燃气管道流体工况的相似性研究

石 珍，玉建军，李 裕

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

能源与机械

燃气管道流体工况的相似性研究

石 珍，玉建军，李 裕

(天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384)

根据流体运动基本方程推导出相似准则，通过计算将现有实验系统的运行工况参数模拟到实际天然气长输管道上，并利用Pipeline软件进行验证.结果表明：实验室管道在0.5,MPa的起点压力、0.032,m3/s的流量条件下，与630×9,mm管道在5,MPa的起点压力、104,m3/s的流量到1,020×10,mm管道在10,MPa的起点压力、600,m3/s的流量等30种管道参数相似；由于实验室管道的管长较短，计算管段的压降最大仅为0.442,0,MPa，所以在实验研究中应尽可能加长实验室管道的长度.

实验室管道模型；实际管道；相似准则；准确性

自20世纪90年代以来，我国的天然气产业发展迅猛，天然气产量快速增加[1-2]．天然气对保护环境、缓解能源紧张和促进社会的可持续发展起着极其重要的作用．然而，随着我国天然气长输管道长度不断的增加，管道安全运行问题也日显突出，管道破损泄漏事故屡有发生[3-5]．天然气管道的运行工况直接影响到天然气输送和使用的安全性、可靠性及经济性．因此，对天然气管道流体工况的研究就显得尤为重要．

本文采用模拟的方法对天然气管道流体工况进行研究，这种研究方法投资较低、易操作．以天津城建大学燃气管道检测实验平台[6]为模型，根据流体运动基本方程推导而得的相似准则，采用公式计算和Pipeline验证的方法，将现有实验系统的运行工况反映到实际管道上，为燃气管道检测实验平台进行管道实验研究打下理论基础．

1 燃气管道相似准则

对于给定的管道建立燃气管道分析模型，由运动方程(1)、连续性方程(2)和状态方程(3)组成

式中：ω为燃气速度，m/s；ρ为燃气密度，kg/m3；P为燃气压力，Pa；τ为时间，s；x为管道轴向坐标，m；g为重力加速度，m/s2；θ为管道与水平面的夹角，(°)；λ为管道水力摩阻系数；D为管道直径，mm；Z为压缩因子；T为燃气温度，K；R为气体常数，J/(kg·K)．

从管道流动的基本方程组出发，推导出三个相似准则Yl、Yq和Yp，即

严氏几何相似准则Yl

严氏流量相似准则Yq

严氏压力相似准则Yp

式中：L为管道长度，m；q为输气管在基准状态下的体积流量，m3/s．

用1表示实验室管道，用2表示实际管道．按照相似理论，两个系统相似则应有相同的相似准则数，即：

2 数值计算

以天津城建大学燃气管道检测实验平台为模型，在相似准则的基础上将实验室管道的工况反映到实际的管道中，对实际天然气长输管道的运行工况进行模拟研究．天津城建大学燃气管道泄漏检测系统采用管径34,mm、长1000,m的钢管，天然气长输管道采用钢管，流体介质均为陕京天然气．

2.1 相似性参数的确定

在实际燃气管道的工程设计中，一般按照定常流动进行计算，不考虑流量随时间的变化．对于高中压管道，当不考虑高差的影响时，可以将计算管段内的λ、Z、T视为常数．由于在一个定长管段中，压缩因子的变化较小，故本文中压缩因子Z取管道起始压力下的Z，T取293.15,K．

由式(4)-(6)可知，相似性参数主要有管径D、管长L、管道压力P、流量q、摩阻系数λ、燃气流速ω等．对于天然气长输管道而言，沿管长x为非稳态流动．式(6)中压力P取管道的平均压力Pav，燃气流速ω取管道的线性化平均流速ϖ，其主要参数的计算公式如下(下标s和d分别表示管道起点和终点的参数)．

2.1.1 摩阻系数的确定

式中：υ为运动黏度，m2/s；，u为动力黏度，kg/(m·s)，，其中，x=2.57+，Δ*为燃气的相对密度，

摩阻系数[7-9]的计算：

对于天然气长输管道的雷诺数高达106～107，几乎都在阻力平方区．常用的摩阻系数的计算公式及适用范围见表1．

表1 摩阻系数的计算公式及适用范围

国内部分天然气管道参数如表2所示．

表2 国内部分天然气管道参数[8]

由表2可知：天然气长输管道逐渐向大管径、高输送压力发展，管径大都在612 mm以上．天然气长输管道多采用内壁涂层的钢管，其绝对粗糙度(mm)在0.005～0.008之间，同时参考表1，故采用Pan(B)公式求解摩阻系数．

2.1.2 管道压力的确定

在Yp准则中，P取管道的平均压力Pav．对于高压天然气管道而言，管道的平均压力[8]的计算公式为

式中：Cp为常系数，取0.393,14；E为输气管道输气效率系数，取0.94．

在实际运用过程中，子任务求得解后需与其他处理器交换数据，但这种屡屡的数据交换可能是无用的或低效的。因此，需改进和设置固定交换周期，达到减少无用交换频率的目的。处理器通信采用主从式消息传递机制，主伺候器将汇总从伺候器在固定周期内达到的局部解，实施杂交算法来运算并反馈结果。在改进算法实施时，对求得最优解的收敛速度起关键作用的是杂交算子，杂交算子的作用在于预防局部收敛，提升求得全局最优解的概率。使用主从式通信机制时，当蚂蚁迭代次数等于所建立的固定交互周期值，主节点得到其它次节点在交互周期传递的最优解，并使用杂交算子机制来分析与处理。

2.1.3 气体常数R的确定

气体常数R的计算公式为

式中：R0为气体常数8,314,J/(kg·K)；M为气体的相对分子质量．

本文中的气体采用陕京天然气，其组成见表3．

表3 陕京天然气组成

2.1.4 燃气流速ω的确定

燃气流速ω取管道的线性化平均流速[8]ϖ，即

对于定常流动有

由式(3)得

对于不同压力、不同温度下的陕京天然气压缩因子Z，可以根据BWRSH方程[8]计算而得．

2.2 技术路线

已知实验室模型的管径34,mm、管长1,km，钢管，记为模型1．由表2可知，我国天然气长输管道大都是660,mm以上的钢管，“西气东输”、陕京二线等输气管道的设计输气压力均达到了10,MPa．因此，对压力5～10,MPa、管径630～1,020,mm的管道进行模拟，建立实际管道模型，记为模型2．

2.2.1 管道基本参数的确定

已知模型1的基本参数D＝34,mm，L＝1,km，根据严氏几何相似准则Yl，计算得出模型2的管道参数，见表4．

表4 模型1和模型2的基本参数

2.2.2 管道相似性参数的计算

根据严氏压力相似准则Yp，计算管道相似性参数λ、ω、ρ和P，其中λ、ω均与流量q有关，故设置模型1的起点压力Ps1、流量q1及已知的D1、L1，由压力Ps1和BWRSH方程计算起始压力下的压缩因子Z1，代入式(12)得Pd1，将Ps1、Pd1代入式(11)得Pav1；由式(16)计算得出ρs1、ρd1、ρav1，再代入式(15)计算ωs1、ωd1，再由式(14)得出ϖ1；由式(15)、式(7)、式(10)求得摩阻系数λ1；最后将Pav1、ϖ1、ρav1、λ1代入式(6)得出Yp1．

初步设定模型2的起始压力Ps2和流量q2，按照上述过程计算Yp2，验证Yp2是否等于Yp1；如果不相等，则调整流量q2，重复上述过程，直至Yp2=Yp1，记录模型2参数．

由严氏流量相似准则Yq知道流量相似性参数主要有λ、q、τ和D，其中λ、q和D都是可以通过严氏压力相似准则Yp计算而得，τ仅是比值的关系，故不再对τ进行计算．

2.3 数值计算结果与分析

模型1和模型2的计算结果如表5-6所示．

由表5-6可知：运用相似准则计算得出现有的实验室管道在起点压力0.5,MPa、流量0.032,m3/s条件时，与630×9,mm管道起点压力5,MPa、流量104,m3/s到1,020×10,mm管道起点压力10,MPa、流量600,m3/s等条件的30种管道参数相似，这说明实验室管道可以用于多种管道的工况分析；同时可以发现，在相同的压力下，不同管径的管道的平均压力Pav、摩阻系数λ、流速ϖ和密度ρ的值都很接近．

表5 模型1的参数

表6 利用相似准则Yp计算的模型2的参数

3 Pipeline模拟计算与结果分析

利用Pipeline对相似准则计算所得的模型2建立模型，并设置相应的管径D、管长L、Ps和q等参数，运行软件，记录管道的运行参数Pd、ωs、ωd、Z和Re，代入式(6)、(12)、(11)、(14)、(16)、(10)计算Yp均为1×10-5，与相似准则计算的Yp完全相等；而模型1的Yp为0.9×10-5，与数值计算的结果相差0.1×10-5，误差为10%,．现将模型2的Pipeline计算所得管道终点压力和平均压力与数值计算结果进行比较，见表7．

由表7可知：使用Pipeline对相似准则计算所得的实际管道模型建模，并设置对应参数，计算所得的管道的终点压力Pd和平均压力Pav与根据相似准则计算得出的值相差较小，终点压力Pd的误差均小于0.68%,，平均压力Pav的误差均小于0.33%,，表明实验室管道可以用于实际管道的模拟分析；分析管道的压降ΔP，发现不论是数值计算还是Pipeline模拟，所得出的管段的最大压降仅为0.442,0,MPa，这是由实验室的管长所限．由于实验室管道管长较短，与之相似的实际管道的管长也较短，管道的压降也较小，因而在进行实验研究中，应尽可能地增加实验室管道的长度．

表7 Pipeline模拟的管道终点压力和流量与数值(相似准则)计算结果的比较

4 结 论

(1)现有实验室管道在起点压力0.5,MPa、流量0.032,m3/s条件时与630×9,mm管道起点压力5,MPa、流量104,m3/s到1,020×10,mm管道起点压力10,MPa、流量600,m3/s等30种管道参数相似．

(2)使用Pipeline对相似准则计算所得的管道参数进行建模，运行得到的管道终点压力与数值计算所得的终点压力的误差均小于0.68%,，平均压力的误差也均小于0.33%,，表明实验室管道可以用于实际管道的模拟分析．

(3)不论是Pipeline模拟还是数值计算，计算管段的压降最大仅为0.442,0,MPa，说明实验室管道的管长较短，具有一定的局限性，在实际的实验研究中应尽可能加长实验室管道的长度．

［1］ 王 勃，杨 光，王遇冬. 大型城市天然气管网建设

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The Similarity Research on Fluid Condition of Gas Pipeline

SHI Zhen，YU Jian-jun，LI Yu
(School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，Chian)

The similarity criterions were calculated based on the fluid motion equations,meanwhile,the operation parameters in experiments were simulated in actual pipes of natural gas,which was tested by Pipeline soft. The result showed that our laboratory model parameters，when the pressure was 0.5,MPa and flow was 0.032,m3/s，was similar to 30 series of pipes that the pressure ranged from 5,MPa to 10,MPa,diameter ranged from 630×9,mm to 1,020×10,mm，flow from 104,m3/s to 600,m3/s. Because the length of the pipe in laboratory was short,the drop pressure of the calculating section was 0.442,0,MPa. Therefore,furthering experimental research should increase the length of pipe.

laboratory pipe model；true pipes；similarity criterion；accuracy

TU996.7

A

2095-719X(2015)04-0283-06

2014-12-11；

2015-04-24

石 珍（1988—），女，河北邯郸人，天津城建大学硕士生．