气源物性对压降的影响

陈长太

摘 要：本文通过分析国内广泛采用的燃气管道阻力损失的计算公式，找出评估物性参数对管道压降影响的判别式，从而优化、简化不同气质之间压降校核计算。

关键词：燃气管道压降；气源物性参数；判别式

中图分类号：TD774 文献标识码：A

在同一个地区，一个很普遍的情况是：远期和近期的气源是不同的气质，中间存在过渡气源。在存在非单气源的情况下，我们在进行水力计算的时候，就需要用远期的气源来校核近期的气源。那么现在来考虑一个问题：我们是否可以找到一个判别式，这个判别式只和气质物性有关，利用判别式评估物性参数对压降的影响高低及大小，从而省去校核的过程。

问题的关键和难度在于：分析较为复杂的燃气管道阻力损失的计算公式，从中找出可行的判别式。以下就对我国目前广泛采用的主要计算公式进行分析，找出可行的判别式。

1.层流状态

1.1 公式（一）

当燃气处于层流状态时（雷诺数Re<2100），计算公式如下：

（1）

△P—管段压差（Pa）；

d—管道内径（mm）；

l—管段的长度（m）；

v—燃气的运动粘度（m2/s）；

Q0—管段流量（Nm3/h）；

ρ0—燃气密度（kg/Nm3）；

T—環境绝对温度（K）；

T0—273K。

上式左边中，影响单位压降的参数中，和物性有关的是：Q0、v、ρ0三者的乘积，且正比于单位压降，因而只要比较Q0、v、ρ0三者的乘积的大小，就可以判断压降的大小，不同气质的Q0是和热值成反比的，可用1/H（H为燃气的热值）代替Q0。一般来说，为了比较压降的大小，针对层流状态下，可提出以下的判别式：

（2）

结论：fa1>fa2时

1.2 公式（二）

在低压燃气的户内计算当中，以下公式也被广泛应用，公式如下：

（3）

上式中参数的意义同式（1），其中k1是由管径决定的一个参数。我们分析式（3），同理可得以下判别式：

（4）

结论：fb1>fb2时，

2.紊流状态

先讨论低压燃气管道。处于紊流（雷诺数Re>3500）状态下的低压燃气管道摩擦阻力损失计算采用阿里特苏里公式，形式如下：

（5）

公式中参数的意义同上，其中k表示管道的粗糙度。上式左边同气质物性有关的，正比于压降的整式为：

将该整式中根号内的k/d提出来，整式可化为：

分析这个式子对压降的影响是本文的重点。

设

，分两种情况讨论：

（1）当燃气1和燃气2做对比，

与ρ0Q02的值都大（或小）时，A的值就大（或小），压降就大（或小）。

（2）当燃气1和燃气2做对比，ρ0Q02的值大，而

的值小，此时我们来对比两者A值的大小。

设

其中A1和A2分别为燃气1和燃气2的A值。那么：

由不等式：

（其中b>a>0）

又因为

，得：

整理得

（6）

上式的左边若大于1，即有

，由不等式（6）可得到一个新的判别式：

（7）

结论：fw1>fw2时，

（其中

，ρ1Q12>ρ2Q22）

又因为当

，ρ1Q12>ρ2Q22时，fw1>fw2也成立，结论可统一为：

fw1>fw2时，

（其中ρ1Q12>ρ2Q22）

同样的用1/H代替Q0，可得：

（8）

结论：fw1>fw2时，

（其中fb1>fb2）

再讨论中压燃气管道，中压燃气管道摩擦阻力损失计算公式形式如下：

（9）

公式中参数的意义同上，其中P1、P2表示管道始末端的压力。在紊流状态下，中低压管道摩擦阻力损失的形式相同，因而判别式也相同。

3.判别式的应用和误差分析

3.1 判别式的应用

下面我们将看到，利用上述的判别式，针对4种气源做分析，我们可以得到很好的结论。4种气源包括厦门行政区内的空混气、天然气、液化气，以及三明地区目前使用的人工煤气。表1是4种气源的物性参数。

表1气源参数

注：以上参数均为标况下测量值。

在实际的计算当中，燃气管道阻力损失的计算公式分为户内和庭院管道，户内使用的是式（3），庭院使用的是式（5）。根据前面的判别式，可得各气源的fb、fw值。

可以看出，4种气源的判别式的值的大小均满足：人工煤气>空混气>天然气>液化石油气，由上面对我们可以得到一个重要结论：在相同的管径和大气条件下，户内和庭院摩擦阻力单位压力降大小均有：人工煤气>空混气>天然气>液化石油气。

实际的校核计算中，不同气源的全压降是不一样的，这需要引入全压降进行判别式公式的校正，新的判别式如下：

上式是低压情况下的，在中压的情况下，我们只需要将判别式Fw做适当调整，用压力平方差△P2代替压差△P。

3.2 误差分析

从上面的分析我们知道，当使用判别式fw的时候，我们对比值

进行了缩放，设该比值为S。缩放的结果就是比值

，设为R。这个缩放的过程就产生了误差，误差可用下式表示：

，下面用数量级来分析误差的大小。

我们注意到比值

（b>a>0），当1>b>a时，比值越接近于1，当b>a>1时，比值越接近

，当

越接近于1时，比值越接近于1。后两种情况不等式的缩放比较小。由此可看出出，式子

的数量级将影响不等式（6）的缩放程度，设B=

，当B越大于1，不等式的缩放越小，使用判别式时的误差也就越小。由B的表达式可以得到：B∝vH。以天然气Bt为基准，计算B的相对值。计算结果见表3。

式中的w是标况下管道中燃气的流速，式中参数均取国际单位。由各个参数的单位，可以得到整个式子是无量纲。

由上面的讨论知道，式子

应用于低压庭院管和高中压管道。先讨论低压庭院管的情况，由于庭院管管长较长，为了使户内有足够的压降，庭院管的流速都控制在较低的范围内。一般的有w<2m/s，也就是在1的数量级。在高中压管道中，由于压降和管径都比较大，考虑最不利的情况，管道中燃气的实际流速可以高达10m/s～15m/s，注意到w是标况下的燃气流速，要进行压力修正。例如0.9MPa压力下的高压管，实际流速10m/s～15m/s将修正为100～150，数量级为100。

式中k的值，当使用钢管时取0.1，使用PE管时取0.01，取天然气的流速：低压庭院管时，取wt=1m/s，高中压管中，取wt=100m/s，首先计算出天然气的B值，再由表3计算出各个B值。由上述数值分析，可得到表4。

由表4可见，低压庭院管的B值较大，判别式fw带来的误差较小，而且我们从表上可以看得出来，空混气、液化石油气、人工煤气的B值接近相等，三者互换的时，使用判别式fw带来的误差也较小。误差较大的情况出现在高中压管中，其他3种气源与天然气的互换的时候，现在以表4的数据为基础详细计算下这种情况下的η值。以天然气作为气源2，可得结果见表5。

可以看出，误差η都在10%之内，也就是说使用判别式fw可以很好地评估物性参数对压降的影响。

结语

从上面的分析，我们得到了3个仅由物性参数组成的判别式：fa、fb、fw，它们分别应用于层流和紊流的情况。其中fa、fb是与压降成正比，可以准确地评估物性对压降的影响，可应用于户内管校核的计算。需要注意的是在应用fa、fb评估物性对户内压降的影响的时候，并没有考虑热压的影响。影响热压的因素是，气源密度和空气密度差。做一个简单的计算我们可以得到，每米热压压降，空混气为4.44Pa/m，天然气5.36Pa/m，液化气为11.06Pa/m，人工煤气为6.33Pa/m，考虑上行的情况，空混气和液化气为正压降，天然气和人工煤气为负压降。从数值来看，热压对户内压降的影响是很大的，对于液化气来说摩擦阻力压降最小，但是热压却很大，对于高层来说，往往压降是最大的。因此在应用判别式评估户内和低压庭院压降的时候，低压庭院管应占主导地位，这种情况在别墅群的项目中是适用的，庭院管很长，户内高差不大。

另一方面，在应用判别式fw应当注意，压降并不和fw成正比，只有在

远大于1的时，可认为压降和fw近似成线性关系，低压庭院管属于这种情况。使用fw时，我们强调的是判别式的比值和压降的比值是接近相等的，在应用于高中压管的时候，这个误差在10%范围内。还需要注意的是，在使用fw做校核计算的时候，同时也要满足fb的条件。也就是同时满足fb1>fb2，fw1>fw2時，

。

综上所述，得到的判别式在一定的条件下，可以很好地用于不同气源的校核计算，可以评估出物性对压降的影响。

参考文献

[1]卢艳华.厦门市气源转换的技术分析[J].煤气与热力，2004（8）：460-463.

[2]刘建民.天然气源转换过程有关问题的探讨[J].煤气与热力，2000（2）：155-156.