管径选择及管道压力降计算-单相流可压缩流体

PAGE..PAGE..word.zl.2单相流(可压缩流体)2.1简述2.1.1本规定适用于工程设计中单相可压缩流体在管道中流动压力降的一般计算，对某些流体在高压下流动压力降的经历计算式也作了简单介绍。2.1.2可压缩流体是指气体、蒸汽和蒸气等(以下简称气体)，因其密度随压力和温度的变化而差异很大，具有压缩性和膨胀性。可压缩流体沿管道流动的显著特点是沿程摩擦损失使压力下降，从而使气体密度减小，管内气体流速增加。压力降越大，这些参数的变化也越大。2.2计算方法2.2.1考前须知2.2.1.1压力较低，压力降较小的气体管道，按等温流动一般计算式或不可压缩流体流动公式计算，计算时密度用平均密度；对高压气体首先要分析气体是否处于临界流动。2.2.1.2一般气体管道，当管道长度L>60m时，按等温流动公式计算；L<60m时，按绝热流动公式计算，必要时用两种方法分别计算，取压力降较大的结果。2.2.1.3流体所有的流动参数(压力、体积、温度、密度等)只沿流动方向变化。2.2.1.4平安阀、放空阀后的管道、蒸发器至冷凝器管道及其它高流速及压力降大的管道系统，都不适宜用等温流动计算。2.2.2管道压力降计算2.2.2.1概述(1)可压缩流体当压力降小于进口压力的10％时，不可压缩流体计算公式、图表以及一般规定等均适用，误差在5％X围以内。(2)流体压力降大于进口压力40％时，如蒸汽管可用式(2.2.2—16)进展计算；天然气管可用式(2.2.2—17)或式(2.2.2—18)进展计算。(3)为简化计算，在一般情况下，采用等温流动公式计算压力降，误差在5％X围以内。必要时对天然气、空气、蒸汽等可用经历公式计算。2.2.2.2一般计算(1)管道系统压力降的计算与不可压缩流体根本一样，即⊿P＝⊿Pf+⊿PS+⊿PN(2.2.2—1)静压力降⊿PS，当气体压力低、密度小时，可略去不计；但压力高时应计算。在压力降较大的情况下，对长管(L>60m)在计算⊿Pf时，应分段计算密度，然后分别求得各段的⊿Pf，最后得到⊿Pf的总和才较正确。(2)可压缩流体压力降计算的理论根底是能量平衡方程及理想气体状态方程，理想气体状态方程为：PV＝WRT／M(2.2.2—2)或P／ρ=C(等温流动)(2.2.2—3)对绝热流动，式(2.2.2—3)应变化为：P／ρk=C(2.2.2—4)上述各式中⊿P——管道系统总压力降，kPa；⊿Pf、⊿PS、⊿PN——分别为管道的摩擦压力降，静压力降和速度压力降，kPa；P——气体压力，kPa；V——气体体积，m3；W——气体质量，kg；M——气体分子量；R——气体常数，8.314kJ／(kmol·K)；ρ——气体密度，kg／m3；C——常数；k——气体绝热指数k=Cp／CV(2.2.2—5)Cp、CV——分别为气体的定压比热和定容比热，kJ／(kg·K)。(3)绝热指数(k)绝热指数(k)值由气体的分子构造而定，局部物料的绝热指数见行业标准?平安阀的设置和选用?(HG／T20570.2—95)表16.0.2所列。一般单原子气体(He、Ar、Hg等)k＝1.66，双原子气体(O2、H2、N2、CO和空气等)k=1.40。(4)临界流动当气体流速到达声速时，称为临界流动。a.声速声速即临界流速，是可压缩流体在管道出口处可能到达的最大速度。通常，当系统的出口压力等于或小于入口绝对压力的一半时，将到达声速。到达声速后系统压力降不再增加，即使将流体排入较到达声速之处压力更低的设备中(如大气)，流速仍不会改变。对于系统条件是由中压到高压X围排入大气(或真空)时，应判断气体状态是否到达声速，否那么计算出的压力降可能有误。气体的声速按以下公式计算：绝热流动(2.2.2—6)等温流动(2.2.2—7)式中uc——气体的声速，m／s；k——气体的绝热指数；R——气体常数，8.314kJ／(kmol·K)；T——气体的绝对温度，K；M——气体的分子量。b.临界流动判别。通常可用下式判别气体是否处于临界流动状态，下式成立时，即到达临界流动。(2.2.2—8)c.临界质量流速(2.2.2—9)式中P1、P2——分别为管道上、下游气体的压力，kPa；G1、G2——分别为气体的质量流速和临界质量流速，kg／(m2·s)；T1、T2——分别为管道上、下游气体温度，K；Gi——参数，见式(2.2.2—14)，kg／(m2·s)；G——气体的质量流速，kg／(m2·s)。其余符号意义同前。(5)管道中气体的流速应控制在低于声速的X围内。2.2.2.3管道压力降计算(1)摩擦压力降a.等温流动当气体与外界有热交换，能使气体温度很快地按近于周围介质的温度来流动，如煤气、天然气等长管道就属于等温流动。等温流动计算式如下：(2.2.2—10)式中⊿Pf——管道摩擦压力降，kPa；g——重力加速度，9.81m／s2；λ——摩擦系数，无因次；L——管道长度，m；WG——气体质量流量，kg／h；d——管道内直径，mm；ρm——气体平均密度，kg／m：(2.2.2—11)ρ1、ρ2--分别为管道上、下游气体密度，kg／m3。b.绝热流动(a)假设条件对绝热流动，当管道较长时(L>60m)，仍可按等温流动计算，误差一般不超过5％，在工程计算中是允许的。对短管可用以下方法进展计算，但应符合以下假设条件：①在计算X围内气体的绝热指数是常数；②在匀截面水平管中的流动；③质量流速在整个管内横截面上是均匀分布的；④摩擦系数是常数。(6)计算步骤可压缩流体绝热流动的管道压力降计算辅助图见图2.2.2所示。①计算上游的质量流速G1＝WG／A(G1＝G，G1即图2.2.2中G)(2.2.2—12)②计算质量流量(2.2.2—13)③计算参数(Gi)(2.2.2—14)④假设N值，然后进展核算(2.2.2—15)⑤计算下游压力(P2)，根据N和G1／Gi值，由图2.2.2查得P2／P1值，即可求得下游压力(P2)。式中G——气体的质量流速，kg／(m2·s)；G1——上游条件下气体的质量流速，kg／(m2·s)；WG——气体的质量流量，kg／s；W——气体的质量，kg；A——管道截面积，m2；P1——气体上游压力，kPa；d——管道内直径，mm；M——气体分子量；T1——气体上游温度，K；Gi——无实际意义，是为使用图2.2.2方便而引入的一个参数，kg／(m2·s)；N——速度头数；λ——摩擦系数；L——管道长度，m；D——管道内直径，m。c.高压下的流动当压力降大于进口压力的40％时，用等温流动和绝热流动计算式均可能有较大误差，在这种情况下，可采用以下的经历公式进展计算：巴布科克式(巴布科克式即Babcock式)(2.2.2—16)式中⊿Pf——摩擦压力降，kPa；WG——气体的质量流量，kg／h；L——管道长度，m；ρm——气体平均密度，kg／m3；d——管道内直径，mm。本式用于蒸汽管的计算，在压力等于或小于3450kPa情况下结果较好，但当管径小于100mm时，计算结果可能偏高。(b)韦默思式(韦默思式即Weymouth式)(2.2.2—17)式中VG——气体体积流量，m3(标)／s，(标)——标准状态；d——管道内直径，mm；P1、P2——分别为管道上、下游压力，kPa；γ——气体相对密度。气体密度与一样温度、压力下的空气密度之比；L——管道长度，km；T——气体绝对温度，K。本式用于在310～4240kPa压力、管道直径大于150mm的稳定流动情况下，计算天然气管道压力降的结果较好。对相对密度接近0.6，常温，流速为4.5～9.0m／s，直径为500mm～600mm的气体管道也适用。(c)潘汉德式(潘汉德式即Panhandle式)(2.2.2—18)式中E——流动效率系数；L——管道长度，km。对于没有管道附件、阀门的水平新管，取E＝1.00；工作条件较好，取E＝0.95；工作条件一般，取E＝0.92；工作条件较差，取E＝0.85。其余符号意义同前。本式用于管道直径在150mm～600mm，Re＝5×106～1.4×107的天然气管道，准确度较式(2.2.2—17)稍好。(d)海瑞思式(海瑞思式即Harris式)(2.2.2—19)式中Pm——气体平均压力，kPa(2.2.2—20)其余符号意义同前。本式通常用于压缩空气管道的计算。(2)局部压力降局部压力降和“单相流(不可压缩流体)〞一样，采用当量长度或阻力系数法计算，在粗略计算中可按直管长度的1.05～1.10倍作为总的计算长度。(3)速度压力降速度压力降采用“单相流(不可压缩流体)〞的管道一样的计算方法。在工程计算中对较长管道此项压力降可略去不计。(4)静压力降静压力降计算与“单相流(不可压缩流体)〞压力降中的方法一样，仅在管道内气体压力较高时才需计算，压力较低时密度小，可略去不计。2.2.3计算步骤及例题2.2.3.1计算步骤(1)一般计算步骤a.“不可压缩流体〞管道的一般计算步骤，雷诺数、摩擦系数和管壁粗糙度等的求取方法及有关图表、规定等均适用。b.假设流体流速以估算管径。计算雷诺数(Re)、相对粗糙度(ε／d)，然后查第1章“单相流(不可压缩流体)〞图1.2.4—1，求摩擦系数(λ)值。d.确定直管长度及管件和阀门等的当量长度。e.确定或假设孔板和控制阀等的压力降。f.计算单位管道长度压力降或直接计算系统压力降。g.如管道总压力降超过系统允许压力降，那么应核算管道摩擦压力降或系统中其它局部引起的压力降，并进展调整，使总压力降低于允许压力降。如管道摩擦压力降过大，可增大管径以减少压力降。h.如管道较短，那么按绝热流动进展计算。(2)临界流动的计算步骤a.流量、压力降求管径(a)假设管径，用流量计算气体流速。(b)计算流体的声速。(c)当流体的声速大于流体流速，那么用有关计算式计算，可得到比拟满意的结果。如两种流速相等，即流体到达临界流动状况，计算出的压力降不正确。因此，重新假设管径使流速小于声速，方可继续进展计算，直到流速低于声速时的管径，才是所求得的管径。(d)或用式(2.2.2—8)进展判别，如气体处于临界流动状态，那么应重新假设管径计算。b.管径和压力降求流量，计算步骤同上，但要先假设流量，将求出的压力降与压力降相比拟，略低于压力降即可。c.管径和流量，确定管道系统入口处的压力(P1)(a)确定管道出口处条件下的声速，并用流量下的流速去核对，假设声速小于实际流速，那么必须以声速作为极限流速，流量也要以与声速相适应的值为极限。(b)采用较声速低的流速以及与之相适应的流量为计算条件，然后用有关计算式计算压力降。(c)对较长管道，可由管道出口端开场，利用系统中在某些点上的物理性质将管道分为假设干段，从出口端至进口端逐段计算各段的摩擦压力降，其和即为该管道的总压力降。(d)出口压力与压力降之和为管道系统入口处的压力(P1)。2.2.3.2例题例1：将25℃的天然气(成份大局部为甲烷)，用管道由甲地输送到相距45km的乙地，两地高差不大，每小时送气量为5000kg，管道直径为307mm(内径)的钢管(ε＝0.2mm)，管道终端压力为147kPa，求管道始端气体的压力。解：(1)天然气在长管中流动，可视为等温流动，用等温流动公式计算天然气可视为纯甲烷，那么分子量M＝16设：管道始端压力P1＝440kPa摩擦压力降按式(2.2.2—10)计算，即雷诺数Re＝354WG／dμ25℃时甲烷粘度μ为0.01lmPa·s那么Re＝354×5000／307×0.011=5.24×l05相对粗糙度ε／d＝0.2／307＝6.51×10-4由第1章“单相流(不可压缩流体)〞中图1.2.4—1，查得且λ＝0.0176因此，P1＝147+286.4≈433.4kPa(2)用韦默思式计算标准状态下气体密度气体比重γ＝16／29＝0.552d2.667＝(307)2.667＝4297.32×103标准状态下气体体积流量VG＝WG／ρ＝5000／0.7143≈7000m3(标)／hP1＝365.08≈365.1kPa⊿P＝218.08kPa，此值较等温流动式计算值小。用潘汉德式计算P1＝375.68≈375.7kPa⊿P＝375.68－147＝228.68kPa，此值较等温流动式计算值小，而较韦默思式计算值大。计算结果见下表：工程计算式压力kPa压力降(⊿P)kPa误差％始端P1终端P2P1⊿P等温式韦默思式潘汉德式平均433.4365.1375.7391.4147147147286.4218.1228.7244.4+9.03－6.98－4.28+11.71－11.1－6.8由计算结果看出，用潘汉德式计算误差最小，但为稳妥起见，工程设计中应采用等温式计算的结果，即天然气管始端压力为433.4kPa。考虑到未计算局部阻力以及计算误差等，工程计算中可采用433.4×1.15kPa＝498.4≈500kPa作为此天然气管道始端的压力。例2：空气流量8000m3(标)／h，温度38℃，钢管内直径100mm，长度64m，始端压力为785kPa，求压力降。在何种条件下到达声速，产生声速处的压力是多少?解：(1)按等温流动计算设终点压力P2＝590kPa密度ρ1＝P1M／(RT)＝785×29／(8.3143×311)：8.804kg／m3ρ2＝P2M／(RT)＝590×29／(8.3143×311)＝6.617kg／m3因此查得标准状态下空气密度ρ＝1.293kg／m3那么空气的质量流量Wc＝VGρ＝8000×1.293＝10344kg／h查得38℃空气粘度μ＝0.019mPa·s雷诺数取ε＝0.2mm，那么ε／d＝0.2／100＝0.002查图得λ=0.0235[由第1章“单相流(不可压缩流体)〞中图1.2.4—1中查得]。摩擦压力降P2＝P1－⊿Pf＝785－134.53＝650.47kPa，与假设不符。第二次假设P2＝650kPa那么2＝650×29／(8.3143×311)＝7.2899kg／m3kg/m3kPaP2＝785－126.79＝658.21kPa，与假设不符合。第三次假设P2＝658kPaρ2＝658×29／(8.3143×311)＝7.3797kg／m3kg/m3kPaP2＝785－125.82＝659.18kPa计算结果P2=659.18kPa，⊿P＝785－659.18＝125.82kPa等温流动声速m/s声速下的临界流量Vuc=ucA，[A=π／4(0.1)2=7.85×10-3m2]＝298.60×7.85×10-3=2.344m3／s＝8438.4m3／h声速下的临界压力Puc＝WGRT／(VucM)＝10344×8.3143×311／(8438.4×29)=109.30kPa声速下的临界密度ρuc＝PucM／(RT)＝109.30×29／(8.3143×311)＝1.2258kg／m3平均密度kg/m3压力降⊿P＝785－109.30＝675.70kPa由得L＝157.97≈158m即在管长为158m处可达临界条件，其流速为声速，到达声速时的临界压力Puc为109.30kPa。(2)按绝热流动考虑质量流速G1＝WG／A＝10344／(7.85×10-3×3600)＝366.03kg／(m2·s)kg/(m2·s)比值G1／Gi＝366.03／1591.20＝0.23N＝λL／D＝0.0235×64／0.1＝15.04由图2.2.2查得P2／P1＝0.83，那么P2＝0.83，P1=0.83×785＝651.55kPa及Puc／Pl=0.108，那么Puc＝0.108，Pl＝0.108×785=84.78kPa因N＝48那么声速条件下距离为：L＝ND／λ=48×0.1／0.0235＝204.26m压力降⊿P=P1－P2＝785－651.55=133.45kPa计算结果比拟见下表：工程计算式终端压力(P2)kPa压力降kPa临界条件误差％PckPa距离(L)mP2⊿PPcL等温式659.18125.82109.30158+0.59－3.04+12.63－14.64绝热式651.5533.4584.78204.26－0.59+3.04－12.63+14.64平均655.3729.6497.04182.13由上表计算可知，用两种方法计算所得压力降相差为6.08％>5％。管长64m应按绝热流动计算。因管长仅64m，故该管道系统不可能到达声速条件。2.2.4管道计算表“可压缩流体〞管道计算表的编制步骤、用途及专业关系等均与“不可压缩流体〞管道计算表一样，见表2.2.4。管道计算表(单相流)表2.2.4管道编号和类别自至物料名称流量m3／h分子量温度℃压力kPa粘度mPa·s压缩系数密度kg／m3真空度管道公称直径mm表号或外径×壁厚流速m／s雷诺数流导cm3／s压力降kPa(100m)直管长度m管件当量长度m弯头90°三通大小头闸阀截止阀旋塞止逆阀其它总长度m管道压力降kPa孔板压力降kPa控制阀压力降kPa设备压力降kPa始端标高m终端标高m静压力降kPa设备接收口压力降kPa总压力降kPa压力(始端)kPa压力(终端)kPa版次或修改版次日期编制校核审核2.3符号说明A——管道截面积，cm2；C——常数；CP、CV——分别为气体的定压比热和定容比热，kJ／(kg·K)；D——管道内直径，m；d——管道内直径，cm，mm；E——流动效率系数；G——气体的质量流速，kg／(m2·s)Gi——无实际意义，为使用图2.2.2方便而引入的一个参数，kg／(m2·s)；g——重力加速度，9.81m／s2；k——气体绝热指数，k＝CP／CV；L——管道长度，m，km；M——气体分子量；N——速度头数；P——压力，kPa；Puc——声速下的临界压力，kPa；R——气体常数，8.3143，kJ／(kmol·K)；Re——雷诺数；γ——气体相对密度；T——气体温度，K；u——气体流速，m／s；uc——气体声速，m／s；V——气体体积，m3；VG——气体体积流量，m3(标)／h；Vuc——声速下的临界流量，m3／h；W——气体质量，kg；WG——气体质量流量，kg／h；⊿P——压力降，kPa；ε——管壁绝对粗糙度，mm；λ——摩擦系数；ρ——气体密度，kg／m3；ρuc——声速下的临界密度，kg／m3；压力——本规定除注明外，均为绝对压力。