第六章_燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力計(jì)算

1、第六章 燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力計(jì)算 一、不穩(wěn)定流動(dòng)方程式燃?xì)馐强蓧嚎s流體，一般情況下管道內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)時(shí)不穩(wěn)定流。由于氣田調(diào)節(jié)采氣的工況，壓送機(jī)站開動(dòng)壓縮機(jī)不同臺(tái)數(shù)的工況以及用戶用氣量變化的工況，都決定了其具有不穩(wěn)定流的性質(zhì)，這些因素導(dǎo)致管道 內(nèi)燃?xì)獾膲毫ψ兓土髁孔兓ｋS著管道內(nèi)沿程壓力的下降，燃?xì)獾拿芏纫苍跍p小。只有在低壓管道中燃?xì)饷芏鹊淖兓珊雎圆挥?jì)。此外，在多數(shù)情況下，管道內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)可認(rèn)為是等溫的，其溫度等于埋管周圍土壤的溫度。6.1 管道內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)的基本方程式 決定燃?xì)饬鲃?dòng)狀態(tài)的參數(shù)為：壓力P、密度和流速W，均沿管長隨時(shí)間變化，它們是距離x和時(shí)間的函數(shù)，即:(一) 運(yùn)動(dòng)方程： (二) 連續(xù)性

2、方程： (三) 氣體狀態(tài)方程： ),(),(),(xWWxxPP2sin)()(22WdgxPxWW0)(xWRTZP運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)是牛頓第二定律，對(duì)于微小體積(或稱元體積)的流體可寫為：微小體積流體動(dòng)量的改變量等于作用于該流體上所有力的沖量之和，即(一) 運(yùn)動(dòng)方程： (二) 連續(xù)性方程： (三) 氣體狀態(tài)方程： 2sin)()(22WdgxPxWW0)(xWRTZP從工程觀點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)方程中的慣性項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)在大多數(shù)情況下均可忽略不計(jì)，這是因?yàn)閼T性項(xiàng)只在管道中燃?xì)饬髁侩S時(shí)間變化極大時(shí)才有意義，而對(duì)流項(xiàng)只在燃?xì)饬魉贅O大時(shí)（接近聲速）才有意義。通常管道中燃?xì)饬魉俨淮笥?0-40m/s，且流量變化的程度

3、也不太大。此外，在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，當(dāng)標(biāo)高的差值不太大時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程中的重力項(xiàng)一般也可以忽略不計(jì)。管道內(nèi)壓力越高，則燃?xì)獾拿芏仍酱?，重力?xiàng)值就越大。在低壓管道中，計(jì)算壓力降很小。當(dāng)燃?xì)夂涂諝饷芏认嗖钶^大時(shí)，附加壓頭值有時(shí)是較大的，在計(jì)算高層建筑室內(nèi)燃?xì)饬⒐軙r(shí)必須考慮。(四) 簡(jiǎn)化方程組RTZPxWCPWdxP)(222二、燃?xì)夤艿纼?nèi)燃?xì)夥€(wěn)定流方程式 000WPRTZPWWdxP常數(shù)22除單位時(shí)間內(nèi)輸氣量波動(dòng)大的超高壓天然氣長輸管線，要用不穩(wěn)定流進(jìn)行計(jì)算外，在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)城市燃?xì)夤艿罆r(shí)燃?xì)饬鲃?dòng)的不穩(wěn)定性可不予考慮。 得到：高、低壓(Pa)燃?xì)夤艿赖幕居?jì)算公式用于低壓燃?xì)?，上式?jiǎn)化為： 對(duì)于低

4、壓燃?xì)猓翰捎昧?xí)慣采用單位kPa，并考慮城市燃?xì)夤艿缐毫σ话阍?.6MPa以下，ZZ0=1，則高、中燃?xì)夤艿篮偷蛪喝細(xì)夤艿烙?jì)算公式為：ZTTdQLPP05201022211027. 1052071026. 6TTdQlPLZZTTPdQPP0000520222162. 1mPPPPPPPP2)(212122210PPmLZZTTdQLZZTTPPdQPPm00052000005202181. 0262. 1三、燃?xì)夤艿赖哪Σ磷枇ο禂?shù) 概念：它是反映管內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)摩擦阻力的確個(gè)無因次系數(shù)，其值與燃?xì)庠诠艿纼?nèi)的流動(dòng)狀況，燃?xì)庑再|(zhì)，管材(內(nèi)壁粗糙度)及連接方法，安裝質(zhì)量有關(guān)。不同流態(tài)區(qū)的摩阻系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)及

5、半經(jīng)驗(yàn)公式 （一）層流區(qū)：（二）臨界區(qū)： ),(dRfe)2100ReRe64；（)3500Re2100(Re0025. 03；（三）紊流區(qū)1.適用于整個(gè)紊流區(qū)的通用公式： 柯列勃洛克公式： 阿里特蘇里公式： 謝維列夫公式：2.適用于一定流態(tài)區(qū)的專用公式：（1）水力光滑區(qū) 尼古拉茨公式： )Re51. 27 . 3(211dg25. 0)Re68(11. 0d)()Re(11用于新鑄鐵管mmmBdA237. 0Re0221. 00032. 065103Re108 . 0)(Re211g7/8)(2 .22Re4000d謝維列夫公式： 對(duì)于新鋼管： 對(duì)于新鑄鐵管： 過渡區(qū) 對(duì)于新鋼管：對(duì)于新鑄鐵

6、管： 阻力平方區(qū)尼古拉茨半經(jīng)驗(yàn)公式：謝維列夫公式：對(duì)于新鋼管： 對(duì)于新鑄鐵管： 226. 021Re25. 0KK284. 01Re77. 0K226. 06226. 021)109 . 1 (23. 0WVdKK6104 . 2VW284. 06284. 01)1055. 0(75. 0WVdK6107 . 2VW2)7 . 3lg(21d8/9)(597Red226. 0216121. 0104 . 2dKKVW284. 0160143. 0107 . 2dKVW城市燃?xì)夤艿浪τ?jì)算公式和計(jì)算圖表一、低壓燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失計(jì)算公式（一）層流狀態(tài)(Re3500) 鋼管鑄鐵管 25. 0)R

7、e68(11. 0d0052025. 006)2 .192(109 . 6TTdQQdvdlP284. 00)51581(12. 0Qdvd00520284. 006)51581(104 . 6TTdQQdvdlP二、高、中壓燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失計(jì)算公式 （一）鋼管、塑料管（二）鑄鐵管 25. 0)Re68(11. 0d0052025. 0092221)2 .192(104 . 1TTdQQdvdLPP284. 00)51581(12. 0Qdvd0052084. 0092221)51581(103 . 1TTdQQdvdLPP三、燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失計(jì)算圖表 五、燃?xì)夤艿谰植孔枇p失和附加壓

8、頭 （一）局部阻力損失 當(dāng)燃?xì)饬鹘?jīng)三通、彎頭、變徑管、閥門等管道附件時(shí)，由于幾何邊界的急劇改變，燃?xì)饬骶€的變化，必然產(chǎn)生額外的壓力損失，稱之為局部阻力損失。 22WP局部阻力損失也可用當(dāng)量長度來計(jì)算，各種管件折成相同管徑管段的當(dāng)量長度L2可按下式確定：對(duì)于=1時(shí)各不同直徑管段的當(dāng)量長度可按下法求得：根據(jù)管段內(nèi)徑、燃?xì)饬魉偌斑\(yùn)動(dòng)粘度求出Re，判別流態(tài)后采用不同的摩阻系數(shù)的計(jì)算公式，求出值，而后可得： 實(shí)際工程中通常根據(jù)此式，對(duì)不同種類的燃?xì)庵瞥蓤D表，見圖6-6，可查出不同管徑不同流量時(shí)的當(dāng)量長度。 管段的計(jì)算長度L可由下式求得 dLWdLdP2222dl 22121lLLLL（二）附加壓頭 由于

9、燃?xì)馀c空氣的密度不同，當(dāng)管段始末端存在標(biāo)高差值時(shí)，在燃?xì)夤艿乐袑a(chǎn)生附加壓頭，其值由下式確定：當(dāng)附加壓頭為正值時(shí)，會(huì)減少壓力降，有助于燃?xì)饬鲃?dòng)；當(dāng)附加壓頭為負(fù)值時(shí)，阻礙燃?xì)饬鲃?dòng)。計(jì)算室內(nèi)燃?xì)夤艿兰暗孛鏄?biāo)高變化相當(dāng)大的室外或廠區(qū)的低壓燃?xì)夤艿?，?yīng)考慮附加壓頭。HgPga)(6.2 建筑燃?xì)庀到y(tǒng)的水力計(jì)算在進(jìn)行建筑燃?xì)庀到y(tǒng)水力計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)土建、給排水、采暖及電氣等各專業(yè)的平面圖和系統(tǒng)圖選定并布置燃?xì)獗?、用戶燃?xì)庥镁吆腿細(xì)夤艿?，畫出燃?xì)庀到y(tǒng)圖。利用同時(shí)工作系數(shù)法計(jì)算確定各管段 的計(jì)算流量。自引入管到各燃具之間的壓力降，其最大值即為建筑燃?xì)庀到y(tǒng)的總壓降。例題6-1試做六層住宅樓的建筑燃?xì)庀到y(tǒng)的水

10、力計(jì)算，燃?xì)夤艿赖牟贾靡妶D6-6和圖6-7，每家用戶裝雙眼灶一臺(tái)，額定熱負(fù)荷4.82kW，燃?xì)鉄嶂禐?8MJ/m3，燃?xì)饷芏?0.45kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度=2510-6 m2/s.室內(nèi)燃?xì)夤艿烙?jì)算方法和步驟(1)先選定和布置用戶燃具，并畫出管道系統(tǒng)圖。(2)將各管段按順序編號(hào)，凡是管徑變化或流量變化處均應(yīng)編號(hào)。(3)求出各管段的額定流量，根據(jù)各管段供氣的用具數(shù)得同時(shí)工作系數(shù)值，可求出各管段的計(jì)算流量。(4)由系統(tǒng)圖求得各管段的長度，并根據(jù)計(jì)算流量預(yù)選各管段的管徑。(5)算出各管段的局部阻力系數(shù)，求出其當(dāng)量長度，可得管段的計(jì)算長度，根據(jù)管段計(jì)算流量及已定管徑，查圖6-6求得=1時(shí)的t2，求d/。

11、 (6) 由燃?xì)饷芏冗M(jìn)行水力計(jì)算修正：(7) 計(jì)算各管段的附加壓頭(8) 求各管段的實(shí)際壓力損失 (9) 求室內(nèi)燃?xì)夤艿赖目倝毫?，核?shí)總壓力降與規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。 (10) 若總壓力降與允許的計(jì)算壓力降相比較，不合適，則可改變個(gè)別管段的管徑以滿足要求。 gasLPLP1)(HgPgaf)()(gagHP從結(jié)果可知，系統(tǒng)最大壓降值是從用戶引入管至用具14，通過計(jì)算，各管段的管徑均可確定。課后作業(yè)某多層住宅，已知燃?xì)馐覂?nèi)立管終端標(biāo)高15m，引入管始端標(biāo)高-0.6m，燃?xì)饷芏?.71kg/Nm3，引入管起點(diǎn)壓力P1=1100Pa，燃?xì)庥善瘘c(diǎn)到終點(diǎn)的總阻力損失為80Pa，計(jì)算附加壓頭及立管終端壓力P2。

12、 6.3 燃?xì)夥峙涔芫W(wǎng)計(jì)算流量 一、燃?xì)夥峙涔芏斡?jì)算流量的確定 燃?xì)夥峙涔芫W(wǎng)各管段根據(jù)連接用戶的情況，分為三種：只有轉(zhuǎn)輸流量的管段 只有途泄流量的管段 有轉(zhuǎn)輸、途泄流量的管段 二、變負(fù)荷低壓分配管段計(jì)算流量在設(shè)計(jì)低壓分配管網(wǎng)時(shí)，一般只能獲得街坊或區(qū)域的總的用氣負(fù)荷，各用戶用氣的原始資料無法詳盡，在確定管段計(jì)算流量時(shí)，一般應(yīng)首先確定途泄流量的大小。1途泄流量的Q1的確定在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)算途泄流量時(shí)，可做如下假設(shè)：（1）途泄流量Q1沿管段均勻輸出；（2）途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑類商業(yè)用戶。若該管段上連有負(fù)荷較大的用戶，應(yīng)當(dāng)作集中負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。（3）供氣區(qū)域內(nèi)居民用戶和小型公共建筑

13、類商業(yè)用戶的負(fù)荷時(shí)均勻分布的。按上述假設(shè)，途泄流量可確定為：1）在供氣范圍內(nèi)按不同居民人口密度劃分成小區(qū)。2）分別計(jì)算各小區(qū)用氣量。即Qz=Ne3)計(jì)算各小區(qū)管段單位長度途泄流量為：qz=Qz/L4）求各管段的途泄流量，即：Q1=qz.L二、途瀉流量的計(jì)算途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑用戶。用氣負(fù)荷較大的公共建筑或工業(yè)用戶應(yīng)作為集中負(fù)荷來進(jìn)行計(jì)算。以圖6-9所示為例，各管段的途瀉流量計(jì)算步驟如下： （一）將供氣范圍劃分為若干小區(qū) 根據(jù)該區(qū)域內(nèi)道路、建筑物布局及居民人口密度等劃分為A、B、C、D、E、F小區(qū)，并布置配氣管道1-2、2-3。 （二）分別計(jì)算各小區(qū)的燃?xì)庥昧?分別計(jì)算各小

14、區(qū)居民用氣量、小型公共建筑及小型工業(yè)用氣量，其中居民用氣量可用居民人口數(shù)乘以每人每小時(shí)的燃?xì)庥?jì)算流量e（m3(人.h)）求得。 (三）汁算各管段革位長度途泄流量 汁算中可以認(rèn)為，途泄流量是沿管段均勻輸出的，管段單位長度的途泄流量為 LQq1圖6-9中A、B、C各小區(qū)管道單位長度途瀉為：733211211221616554433221LLLQqLLQqLLLLLLQqCCBBAA（四）求管段途泄流量管段途瀉流量等于單位長度途瀉流量乘以該管段長度；需同時(shí)向兩側(cè)供氣時(shí)，其途瀉流量為兩側(cè)的單位長度途瀉流量之和乘以該管段長度。圖6-9中各管段的途瀉流量如下：61611848413232121211)()

15、()(LqQLqqQLqqQLqqQAEDCABA例題如下圖所示的區(qū)域燃?xì)夤芫W(wǎng)，各管段長度如圖所示（m）。人口密度為600人/公頃，每人每小時(shí)的燃?xì)庥昧繛?.06Nm3，節(jié)點(diǎn)上有集中負(fù)荷Qs=100Nm3/h，計(jì)算各管段的途泄流量。 變負(fù)荷管段的計(jì)算流量的確定確定原則是用計(jì)算流量Q求得的管段壓力降應(yīng)與變負(fù)荷管段的實(shí)際壓力降相等。計(jì)算流量Q可用式6-23表示：Q=Q1Q2取不同的n和x所得值列于下表 對(duì)于燃?xì)夥峙涔艿?，一管段上的分支管?shù)一般不小于5一10個(gè)，a值在0.31.0的范圍內(nèi)，從上述兩表中所得數(shù)值可以看出，此時(shí)系數(shù)。在0.5-0.6之間，水力計(jì)算公式中冪指數(shù)等于1.752.0時(shí)，a值的變

16、化并不大，實(shí)際計(jì)算中均可采用平均值a0.55。 故燃?xì)夥峙涔艿赖挠?jì)算流量公式為Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 變流量分配計(jì)算流量公式：Q=Q1+Q2=0.55Q1+Q2 由上式可見，燃?xì)夥峙涔艿揽煽醋髟诮K端有一集中負(fù)荷，流量為Q，則其壓力降等于實(shí)際上既有轉(zhuǎn)輸流量，又有途泄流量的該管段的壓力降。因此，途泄流量?？煽醋飨喈?dāng)于兩個(gè)集中流量值，即在管段始端為0.45Q1，而在終端為0.55Q1。 6.3.3節(jié)點(diǎn)流量在用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行燃?xì)猸h(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，常把途泄流量轉(zhuǎn)化成來表示。這樣，假設(shè)沿管線不再有流量流出，即管段中的流量不再沿管線變化，它產(chǎn)生的管段壓力降與實(shí)際壓力降相等。由式Q=Q1Q2 可

17、知，與管道途泄流量Q1相當(dāng)?shù)挠?jì)算流量，可由管道終端節(jié)點(diǎn)流量為Q1和始端節(jié)點(diǎn)流量為（l-）Q1來代替。(1)當(dāng)取0.55時(shí)，管道始端i、終端j的節(jié)點(diǎn)流量分別為：(2)圖6-10各節(jié)點(diǎn)流量為： jijjiiQqQq1155. 045. 016156164512515615341451434132133212512112211161145. 045. 045. 045. 055. 045. 055. 055. 055. 045. 055. 055. 045. 055. 0QQqQQQqQQqQQqQQQqQQq(3)管段上所接的大型用戶為集中流量，也可轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)流量。根據(jù)集中流量離該管段兩端節(jié)點(diǎn)的距

18、離，近似地按按比例分配于兩端節(jié)點(diǎn)上。 6.4 管網(wǎng)水力計(jì)算 一、枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算（一）環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算特點(diǎn)特點(diǎn)(1)管段數(shù)P和節(jié)點(diǎn)數(shù)m的關(guān)系：p=m-1。(2)流量分配方案是唯一的，任一管段的流量都為該管段后所有節(jié)點(diǎn)流量之和 。(3)枝狀管網(wǎng)管段直徑改變，只導(dǎo)致管道終點(diǎn)壓力改變，并不影響管段流量變化。枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算中各管段的未知數(shù)只有直徑和壓力降兩個(gè)。 （二）枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算計(jì)算步驟 (1)確定管網(wǎng)各管段的計(jì)算流量(2)計(jì)算單位長度的允許壓力降(3)預(yù)選管徑(4)根據(jù)所選管徑求摩擦阻力損失和局部阻力損失，計(jì)算總壓降(5)檢查計(jì)算結(jié)果，比較總壓降是否超出允許范圍 二、環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算（一） 環(huán)

19、狀管網(wǎng)水力計(jì)算特點(diǎn)管段數(shù)P，節(jié)點(diǎn)數(shù)m和環(huán)數(shù)n的關(guān)系：p=m+n-1 流量分配方案不是唯一的。這是因?yàn)榄h(huán)狀管網(wǎng)任一管段的燃?xì)饪捎啥鄺l管道供氣，管道流量是可以再分配的。再分配燃?xì)饬髁繒r(shí)，必須保證每一節(jié)點(diǎn)的燃?xì)膺B續(xù)流動(dòng)，即流向節(jié)點(diǎn)的流量必須等于流離節(jié)點(diǎn)的流量。環(huán)狀管網(wǎng)管段直徑改變，會(huì)導(dǎo)致管道壓力和流量的改變，因此環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算中各管段的未知數(shù)有直徑、壓力降和流量三個(gè)。 環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算原理（1）每一管段的壓力降(2)節(jié)點(diǎn)流量（3）每個(gè)環(huán)的壓力降之和（4）計(jì)算壓力降等于從管網(wǎng)源點(diǎn)至零點(diǎn)各管段壓力降之和。0PPiiiaiiildQKP0nP（二）環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算步驟 (1)繪制管網(wǎng)平面示意圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)、管段、環(huán)網(wǎng)編號(hào)，并標(biāo)明管道長度，集中負(fù)荷，氣源或調(diào)壓站位置等。(2)計(jì)算管網(wǎng)各管段的途泄流量。(3)按氣