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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：
（4-1）
为了对摩擦阻力公式进行积分，由连续性方程得：

由气体状态方程得：

代入摩擦阻力公式，在管径不变的管段中，整理得：
（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：
4-3）
式中P1——燃气管道始端的绝对压力（Pa）；
P2——燃气管道末端的绝对压力（Pa）；
P0——标准大气压，P0=101325Pa；
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——管道内径（m）；
ρ0——标准状态下的燃气密度（kg/Nm3）；
T0——标准状态下的绝对温度（273.15K）；
T——燃气的绝对温度（K）；
Z0——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，
式中为管道1、2断面压力的算术平均值，对低压管道，，代入式（4-3），得低压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：
（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：
（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。
P、Q0、d、L的单位分别是KPa、Nm3/h、mm、km。
低压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失为：
（4-6）
式中P、l的单位分别是Pa、m。
根据燃气在管道中不同的流动状态，λ分别采用下列经验及半经验公式。
低压燃气管道：
（1）层流状态（）

（4-7）
（2）临界状态（）

（4-8）
（3）紊流状态（）
（4-9）
由于是隐函数，工程中常采用适合于一定管材的专用公式：
1）钢管

（4-10）
2）铸铁管

（4-11）
3）塑料管
公式同式（4-10）。
式中Re——雷诺数，Re=wd/υ；
w——燃气流速（m/s）；
υ——标准状态下的燃气运动粘度（m2/s）；
K——管壁内表面的当量绝对粗糙度（mm），钢管一般取0.1~0.2mm，塑料管一般取0.01mm
次高压和中压燃气管道：
1）钢管

（4-12）
2）铸铁管

（4-13）
3）塑料管
公式同式（4-12）。
高压燃气管道的单位长度摩擦阻力损失，宜按现行的国家标准《输气管道工程设计规范》GB50251有关规定计算。

2.燃气管道水力计算图
在实际的水力计算中，直接用水力计算公式进行计算是一项极为繁重的工作，为简化计算，根据上述水力计算公式绘制成水力计算图，如图4-1~4-4所示。

其编制条件是：燃气温度为0℃，密度ρ0=1kg/Nm3；运动粘度：天然气υ=15×10-6m2/s，人工煤气υ=25×10-6m2/s；钢管的当量粗糙度K=0.17mm。
由于计算图是在燃气特定的参数下绘制的，当实际参数与计算图上的参数不同时，要进行修正。
例如密度和温度的修正：由于单位长度摩擦阻力损失和燃气的密度、温度成正比，因此
低压管道：
（4-14）
高、中压管道：
（4-15）
[例4-1]已知天然气密度ρ0=0.73kg/Nm3，运动粘度υ=15×10-6m2/s，当流量Q0=1000m3/h、温度t=15℃时，100m长的低压燃气管道压力降为85Pa，求该管道的管径。取钢管绝对粗糙度K=0.17mm。
[解法1]公式法
由于流量较大，流动假定在紊流状态：

代入数据：

解上式得d=259mm，取标准管径d=260mm
校核：

因Re>3500，管内燃气的流动为紊流状态，计算有效。
[解法2]图表法
密度和温度的修正：
Pa/m
查图4-2，由流量Q0=1000m3/h、在Pa/m附近，查得管径d=273×7，即d=260mm。

二、局部阻力
在进行燃气管网的水力计算时，干管和配气管网由于局部阻力占总阻力的比例不大，一般按摩擦总阻力的5%~10%进行估算；但对庭院管道和室内管道，由于部件较多，局部阻力占总阻力的比例较大，要逐个进行详细计算，工厂内、站区内的燃气管道也要计算局部阻力。
局部阻力损失公式：
（4-16）
式中ζ——管道局部阻力系数，通常由实验测得，有表或图可查。
局部阻力损失常有两种计算方法：
1.查局部阻力损失计算表
实际工程中，产生局部阻力处的流动常处于紊流的粗糙区，它只与管件、部件或设备的形状、尺寸等几何参数及材料（粗糙度