城鎮(zhèn)燃氣管道置換關(guān)鍵參數(shù)控制及計量裝置的優(yōu)化設(shè)計

解延麗

（天津新科成套儀表有限公司,天津 300385）

城市化的發(fā)展和環(huán)保理念的深入，為天然氣置換工作提供了現(xiàn)實條件。天然氣高效、清潔，已經(jīng)成為了城鎮(zhèn)燃氣的首選。在燃氣管道置換工作中，對燃氣管道的安全性把握非常重要。首先應(yīng)當通過對燃氣管道的腐蝕速率進行明確，對管道的承壓情況進行連接，在此基礎(chǔ)之上進行天然氣置換。天然氣的置換工作中，無論是哪種氣體都要符合質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒的定律，因此我們可以據(jù)此建立相關(guān)的數(shù)學模型明確構(gòu)建參數(shù)。

一、城鎮(zhèn)燃氣管道置換數(shù)學方程

首先要明確燃氣管道置換工作中的質(zhì)量守恒方程，在一定時間之內(nèi)流體進入管道的質(zhì)量是與管道的質(zhì)量變化率相同。明確質(zhì)量守恒方程便于對其進行控制。

在公式（1）中，ρ 是指氣體的密度，vx，vy，vz是指速度在直角左邊系上的分量，t是指時間。

公式（2），公式（3）和公式（4）是動量守恒方程都是由牛頓定律推演的，這三個公式能夠幫助工作人員計算出管道中的動量與時間的變化率，其變化率與管道中的各力之和相同，因此在公式中設(shè)置p 為微元體壓強，txx，txy，txz等等都是因分子粘性而產(chǎn)生在p 之上的應(yīng)力。Fx，fy和fz是指x，y，z 三個方向上的質(zhì)量力。

公式（5）是能量守恒方程，是根據(jù)熱力學定律推演而成，能夠幫助工作人員計算出能量的增加率，其增加率等于質(zhì)量力與表面力對熱流體的功與源項能量的和。在公式中，E就代表了流體的總能量，Keff是代表了傳熱系數(shù)，Jj代表了j的擴散通量，Sh代表了熱源項。

公式（6）是組分方程，能夠幫助工作人員計算天然氣在置換中與之前管道中的煤氣在交界處的濃度變化情況，其中Cs是組分s的體積濃度，Ds是擴散系數(shù)，Ss是產(chǎn)生率。

二、城鎮(zhèn)燃氣管道置換的擴散系數(shù)

在城鎮(zhèn)燃氣管道置換中，管道中氣體的擴散傳播與傳質(zhì)的方式有關(guān)，方式有分子擴散、對流擴散和紊流擴散。

公式（7）是分子擴散系數(shù)的計算公式，此公式綜合了分子之間的作用力與分子組元的差距，利用勢函數(shù)推演出了二元氣體分子擴散的系數(shù)公式。其中K 是指玻爾茲曼常數(shù)，T 是指溫度，MA與MB是A 與B 兩個組元分子量，n 是指密度，ΩD是碰撞積分。σAB是指碰撞直徑，

在實際的燃氣管道置換工作中，船只的過程中通常是分子擴散、對流擴散和紊流擴散混合的狀態(tài)，單純一種傳質(zhì)方式的情況較少。因此，必須對混合系數(shù)進行公式推導。

公式（8）是結(jié)合了分子擴散的原理來計算的分子擴散與紊流擴散相結(jié)合的混合系數(shù)。在公式（8）中εD就是指紊流擴散系數(shù)。

在置換工作中，天然氣直接推動著管道中原有的人工煤氣前進。當管道中的氣體流動的速度大，會引起湍流活動，因此在數(shù)學模型的建立中選擇湍流模型的k-ε 模型。接著采取網(wǎng)格劃分的形式對置換換到進行劃分，明確管線近壁處的邊界層，確定其邊界的膨脹比率。在計算邊界條件中，通過將置換管道起點設(shè)為壓力入口，將管道的放散處設(shè)為出口，根據(jù)公式計算出天然氣置換煤氣的對流擴散方程，動量方程，能量方程，得出流入管道天然氣量，流出管道的天然氣量，接頭處的天然氣凈增量，得出三通處流入、流出天然氣量，凈增量，采取迎風差分格式的方法對對流擴散方程和邊界條件進行求解，再實施置換作業(yè)的試驗方案設(shè)計。

三、城鎮(zhèn)燃氣管道置換中計量裝置的設(shè)計

燃氣流量計量裝置是對管道中燃氣的通過量的測量和記錄，能夠直觀地體現(xiàn)出氣體流動的情況和氣體的體積，可以計算出燃氣的使用量，以供燃氣管理部門參考。

（一）風速儀的優(yōu)化

在燃氣管道置換工作中，對燃氣流動其和體積的計算非常重要。在燃氣置換中的優(yōu)化設(shè)計中，選擇渦輪流量計有精確度更高，反應(yīng)更迅速，重復(fù)性能強和量程比寬等多個優(yōu)點。以渦輪計量裝置為基礎(chǔ)，優(yōu)化當前的風速儀設(shè)計，對當前風速儀承受沖擊的能力弱，測量慣性等問題進行分析，創(chuàng)新設(shè)計其結(jié)構(gòu)，設(shè)計不銹鋼套在原有的風速儀儀片外，通過穿線固定在螺栓上，再將數(shù)字儀表與風速傳感器連接插頭，提升傳感器的沖擊承受力和長時間不間斷的監(jiān)測能力。

（二）中高壓燃氣管道計量裝置的優(yōu)化

在中高壓燃氣管道置換中，應(yīng)用畢托式流量計量裝置能夠增加其精度、寬度程比和穩(wěn)定性。畢托式流量計量裝置采取IL 畢托式測量管，配置流速顯示儀和微處理器，保證在不同風速之下都能滿足測量需求。