關(guān)于長輸天然氣管道水力計算的研究

鄭鵬飛 夏妍 曹艷萍 王建文（內(nèi)蒙古西部天然氣管道運行有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1.長輸天然氣管道水力計算公式的確定

1.1 天然氣的水力摩阻系數(shù)

很多原因（管道粗糙與否、天然氣的流態(tài)）都會對天然氣管流造成影響。因此多國在尼古拉茲實驗和普朗特理論基礎(chǔ)上提出了水力摩阻系數(shù)的計算公式,公式的變量便是管壁的粗糙程度以及雷諾數(shù)。

根據(jù)雷諾數(shù)的大小，流體的流態(tài)分成紊流區(qū)、臨界區(qū)和層流區(qū)。紊流區(qū)又分成混合摩擦區(qū)、水力光滑區(qū)、阻力平方區(qū)。阻力平方區(qū)即是長距離輸氣管道中天然氣流態(tài)所處的流態(tài)區(qū)域。表1包含了長輸管道工程實踐中經(jīng)常使用的阻力平方區(qū)水力摩阻系數(shù)公式。

表1 阻力平方區(qū)水利摩阻系數(shù)公式

相同的問題，公式不同，結(jié)果也有所不同。因此在運用中為了調(diào)整工作以及管線的設(shè)計，根據(jù)實際情況選用合適的計算公式才可以獲得準確的結(jié)果。溫度、壓力、管流量為已知參數(shù)，運行數(shù)據(jù)反算水力摩阻系數(shù)可以觀察到雷諾數(shù)對其會造成明顯的影響，所以上述公式中沒有雷諾數(shù)的公式均不適用于長輸天然氣管道。表1中潘漢德爾A、B式是近年較為常用的水力摩阻系數(shù)公式，且公式中涉及到雷諾數(shù)，圖1所示的是潘漢德爾A、B式與實際的部分水力摩阻系數(shù)的數(shù)據(jù)對比。從圖中可觀察到某些運行管段較經(jīng)常使用的公式與實際結(jié)果相比偏差較大，而水力摩阻系數(shù)小，計算后偏差被放大，影響計算的準確性。

圖1 實際數(shù)據(jù)與理論公式結(jié)果對比

通過實踐數(shù)據(jù)對上述關(guān)系進行非線性擬合，得出水利摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系表達式如下:

式中λ——水利摩阻系數(shù)；

Re——對因流量下的雷諾數(shù)，表達式如下；

式中po——標識下空氣密度；

Q——標識下天然氣輸量，m3/s；

D——管內(nèi)徑，m；

μ——氣體動力年度，Pa·s

接下來的研究中將通過上述公式對水力摩阻系數(shù)進行計算。

1.2 輸氣管流量方程

表2 管道流量計算公式

若假設(shè):①管道中的氣體質(zhì)量流量不會因距離和時間發(fā)生變化，氣體穩(wěn)定流動；②管道中的氣體流動時，溫度不發(fā)生變化，其流動是等溫過程。選用管流基本公式，再結(jié)合管道的起點壓力、終點壓力等各種物理量算出節(jié)點壓力以及管段的流量。

2.水力學(xué)模型中主要物性參數(shù)的計算

經(jīng)學(xué)者的研究和多年的發(fā)展，已研究出多種實際氣體的狀態(tài)方程，也都普遍被認可，如P-R狀態(tài)方程、BWRS狀態(tài)方程、SRK狀態(tài)方程等。而長輸管道所處的是高壓環(huán)境，其中BWRS方程的準確度高適應(yīng)性強，所以本文選用它來計算天然氣的物性。

3.結(jié)語

本文綜述了水平長輸管道的數(shù)學(xué)模型、物理模型及其求解辦法，并總結(jié)了各國較為常用的水力摩阻系數(shù)與水平長輸管道流量的計算公式和方法。對長輸管道工程實際運行的水力摩阻系數(shù)進行反算和非線性擬合進行了論述，并對相對密度與天然氣密度，還有壓縮因子和與求解壓縮因子有關(guān)的BWRS方程均進行了綜述。為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

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