城市燃气输配燃气管网水力计算

P＝P( x, )
＝ ( x, )
＝ ( x, )
解决问题的思路：

为了求得P、ρ及W必须借助于三个方程：

运动方程
连续性方程
状态方程
两点说明：

管道内燃气的流动为一维流动；

管道内燃气的流动为等温流动。
（一）、运动方程
物体动量的改变等于作用于该流体上所有力的冲量之和
dI N i d
燃气管道阻力损失计算图表
计算示例 附加压头 局部阻力
一、低压燃气管道水力计算公式
P
Q0 T 1.13 10 0 4 L d T0
10

层流区(Re<2100)： 临界区(Re=2100~3500) 紊流区(Re>3500)



4 2 11 . 8 Q 7 10 d Q P T 0 0 1.88 106 1 23.0Q 1 105 d d 5 0 T L 0 0
2 L 3； Q 16 T Z d 管道内径， m ； ρ -----燃气的密度， kg/Nm 0 0 PdP 5 0 P0 dx 2 P 0 1 T Z 2 d 0 0 P 标准大气压，P =101325 Pa； T 燃气绝对温度，K； P2
0
1
T0燃气标准状态绝对温度，T0=273K；Z压缩系数，K； Z0标准状态下的压缩系数； L 管道长度，m；
i
I
Ni d
—微小体积燃气动量的向量 —作用力冲量的向量
1、动量的变化
动量随时间的变化：
指气体微元Fdx，由于在dτ时间内过程的不稳定所发生的改 变量，可表示为：
[( Fdx )W ] ( W ) d Fdxd
这一项表示dτ时间内过程的不稳定性造成的动量的改变量。

把各项带入动量方程，并消去Fdxdτ得运动方程：

2 x
P g sin 0 x 2d
2
（二）连续性方程
由质量守恒定律导出，即对于相同的燃气微小体积Fdx，
在dτ时间内通过断面x流入的质量与通过断面（x+dx)流
出的质量之差应该等于微元体质量的增量。
城市燃气管网的水力计算
管内燃气流动基本方程式
城市燃气管道水力计算公式和计算图表
燃气分配管道计算流量的确定
枝状管网的水力计算
环状管网的水力计算
室内燃气管道的水力计算
第一节 管内燃气流动基本方程式

பைடு நூலகம்不稳定流动方程式


稳定流动方程式
燃气管道的摩擦阻力系数
一、不稳定流动方程式
不稳定流动：运动参数均沿管长随时间变化，它们是 距离和时间的函数。

0.284
Q02 T 0 5 T0 d
三、燃气管道水力计算图表
压力不同、管材不同，水力计算公式也不同，所以也
就对应着不同的水力计算图表。另外，燃气种类不同
时，由于不同种类燃气的密度、粘度等有很大的不同
，所以计算图表也不同。 决定水力计算图表的因素主要有三个，不同的燃气种 类、管道的压力级别、不同的管道材质。三者的不同 组合得到不同的水力计算图表。

这是一组非线性的偏微分方程组，一般情况下
没有解析解。

但工程上常可忽略某些对计算结果影响不大的
项，并用线性化的方法简化后求得近似解。
（五）方程组的简化分析
主要对运动方程进行简化：
1、惯性项只有在燃气流量随时间的变化极为剧烈时才有意义
，故正常情况下可忽略；
2、对流项只有在燃气速度接近声速时才有影响，而通常燃气 管道中，气体的流速只有20～40m/s，可以忽略； 3、城市燃气管网中地势变化不太大时，低压管道的计算中可 以忽略重力项的影响；
三、燃气管道的摩擦阻力系数


简称摩阻系数
反映管内燃气流动摩擦阻力的一个无因次系数 其数值与燃气的流动状况、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 是雷诺数和相对粗糙度的函数

紊流区包括水力光滑区、过渡区和阻力平方区。该区的流动 状态比较复杂，摩阻系数的计算公式很多，下面仅介绍城市 燃气设计规范推荐的适用于紊流三个区的综合公式。
Pm=(P1 +P2)/2≈P0； 所以低压管道的基本计算公式表达为下列形式 ：
Q02 T Z P1 P2 0.81 5 0 L d T0 Z0
若采用习惯的常用单位，并考虑城市燃气管道的压力一般在
4.0Mpa以下，故可以取Z=Z0=1，则高、中压及低压燃气管道
的计算公式，又可分别表示为：
二、高中压燃气管道水力计算公 式

钢管、塑料管：
P P d 6 1.4 10 192.2 L Q0 d
2 1 2 2

0.25
Q02 T 0 5 T0 d

铸铁管：
P P d 6 1 1.3 10 5158 L Q0 d
2 1 2 2
dPfd 0 4dx
dPf
W
d 2
2
dx
dT 0d dx dPf F
W
d 2
2
dx
d
4
2
摩擦力的冲量为：

W2
d 2
Fdxd
作用于燃气微元上的总冲量：
P Fdxd g sin Fdxd x 2 W Fdxd d 2

管道中燃气微元在运动过程中的受力包括：

压力

重力
摩擦力

压力的冲量

沿气流方向作用于x断面上的压力为P F

在断面(x+dx)上，压力的方向与运动方向相反， 大小为：
P dx F P x

压力作用在燃气微元Fdx上的冲量为
P P PF P x dx F d x Fdxd

0.284
管道内表面当量绝对粗糙度，对于钢管取 0.2mm ，塑料管 取0.01mm；

ν—0摄氏度、1.01325×105Pa时的燃气运动粘度，m2/s。
第二节 城市燃气管道水力计算公式和计算图表

低压燃气管道阻力损失计算公式 高中压燃气管道阻力损失计算公式
气体状态方程
对于高压燃气应考虑其压缩性
P ZRT
(四) 方程组
2 P 2 g sin 0 x x 2d


0 x
P ZRT

该方程组可用来求得燃气管道中任一截面x和
任一时间的气流参数压力、密度和流速。
稳定流动燃气管道的水力公式 ：
2 Q T Z 2 2 0 P 0 P0 L 1 P 2 1.62 5 T0 Z 0 d

假设条件：稳定流；等温过程； 适用于高压与低压燃气管道基本公式 。
对于低压燃气管道，可以做进一步的简化：
2 2 P P 1 2 P 1 P 2 P 1 P 2 2P m P 1 P 2


燃气不稳定流动的原因：

气源工作的不稳定 压气设备工作的不稳定

燃气用户用气量随时间变化的不稳定
决定燃气流动状态的参数：

压力P 密度ρ 流速 温度 四者是随时间τ、离起点的距离x而变的函数
在多数情况下，管道内燃气的流动可认为是等温的， 其温度等于埋管周围土壤的温度。因此，决定燃气 流动状态的参数为：
P g sin 0 x x 2d
2 2


P 2 0 x 2d
0 x
P ZRT
二、稳定流动方程式
规范规定,城市燃气管道的压力不超过40公斤，设计燃气管道 时燃气流动的不稳定性可不予考虑，当作稳定流动来处理。
1、动量的变化
动量随位臵的变化：
2 ( W ) 2 2 W Fd Fdxd W Fd x 2 ( W ) Fdxd x
由于流体的流动和位移，因断面上参数值的变化而 引起的动量的改变量。
总的动量改变量

燃气微元Fdx的总的动量改变量为动量随时间的
改变量与动量随位臵的改变量的和。
dτ时间内质量增量：
Fdx d Fdxd
dτ时间内通过断面x流入的质量
WFd
dτ时间内从断面（x+dx)上流出的质量
( WF ) WF dx d x
连续性方程：
0 x
(三 )
( W ) ( W ) Fdxd Fdxd x
2
惯性项，反映了流动的不稳定 性，具有定点的动量变化的特 征。 对流项，反映因位臵变化 而引起参数变化所造成的 动量的改变量。为了使气 流加速而消耗的功。
2、燃气微元的受力分析

燃气微元动量的改变量是由于受力的影响，分析
燃气微元的受力对于建立运动方程十分重要
W
0 Q0
2 Q 2 0 0 0 W F 2
0 P0TZ PT0 Z 0
dP W dx d 2
2
2 16 Q0 T Z PdP 5 0 P0 dx 2 T0 Z 0 2 d
P1、P2-管道始末端的燃气绝对压力，Pa； Q0燃气管道计算流量，Nm3/s；
钢管、塑料管： 铸铁管：
P d 6.89 106 192 . 2 d L Q0
P d 6 1 6.39 10 5158 d L Q0

0.25
Q02 T 0 T0 d5