城市燃气输配管网系统的水力计算分析
摘要：本文主要介绍了城市燃气输配管网水力计算的意义和计算方法并以实例分析运用和验证了方法的使
用。
关键词：燃气输配管网、水力计算。
1水力计算分析的意义
管网的水力分析是城市管网科学管理的基础,其任务是在输入节点流量及管长、管材、管径的情况下了解管网各管段的实际流量分配,各节点的压力,以及气源的工作情况,即了解整个管网的实际运行工况,从而得到科学、精确的信息.这样既为改建!扩建管网设计提供准确的数据资料,避免工程的盲目性。同时,也为城市管网的科学管理提供数据信息,以便有关部门对管网突发事件作出快速反应、能否正确地进行水力计算,直接影响到输配系统的经济性和可靠性。
2水力计算
2.1燃气管网的水力计算基本公式
2.1.1气体管段流量的基本方程
天然气在管内流动时，沿着气体流动方向，压力下降，密度减少，流速不断增大，温度同时也在变化，决定燃气流动状态的参数有：压力p 、密度ρ、流速v 。为求解这些参数有三个基本方程:连续性、运动方程和气体状态方程。气体流动方程如下。 利用牛顿运动方程、质量连续性方程、气体状态方程,并假设： a 地下燃气管道的温度变化不大,可以假定燃气在管内等温流动。
b 地下燃气管道的标高变化较小,可以不计算管道纵轴方向的重力作用分力。 得可压缩气体的不稳定流动方程组
运动方程 （2.1） 连续性方程 气体状态方程P zg RT ρ=
τ---时间；
x---离管道始端的距离； v---τ时刻x 处燃气的速度； P---τ时刻x 处燃气的压力；
()
()
22
2P x x d
ρυρυλυρτ∂∂∂+++=∂∂∂()0x
ρυρτ∂∂+=∂∂
d---x 处燃气管道的内径； z---压缩系数； g---重力加速度； R---气体常数； T---燃气的绝对温度； ρ---燃气密度。
从理论上讲,上式可用来计算燃气在管道中任何距离,任何时刻的运动参数,实际上这一组非线性偏微分方程很难求解,但可从工程观点出发在忽略某些对计算结果影响不大的项,如略去运动方程中对流项和惯性项,并因有
(2.2)
及
(2.3)
式中C 为声速。
使不稳定流动方程简化为下列形式：
（2.4）
上述方程在进行线性化处理后，可采用有限单元法，也可采用差分法求得燃气管内运动各参数。
在一般城市燃气管网工程设计中，通常将某段一小时内的管内流动视为稳定流动，设各运动参数不随时间而变化，即
(2.5) (2.6)
则稳定流动方程式表示为
P P ρρττ
∂∂∂=∂∂∂ 2P
C ρ
∂=∂()222P x d P
c x P zg RT λυρρυτρ⎫∂-=⎪∂⎪
∂⎪∂-=⎬∂∂⎪
⎪
⎪=⎭
0P
τ∂=∂0υτ∂=∂0ρτ
∂=∂
2212a
a i i i
i i i i i
Q P P
K l s Q d β-==(i=1,2,3…p ) (2.7)
式中：P ---燃气管道管段数；
1i P ，
2i
P ---管段始末的燃气绝对压力Pa;
i
K ---与管段的摩擦系数、燃气温度、密度、压缩因子等因素有关；
i
l ---燃气管段的计算长度m ；
i Q ---燃气管段的计算流量3
/m h ；
i d ---管段内径m ； i
s ---i 管段的阻力系数。
2.1.2管网水力计算简化公式
为便于燃气管道的水力计算，通常将摩阻系数入值代入水力计算基本公式。利用所得实用计算公式或计算图表,进行水力计算。 （1）低压燃气管道沿程压力降计算公式
①层流状态Re ≤2100
(2.8)
(2.9)
②临界状态Re=2100~3500
(2.10)
(2.11)
③ 紊流状态Re ≥3500
A 钢管,
(2.12)
(2.13)
B,铸铁管
64
Re
λ=
100040
1.1310Q P T
L d T υρ∆=⨯5
Re 21000.0365Re 110λ-=+
-⨯460005
5011.87101.8810123.0110Q dv Q P T L Q dv d
T ρ⎛⎫-⨯∆=⨯+ ⎪-⨯⎝⎭0.25
680.11Re d λ∆⎛⎫
=+ ⎪
⎝⎭
0.25
2600500
6.8910192.2Q P dv T
L d
Q d T ρ⎛⎫
∆∆=⨯+ ⎪⎝⎭
（2.14）
（2.15）
式中：
P ∆---燃气管道管压降（Pa ）；
λ---燃气管道摩擦系数；
L---管道计算长度（m ）；
Q ---燃气流量3
/m h ；
d---管道内径（mm ）;
0ρ---燃气密度（3/kg Nm ）
；
v---0℃和101.325kpa 时燃气的运动粘度㎡/s ；
∆---管壁内表面的绝对粗糙度（mm ）；
Re---雷诺数； T---燃气绝对温度(K)
T ---273K
枝状管道只能由一条管道供气，其转输流量只能由一条管道供气,其转输流量只有一个
数值，所以枝状管道平差计算只须恰当选取管径或调整管径，使调压站至零点的压力降小于或等于规定值即可。
2.2管网各段的计算流量
燃气分配管道的各管段根据连接用户的情况分为三种：
(1)管段沿途不输出燃气，用户连接在管段的末端，这种管段的燃气流量是个常数，其计算流量就等于转输流量，如图2.1所示：
图2.1
(2)分配管网的管段与大量居民用户.小型公共建筑用户相连。这种管段的主要特征是：由管段始端进入的燃气在途中全部供给各处用户，这种管段只有途泄流量，如图2.2:所示：
0.284
010.1025158dv d
Q λ⎛⎫
=+ ⎪
⎝⎭0.284
2600500
16.39105158Q P dv T
L d
Q d T ρ⎛⎫
∆=⨯+ ⎪⎝⎭
