利用途泄流量和輸轉流量確定天然氣分配管道計算流量的研究

王 騰

（中煤科工集團重慶設計研究院， 重慶 400016）

城市天然氣分配管網的各條管段根據連接用戶的情況，可分為三種：管段沿途不輸出氣體，用戶連接在管段的末端，這種管段的氣體流量是個常數，見圖 1（1），所以其計算流量就等于轉輸流量；分配管網的管段與大量居民用戶、小型公共建筑用戶相連；此種管段的主要特征是：由管段始端進入的

圖1 天然氣管道的計算流量Fig.1 The calculation flow of the natural gas pipeline

天然氣在途中全部供給各處用戶，這種管段只有途泄流量，如圖1（2）所示；最常見的分配管段的供氣情況，如圖1（3）所示，流經管段送至末端不變的流量為轉輸流量Q2，在管段沿程輸出的流量為途泄流量Q1，該管段上既有轉輸流量，又有途泄流量。

所以，城市天然氣分配管道，一般情況下是不等流量復雜輸氣管道，即管道中各個截面上的氣體流量不相等，要對這樣的復雜管道進行水力計算，并且為了應用天然氣管道水力計算的基本公式[1,2]，通常采用的方法是將其轉化成通過能力相當的簡單管，使氣體流過簡單管的壓力降與流過復雜管的壓力降相等，這條簡單管的流量就是復雜管的計算流量。下面研究根據途泄流量和輸轉流量，利用計算公式來計算管段的計算流量的計算方法。

1 途泄流量的計算

途泄流量只包括大量的居民用戶和小型公共建筑用戶。如果用氣負荷較大的用戶也連在該管段上，則應看作集中負荷來進行計算。

在城市配氣管網計算中可以認為，途泄流量是沿管段均勻輸出的，管段單位長度的途泄流量為：

式中：q —單位長度的途泄流量（N）, m3/(m·h）；

Q1—途泄流量（N）, m3/h；

L —管段長度, m。

計算途泄流量時，假定在供氣區域內居民用戶和小型公共建筑用戶是均勻分布的，而其數值主要取決于居民的人口密度。

據此途泄流量可用下法求得： 在供氣的范圍內，按不同的居民人口密度劃分成小區； 分別計算各小區的天然氣用量，小區的天然氣用量=居民人口數×每人每小時的用氣量e(N),m3/(人·h)，e值與生活水平、用氣規律、用氣設備類型、有無集中采暖和供熱水等因素有關；求各小區的單位長度途泄流量q，小區單位長度途泄流量=小區的天然氣用量/小區內管道的總長度；求各條管段的途泄流量，管段的途泄流量=小區單位長度途泄流量×管段長度。如該管段向兩側小區均需供氣，則管段的途泄流量應是兩邊小區單位長度途泄流量之和乘以管長。

［例1］如圖2所示為某低壓天然氣管網，按不同的居民人口密度分為A、B、C、D、F、E等6個小區，每小區的人口數分別為NA、NB、NC、ND、NE、NF，每人每小時的用氣量設為e，求各條管段的途泄流量。

圖2 某低壓天然氣管網Fig.2 One low pressure natural gas pipe network

解：（1）求各小區的天然氣用量

（2）求各小區的單位長度途泄流量

式中：LA、LB、LC、LD、LE、LF—各小區的管段總長。

（3）求各條管段的途泄流量Q1

2 輸轉流量的計算

從管道終點流出的流量稱為輸轉流量[3]。確定輸轉流量時，首先要確定管網的零點，然后從零點開始，與氣流相反方向推算到供氣點。若節點的集中負荷由兩側管段供氣，則輸轉流量以各分擔一半左右為宜。

圖3 輸氣管道示意圖Fig .3 The diagram of the gas transmission pipeline

解：從圖中可看出節點4為管網的零點，因此，從節點4反推到供氣點1，節點4的集中負荷由兩側管段供氣，則輸轉流量以各分擔一半左右為宜，且根據輸轉流量的定義，則各條管道的輸轉流量(N),m3/h：

3 天然氣分配管道的計算流量

天然氣分配管道是變負荷管道，要確定變負荷管道的計算流量，其原則是以計算流量Q求得的管段壓力降應與變負荷管段的實際壓力降相等。計算

流量可按下式求得：

式中：Q —計算流量（N）,m3/h；

Q1—途泄流量（N）,m3/h；

Q2—轉輸流量（N）,m3/h；

a —與途泄流量和轉輸流量之比、沿途支管數有關的系數。

下面來確定a值。如圖 4所示，A-B管段直徑為d，長度為L。A-B管段起點A處的管內流量為轉輸流量Q2與涂泄流量Q1之和，而管段終點B處的管內流量僅為Q2，因此，管段內的流量是逐漸減小的，在管段中間所有斷面上的流量是不同的，流量在 Q1+Q2及 Q2兩極限值之間。假定相鄰分支管的間距l均相等；假定沿管線長度向用戶均勻配氣，每個分支管的途泄流量q均相等，即沿線流量為直線變化。

采用下式求各管段的實際壓力降：

對于管段上任一小段y的流量Qy為

式中：QN—該管段的總流量，QN=Q2+Q1；

則在y小段上的壓力降為：

或

圖4 天然氣分配管段的負荷變化示意圖Fig .4 The diagram of the load changes in distribution pipe of natural gas

整個管段的壓力降DP等于

將括號內各項以麥克勞林級數展開，取前3項，并將（n+1）式相加之，即

因為

則得

整個管段上壓力降的最終公式為

以Q=aQ1+Q2為計算流量時，其管段壓力降等于

由（6）式及（7）式可求得a值為

以 x=0代入，即途泄流量為零。此時a系數沒有物理意義。根據洛比塔法則，其極限值等于0.5。當以 x=1（即轉輸流量為零）和 n=￥代入，則得a=0.562。取不同的n和x所得a值列于表1。

對于天然氣分配管道，一管段上的分支管數一般不小于5～10個，x值在0.3～1.0的范圍內，此時系數a在0.5～0.6之間，故取其平均值a=0.55。

表1 水力計算公式中冪指數為1.75時所得a值Table 1 When the power index is 1.75, the value of a of water conservancy formula

如用公式 DP=KQ2l 計算，所得a值列于表2。

表2 水力計算公式中冪指數為2.0時所得a值Table 2 When the power index is 2.0, the value of a of water conservancy formula

從上述兩表中所得數值可以看出，水力計算公式中冪指數等于 1.75～2.0時，a值的變化并不大，實際計算中均可采用平均值a=0.55。

故天然氣分配管道的計算流量公式為：

式中：Q —管道的計算流量；

Q1—管道的途泄流量；

Q2—管道的輸轉流量。

有些情況下，在管網計算中也有取a=0.5的，在給水管網計算中就是如此。天然氣管網中從分配管道接出的用氣點較多，而從調壓站到管網的末端用戶間的管段數量較少，通常，即管段途泄流量占管段總流量的比例較大。而給水管網的特點則相反，其值更小，即管段轉輸流量占管段總流量的比例甚大，故用 Q=0.5Q1+Q2公式進行計算，其誤差不太大。而對于天然氣管網，如取a=0.5進行計算，實際上所得的管段計算流量是偏小的，故應采用a=0.55。

［例3］管網已知參數與［例2］相同，求管網中各條管道的計算流量Q。

解：根據天然氣分配管道的計算流量公式：

所以，各條管道的計算流量分別為(N ), m3/h:；

4 結 論

在城市天然氣長輸管道的輸送中，管道建筑用戶相連，中途有流量分出，從介紹途泄流量和輸轉流量的角度入手，利用計算公式來計算管段的計算流量，確定其壓力降，并進行了舉例說明，為輸氣管道的設計工作提供了一定的參考。

［1］伍欽，蔡梅琳，曾朝霞等.等直徑流量分配管的計算[J]. 華南理工大學學報，2000,28（7）:94-98.

［2］繆正清.多孔分配管與匯管單相流體的流動特性[J].上海交通大學學報，1999,33（3）:297-300.

［3］馬良濤.燃氣輸配[M].北京：中國電力出版社，2004.