燃气管网水力计算研究进展

2016年12月关于长输天然气管道水力计算的分析马钧（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010）摘要：根据不同的方式，例如用途、敷设方式以及输送压力的大小等，可以将输配气管网分成不同的种类。

按照用途的不同，可以将输配气管网分为工业企业燃气管道、城市燃气管道以及长距离输气管道等种类。

本篇论文对长输天然气管道水力计算进行了分析与研究，以期对长输天然气管道水力计算的相关研究及实践工作提供具有参考价值的理论依据。

关键词：长输；天然气管道；水力计算；分析自21世纪以来，我国的油气储运行业得到了非常大的进步，也获得了众多发展成果，以西气东输为代表的油气储运产业得到了快速发展。

天然气作为一项重要的能源，在生产、生活过程中发挥着巨大的作用，人们对天然气的需求量也呈现出日益增长的趋势。

长输天然气管道水力计算的分析具有现实价值与长远意义。

1水力摩阻系数在天然气管道工程的工艺设计计算中，即使是微小的偏差，也有可给整个工程带来非常大的耗费。

天然气管流会受到很多因素的影响，例如天然气的流态、管道是否粗糙等。

因此，许多国家在普朗特理论、尼古拉兹试验以及阔尔布鲁克公式的基础上，提出了不同的水力摩阻系数公式，雷诺数以及管壁粗糙程度是公式的变量。

按照雷诺数的大小对天然气管道内流动流体的流态进行分类，可以分为层流区、临界区以及紊流区。

紊流区又可以分为阻力平方区、混合摩擦区以及水力光滑区。

长输管道中天然气流体的流态区域就是阻力平方区。

长输管道工程中，比较常用的阻力平方区摩阻系数公式主要有以下几种：第一，威莫斯公式。

λ=0.009407/D1/3(D，m)。

据相关研究表明，只有在天然气管道的管径为280毫米到500毫米左右、管壁比较粗糙的情况下，利用威莫斯公式计算出来的数值才具有一定的准确性，对于管壁粗糙程度小于千分之一的天然气管道，利用威莫斯公式计算出来的数值偏小。

第二，潘汉德尔公式。

潘汉德尔A式：λ=0.0847Re-0.1461。

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；()()222P x x dρυρυλυρτ∂∂∂+++=∂∂∂()0xρυρτ∂∂+=∂∂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。

结合实际案例浅谈水力计算在运行燃气管网中的应用摘要：通过实际案例中的水力计算分析，浅谈水力计算在运行燃气管道系统中的应用。

关键词：水力计算；运行燃气管网水力计算可以使燃气、给排水、采暖通风等流体输配管网设计时根据要求的流量分配，确定管网的各段的管径和阻力，为燃气管网上游的出口压力提供依据；或为给排水管道系统匹配管网动力设备准备好条件，进而确定动力设备的型号和动力消耗；或根据已定的动力设备，确定保证流量分配的管道尺寸。

是流体输配管网设计的基本手段，是管网设计质量的基本保证。

自从温州市燃气有限公司2017年5月底置换工程结束，温州市主城区管网中的液化石油气全部换成了天然气，管网告别了持续24年的液化石油气，温州市区进入了天然气时代。

置换后的天然气比原来管道供液化石油气更受欢迎，近几年天然气用户迅猛发展，燃气市政管也紧锣密鼓的建设中，也逐步向郊区甚至城县交界处的工业园区延伸。

水力计算最常用于规划阶段或工程建设前的设计阶段，根据要求的流量分配，确定管网的各段的管径。

但是用户是动态发展的，供气系统就需要根据用户需求及时调整，不断完善。

本案例为温州主城区供仙岩工业区支线项目，天然气安全清洁经济，成了越来越多的能源消耗型工业用户的选择。

2018年仙岩工业区大量工业用户表现出将使用的其他能源换成天然气的意愿。

而当时现有主城区往仙岩工业院方向仅一根DN400主管，其余南北方向支管均未建设贯通，市政管建设需要结合交通运输情况审批及建设，其周期难以预测。

为了解决用户需求和市政管建设周期的矛盾，通过水力计算提出可行的方案供选择。

本案虽始于2018年，但是个根据用户规模不断增大调整方案进度的长期方案。

根据2018年燃气公司调研的数据，本线后期用气负荷如下：温州万象城为650m3/h，温州医科大学附属第一医院为500 m3/h，104国道（朝阳新街~肯恩大学段）有两个用气点，各为420 m3/h，末端仙岩工业区日用气量2万方，为瑞安日供气10万方。

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。

燃气管网水力计算数学模型及水力计算程序的编制摘要：利用VisualC++6.0和有限元节点法编制了燃气管网水力计算程序，水力计算全部实现界面化。

数学模型中采用了前苏联谢维列夫的摩阻系数公式。

采用高斯——赛德尔迭代法解线性方程组，提高了收敛速度。

探讨了利用矩阵调行技术解决多气源管网水力计算问题。

关键词：燃气管网水力计算1引言随着我国燃气事业的发展，用气城市越来越多，用气量也越来越大，燃气管网相应的变得越来越普及和庞大，其结构也越来越复杂。

在管网的新建和扩建中，准确、迅速的燃气管网水力计算是实现高质量的管网设计、施工以及运行调度的必要条件。

目前国内存在的大多数水力计算程序，原始数据的准备以文本形式为主，管网的编号也是人工操作，非常麻烦，容易出错；解水力计算线性方程组以雅克比法占多数，收敛速度慢，而且在处理多气源管网时也不是十分方便。

本文从水力计算模型出发，采用有限元节点法，利用VisualC++6.0编制燃气管网水力计算程序。

管网初始数据的准备通过界面直观输入；利用高斯——赛德尔求解管网线性方程组；通过矩阵调行的方法处理所选基准点不位于最大编号的问题；同时对于多个给定压力的气源点，通过调行和对方程组进行常数项修正来解决。

2数学模型在使用以下燃气管道水力计算公式时有如下假设条件：燃气管道中的气体运动是稳定流；燃气在管道中的流动时的状态变化为等温过程；燃气状态参数变化符合理想气体定律。

2.1燃气管道水力计算公式2.1.1对于低压燃气管道（1）2.2.2对于中高压燃气管道（2）（1）、（2）式中：——压力降（Pa），（注意：在高压管网中表示2次方量）；、——管道起点、终点的燃气绝对压力（Pa）；——管道计算长度（Km）；——管道计算长度（m）；——燃气的管段计算流量（）；——管道内径（cm）；S——燃气对空气的相对密度；λ——摩擦系数；——局部阻力系数，取长度阻力的10%，即=1.1；——温度产生的膨胀系数，即；——燃气的热力学温度（K）；——标准状态下的温度（273K）。

·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。