利用途泄流量和输转流量确定天然气分配管道计算流量的研究

王 腾

（中煤科工集团重庆设计研究院， 重庆 400016）

城市天然气分配管网的各条管段根据连接用户的情况，可分为三种：管段沿途不输出气体，用户连接在管段的末端，这种管段的气体流量是个常数，见图 1（1），所以其计算流量就等于转输流量；分配管网的管段与大量居民用户、小型公共建筑用户相连；此种管段的主要特征是：由管段始端进入的

图1 天然气管道的计算流量Fig.1 The calculation flow of the natural gas pipeline

天然气在途中全部供给各处用户，这种管段只有途泄流量，如图1（2）所示；最常见的分配管段的供气情况，如图1（3）所示，流经管段送至末端不变的流量为转输流量Q2，在管段沿程输出的流量为途泄流量Q1，该管段上既有转输流量，又有途泄流量。

所以，城市天然气分配管道，一般情况下是不等流量复杂输气管道，即管道中各个截面上的气体流量不相等，要对这样的复杂管道进行水力计算，并且为了应用天然气管道水力计算的基本公式[1,2]，通常采用的方法是将其转化成通过能力相当的简单管，使气体流过简单管的压力降与流过复杂管的压力降相等，这条简单管的流量就是复杂管的计算流量。下面研究根据途泄流量和输转流量，利用计算公式来计算管段的计算流量的计算方法。

1 途泄流量的计算

途泄流量只包括大量的居民用户和小型公共建筑用户。如果用气负荷较大的用户也连在该管段上，则应看作集中负荷来进行计算。

在城市配气管网计算中可以认为，途泄流量是沿管段均匀输出的，管段单位长度的途泄流量为：

式中：q —单位长度的途泄流量（N）, m3/(m·h）；

Q1—途泄流量（N）, m3/h；

L —管段长度, m。

计算途泄流量时，假定在供气区域内居民用户和小型公共建筑用户是均匀分布的，而其数值主要取决于居民的人口密度。

据此途泄流量可用下法求得： 在供气的范围内，按不同的居民人口密度划分成小区； 分别计算各小区的天然气用量，小区的天然气用量=居民人口数×每人每小时的用气量e(N),m3/(人·h)，e值与生活水平、用气规律、用气设备类型、有无集中采暖和供热水等因素有关；求各小区的单位长度途泄流量q，小区单位长度途泄流量=小区的天然气用量/小区内管道的总长度；求各条管段的途泄流量，管段的途泄流量=小区单位长度途泄流量×管段长度。如该管段向两侧小区均需供气，则管段的途泄流量应是两边小区单位长度途泄流量之和乘以管长。

［例1］如图2所示为某低压天然气管网，按不同的居民人口密度分为A、B、C、D、F、E等6个小区，每小区的人口数分别为NA、NB、NC、ND、NE、NF，每人每小时的用气量设为e，求各条管段的途泄流量。

图2 某低压天然气管网Fig.2 One low pressure natural gas pipe network

解：（1）求各小区的天然气用量

（2）求各小区的单位长度途泄流量

式中：LA、LB、LC、LD、LE、LF—各小区的管段总长。

（3）求各条管段的途泄流量Q1

2 输转流量的计算

从管道终点流出的流量称为输转流量[3]。确定输转流量时，首先要确定管网的零点，然后从零点开始，与气流相反方向推算到供气点。若节点的集中负荷由两侧管段供气，则输转流量以各分担一半左右为宜。

图3 输气管道示意图Fig .3 The diagram of the gas transmission pipeline

解：从图中可看出节点4为管网的零点，因此，从节点4反推到供气点1，节点4的集中负荷由两侧管段供气，则输转流量以各分担一半左右为宜，且根据输转流量的定义，则各条管道的输转流量(N),m3/h：

3 天然气分配管道的计算流量

天然气分配管道是变负荷管道，要确定变负荷管道的计算流量，其原则是以计算流量Q求得的管段压力降应与变负荷管段的实际压力降相等。计算

流量可按下式求得：

式中：Q —计算流量（N）,m3/h；

Q1—途泄流量（N）,m3/h；

Q2—转输流量（N）,m3/h；

a —与途泄流量和转输流量之比、沿途支管数有关的系数。

下面来确定a值。如图 4所示，A-B管段直径为d，长度为L。A-B管段起点A处的管内流量为转输流量Q2与涂泄流量Q1之和，而管段终点B处的管内流量仅为Q2，因此，管段内的流量是逐渐减小的，在管段中间所有断面上的流量是不同的，流量在 Q1+Q2及 Q2两极限值之间。假定相邻分支管的间距l均相等；假定沿管线长度向用户均匀配气，每个分支管的途泄流量q均相等，即沿线流量为直线变化。

采用下式求各管段的实际压力降：

对于管段上任一小段y的流量Qy为

式中：QN—该管段的总流量，QN=Q2+Q1；

则在y小段上的压力降为：

或

图4 天然气分配管段的负荷变化示意图Fig .4 The diagram of the load changes in distribution pipe of natural gas

整个管段的压力降DP等于

将括号内各项以麦克劳林级数展开，取前3项，并将（n+1）式相加之，即

因为

则得

整个管段上压力降的最终公式为

以Q=aQ1+Q2为计算流量时，其管段压力降等于

由（6）式及（7）式可求得a值为

以 x=0代入，即途泄流量为零。此时a系数没有物理意义。根据洛比塔法则，其极限值等于0.5。当以 x=1（即转输流量为零）和 n=¥代入，则得a=0.562。取不同的n和x所得a值列于表1。

对于天然气分配管道，一管段上的分支管数一般不小于5～10个，x值在0.3～1.0的范围内，此时系数a在0.5～0.6之间，故取其平均值a=0.55。

表1 水力计算公式中幂指数为1.75时所得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 计算，所得a值列于表2。

表2 水力计算公式中幂指数为2.0时所得a值Table 2 When the power index is 2.0, the value of a of water conservancy formula

从上述两表中所得数值可以看出，水力计算公式中幂指数等于 1.75～2.0时，a值的变化并不大，实际计算中均可采用平均值a=0.55。

故天然气分配管道的计算流量公式为：

式中：Q —管道的计算流量；

Q1—管道的途泄流量；

Q2—管道的输转流量。

有些情况下，在管网计算中也有取a=0.5的，在给水管网计算中就是如此。天然气管网中从分配管道接出的用气点较多，而从调压站到管网的末端用户间的管段数量较少，通常，即管段途泄流量占管段总流量的比例较大。而给水管网的特点则相反，其值更小，即管段转输流量占管段总流量的比例甚大，故用 Q=0.5Q1+Q2公式进行计算，其误差不太大。而对于天然气管网，如取a=0.5进行计算，实际上所得的管段计算流量是偏小的，故应采用a=0.55。

［例3］管网已知参数与［例2］相同，求管网中各条管道的计算流量Q。

解：根据天然气分配管道的计算流量公式：

所以，各条管道的计算流量分别为(N ), m3/h:；

4 结 论

在城市天然气长输管道的输送中，管道建筑用户相连，中途有流量分出，从介绍途泄流量和输转流量的角度入手，利用计算公式来计算管段的计算流量，确定其压力降，并进行了举例说明，为输气管道的设计工作提供了一定的参考。

［1］伍钦，蔡梅琳，曾朝霞等.等直径流量分配管的计算[J]. 华南理工大学学报，2000,28（7）:94-98.

［2］缪正清.多孔分配管与汇管单相流体的流动特性[J].上海交通大学学报，1999,33（3）:297-300.

［3］马良涛.燃气输配[M].北京：中国电力出版社，2004.