燃氣長輸管道的穩態分析研究

李曉鳳

摘 要：采用清潔能源可以緩解環境問題，清潔能源中的燃氣常采用長輸管線進行運輸。通過分析燃氣長輸管道穩態流動，建模、分析計算得出了燃氣長輸管線的穩態流動計算公式，并將其應用于某一燃氣長輸管道進行了計算。

關鍵詞：燃氣；長輸管道；穩態流動；模擬

中圖分類號：TE832；TK018 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.132

近年來，溫室氣體導致的溫室效應越來越明顯，造成氣候顯著變化。氣體燃料能降低污染，能改善人類生存與發展的空間，實現人類的可持續發展。由于天然氣由氣田或氣體處理廠進入輸氣干線，其流量和壓力是穩定的，即屬于穩定流動。在這些穩定工況下，對輸氣管道穩定流動的研究顯得更為重要。

1 模型的建立

輸氣管的直徑在很長距離上是不變的，管路曲率半徑比直徑大很多，垂直于流線的氣體特性變化率同沿著流線的變化率相比可以忽略不計，所以流動可以假定為一維的。這就意味著在管道任一截面上，所有流動參數可以看作是均勻的，為該斷面上的平均值。對于一維流動，流動運動參數p、ρ、v只是時間t和沿管道軸線長度 的函數。

2 數學模型的建立

對于燃氣輸氣管道，若不考慮溫度的變化，對于穩定流動，其流動參數不隨時間而變化，可得到的氣體流動連續性方程、動量方程及實際氣體狀態方程，不考慮時間的影響得到氣體管道穩定流動的數學模型：

式（1）（2）（3）中：A為管道截面積，m2；ρ為密度，kg/m3； 為時間，s；M為質量流量，kg/s；x為管道長度，m；p為壓力，Pa；λ為摩擦阻力系數；D為管道直徑，m；g為重力加速度，m/s?；α為水平線與管道長度方向之間的夾角，°。

3 數學模型的求解

對式（1）式積分，可得：

對于（2）式動量方程的慣性項在大多數情況下均可忽略不計，在城市燃氣管網中，當標高的差值不太大時，動量方程中的重力項一般也可忽略不計。式（2）可簡化為：

對等溫流動，考慮狀態方程

式（6）中：Z為氣體壓縮系數；R為氣體常數，J/（kg·K）；T為氣體溫度，K；a為氣體波速，m/s。

將（6）代入（5）得到：

在從x1=0至管段長度L的范圍內，考慮λ和T均為常數，對于壓縮因子Z，若P≤1.2 MPa，則壓縮因子為1，而對于P>1.2 MPa，若L比較小，則Z在L長度變化不大，也可認為是個常數，對（7）積分后得：

4 算例分析

設某輸氣管道的直徑為d=0.3 m，管長為L=150 km，取λ=0.03，起點的壓力取為1 MPa，管段起點均勻供氣，其質量流量為5 kg/s。該天然氣的氣體常數為498.25 J/（kg·K），密度為0.746 8 kg/m3。根據（8）式可得管道沿線的各點的壓力如圖1所示。

5 總結

由于環境污染、溫室氣體的排放，導致全球溫度變化、環境惡化，因此，采用清潔能源勢在必行。作為清潔能源的天然氣，應用得越來越多，很多城市的供暖鍋爐都開始改成燃氣鍋爐，減少環境污染。燃氣長輸管線是最常見的運輸方式，長輸管線的流動流量是穩定的，可以認為是穩定流動。本文主要對穩定流動進行了建模、分析、計算，并對某一長輸管線進行了計算。

參考文獻

[1]邢國斌.燃氣高壓管網模擬的研究與計算[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2004.

[2]姚光鎮.輸氣管道設計與管理[M].北京：中國石油大學出版社，1991.

〔編輯：胡雪飛〕