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燃气工程水力计算课件

一、引言：水力计算的意义与目的

在燃气工程设计与运行管理中，水力计算扮演着至关重要的角色。它是确保燃气输配系统安全、稳定、经济运行的核心技术手段。简单来说，水力计算的主要目的在于：

1.确定合理的管径：根据设计流量和允许的压力降，计算并选择经济适用的管道直径，避免管径过大造成投资浪费或管径过小导致压力损失过大，影响下游用户的正常用气。

2.校核系统压力：在已知管径和流量的情况下，计算燃气在管道内流动的压力损失，确保系统起点压力能够满足终点用户的压力需求，并留有必要的安全余量。

3.优化管网布局：通过对不同管网方案的水力计算结果进行比较，分析其压力分布特性，从而优化管道走向、分支设置等，使整个输配系统运行更高效。

4.保障系统安全：准确的水力计算有助于避免因流速过高引起的管道振动、噪声、磨损加剧以及可能的静电危害，同时也为系统的压力调控和事故工况分析提供依据。

因此，掌握燃气工程水力计算的基本原理、方法和相关规范要求，是每一位燃气工程技术人员必备的专业技能。

二、基础概念与参数

（一）燃气的物理性质

燃气的物理性质是水力计算的基础数据，主要包括：

1.密度(ρ)：单位体积燃气所具有的质量，单位为kg/m3。燃气的密度随温度、压力及组成而变化。在水力计算中，通常需要采用标准状态下的密度或根据实际工况进行修正。

2.相对密度(S)：在相同温度和压力下，燃气密度与空气密度的比值，无量纲。它反映了燃气与空气的轻重关系，对燃气的泄漏扩散特性和燃烧特性有影响，在某些经验公式中也会用到。

3.粘度(μ或ν)：表征燃气流动时分子间内摩擦力大小的物理量，分为动力粘度(μ，单位Pa·s)和运动粘度(ν，单位m2/s)，二者关系为ν=μ/ρ。粘度受温度影响较大，通常随温度升高而降低（对于气体）。

（二）水力计算常用参数

1.流量(Q)：单位时间内通过管道某一截面的燃气体积或质量。工程中常用体积流量，单位为m3/h或m3/s。注意区分标准状态流量和工况流量，计算时需根据公式要求进行转换。

2.压力(P)：燃气在管道内的压强，常用单位有Pa、kPa、MPa。水力计算中涉及的压力包括绝对压力、表压力（相对压力）以及压力降（压差）。

3.管径(d)：管道的内径，单位为m或mm。这是水力计算中一个关键的设计变量。

4.管长(L)：管道的计算长度，单位为m。对于沿程阻力计算，通常取管道的实际敷设长度；对于局部阻力，需结合管件类型考虑。

5.流速(v)：燃气在管道内流动的平均速度，单位为m/s。流速过高会增加压力损失和噪声，过低则可能导致管道内积液（对于含有凝液的燃气）。

（三）流动状态与雷诺数(Re)

燃气在管道内的流动状态分为层流和湍流，其阻力特性截然不同。流动状态由雷诺数(Re)判断：

Re=(v*d)/ν

式中：

v-燃气流速(m/s)；

d-管道内径(m)；

ν-燃气的运动粘度(m2/s)。

一般认为，当Re≤2000时，流动为层流；当Re4000时，流动为湍流；介于二者之间的为过渡流。在燃气工程中，绝大多数情况下为湍流流动。

三、燃气流动的压力损失计算

燃气在管道内流动时，由于克服沿程摩擦阻力和局部阻力，会产生压力损失。水力计算的核心就是确定这些压力损失。

（一）沿程阻力损失(ΔP_f)

沿程阻力损失是燃气在直管段中流动时，由于气体分子与管壁以及分子之间的摩擦而产生的能量损失。

1.达西-魏斯巴赫(Darcy-Weisbach)公式：

这是计算沿程阻力损失的通用公式，适用于各种流体和流动状态。

ΔP_f=λ*(L/d)*(ρ*v2)/2

式中：

ΔP_f-沿程阻力损失(Pa)；

λ-沿程阻力系数（无量纲），其值与雷诺数Re和管道内壁粗糙度有关；

L-管道长度(m)；

d-管道内径(m)；

ρ-燃气密度(kg/m3)；

v-燃气流速(m/s)。

该公式的关键在于确定沿程阻力系数λ。对于层流(Re≤2000)，λ=64/Re。对于湍流，λ的确定较为复杂，需根据管道粗糙度和Re数，通过莫迪图(MoodyChart)查取，或采用经验公式计算（如柯列勃洛克-怀特公式、尼古拉兹公式等）。

2.常用经验公式：

由于达西公式中λ的确定较为繁琐，工程上针对特定条件下的燃气管道，发展了一些简化的经验公式。这些公式通常已将λ的影响、流速与流量的关系等整合进去，形式更简洁，便于工程应用。

*适用于低压燃气管道的公式：如我国《城镇燃气设计规范》中推荐的公式，其形式通常为ΔP=C*