城市燃气输配管网系统的水力计算分析

城市民用燃气管网的水力计算我国天然气大发展时代己经到来，随着社会的发展和生产、生活文明程度的提高，要求天然气工业有较快的发展，以改善能源结构，保护大气环境。

随着我国城市能源结构的调整，天然气将成为主要的城市能源。

在城市燃气的发展过程中，民用燃气管网的水力参数计算是城市燃起管网设计、改造、扩建的基础，它直接决定着城市燃气发展的安全稳定性，所以燃气管网的水力分析计算在城市燃气的发展中起着不可替代的重要作用。

它能解决名用管网设计中存在的问题，使工作科学化，理论化。

同时它能推动燃气事业不断向前发展。

一、城市民用燃气管网的水力计算1.气体管流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P、流速w。

为求解这些参数有三个基本方程[2]：连续性方程、运动方程和气体状态方程。

分别如下：连续性方程：由以上方程组成为非线性方程组，一般情况下没有解，但可忽略某些数值很小的项，并用线性化的方法求得近似解，可作如下假设：1.1由于地下燃气管道的温度变化不大，可以假定燃气在管道内等温流动，即T=常数。

1.2地下燃气管道的标高变化较小，可以不计管道纵轴方向的重力作用分力。

1.3假设气体在管道内作稳定流动，即气体的质量流量在管道的任一截面上为常数，不随时间和距离的变化而改变。

1.4从工程观点出发忽略某些对计算结果影响不大的项，可略去运动方程中对流项和惯性项。

根据以上假设，可得圆断面管道绝热稳定流动的基本方程式：对于低压管道：其中：Pm-管道始端和终端压力的算术平均值。

Pm=（P1+P2）/2≈P0 （1-6）所以低压管道的基本计算公式表达为下列形式[2]二、低压输配气管道的压力降的计算低压天然气管道有Z= Z0 =1所以单位长度的沿程压力降宜按下式计算：三、天然气分配管道计算流量的确定燃气分配管道的各管段根据连接用户的情况分为三种[3]：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。

·燃 气·城镇燃气管网的水力计算燃气室 向廷海[摘 要] 介绍了燃气管网水力计算的数学模型和求解方法，对求解过程的速度、稳定性和计算精度等问题经分析后给出了解决方案，同时提出了一种管网优化设计方法。

[关键词] 数学模型 矩阵计算 城镇燃气管网1 序言城镇燃气管网水力计算是城市煤气设计的主要工作之一，设计时要求燃气管网既要满足使用的需要，投资又省，又要对运行中的燃气管网能保证合理的生产调度、管网事故模拟及建立处置预案和管网事故的紧急处理。

管网水力计算常用的方法为回路分析法和节点流量法（又称为水力计算法）。

回路分析法只适用于小型的枝状管网，节点流量法具有在不知道管段流量的情况下通过迭代逼近真解的特点，适用于各种大型复杂管网，但该法计算工作量大，手工计算非常困难，通常在计算机上进行。

本文介绍作者在编制燃气管网水力计算程序时对数学模型、求解方法的分析和解决的方案。

2 城镇燃气管网水力计算的数学模型2.1 燃气在管内流动的阻力损失计算燃气在管内流动的阻力损失，即燃气流过某一管段后的压力损失或压差的计算依据是《城镇燃气设计规范》（GB50028-93,1998年版）中的规定，对中、高压管道（定性压力不小于5kPa）：5210222110271T T ρd Q λ.L P P ×=− （1）对低压管道（定性压力小于5kPa ）：5271026.6T T d Q l P ρλ×=∆ （2）2.2 管段导纳及管网导纳矩阵将方程（1）和方程（2）改写成如下形式：Q Q f )(=δ （3）式中δ为管道的压差或压力平方差，f(Q)定义为管道的线性流量阻力损失系数。

上式将管段压差与流量简化成线性关系，管内流动压力损失的所有影响因素归结到系数f(Q)。

燃气管网与电路是可以比拟的，因此与电路中导纳的定义相似，定义线性流量阻力损失系数的倒数为管段导纳G。

如此方程（3）可以改写为：δG Q = （4）对任一管段j，其导纳为g(j)，并按如下方式定义管网的导纳矩阵，它是b 阶对角方阵（b 为管段的数量）：[]0),(),(j g j i G = （5）其中当j=i时，G(j,j)=G(i,j)=g(j)；当j不等于i时，G(i,j)=0。

城市燃气输配燃气管网水力计算(1)一、城市燃气输配燃气管网的水力计算概述城市燃气输配燃气管网的水力计算是指计算城市燃气管网中燃气流经管线时的燃气压力、流速等参数的过程。

燃气的输送过程中需要维持一定的压力和流量，以保证用户的正常用气需求。

城市燃气管网的水力计算是燃气输配领域的重要技术之一，对规划设计、施工和运营维护都有着重要意义。

在计算过程中，需要考虑多个因素和参数，如管道长度、管径、燃气密度和温度、燃气流量和压力等，综合分析并进行水力优化，才能保证燃气管网的稳定、高效运行。

二、城市燃气输配燃气管网的水力计算方法1.基本原理城市燃气管网的水力计算基于燃气流动的流体动力学基本原理，主要包括能量守恒方程、连续性方程和状态方程等。

其中，能量守恒方程主要用于计算管道中燃气压力的变化；连续性方程用于计算燃气的流量；状态方程用于计算燃气的密度和温度等参数。

2.计算方法城市燃气管网的水力计算可以采用多种方法和软件进行，如相似理论方法、管道特性法和CFD数值模拟等。

其中，相似理论方法和管道特性法是比较常用的计算方法。

相似理论方法是通过建立模型来模拟实际的管网系统，在实验条件下进行流场等参数的测量和分析，得出管网水力特性，以此来推导出实际管道的水力性能。

管道特性法是通过分析管道的特性方程和各个管道之间的相互关系，计算出燃气流经管道时的燃气流量、压力等参数。

3.优化方法城市燃气管网的水力计算还需要进行优化，以求得最优的燃气输送方案。

优化方法主要包括管道线路规划、管道直径选取、阀门设置等方面的优化。

在管道线路规划方面，需要考虑管道的布局和长度，以缩短输送距离和减少压力损失。

在管道直径选取方面，需要综合考虑输送流量、压力损失和管道的制造和安装成本等因素，以确定最适合的管径。

在阀门设置方面，需要根据不同用户的用气需求和管道的分布情况，合理设置阀门，调节管道压力和流量，在确保正常用气的前提下尽可能减小能耗和损失。

三、城市燃气输配燃气管网的水力计算应用城市燃气输配燃气管网的水力计算是燃气输配领域的关键技术之一，广泛应用于城市燃气管网的规划设计、施工和运营维护中。

《现代燃气工程》结课论文------------------------------------------------------------------------题目：燃气管网水力计算姓名：王朋飞学号：S2*******教师：范慧方引言随着能源结构的不断改变，燃气开发规模和应用规模的不断扩大。

城市燃气管网是现代化城市人民生活和工业生产的一种主要能源配送方式，燃气输配管网的设计和运行要求对系统进行水力计算，获取必要的参数。

燃气输配管网系统由高度整体化的管网所组成，在系统内燃气压力和流量变化很大，需要通过水力计算来确定管网中每一管段的尺寸（如管径、管径）、材质等参数以及压缩机的台数功率以保证既向用户合理地供应天然气，又能降低操作管理费用。

[1]同时，考虑在满足用户用气量的前提下，当某一条或几条管道的使用有一定的压力要求时，水力计算数据可确定在这种最大承受压力下管道各个节点的压力，从而保证管网的正常运行。

另外，水力计算也用于调整各个调压阀的出口压力来适应事故工况下输送压力的要求。

随着燃气事业的发展，燃气输配管网系统也日趋庞大和复杂，为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定管道系统的设计和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管理水平，解决管网流动的动态特性，在一些比较大型的城市燃气管网的水力计算分析中，必须要依靠相关的计算分析软件进行，以减少手工量和人工误差。

1燃气管网水力计算燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，由压送机站开动压缩机不同台数的工况以及用户用气量变化的工况，这些因素都导致了燃气管道内燃气压力和流量的变化。

管内燃气沿程压力下降会引起燃气密度的减小。

但是在低压管道中燃气密度变化可以忽略不计。

所以，除了单位时间内输气量波动大的超高压天然气长输管线要用不稳定流进行计算外，在大多数情况下，设计燃气管道时都将燃气流动按稳定流计算。

此外，很多情况下，燃气管道内的流动可认为是等温的，其温度等于埋管周围土壤的温度。

第六章燃气管网的水力计算第一节管道内燃气流动的基本方程式我们先看以下燃气管道计算的不稳定流动方程。

一、不稳定流动方程式燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，管道内燃气的压力和流量在流动过程中都会发生变化，除此之外，随着管道内沿程压力的下降燃气的密度也在减小，而管道内燃气的温度可以认为是不变的，其温度等于管道周围土壤的温度。

这样，决定燃气流动状态的参数为：压力P，流速w和密度ρ，他们均随燃气流动的距离和时间而变化。

是距离L和时间τ的函数，即为了求得燃气流动的状态参数P，w和ρ，必须借助于运动方程，连续性方程和状态方程三个方程。

对管道内的燃气列出运动方程和连续性方程，再将其与状态方程组合，可以得到求解管道内燃气流动的基本方程式：其中α指的是燃气管道对水平面的倾斜角。

λ为摩阻系数，d是燃气管道的内径。

从理论上讲，该式可用来求解在燃气管道中任意断面x和任一时间τ的气流参数P，ρ和流速w，但实际上这一组非线性偏微分方程组很难求解析解，在工程上常可忽略某些对计算结果影响不大的项，并对该方程组进行线性简化，可求得近似解。

到简化后的方程组为：其中c为声速上式即为简化后的燃气管道不稳定流动方程组，但在实际生产和生活中，该方程的应用并不多，除了单位时间内输气量波动大的超高压天然气长输管线要用到上面的不稳定流进行计算外，设计城市燃气管道时燃气流动的不稳定性可以不考虑。

因此我们下面主要讲一下燃气管到计算的稳定流动方程式。

二、稳定流动方程式通常在城市燃气管网工程设计中，将某一小段时间内（如一小时或一天）的管内流动作为稳定流动，认为各运动参数P ，w 和ρ不随时间变化。

这样这三个参数对时间的偏导数都等于0，即0=∂∂τP0=∂∂τρ0=∂∂τω将他们带入不稳定流动方程组，然后进行适当简化积分后可得稳定流动燃气管计算的公式：该方程可以用来计算高压和低压燃气管道。

其中P1是管道起始端管内燃气的绝对压力Pa ，P2是L 处管道内燃气的绝对压力Pa ， λ为摩阻系数，Q 0为燃气管道的计算流量Nm 3/s ， d 是管道内径m ，0ρ为燃气的密度kg/Nm 3P 0为标准大气压，P 0=101325Pa ，T 为燃气的温度K ，T 0为标准状态温度，T 0=273.16KZ 是燃气在管内所处温度压力下的压缩因子，Z 0是燃气在标准状态下的压缩因子， 将该式用于计算低压燃气管道压降时可以进行简化，P m 为管道起始端和末端压力的算数平均值，，低压管道本身压力很低，可以认为0P P m ≈，带入稳定流动计算公式可得：若考虑城市燃气管道的压力一般在1.6MPa 以下，此时可认为10=≈Z Z ，并将公式中的各参数采用工程中常用的单位，P 的单位用kPa ，L 的单位采用km ，流量的单位采用Nm 3/h ，管道内径d 的单位采用mm ，则第三部分我们看一下计算公式中的摩阻系数λ 三、燃气管道的摩擦阻力系数简称摩阻系数，是反映管内燃气流动摩擦阻力的一个无因次系数，与燃气在管道内 的流动状况、管道材质、管道的连接方法及安装质量、燃气的性质等因素有关，是雷诺数Re 和相对粗糙度d∆的函数。

《现代燃气工程》结课论文------------------------------------------------------------------------题目：燃气管网水力计算姓名：王朋飞学号：S2*******教师：范慧方引言随着能源结构的不断改变，燃气开发规模和应用规模的不断扩大。

城市燃气管网是现代化城市人民生活和工业生产的一种主要能源配送方式，燃气输配管网的设计和运行要求对系统进行水力计算，获取必要的参数。

燃气输配管网系统由高度整体化的管网所组成，在系统内燃气压力和流量变化很大，需要通过水力计算来确定管网中每一管段的尺寸（如管径、管径）、材质等参数以及压缩机的台数功率以保证既向用户合理地供应天然气，又能降低操作管理费用。

[1]同时，考虑在满足用户用气量的前提下，当某一条或几条管道的使用有一定的压力要求时，水力计算数据可确定在这种最大承受压力下管道各个节点的压力，从而保证管网的正常运行。

另外，水力计算也用于调整各个调压阀的出口压力来适应事故工况下输送压力的要求。

随着燃气事业的发展，燃气输配管网系统也日趋庞大和复杂，为了掌握燃气在管道内的运行规律，合理地确定管道系统的设计和改造方案，保证管道系统的优化运行，提高管道系统的调度管理水平，解决管网流动的动态特性，在一些比较大型的城市燃气管网的水力计算分析中，必须要依靠相关的计算分析软件进行，以减少手工量和人工误差。

1燃气管网水力计算燃气是可压缩流体，一般情况下管道内燃气的流动是不稳定流，由压送机站开动压缩机不同台数的工况以及用户用气量变化的工况，这些因素都导致了燃气管道内燃气压力和流量的变化。

管内燃气沿程压力下降会引起燃气密度的减小。

但是在低压管道中燃气密度变化可以忽略不计。

所以，除了单位时间内输气量波动大的超高压天然气长输管线要用不稳定流进行计算外，在大多数情况下，设计燃气管道时都将燃气流动按稳定流计算。

此外，很多情况下，燃气管道内的流动可认为是等温的，其温度等于埋管周围土壤的温度。

第四章 燃气管网的水力计算燃气管网水力计算的任务是根据燃气的计算流量和允许的压力降来确定管径；在有些情况下，已知管径和压力降，求管道的通过能力。

总之，通过水力计算，来确定管道的投资和金属耗量，及保证管网工作的可靠性。

第一节 水力计算的基本公式一、摩擦阻力 1.基本公式在通常情况下的一小段时间内，燃气管道中的燃气流动可视为稳定流。

将摩擦阻力公式、连续性方程和气体状态方程组成方程组：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===-RTZ P const wA w d dx dP ρρρλ22（4-1） 为了对摩擦阻力公式进行积分，由连续性方程得：00Q wA ρρ=由气体状态方程得：000Z PT TZP =ρρ 代入摩擦阻力公式，在管径不变的管段中24d A π=，整理得：dx Z T TZP dQ PdP 000052028ρλπ=- （4-2）假设燃气在管道中是等温流动，则λ和T 均为常数，考虑管道压力变化不太大，Z 也可视为常数。

通过积分，得高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：0000520222162.1Z T TZP dQ L P P ρλ=- 4-3） 式中 P 1——燃气管道始端的绝对压力（Pa ）；P 2——燃气管道末端的绝对压力（Pa ）； P 0——标准大气压，P 0=101325Pa ； λ——燃气管道的摩擦阻力系数；Q 0——燃气管道的计算流量（Nm 3/s ） d ——管道内径（m ）；ρ0——标准状态下的燃气密度（kg/Nm 3）；T 0——标准状态下的绝对温度（273.15K ）； T ——燃气的绝对温度（K ）；Z 0——标准状态下的气体压缩因子； Z ——气体压缩因子；L ——燃气管道的计算长度（m ）对低压燃气管道，()()m P P P P P P P P 221212221⋅∆=+-=-式中 ()221P P P m +=为管道1、2断面压力的算术平均值，对低压管道，0P P m ≈，代入式（4-3），得低压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：00052081.0Z T TZdQ L P ρλ=∆ （4-4） 若采用工程中常用单位，则高、中压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：005201022211027.1T TZ dQ L P P ρλ⨯=- （4-5） 式中 Z ——气体压缩因子，当燃气压力小于1.2MPa （表压）时，Z 取1。

城市燃气输配燃气管网水力计算-V1城市燃气输配燃气管网水力计算是燃气工程设计过程中必不可少的一环。

它是通过对管网进行水力计算，确定管道的压力、流量等参数，为城市燃气供应提供技术支持，保证燃气的正常运行。

下面将从以下几个方面重新整理城市燃气输配燃气管网水力计算有关的知识点。

一、燃气管道水力计算的基本原理燃气管道水力计算的基本原理是根据能量守恒定律，利用流体力学原理，通过进行管道两端的能量综合计算来求得流量和压力等参数。

其中包括燃气管道发生的各种压力损失以及其他影响燃气流动的因素，例如管道长度、直径、弯头、支管、过渡段等。

通过将这些因素综合计算，可以准确地得出燃气管道的运行参数。

二、燃气管道水力计算的步骤燃气管道水力计算一般分为如下三个步骤：1. 燃气管道网络建模：通过对燃气管道网络进行细致、准确的测量，将其绘制成二维或三维的管道网络图。

2. 计算管道参数：通过利用流量公式、雷诺方程、柯西方程、能量方程等相关公式，计算出燃气管道中的各项参数，包括流量、管道内径、燃气速度、压力损失和压力等。

3. 优化管道设计：根据不同的需求，最终确定燃气管道的直径、长度、过渡段长度、弯头数量和位置等参数，保证燃气管道的正常运行和经济性。

三、燃气管道水力计算中的注意事项在进行燃气管道水力计算时需要注意以下几点：1. 计算前要进行充分的资料搜集和地质勘测，对管道周边的环境进行全面考虑，尤其是在斜坡地形、复杂交叉、城市市区等情况下。

2. 对于有多段管道组成的管线网络，要进行分段计算，逐步求解出整个管道系统的参数，避免全面计算会带来的困难。

3. 选择合适的计算模型和数值方法，保证模型的准确性和计算精度。

四、结论燃气管道水力计算是确保城市燃气运行安全的必要条件，采取合适的计算方法，建立完善的管道网络模型，严格控制各项参数，最终实现燃气管道的正常运行，为广大城市居民提供高品质、高效率的燃气服务。