道壓降曲線 圖27輸氣管道壓力平方的變化曲線從圖26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，輸氣管道站間終點(diǎn)壓力應(yīng)保持較高的數(shù)值才是經(jīng)濟(jì)合理的，如前蘇聯(lián)一般取 MPa，而Mpa。另外由水平輸

29、氣管流量基本公式，可得： 其中 對于一條已定的干線輸氣管道，可近似認(rèn)為不隨輸氣管道的長度x而變化，因此，與x的關(guān)系為直線關(guān)系，如圖27所示，也就是說，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。 62 平均壓力1、平均壓力圖28 輸氣管的平均壓力當(dāng)輸氣管道停止輸氣時，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)壓力逐漸下降，而低壓端因有高壓氣體流入，終點(diǎn)壓

30、力逐漸上升，最后兩端壓力都達(dá)到某個平均值即平均壓力，這就是輸氣管道中的壓力平衡現(xiàn)象，見圖28。利用公式（236），按管道的全長積分，即可求得輸氣管道的平均壓力： 積分并整理后得： （238） 2、平均壓力的實(shí)際應(yīng)用 （1）用來求輸氣管道的儲氣能力式中管路的幾何容積。 （2）用來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。對輸氣管道來說，只有在管內(nèi)壓力大于平均壓力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，這是出于對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，則可

31、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，見圖28。由輸氣沿線任意一點(diǎn)壓力的計(jì)算公式可得： （239）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)按考慮。 從（239）可看出，是隨壓力而變化的函數(shù)，但其變化范圍不是很大： 當(dāng)時，由公式（238）得代人式（239），得當(dāng)時，由公式（238）得，代人式（239），得： 故從0變化至?xí)r，從變化至。公程上近似可取，即輸氣管后一半管段要按平均壓力選擇壁后。 第七節(jié) 復(fù)雜輸氣管道的計(jì)算 71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兩者，首先討論等流量復(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

32、流量復(fù)雜管常用當(dāng)量管法（將復(fù)雜管轉(zhuǎn)化為流量相等的簡單管）或流量系數(shù)法。兩者本質(zhì)上無多大差別，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、長度為L的輸氣管道，若在相同的起終點(diǎn)壓力和下，由另一條直徑為、長度為的管道來代替，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，為當(dāng)量直徑，為當(dāng)量長度。根據(jù)公式（231）其換算關(guān)系式為：若已知當(dāng)量輸氣管的直徑，即可求出當(dāng)量輸氣管的長度：同理，如給出當(dāng)量長度，也可求出當(dāng)量直徑流量系數(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)簡單管的流量乘以該復(fù)雜管的流量系數(shù)來求得。所謂標(biāo)準(zhǔn)管就

33、是、L、Z和T都與要計(jì)算的復(fù)雜管相同，而管徑為某一標(biāo)準(zhǔn)值（一般取m）的輸氣管，標(biāo)準(zhǔn)管的流量為：根據(jù)定義,復(fù)雜管的流量： （240）或： （241） 其中： 式中 流量系數(shù)。對于一條非標(biāo)準(zhǔn)的簡單管： 故簡單管的流量系數(shù)： 取則：若標(biāo)準(zhǔn)管m，根據(jù)上式計(jì)算得到的各種管徑的簡單管的流量系數(shù)如表24所示。等流量復(fù)雜管實(shí)質(zhì)上是簡單管的不同組合。復(fù)雜管的流量系數(shù)可由組成復(fù)雜管的簡單管的流量系數(shù)求得。從而可根據(jù)公式（240）和（241）求得流量或壓力平方差。表24 簡單管的流量系數(shù)1、 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。平行輸氣管道的長度、以及起終點(diǎn)壓力和是一樣的。設(shè)有

34、n條平行輸氣管道，見圖29，其總輸量為： 圖29平行管故： 所以平行管的流量系數(shù)等于各管流量系數(shù)之和，即求得流量系數(shù)后可根據(jù)公式（240）和（241）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210所示。第i段的壓力平方差：圖210變徑管 全線： 兩式比較： 變徑管的流量系數(shù)為： 變徑管是提高流量或終點(diǎn)壓力的措施之一。設(shè)某管路長為，起終點(diǎn)壓力為、。管徑為，流量系數(shù)為，流量為。為了將輸氣量增至，終點(diǎn)壓力升至，將該管道的后半部改建成管徑為，流量系數(shù)為的變徑管。試求其改建的長度X。 原管道： 改建后： 流量提高比 由上式得X：若僅僅提高流量而不

35、改變終點(diǎn)壓力，則：根據(jù)公式 又可寫成： 3副管 多根并列得副管稱為多線副管。多線副管如圖211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：圖211多線副管每一段由m條平行管組成圖212單線副管所以多線副管的流量系數(shù)為：一條最簡單的多線副管如圖212所示，即，其流量系數(shù)為： 鋪設(shè)單線副管也可以提高流量或終點(diǎn)壓力。 鋪設(shè)前： 鋪設(shè)后： 流量比： 鋪設(shè)副管長度 當(dāng)副管與主管管徑相同時：若僅僅提高流量或終點(diǎn)壓力，則分別為：從上述公式中可以看出，x值與副管所在的位置無關(guān)，即副管鋪設(shè)在管道的前段、中間或尾部對改變流量和終點(diǎn)壓力的影響是一樣的。從節(jié)約金屬的觀點(diǎn)來看，鋪在壓力較低的

36、尾部較好。 4、跨接管圖213跨接管及其的分布 平行管線之間的連通管稱為跨接管。如兩條平行管道，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)處用一跨接管將兩者連通，這兩條管道的壓力平方分布線都會變?yōu)閳D213中的虛線。壓力和流量的再分配會使整個系統(tǒng)的流量增加。兩管跨接之前為一簡單管和一單線副管平行使用，流量系數(shù)為：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：流量提高比為： 若管徑相同，,并設(shè)，則所以上式說明，該系統(tǒng)跨接之后輸送能力可提高4。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

37、致的，既無副管，又無變徑管，各管的壓力平方分布線是一樣的，即使跨接起來也不會提高輸送能力。但不等于說平行的等徑管之間跨接就沒意義。例如有兩條等徑平行管線，其中一條的Lx段落按計(jì)劃需要修理。為了減少輸量的降低，將其余段與另一條管線跨接起來，就很有意義。修理之前兩條管線的流量系數(shù)為：其中一條的Lx段修理，跨接之后變?yōu)閱尉€副管，其流量系數(shù)為：如果沒有跨接，一條管線中L-x段修理，該條管線就得停榆，若兩條管線管徑相同，停輸一條，流量就要下降50?？缃又螅髯罱档捅葎t等于兩者流量系數(shù)之比：如果允許的流量降低是受限制的，即已知，則一條管線的允許修理長度的百分比最常見的情況是管徑相同，。允許修理長度的百分

38、比為：若限定0.8，則 上述結(jié)果說明：兩條平行管線中的一條的某個都位需停氣檢修，而流量降低不得超過20，則最多可將該管線的18.75的段落用線路截?cái)嚅y隔開，其余部分用跨接管和另一管線連通起來，就可達(dá)到目的。這樣做法實(shí)質(zhì)上是要充分利用被檢修管線的非檢修部分的輸氣能力。第八節(jié) 輸氣管溫度分布和平均溫度實(shí)際上長距離輸氣管的溫度分布和水力計(jì)算中的假設(shè)相反，幾乎不存在等溫流動。不論是氣田的地層溫度，或是壓縮機(jī)的出口溫度，或是從凈化廠出來的氣體溫度，一般都超過輸氣管道埋深處的土壤溫度。因此，氣體在管道內(nèi)流動過程中，溫度逐漸降低，在管道末段趨近于甚至低于周圍介質(zhì)溫度。為此，必須了解輸氣管的溫度分布，以便于為水力計(jì)算參數(shù)（T，Z）的選取提供正確的基礎(chǔ)。更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。一、輸氣管的溫度變化規(guī)律1 溫降公式 設(shè)有一輸氣管路（或兩壓氣站間管路），如圖所示。氣體從起點(diǎn)溫度tQ，在沿管道流動過程中，不斷把熱量散失到周圍介質(zhì)中，而使本身溫度逐漸降低。設(shè)周圍介質(zhì)溫度為t0，氣體流到