关于长输天然气管道水力计算的研究

1. 长输天然气管道水力计算公式的确定

1.1 天然气的水力摩阻系数

很多原因 (管道粗糙与否、天然气的流态) 都会对天然气管流造成影响。因此多国在尼古拉兹实验和普朗特理论基础上提出了水力摩阻系数的计算公式, 公式的变量便是管壁的粗糙程度以及雷诺数。

根据雷诺数的大小, 流体的流态分成紊流区、临界区和层流区。紊流区又分成混合摩擦区、水力光滑区、阻力平方区。阻力平方区即是长距离输气管道中天然气流态所处的流态区域。表1包含了长输管道工程实践中经常使用的阻力平方区水力摩阻系数公式。

相同的问题, 公式不同, 结果也有所不同。因此在运用中为了调整工作以及管线的设计, 根据实际情况选用合适的计算公式才可以获得准确的结果。温度、压力、管流量为已知参数, 运行数据反算水力摩阻系数可以观察到雷诺数对其会造成明显的影响, 所以上述公式中没有雷诺数的公式均不适用于长输天然气管道。表1中潘汉德尔A、B式是近年较为常用的水力摩阻系数公式, 且公式中涉及到雷诺数, 图1所示的是潘汉德尔A、B式与实际的部分水力摩阻系数的数据对比。从图中可观察到某些运行管段较经常使用的公式与实际结果相比偏差较大, 而水力摩阻系数小, 计算后偏差被放大, 影响计算的准确性。

通过实践数据对上述关系进行非线性拟合, 得出水利摩阻系数与雷诺数的关系表达式如下:

式中λ——水利摩阻系数;

Re——对因流量下的雷诺数, 表达式如下;

式中po——标识下空气密度;

Q——标识下天然气输量, m3/s;

D——管内径, m;

μ——气体动力年度, Pa·s

接下来的研究中将通过上述公式对水力摩阻系数进行计算。

1.2 输气管流量方程

若假设: (1) 管道中的气体质量流量不会因距离和时间发生变化, 气体稳定流动; (2) 管道中的气体流动时, 温度不发生变化, 其流动是等温过程。选用管流基本公式, 再结合管道的起点压力、终点压力等各种物理量算出节点压力以及管段的流量。

2. 水力学模型中主要物性参数的计算

经学者的研究和多年的发展, 已研究出多种实际气体的状态方程, 也都普遍被认可, 如P-R状态方程、BWRS状态方程、SRK状态方程等。而长输管道所处的是高压环境, 其中BWRS方程的准确度高适应性强, 所以本文选用它来计算天然气的物性。

3. 结语

本文综述了水平长输管道的数学模型、物理模型及其求解办法, 并总结了各国较为常用的水力摩阻系数与水平长输管道流量的计算公式和方法。对长输管道工程实际运行的水力摩阻系数进行反算和非线性拟合进行了论述, 并对相对密度与天然气密度, 还有压缩因子和与求解压缩因子有关的BWRS方程均进行了综述。为后续研究奠定了基础。

摘要：输配气管网可以按照不同的方式进行分类。据用途可以分成城市燃气管道、长距离输气管道、工业企业燃气管道等。还可以据不同的输送压力大小以及敷设方式进行分类。本文主要以长距离输气管道为重点进行水力计算研究。

关键词：长输,天然气管道,水力计算