城市燃气输配管网系统的水力计算分析
第6章 燃气管网的水力计算 燃气输配 教学课件
径，直至总压力降小于并趋近于允许值为止。
二、环状管网的水力计算
计算步骤
1、绘制管网平面示意图，对节点、管段、环网编号，并标明管道长度、集中负 荷、起源或调压站位置等。
2、计算管网各管段的途泄流量。
3、按气流沿最短路径从供气点流向零点的原则，拟定环网各管段中的燃气流向。 气流方向总是流离供气点，不应逆向流动。
Q=αQ1+Q2
Q—计算流量 Nm3/h
Q1—途泄流量 Nm3/h
Q2—转输流量 Nm3/h
α—流量折算系数
一般来说，流量折算系数α取0.55，故燃气分配管道的计算流量为
Q=0.55Q1+Q2
二、途泄流量的计算 途泄流量包括大量居民用户、小型公共建筑用户及小型工业
用户的流量。 1、根据供气范围内的道路和建筑物的布局划分街区 2、计算各管段单位长度的途泄流量 3、求管段的途泄流量
第六章 燃气管网的水力计算
河北科技大学建工学院
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 第二节 城市燃气管道水力计算公式和计算图表 第三节 燃气分配管网计算流量 第四节 管网水力计算
第一节 管道内燃气流动的基本方程式
一、不稳定流动方程式 假设 a、地下燃气管道的温度变化不大，可认为是等温流动 b、地下燃气管道的标高变化不大，可不计管道纵轴方向的重力作用分
三、室内燃气管道的计算 在室内燃气管道计算之前，必须先选定和布置用户燃气用具，并画出管道系统
图。 计算步骤 1、将各管段按顺序编号 2、求各管段的计算流量 3、求得各管段的长度，根据计算流量预选管径 4、算出各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，的管段的计算长度。 5、求各管段的阻力损失 6、计算各管段的附加压头 7、求各管段实际的压力损失 8、求室内燃气管道的总压力将 9、以总压力将与允许的计算压力降相比较，如不合适，则可改变个别管段的管
燃气管网水力计算ppt课件
1、实际压力降的求解
采用微元的方法求解管段的实际压力降 简化：管段上有n条分支管，各分支管间距均相等，并且每条分支管的途泄流量q也 相等，n条分支管就管段AB均匀地分成了n+1条小管段。
压降计算公式：
PKQ1.75l
流进管段的总流量： QN=Q2+Q1
每一条分支管段的流量：
q Q1 n
在AB上取任一小段y，该管段上的流量用Qy表示，则
0.71kg/Nm3，计算附加压头；又已知引入管起点压力P1=1000Pa，
80Pa，求P2。
P沿程局部
P2 17m P gag H 1.6 0P 0a
－0.6m P1
五、局部阻力损失计算
当燃气流经三通管、弯管、变径异型管、阀门等管路附件时，由于几何边界的急 剧改变，燃气在管道内气流方向和气流断面改变，燃气运动受到扰乱，必然产生 额外的压力损失。
原 则 -- 以 计 算 流 量 求 得的管段压力降应与 变负荷管段的实际压 力降相等。
计算流量先用转输流量与途泄流量的组合来表示
QQ1Q2
式中：Q------计算流量，Nm3/h； Q1-----途泄流量，Nm3/h； Q2-----转输流量，Nm3/h； α-----流量折算系数，它与途泄流量与转输流量之比、沿途支管数有关。
P12
P22 L
01
3.1(kP)a2/m
P 12 LP 22 00
3.10
.7
.7 2
.(1 k7 P )2/am
1502 P22 2.17 200
四、附加压头
由于空气与燃气密度不同，当管道始、末端存在标高差时，在燃气管道中将产 生附加压头。对始末端高程差值变化甚大的个别管段，包括低压分配管道及建 筑物的室内的低压燃气管道，必须将附加压头计算在内。
燃气管网水力计算
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
水力计算的任务
➢ 设计计算：根据计算流量（Q）和允许压力损失 （△P）计算管径（D），进而决定管网投资与金属 消耗量等
➢校核计算：对已有管道进行流量（Q）和压力损失 （△P）的验算，已充分发挥管道的输气能力，或决 定是否需要对原有管道进行改造
➢意义：关系到输配系统经济性和可靠性，是城镇 燃气规划与设计中的一项重要工作
• 转输流量：流经燃气管段，并转送给后续管段的流量 Q2称为转输流量
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
（一）燃气分配管网的供气方式
➢ 管段沿途不输出燃气，这种管段的燃气流量是不变的 Q1 ＝ 0, Q2 ≠0
➢ 由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户 Q1 ≠ 0, Q2 ＝ 0
Z 压缩因子， 当燃气压力小于1.2MPa
（表压）时，取Z =1；
d 管道直径，mm
L 燃气管道的计算长度，km
燃气管道摩擦阻力系数
燃气密度，kg/m3
T 设计中所采用的燃气温度，K
T0 标准状态气体绝对温度，273.15K
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第一节 燃气管网设计计算
8）由管段的压力降推算管网节点的压力：
节点压力需满足要求，管道压力降过小而不经济时，需调整管
径，重复6）、7）两步计算
燃气供应
第6章 燃气管网水力计算
第二节 室内燃气管道的设计计算
一、室内燃气管道及燃具的布置
(一)燃气用户引入管 (二)室内燃气管道 (三)燃气计量表的布置 (四)燃具的布置
燃气供应
Q1 - 途泄流量，m3 /h Q2 - 转输流量，m3 /h
城市民用燃气管网的水力计算
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。
城镇燃气管网的水力计算
·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)
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。
燃气管网水力计算
1、实际压力降的求解
采用微元的方法求解管段的实际压力降 简化：管段上有n条分支管，各分支管间距均相等，并且每条 分支管的途泄流量q也相等，n条分支管就管段AB均匀地分成了 n+1条小管段。 压降计算公式： 压降计算公式：
∆P = KQ 1.75 l
流进管段的总流量： 流进管段的总流量： QN=Q2+Q1 每一条分支管段的流量： 每一条分支管段的流量：
Q02 T 5 ρ0 d T0
∆ ∆P dν = 6.89 × 10 6 + 192.2 d L Q0
∆P dν 6 1 = 6.39 × 10 + 5158 d L Q0
0.25
Q02 T ρ0 T0 d5
Q02 T ρ0 T0 d5
2、运动粘度： 运动粘度： 人工燃气： 人工燃气： ν＝25 ×10－6 m 2 /s 天然气： 天然气：
ν＝15 ×10－6 m 2 /s
3、取钢管的当量绝对粗糙度： ∆＝0.00017m 取钢管的当量绝对粗糙度：
例 题 1：
3 已知： 运动粘度： 已知：人工燃气的密度 ρ0＝0.5Kg/Nm 运动粘度： ，
的低压燃气钢管，当流量Q0＝10Nm3/h时，管段压力降 的低压燃气钢管，当流量Q /h时 4Pa，求该管道管径。 为4Pa，求该管道管径。
∆p 4 ∆p 0.04 = 0.08(p/m) ( )ρ0 =0.5＝ = 0.04(p/m) ( )ρ0 =1＝ a a l 100 l 0.5
据流量和压降查表得： 据流量和压降查表得：d=80mm
第六章 城市燃气管网的水力计算
燃气管网水力计算的任务： 1．根据燃气的计算流量和允许的压力损失计算管道 直径，以确定管道投资和金属消耗。 2．对已有管道进行流量和压力损失的验算，以充分 发挥管道的输气能力，或决定是否需要对原有管道进 行改造。
燃气管网水力计算方法
《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。
城市燃气输配_燃气管网水力计算
（c）根据每个街区的燃气计算流量和燃气管道的长度，计
算管道单位长度向该街区供应的途泄流量。
q Q1 L
qA
L12
L23
QA L34 L45
L56
L61
qB
QB L12 L211
qC
L211
QC L23
L37
B C
A
F
D
E
（d）求管段的途泄流量
①管段的途泄流量等于单位长度途泄流量乘以该管段的长 度。 ②若管段是两个小区的公共管道，需同时向两侧供气时， 其途泄流量应为两侧的单位长度途泄流量之和乘以管长。
0.81
Q02 d5
0
T T0
Z Z0
L
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：
高、中压燃气管道：
P12
P22 L
1.27 1010 Q02
d5
0
T T0
低压燃气管道：
P1
P2 L
3.计算步骤
对如图所示 的小区，计 算步骤如下 ：
B C
A
F
D
E
管段途泄流量的计算过程
B C
A
（a）在供气范围内，按不同的居
F
D
E
民人口密度或道路和建筑物的布局划分街区A、B～F。
（b）分别计算各个街区居民用气量及小型公共建筑年用气 量、小时计算流量，并按照用气量的分布情况布置配气管 道1-2、2-3……
对于管段AB，途泄流量 为Q1，转输流量为Q2 管道起点A处，流量为 转输流量与途泄流量之 和； 管道终点B处，流量仅 为Q2。
04-城市燃气-燃气管网的水力计算
KQN
1.75
( 2n 1) 2 L 1 0.88x 0.11 x n
P0 — 标准大气压, Pa
λ — 燃气管道的摩擦阻力系 数
Q0 — 燃气管道的计算流量, Nm3/s D — 燃气管道的内径, m 0 — 燃气的标态密度, kg/Nm3
T — 燃气的绝对温度, K T0 — 标准状态下的绝对温度 ,K Z — 压缩因子 Z0 — 标准状态下的压缩因子 L — 燃气管道的计算长度, m
3 3、绘制图表时， ρ 1kg/Nm ; 0
6、对于低压管道, 纵坐标为 P/L
2 P12 P2 7、 对 于 高 、 中 压 管 道 ,纵 坐 标 为 L
(Pa/m);
2 [(kPa) /m];
8、绘制图表时，取钢管绝 对粗糙度 0.0002 m;
9、对于密度不是1k g/Nm3燃气，可以通过图中密 度 校正尺来修改 。
2
H 2
ρ — 燃气的密度，kg/N m 3；
1
H 1
2、局部阻力
• 计算公式：
p
W2
2
–局部阻力ζ 由实验
方法确定
–根据不同流通断面
的几何参数，通过
相关的计算图表计
算局部阻力ζ .
• 局部阻力系数一般用实验方法确定，实验时先测 出管道中管件、部件或设备等前后的全压差(即局 部阻力），除以与特征速度相应的动压，求得局 部阻力系数值。 • 实际工程中，管件、部件或设备处的局部阻力系 数只取决于管件部件或设备流动通道的几何参数。 • 即使是相同名称的管件、部件，不同的流体管网， 其几何参数的差异也会对局部阻力系数的值造成 影响，因此也很难用统一的图表计算各种管网的 局部阻力。
第六章 燃气管网的水力计算
算
把低压计算公式中的1.75改写 为2即可。
P Q nn Q ns P
Pi\ Q — 顺“+” 逆“-”
Q
29
第六章
4. 环网水力计算例题
【例题】 试计算图6-1中所示的低压管网，图上注有 环网各边长度（m）及环内建筑用地面积F（公顷）。 人口密度为每公顷600人，每人每小时的用气量为 0.06m3，有一个工厂集中用户，用气量为100m3/h。气 源是焦炉煤气，密度ρ=0.46kg/m3，动力粘度 ν=25×10-6m2/s。管网中的计算压力降取ΔP=400Pa。 解：（1）在平面图上编号、标注
第六章
B
C
A
F
E
D
18
(3)各小区管L1 2 3 4 5 6 1
QB L1 2 1 1
1
2
C
A
3
7
qB
5 6 F 10 9 E 8 4 D
(4)计算各管段的Q1
Q
1 2 1
图 5-10 各 管 段 途 泄 流 量 计 算 图 示
q B q A L1 2
管段摩擦（沿程）
阻力损失
Py
P1 2 P22 L L
P L l
10
Py
第六章
3. 局部阻力损失计算公式 （1）基本公式
Pj
w
2
2
适用：庭院管、室内管、厂区管
第六章
11
（2）当量长度法
局部阻力损失： P j
12
ldl
d
l2
燃气管网水力计算方法
《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。
燃气管网的水力计算
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-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。
城镇燃气管网水力计算
第二节 燃气管道计算压力降及其分配
பைடு நூலகம்
一、低压管网计算压力降的确定
用气概况
供配气量
2. 增大燃具的压力波动范围，可增大管网的计算压力降。
5 5
第二节 燃气管道计算压力降及其分配
二、高压、次高压、中压管网计算压力降的确定
高压、次高压管网：
始端压力：取决于上游管道的供气压力； 末端压力：取决于下游调压站的用最气低概进况口压力与安全附加值之供和配。气量
计算 公式
一、低压燃气管道摩阻损失：4-1
二、高压、次高压和中压燃气管道摩阻损失： 4-7、4-8
三、燃气管道水力计算图表：查表求压降
四、燃气管道的局部阻力：4-16
第二节 燃气管道计算压力降及其分配
燃气管道计算压力降 ❖ 在单位时间最大用气量发生时管网始、末两端的压力降。 管网始端压力：即设计压力，用气应概在况所需压力级制的供压配力气范量 围内 经技术、经济分析比较后确定 管网末端压力：取决于调压器最低进口压力或用户所需压力。
中压管网：
始端压力：取决于上游管道供气压力或上游管道调压站出口压力； 末端压力：取决于由中-低压调压站最低进口压力或用户中压燃烧器 所需压力确定。
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7
城镇燃气管网水力计算
1 燃气管道使用水力计算公式
CONTENTS
2 燃气管道计算压力降及其分配
课前思考与问答
1. 燃气管径如何确定？ 2. 燃气为有压输送，输送过程中是否有压降，压降发生在 哪些地方？ 3. 各级管道（高、次高、中、低压管道）始端压力、末端 压力如何确定？
第一节 燃气管道实用水力计算公式
燃气管网水力计算
燃气管网水力计算的任务： 1．根据燃气的计算流量和允许的压力损失计算管道
直径，以确定管道投资和金属消耗。 2．对已有管道进行流量和压力损失的验算，以充分
发挥管道的输气能力，或决定是否需要对原有管道进 行改造。
因此，正确地进行水力计算，是关系到输配系统经济性和可 靠性的问题，是城市燃气规划与设计中的重要环节。
公式法
P12
P22 L
1.4
10
6
d
d
192.2 Q0
0.25
Q02 d5
0
T T0
图表法
P12
L
P22
0 1
3.1(
kPa)2
/
m
P12
P22 L
0 0.7
3.10.7
2.17( kPa)2
一、低压燃气管道水力计算公式
层流区(Re<2100)：
P
L
1.13 1010
Q0 d4
0
T T0
临界区(Re=2100~3500)
紊流区(Re>3500)
P L
1.88
106
1
11.8Q0 23.0Q0
7 104 1 105
d d
Q02 d5
0
T T0
钢管、塑料管：
P L
6.89
106
d
192.2
d
Q0
0.25
Q02 d5
0
T T0
铸铁管：
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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。
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∂∂∂=∂∂∂ 2PC ρ∂=∂()222P x d Pc x P zg RT λυρρυτρ⎫∂-=⎪∂⎪∂⎪∂-=⎬∂∂⎪⎪⎪=⎭0Pτ∂=∂0υτ∂=∂0ρτ∂=∂2212aa i i ii i i i iQ P PK l s Q d β-==(i=1,2,3…p ) (2.7)式中：P ---燃气管道管段数；1i P ，2iP ---管段始末的燃气绝对压力Pa;iK ---与管段的摩擦系数、燃气温度、密度、压缩因子等因素有关；il ---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 ； is ---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 ≥3500A 钢管,(2.12)(2.13)B,铸铁管64Reλ=1000401.1310Q P TL d T υρ∆=⨯5Re 21000.0365Re 110λ-=+-⨯4600055011.87101.8810123.0110Q dv Q P T L Q dv dT ρ⎛⎫-⨯∆=⨯+ ⎪-⨯⎝⎭0.25680.11Re d λ∆⎛⎫=+ ⎪⎝⎭0.2526005006.8910192.2Q P dv TL dQ 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：0.284010.1025158dv dQ λ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭0.284260050016.39105158Q P dv TL dQ d T ρ⎛⎫∆=⨯+ ⎪⎝⎭图2.2(3)最常见的分配管段的供气情况是，流经管段送至末端不变的流量为转输流量Q2，在管段沿程输出的燃气流量为途泄流量为Q,即该管段上既有转输流量，又有途泄流量，如图2.3：图2.3在设计低压分配管网时,连在低压管道上各用户用气负荷的原始资料通常很难详尽和确切,当时只能知道街坊或区域的总的用气负荷。
在确定管段的计算流量时,既要尽可能精确地反映实际情况,而确定的方法又应不太复杂。
在城市燃气管网计算中可以认为,途泄流量是沿管段均匀输出的,管段单位长度的途泄流量为：（2.16）式中：q---单位长度的途泄流量；lQ ---途泄流量；L---管段长度。
途泄流量只包括大量的居民用户和小型公共建筑用户。
如果用气负荷较大的用户也连在该管段上，则应看作集中负荷来进行计算。
计算时假定在供气区域内居民用户和小型公共建筑用户是均匀分布的，而其数值主要取决于居民的人口密度。
2.3环状管网的水力计算2.3.1环状管网的基本数据模型环网中每一管段有三个未知量,它们是管段直径d ，管段压力降δp 和计算流量Qi 即环状管网总的未知量是管段数的三倍。
（1） 对于每一管段可写出压力降计算公式为(2.17）（2） 节点流量平衡方程燃气管网处于稳定流状态时，对任一节点i 均满足流量平衡,可用下式表示:lQ q L=2212aai iii i i i iQ PPK l s Q d β-==(i=1,2,3,,,m)(2.18)式中:qj 节点流量;aij 为管段j 与节点的关联元素,aij=1,管段j 与节点i 关联,且是管段的终点;aij=-l,管段j 与节点i 关联,且是管段的起始点;aij=0,管段j 与节点i 不关联。
可建立m-1个独立的方程。
(3)环能量平衡方程(克希霍夫第二定律)对于燃气管网中任一环路均应满足压降之和为零,可用下式表示:(i=1,2,3,,,n)(2.19)式中:ij b 为管网环路与管段的关联元素,ij b =1管段j 在第i 个环中,且管段j 的方向与环的方向一致;ij b =-1,管段j 在第i 个环中,且管段的方向与环的方向相反;ij b =0,管段j 不在第i 个环中。
可建立n 个独立的环能量方程。
任何几何特性的管网,其管段数p 、节点数m 和环数n 的关系,均存在p=m+n-1的关系(2.17)(2.18)(2.19)式可建立()12p m n p +-+=⎡⎤⎣⎦个方程,有p 个管段流量、p 个管段压降方程可完全求解。
2.3.2环状管网的计算步骤在实际设计工作中,计算环状燃气管网的步骤如下:(l)在己知用户用气量和一定管网布置图的基础上,绘制管网平面示意图,对节点编号,标明管段长度,燃气负荷,气源或调压室位置"计算整个供气范围内集中负荷的用气量和单位长度的途泄流量。
(2)计算管网各管段的途泄流量和节点流量。
(3)按气流沿最短路径从供气点流向零点的原则确定环网各管段中的燃气流向。
气流方向总是流离供气点,而不应逆向流动。
(4)根据拟定的气流方向和节点流量,以0Q =∑为条件,从0开始设定流量分配,逐一推算出管网各管段的初步计算流量。
(5)由己知的管网计算压力降和供气点至零点的管道长度,求得单位长度平均压力降Pl ∆,选择各管段的管径。
局部阻力损失通常取沿程阻力损失的10%。
选择管径时先作初步的水力计算,由于选择管径时每段管段不可能完全符合单位长度平均压力降的要求,初步计算所得结果也不可能符合环网压力降闭合差为零的条件.因此必须进行环状管网的平差计算。
(6)由选定的管径计算各管道的实际压力降及每环的闭合差,逐次进行校正计算，即水力平差计算。
使所有封闭环网压力降的代数和为零或接近零,达到工程容许的误差范围。
1pij ji j a Qq =+=∑1pa ijjjj b s Q==∑2.3.3环状管网的平差计算现假定需要进行计算的环状燃气管网如图2.4所示。
经初步计算后环网中各段的管道直径已定,但第I 环和第n 环的压力降的代数和均不等于零。
第I 环的压力降闭合差为△P Ⅰ，第Ⅱ环的压力降闭合差为△P Ⅱ。
图2.4对水力计算有若干种方法，表2.1是其概括比较的方法。
表2.1方法 环平衡法 有限元节点法 牛顿拉普森法 管段方法 初设条件管段流量 管段流量 节点压力 管段流量 形成方程式组及数目 方程式n 个 方程式（m-1)个 方程式（m-1)个方程式p 个矩阵形式 对称正定 大型对称正定 大型对称正定 一般大型稀疏 解题对象 校正流量△q节点压力P节点压力修正值δP 管段流量q迭代次数 多 中 中 少 输入信息 多 中 中 多 闭合差 一般 较好 较好 好 小循环速度快 较快较快 慢 特点只解环网初设值要求不高，使用方便初设值要求精确适用多气源定压计算 计算精度高，适用于高中压管网，编程较麻烦牛顿法是将非线性方程线性化求近似解的一种计算方法,采用这种方法进行求解。
设有函数f(x)且满足下式:f(x)=0（2.19）若X0为该方程的根X 附近的点，'()f x 为()f x 的导数，将()f x 按泰勒级数展开，并仅取前两项，得：（2.20） （2.21） （2.22）000()()()()f x f x f x x x =+-00'0()()f x x x f x --=00()x x x x =+-计算时先设定初值0x 及允许最大误差δ,按(2.21)式求得0x x -,若0x x ->δ,则按(2.22)式求出0x 作为下一次计算的初值,再按(2.21)式重新计算,经多次迭代,直至满足0x x δ-≤为止"最后求得的x 即为方程的解。