利用途泄流量和輸轉(zhuǎn)流量確定天然氣分配管道計(jì)算流量的研究

王 騰

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400016）

城市天然氣分配管網(wǎng)的各條管段根據(jù)連接用戶的情況，可分為三種：管段沿途不輸出氣體，用戶連接在管段的末端，這種管段的氣體流量是個(gè)常數(shù)，見(jiàn)圖 1（1），所以其計(jì)算流量就等于轉(zhuǎn)輸流量；分配管網(wǎng)的管段與大量居民用戶、小型公共建筑用戶相連；此種管段的主要特征是：由管段始端進(jìn)入的

圖1 天然氣管道的計(jì)算流量Fig.1 The calculation flow of the natural gas pipeline

天然氣在途中全部供給各處用戶，這種管段只有途泄流量，如圖1（2）所示；最常見(jiàn)的分配管段的供氣情況，如圖1（3）所示，流經(jīng)管段送至末端不變的流量為轉(zhuǎn)輸流量Q2，在管段沿程輸出的流量為途泄流量Q1，該管段上既有轉(zhuǎn)輸流量，又有途泄流量。

所以，城市天然氣分配管道，一般情況下是不等流量復(fù)雜輸氣管道，即管道中各個(gè)截面上的氣體流量不相等，要對(duì)這樣的復(fù)雜管道進(jìn)行水力計(jì)算，并且為了應(yīng)用天然氣管道水力計(jì)算的基本公式[1,2]，通常采用的方法是將其轉(zhuǎn)化成通過(guò)能力相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單管，使氣體流過(guò)簡(jiǎn)單管的壓力降與流過(guò)復(fù)雜管的壓力降相等，這條簡(jiǎn)單管的流量就是復(fù)雜管的計(jì)算流量。下面研究根據(jù)途泄流量和輸轉(zhuǎn)流量，利用計(jì)算公式來(lái)計(jì)算管段的計(jì)算流量的計(jì)算方法。

1 途泄流量的計(jì)算

途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑用戶。如果用氣負(fù)荷較大的用戶也連在該管段上，則應(yīng)看作集中負(fù)荷來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

在城市配氣管網(wǎng)計(jì)算中可以認(rèn)為，途泄流量是沿管段均勻輸出的，管段單位長(zhǎng)度的途泄流量為：

式中：q —單位長(zhǎng)度的途泄流量（N）, m3/(m·h）；

Q1—途泄流量（N）, m3/h；

L —管段長(zhǎng)度, m。

計(jì)算途泄流量時(shí)，假定在供氣區(qū)域內(nèi)居民用戶和小型公共建筑用戶是均勻分布的，而其數(shù)值主要取決于居民的人口密度。

據(jù)此途泄流量可用下法求得： 在供氣的范圍內(nèi)，按不同的居民人口密度劃分成小區(qū)； 分別計(jì)算各小區(qū)的天然氣用量，小區(qū)的天然氣用量=居民人口數(shù)×每人每小時(shí)的用氣量e(N),m3/(人·h)，e值與生活水平、用氣規(guī)律、用氣設(shè)備類型、有無(wú)集中采暖和供熱水等因素有關(guān)；求各小區(qū)的單位長(zhǎng)度途泄流量q，小區(qū)單位長(zhǎng)度途泄流量=小區(qū)的天然氣用量/小區(qū)內(nèi)管道的總長(zhǎng)度；求各條管段的途泄流量，管段的途泄流量=小區(qū)單位長(zhǎng)度途泄流量×管段長(zhǎng)度。如該管段向兩側(cè)小區(qū)均需供氣，則管段的途泄流量應(yīng)是兩邊小區(qū)單位長(zhǎng)度途泄流量之和乘以管長(zhǎng)。

［例1］如圖2所示為某低壓天然氣管網(wǎng)，按不同的居民人口密度分為A、B、C、D、F、E等6個(gè)小區(qū)，每小區(qū)的人口數(shù)分別為NA、NB、NC、ND、NE、NF，每人每小時(shí)的用氣量設(shè)為e，求各條管段的途泄流量。

圖2 某低壓天然氣管網(wǎng)Fig.2 One low pressure natural gas pipe network

解：（1）求各小區(qū)的天然氣用量

（2）求各小區(qū)的單位長(zhǎng)度途泄流量

式中：LA、LB、LC、LD、LE、LF—各小區(qū)的管段總長(zhǎng)。

（3）求各條管段的途泄流量Q1

2 輸轉(zhuǎn)流量的計(jì)算

從管道終點(diǎn)流出的流量稱為輸轉(zhuǎn)流量[3]。確定輸轉(zhuǎn)流量時(shí)，首先要確定管網(wǎng)的零點(diǎn)，然后從零點(diǎn)開(kāi)始，與氣流相反方向推算到供氣點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)的集中負(fù)荷由兩側(cè)管段供氣，則輸轉(zhuǎn)流量以各分擔(dān)一半左右為宜。

圖3 輸氣管道示意圖Fig .3 The diagram of the gas transmission pipeline

解：從圖中可看出節(jié)點(diǎn)4為管網(wǎng)的零點(diǎn)，因此，從節(jié)點(diǎn)4反推到供氣點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)4的集中負(fù)荷由兩側(cè)管段供氣，則輸轉(zhuǎn)流量以各分擔(dān)一半左右為宜，且根據(jù)輸轉(zhuǎn)流量的定義，則各條管道的輸轉(zhuǎn)流量(N),m3/h：

3 天然氣分配管道的計(jì)算流量

天然氣分配管道是變負(fù)荷管道，要確定變負(fù)荷管道的計(jì)算流量，其原則是以計(jì)算流量Q求得的管段壓力降應(yīng)與變負(fù)荷管段的實(shí)際壓力降相等。計(jì)算

流量可按下式求得：

式中：Q —計(jì)算流量（N）,m3/h；

Q1—途泄流量（N）,m3/h；

Q2—轉(zhuǎn)輸流量（N）,m3/h；

a —與途泄流量和轉(zhuǎn)輸流量之比、沿途支管數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

下面來(lái)確定a值。如圖 4所示，A-B管段直徑為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。A-B管段起點(diǎn)A處的管內(nèi)流量為轉(zhuǎn)輸流量Q2與涂泄流量Q1之和，而管段終點(diǎn)B處的管內(nèi)流量?jī)H為Q2，因此，管段內(nèi)的流量是逐漸減小的，在管段中間所有斷面上的流量是不同的，流量在 Q1+Q2及 Q2兩極限值之間。假定相鄰分支管的間距l(xiāng)均相等；假定沿管線長(zhǎng)度向用戶均勻配氣，每個(gè)分支管的途泄流量q均相等，即沿線流量為直線變化。

采用下式求各管段的實(shí)際壓力降：

對(duì)于管段上任一小段y的流量Qy為

式中：QN—該管段的總流量，QN=Q2+Q1；

則在y小段上的壓力降為：

或

圖4 天然氣分配管段的負(fù)荷變化示意圖Fig .4 The diagram of the load changes in distribution pipe of natural gas

整個(gè)管段的壓力降DP等于

將括號(hào)內(nèi)各項(xiàng)以麥克勞林級(jí)數(shù)展開(kāi)，取前3項(xiàng)，并將（n+1）式相加之，即

因?yàn)?/p>

則得

整個(gè)管段上壓力降的最終公式為

以Q=aQ1+Q2為計(jì)算流量時(shí)，其管段壓力降等于

由（6）式及（7）式可求得a值為

以 x=0代入，即途泄流量為零。此時(shí)a系數(shù)沒(méi)有物理意義。根據(jù)洛比塔法則，其極限值等于0.5。當(dāng)以 x=1（即轉(zhuǎn)輸流量為零）和 n=￥代入，則得a=0.562。取不同的n和x所得a值列于表1。

對(duì)于天然氣分配管道，一管段上的分支管數(shù)一般不小于5～10個(gè)，x值在0.3～1.0的范圍內(nèi)，此時(shí)系數(shù)a在0.5～0.6之間，故取其平均值a=0.55。

表1 水力計(jì)算公式中冪指數(shù)為1.75時(shí)所得a值Table 1 When the power index is 1.75, the value of a of water conservancy formula

如用公式 DP=KQ2l 計(jì)算，所得a值列于表2。

表2 水力計(jì)算公式中冪指數(shù)為2.0時(shí)所得a值Table 2 When the power index is 2.0, the value of a of water conservancy formula

從上述兩表中所得數(shù)值可以看出，水力計(jì)算公式中冪指數(shù)等于 1.75～2.0時(shí)，a值的變化并不大，實(shí)際計(jì)算中均可采用平均值a=0.55。

故天然氣分配管道的計(jì)算流量公式為：

式中：Q —管道的計(jì)算流量；

Q1—管道的途泄流量；

Q2—管道的輸轉(zhuǎn)流量。

有些情況下，在管網(wǎng)計(jì)算中也有取a=0.5的，在給水管網(wǎng)計(jì)算中就是如此。天然氣管網(wǎng)中從分配管道接出的用氣點(diǎn)較多，而從調(diào)壓站到管網(wǎng)的末端用戶間的管段數(shù)量較少，通常，即管段途泄流量占管段總流量的比例較大。而給水管網(wǎng)的特點(diǎn)則相反，其值更小，即管段轉(zhuǎn)輸流量占管段總流量的比例甚大，故用 Q=0.5Q1+Q2公式進(jìn)行計(jì)算，其誤差不太大。而對(duì)于天然氣管網(wǎng)，如取a=0.5進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上所得的管段計(jì)算流量是偏小的，故應(yīng)采用a=0.55。

［例3］管網(wǎng)已知參數(shù)與［例2］相同，求管網(wǎng)中各條管道的計(jì)算流量Q。

解：根據(jù)天然氣分配管道的計(jì)算流量公式：

所以，各條管道的計(jì)算流量分別為(N ), m3/h:；

4 結(jié) 論

在城市天然氣長(zhǎng)輸管道的輸送中，管道建筑用戶相連，中途有流量分出，從介紹途泄流量和輸轉(zhuǎn)流量的角度入手，利用計(jì)算公式來(lái)計(jì)算管段的計(jì)算流量，確定其壓力降，并進(jìn)行了舉例說(shuō)明，為輸氣管道的設(shè)計(jì)工作提供了一定的參考。

［1］伍欽，蔡梅琳，曾朝霞等.等直徑流量分配管的計(jì)算[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,28（7）:94-98.

［2］繆正清.多孔分配管與匯管單相流體的流動(dòng)特性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999,33（3）:297-300.

［3］馬良濤.燃?xì)廨斉鋄M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.