關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（內蒙古西部天然氣管道運行有限責任公司，內蒙古 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

很多原因（管道粗糙與否、天然氣的流態）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上提出了水力摩阻系數的計算公式,公式的變量便是管壁的粗糙程度以及雷諾數。

根據雷諾數的大小，流體的流態分成紊流區、臨界區和層流區。紊流區又分成混合摩擦區、水力光滑區、阻力平方區。阻力平方區即是長距離輸氣管道中天然氣流態所處的流態區域。表1包含了長輸管道工程實踐中經常使用的阻力平方區水力摩阻系數公式。

表1 阻力平方區水利摩阻系數公式

相同的問題，公式不同，結果也有所不同。因此在運用中為了調整工作以及管線的設計，根據實際情況選用合適的計算公式才可以獲得準確的結果。溫度、壓力、管流量為已知參數，運行數據反算水力摩阻系數可以觀察到雷諾數對其會造成明顯的影響，所以上述公式中沒有雷諾數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公式，且公式中涉及到雷諾數，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的數據對比。從圖中可觀察到某些運行管段較經常使用的公式與實際結果相比偏差較大，而水力摩阻系數小，計算后偏差被放大，影響計算的準確性。

圖1 實際數據與理論公式結果對比

通過實踐數據對上述關系進行非線性擬合，得出水利摩阻系數與雷諾數的關系表達式如下:

式中λ——水利摩阻系數；

Re——對因流量下的雷諾數，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:①管道中的氣體質量流量不會因距離和時間發生變化，氣體穩定流動；②管道中的氣體流動時，溫度不發生變化，其流動是等溫過程。選用管流基本公式，再結合管道的起點壓力、終點壓力等各種物理量算出節點壓力以及管段的流量。

2.水力學模型中主要物性參數的計算

經學者的研究和多年的發展，已研究出多種實際氣體的狀態方程，也都普遍被認可，如P-R狀態方程、BWRS狀態方程、SRK狀態方程等。而長輸管道所處的是高壓環境，其中BWRS方程的準確度高適應性強，所以本文選用它來計算天然氣的物性。

3.結語

本文綜述了水平長輸管道的數學模型、物理模型及其求解辦法，并總結了各國較為常用的水力摩阻系數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的BWRS方程均進行了綜述。為后續研究奠定了基礎。

[1]馮良,夏星星等.天然氣管道穩流水力計算公式的比較與分析[J].上海煤氣,2010,(5):20-23.

[2]宋立群,李玉星等.低持液率濕天然氣集輸管道的水力計算模型[J].油氣儲運,2011,30(4):283-287.