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本课件讲授燃气管网的水力计算，从管内燃气流动基本方程式出发，给出稳定流动方程与摩擦阻力系数，介绍水力计算公式、计算图表与燃气分配管道计算流量的确定方法，并演示枝状管网、室内管道与环状管网的计算步骤与算例。
城市燃气输配
第六章城市燃气管网的水力计算
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。
第六章城市燃气管网的水力计算
第一节管内燃气流动基本方程式
一、不稳定流动方程式
不稳定：运动参数均沿管长随时间变化，它们是距离和时间的函数。
决定燃气流动状态的参数
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：
解决问题的思路
1、运动方程
2、连续性方程
3、气体状态方程
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。
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。
运动方程
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；
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；
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；但燃气密度大，高层建筑时必须考虑这一点4、管道中燃气流动方程组的简化
4、管道中燃气流动方程组的简化运动方程的简化：从工程观点出发，运动方程中对流项、惯性项及重力项对计算结果影响不大，可忽略。
4、管道中燃气流动方程组的简化连续性方程的改写：因为所以
管道燃气流动方程组简化结果
公式的应用
上述方程组在进行线性化处理后，加上起始条件和边界条件，可采用有限元法，也可采用差分法，求得管道内燃气运动参数与坐标x和时间τ的关系P（x, τ）、ρ（x, τ）和W（x, τ）。
二、稳定流动方程式
二、稳定流动方程式
假设条件：稳定流；等温过程；燃气状态参数变化符合理想气体定律。
稳定流动基本方程组：经运算整理，得到燃气管道水力计算的基本公式为：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；d管道内径，m；ρ0------燃气的密度，kg/Nm3；P0标准大气压，P1=101325Pa；T燃气绝对温度，K；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；
低压管道Pm------管道始端和终端压力的算术平均值，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4Mpa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
燃气管道水力计算基本公式高、中压燃气管道低压燃气管道式中：P1、P2------管道始末端的燃气绝对压力，KPa；------燃气管道沿程阻力系数；Q0------燃气管道计算流量，Nm3/h；d------管道内径，mm；ρ0------燃气的密度，kg/Nm3；T------设计中所采用的燃气绝对温度，K；T0------燃气标准状态绝对温度，T0=273K；L------燃气管道的计算长度，m；
三、燃气管道的摩擦阻力系数
我国目前广泛采用的计算公式
紊流三个区(Re>3500)钢管、塑料管铸铁管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。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；0摄氏度和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
一、燃气管道水力计算公式
二、燃气管道水力计算公式
三、燃气管道水力计算图表
气态液化石油气按4*10-6m2/s；
管道当量绝对粗糙度按0.17mm。
修正举例
四、计算示例
已知人工燃气密度0.7kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，有φ219*7中压燃气钢管，长200m，起点压力150KPa，输送燃气流量2000Nm3/h，求0℃时该管段末端压力。
燃气管道水力计算公式
公式法式中：P1、P2------管道始末端的燃气绝对压力，KPa；d------管道内径，mm；L------燃气管道的计算长度，m；
已知人工燃气密度0.7kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，有φ219*7中压燃气钢管，长200m，起点压力150KPa，输送燃气流量2000Nm3/h，求0℃时该管段末端压力。
图表法
已知人工燃气密度0.7kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，有φ219*7中压燃气钢管，长200m，起点压力150KPa，输送燃气流量2000Nm3/h，求0℃时该管段末端压力。
四、计算示例
已知人工燃气密度0.5kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，15℃燃气流经100m长的低压燃气钢管，当燃气流量10Nm3/h，管段压力降4Pa，求该管道管径。
燃气管道水力计算公式
公式法
已知人工燃气密度0.5kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，15℃燃气流经100m长的低压燃气钢管，当燃气流量10Nm3/h，管段压力降4Pa，求该管道管径。
图表法
已知人工燃气密度0.5kg/Nm3，运动粘度25*10-6m2/s，15℃燃气流经100m长的低压燃气钢管，当燃气流量10Nm3/h，管段压力降4Pa，求该管道管径。
五、附加压头
在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，当燃气密度小于空气密度时，对管道内流动气体上升时将产生一种升力，下降时将增加阻力，因此引入附加压头的概念
管道实际的压力降应为减去附加压头由于燃气的密度与空气的密度不同，当燃气管道始末端存在高程差时，管道中将产生附加压头（或附加阻力），在计算中应予以考虑。气体上升时H为正，气体下降时，为负。计算室内燃气管道以及地面变化相当大的城市（如昆明市）或厂区的低压燃气管道，应考率附加压头。
某多层住宅，燃气室内立管终端标高17m，引入管始端标高-0.6m，密度0.71kg/Nm3
六、局部压力降
对于室内燃气管道和厂、站区域的燃气管道，由于管路附件较多，局部损失所占的比例较大，应进行计算。
基本计算方法式中：△P------局部压力降，Pa；------计算管段中局部阻力系数的总和；------燃气在管道中的流速，m/s；------燃气密度，kg/Nm3；T------燃气绝对温度，K，T0=273K。
折成当量长度计算法
因此，管件的局部压力降等于其当量长度为L2的直线管段的沿程压力降，在计算管道及管道附件的总压力降时L=L1+L2L1------管道实际长度，m；L2------管道上附件的当量长度，m。
实际管道计算长度L乘以该管段单位长度摩擦阻力损失，就可得到该管段的压力损失。
第三节燃气分配管道计算流量
(一)燃气分配管网供气方式只有转输流量的管段只有途泄流量的管段有途泄流量和转输流量的管段
燃气分配管段的负荷变化示意图
(二)燃气分配管道计算流量的确定
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。
(二)燃气分配管道计算流量的确定
Q=αQ1+ Q2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。经分析，对于一般的燃气分配管道，α=0.5～0.6，在实际计算中可取其平均值α=0.55，则燃气分配管道的计算流量为Q=0.55Q1+Q2
(三)燃气分配管道途泄流量的确定
管段途泄流量的计算过程
１、在供气范围内，按不同的居民人口密度或道路和建筑物的布局划分街区A、B～F。
３、根据每个街区的燃气计算流量和燃气管道的长度，计算管道单位长度途泄流量。
单位长度途泄流量公式
qn------n号街区有关管道的单位长度途泄流量，Nm3/h.m；
Qn------n号街区内各类用户的小时计算流量，Nm3/h；
L------n号街区有关管道的长度之和，m。
各街区管道的单位长度途泄流量为：qA＝QA/(L1-2+L2-3+L3-4+L4-5+L5-6+L1-6)qB＝QB/(L1-2+L2-11)qC＝QC/(L2-3+L3-7+L2-11)……
4、求管段的途泄流量
各管段的途泄流量为：(Q1)1-2＝(qA+qB)L1-2(Q1)2-3＝(qA+qC)L2-3(Q1)2-11＝(qB+qC)L2-11(Q1)1-6＝qAL1-6……
(四)节点流量
(四)节点流量
节点流量等于燃气流入节点的所有管段的途泄流量的0.55倍，与燃气流出节点的所有管道的途泄流量的0.45倍之和，再加上节点上另有的集中流量
(四)节点流量（续）
本页为数据表，源文件提取的数字与项目名粘连严重，未能安全切分为行列，已保留可辨识的文字项目，数值建议对照原课件图片人工核对后还原为表格。
例题1
例题2
例题2（续）
第四节、枝状管网水力计算
一、枝状管网水力计算特点
二、枝状管网水力计算步骤新建枝状燃气管网的水力计算步骤：
对管网的节点和管道编号；
根据管线图和用气情况，确定管网各管段的计算流量；
选定枝状管网的干管；
根据给定的允许压力降确定管线单位长度上的允许压力降；
二、枝状管网水力计算步骤
根据管段的计算流量及单位长度允许压力降预选管径；
根据所选定的标准管径，反算管段实际沿程压力降和局部压力降，并计算总的压力降；
检查计算结果，若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。
三、枝状管网计算举例
本页为数据表，源文件提取的数字与项目名粘连严重，未能安全切分为行列，已保留可辨识的文字项目，数值建议对照原课件图片人工核对后还原为表格。
123846751-10006-4004-4007-7002-7005-6003-8002000200030002000枝状管网计算举例：1、对管网的节点和管道编号；2、根据管线图和用气情况，确定各管段的计算流量；3、根据给定的允许压力降及由于高程差而造成的附加压头，确定管线单位长度上的允许压力降；4、由管段计算流量及单位长度允许压力降选择管径；5、根据所选定的标准管径，求沿程压力降和局部压力降，计算总的压力降；6、检查计算结果。若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。1、对管网的节点和管道编号；2、根据管线图和用气情况，确定各管段的计算流量；3、根据给定的允许压力降及由于高程差而造成的附加压头，确定管线单位长度上的允许压力降；4、由管段计算流量及单位长度允许压力降选择管径；5、根据所选定的标准管径，求沿程压力降和局部压力降，计算总的压力降；6、检查计算结果。若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。
123846751-10006-4004-4007-7002-7005-6003-8002000200030002000确定各管段的计算流量：确定气流方向，并根据图示各调压器的输气量（中压管网的节点流量），计算各管段的计算流量：3-80030002000500020002000400090001、对管网的节点和管道编号；2、根据管线图和用气情况，确定各管段的计算流量；3、选定干管，根据给定的允许压力降确定管线单位长度上的允许压力降；4、由管段计算流量及单位长度允许压力降选择管径；5、根据所选定的标准管径，求沿程压力降和局部压力降，计算总的压力降；6、检查计算结果。若总的压力降未超过允许值，并趋近允许值，则认为计算合格，否则应适当变动管径，直到总压力降小于并尽量趋近允许值为止。
确定管线单位长度允许压力降
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初选干管管径
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初选干管管径（续）
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初选干管管径（续）
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检查计算结果
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支管计算
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低压管网计算例
某低压配气管网，输送天然气，物性已知，输送温度、压力已知，钢管，管内壁当量粗糙度已知，各管段长度已知。已知1-6干线及支线单位长度途泄流量，节点5有集中负荷。156
低压管网计算例
第六节、环状管网的计算
（一）环状管网的特点
若改变环网某一管段的管径，就会引起管网流量的重新分配并改变各节点的压力值，而枝状管网的某一管段直径变动时，只导致该管段压力降数值的变化，而不会影响流量分配。
枝状管网水力计算只有直径和压力降两个变量，而环状管网水力计算则有直径、压力降和计算流量三个未知量。
（二）环状管网的水力计算方法
（二）环状管网的水力计算方法
（二）环状管网的水力计算方法
（二）环状管网的水力计算方法
经济条件方程管网源点是调压器，则源点压力应是一定值；管网源点是压送机，则源点压力有一限值；管网非源点的压力应满足管网运行压力的要求。如将管网系统总造价最小及管网系统运行费用最小等作为目标函数所建立的方程等。
高中压、低压管网计算方法
环状管网实际设计计算步骤1、绘制管网平面示意图，管网布置应使管道负荷较为均匀。然后对节点、环网、管段进行编号，标明管道长度、燃气负荷、气源或调压室位置等；2、计算途泄流量或节点流量；3、按气流沿着最短路径从供气点流向零点（不同流向燃气的汇合点）的原则，拟定环状管网燃气流动方向，但在同一环内，必须有两个相反的流向；
环状管网实际设计计算步骤4、根据拟定的气流方向和节点流量，以节点流量代数和为零为条件，从零点开始，设定流量的分配，逐一推算每根管道的初步计算流量；5、根据管网允许压力降和供气点至零点的管道计算长度（局部阻力通常取沿程损失的5~10%），求得单位长度允许压力降，据此即可初选管径；
环状管网实际设计计算步骤6、由选定的管径，计算各管段的实际压力降以及每环的实际闭合差，通常初步计算结果管网各环的压力降是不闭合的，这就必须进行管网的平差计算；7、在人工计算中，平差计算是逐次进行流量校正，使环网闭合差渐趋工程允许的误差范围的过程；
环状管网实际设计计算步骤8、由管段的压力降推算管网各节点的压力
一旦节点压力未满足要求，或者管道压力降过小而不够经济时，需调整管径，重复6、7两步计算9、绘制水力计算图，图中标明管段长度、管径、计算流量、压力降和节点流量、压力等。
（三）环状管网的水力平差计算
（三）环状管网的水力平差计算
（三）环状管网的水力平差计算
（三）环状管网的水力平差计算
逐次渐进法消除环网闭合差
逐次渐进法消除环网闭合差
逐次渐进法消除环网闭合差
逐次渐进法消除环网闭合差
未考虑邻环校正流量影响得
公式推广->任何环
总结：校正流量的计算顺序
（三）环状管网的水力平差计算
（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例
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（四）环状管网的计算举例8
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（四）环状管网的计算举例
（四）环状管网的计算举例
（四）环状管网的计算举例（续）
（四）环状管网的计算举例（续）
第五节室内燃气管道的计算12345678910室内燃气管道的计算需根据燃具的布置、燃具的数量以及燃具的灶前压力的要求，确定室内管道走向，通过水力计算，确定管径。例：如图所示某五楼居民住宅，每户安装两眼燃气灶一具，额定流量1.6m3/h，燃气室内管及用气管的允许压力降为200Pa，求管道直径。燃气相对密度为0.6，室内温度15℃。计算步骤如下：1、管道节点按顺序编号，标出各管段的长度。8.50.582.32.92.92.90.51.5
2、根据各管段供应
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2、根据各管段供应
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2、根据各管段供应（续）
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2、根据各管段供应（续）
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