氣源物性對壓降的影響

陳長太

摘 要：本文通過分析國內(nèi)廣泛采用的燃?xì)夤艿雷枇p失的計算公式，找出評估物性參數(shù)對管道壓降影響的判別式，從而優(yōu)化、簡化不同氣質(zhì)之間壓降校核計算。

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿缐航担粴庠次镄詤?shù)；判別式

中圖分類號：TD774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在同一個地區(qū)，一個很普遍的情況是：遠(yuǎn)期和近期的氣源是不同的氣質(zhì)，中間存在過渡氣源。在存在非單氣源的情況下，我們在進(jìn)行水力計算的時候，就需要用遠(yuǎn)期的氣源來校核近期的氣源。那么現(xiàn)在來考慮一個問題：我們是否可以找到一個判別式，這個判別式只和氣質(zhì)物性有關(guān)，利用判別式評估物性參數(shù)對壓降的影響高低及大小，從而省去校核的過程。

問題的關(guān)鍵和難度在于：分析較為復(fù)雜的燃?xì)夤艿雷枇p失的計算公式，從中找出可行的判別式。以下就對我國目前廣泛采用的主要計算公式進(jìn)行分析，找出可行的判別式。

1.層流狀態(tài)

1.1 公式（一）

當(dāng)燃?xì)馓幱趯恿鳡顟B(tài)時（雷諾數(shù)Re<2100），計算公式如下：

（1）

△P—管段壓差（Pa）；

d—管道內(nèi)徑（mm）；

l—管段的長度（m）；

v—燃?xì)獾倪\(yùn)動粘度（m2/s）；

Q0—管段流量（Nm3/h）；

ρ0—燃?xì)饷芏龋╧g/Nm3）；

T—環(huán)境絕對溫度（K）；

T0—273K。

上式左邊中，影響單位壓降的參數(shù)中，和物性有關(guān)的是：Q0、v、ρ0三者的乘積，且正比于單位壓降，因而只要比較Q0、v、ρ0三者的乘積的大小，就可以判斷壓降的大小，不同氣質(zhì)的Q0是和熱值成反比的，可用1/H（H為燃?xì)獾臒嶂担┐鍽0。一般來說，為了比較壓降的大小，針對層流狀態(tài)下，可提出以下的判別式：

（2）

結(jié)論：fa1>fa2時

1.2 公式（二）

在低壓燃?xì)獾膽魞?nèi)計算當(dāng)中，以下公式也被廣泛應(yīng)用，公式如下：

（3）

上式中參數(shù)的意義同式（1），其中k1是由管徑?jīng)Q定的一個參數(shù)。我們分析式（3），同理可得以下判別式：

（4）

結(jié)論：fb1>fb2時，

2.紊流狀態(tài)

先討論低壓燃?xì)夤艿馈Ｌ幱谖闪鳎ɡ字Z數(shù)Re>3500）狀態(tài)下的低壓燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失計算采用阿里特蘇里公式，形式如下：

（5）

公式中參數(shù)的意義同上，其中k表示管道的粗糙度。上式左邊同氣質(zhì)物性有關(guān)的，正比于壓降的整式為：

將該整式中根號內(nèi)的k/d提出來，整式可化為：

分析這個式子對壓降的影響是本文的重點。

設(shè)

，分兩種情況討論：

（1）當(dāng)燃?xì)?和燃?xì)?做對比，

與ρ0Q02的值都大（或小）時，A的值就大（或小），壓降就大（或小）。

（2）當(dāng)燃?xì)?和燃?xì)?做對比，ρ0Q02的值大，而

的值小，此時我們來對比兩者A值的大小。

設(shè)

其中A1和A2分別為燃?xì)?和燃?xì)?的A值。那么：

由不等式：

（其中b>a>0）

又因為

，得：

整理得

（6）

上式的左邊若大于1，即有

，由不等式（6）可得到一個新的判別式：

（7）

結(jié)論：fw1>fw2時，

（其中

，ρ1Q12>ρ2Q22）

又因為當(dāng)

，ρ1Q12>ρ2Q22時，fw1>fw2也成立，結(jié)論可統(tǒng)一為：

fw1>fw2時，

（其中ρ1Q12>ρ2Q22）

同樣的用1/H代替Q0，可得：

（8）

結(jié)論：fw1>fw2時，

（其中fb1>fb2）

再討論中壓燃?xì)夤艿溃袎喝細(xì)夤艿滥Σ磷枇p失計算公式形式如下：

（9）

公式中參數(shù)的意義同上，其中P1、P2表示管道始末端的壓力。在紊流狀態(tài)下，中低壓管道摩擦阻力損失的形式相同，因而判別式也相同。

3.判別式的應(yīng)用和誤差分析

3.1 判別式的應(yīng)用

下面我們將看到，利用上述的判別式，針對4種氣源做分析，我們可以得到很好的結(jié)論。4種氣源包括廈門行政區(qū)內(nèi)的空混氣、天然氣、液化氣，以及三明地區(qū)目前使用的人工煤氣。表1是4種氣源的物性參數(shù)。

表1氣源參數(shù)

注：以上參數(shù)均為標(biāo)況下測量值。

在實際的計算當(dāng)中，燃?xì)夤艿雷枇p失的計算公式分為戶內(nèi)和庭院管道，戶內(nèi)使用的是式（3），庭院使用的是式（5）。根據(jù)前面的判別式，可得各氣源的fb、fw值。

可以看出，4種氣源的判別式的值的大小均滿足：人工煤氣>空混氣>天然氣>液化石油氣，由上面對我們可以得到一個重要結(jié)論：在相同的管徑和大氣條件下，戶內(nèi)和庭院摩擦阻力單位壓力降大小均有：人工煤氣>空混氣>天然氣>液化石油氣。

實際的校核計算中，不同氣源的全壓降是不一樣的，這需要引入全壓降進(jìn)行判別式公式的校正，新的判別式如下：

上式是低壓情況下的，在中壓的情況下，我們只需要將判別式Fw做適當(dāng)調(diào)整，用壓力平方差△P2代替壓差△P。

3.2 誤差分析

從上面的分析我們知道，當(dāng)使用判別式fw的時候，我們對比值

進(jìn)行了縮放，設(shè)該比值為S。縮放的結(jié)果就是比值

，設(shè)為R。這個縮放的過程就產(chǎn)生了誤差，誤差可用下式表示：

，下面用數(shù)量級來分析誤差的大小。

我們注意到比值

（b>a>0），當(dāng)1>b>a時，比值越接近于1，當(dāng)b>a>1時，比值越接近

，當(dāng)

越接近于1時，比值越接近于1。后兩種情況不等式的縮放比較小。由此可看出出，式子

的數(shù)量級將影響不等式（6）的縮放程度，設(shè)B=

，當(dāng)B越大于1，不等式的縮放越小，使用判別式時的誤差也就越小。由B的表達(dá)式可以得到：B∝vH。以天然氣Bt為基準(zhǔn)，計算B的相對值。計算結(jié)果見表3。

式中的w是標(biāo)況下管道中燃?xì)獾牧魉伲街袇?shù)均取國際單位。由各個參數(shù)的單位，可以得到整個式子是無量綱。

由上面的討論知道，式子

應(yīng)用于低壓庭院管和高中壓管道。先討論低壓庭院管的情況，由于庭院管管長較長，為了使戶內(nèi)有足夠的壓降，庭院管的流速都控制在較低的范圍內(nèi)。一般的有w<2m/s，也就是在1的數(shù)量級。在高中壓管道中，由于壓降和管徑都比較大，考慮最不利的情況，管道中燃?xì)獾膶嶋H流速可以高達(dá)10m/s～15m/s，注意到w是標(biāo)況下的燃?xì)饬魉伲M(jìn)行壓力修正。例如0.9MPa壓力下的高壓管，實際流速10m/s～15m/s將修正為100～150，數(shù)量級為100。

式中k的值，當(dāng)使用鋼管時取0.1，使用PE管時取0.01，取天然氣的流速：低壓庭院管時，取wt=1m/s，高中壓管中，取wt=100m/s，首先計算出天然氣的B值，再由表3計算出各個B值。由上述數(shù)值分析，可得到表4。

由表4可見，低壓庭院管的B值較大，判別式fw帶來的誤差較小，而且我們從表上可以看得出來，空混氣、液化石油氣、人工煤氣的B值接近相等，三者互換的時，使用判別式fw帶來的誤差也較小。誤差較大的情況出現(xiàn)在高中壓管中，其他3種氣源與天然氣的互換的時候，現(xiàn)在以表4的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)詳細(xì)計算下這種情況下的η值。以天然氣作為氣源2，可得結(jié)果見表5。

可以看出，誤差η都在10%之內(nèi)，也就是說使用判別式fw可以很好地評估物性參數(shù)對壓降的影響。

結(jié)語

從上面的分析，我們得到了3個僅由物性參數(shù)組成的判別式：fa、fb、fw，它們分別應(yīng)用于層流和紊流的情況。其中fa、fb是與壓降成正比，可以準(zhǔn)確地評估物性對壓降的影響，可應(yīng)用于戶內(nèi)管校核的計算。需要注意的是在應(yīng)用fa、fb評估物性對戶內(nèi)壓降的影響的時候，并沒有考慮熱壓的影響。影響熱壓的因素是，氣源密度和空氣密度差。做一個簡單的計算我們可以得到，每米熱壓壓降，空混氣為4.44Pa/m，天然氣5.36Pa/m，液化氣為11.06Pa/m，人工煤氣為6.33Pa/m，考慮上行的情況，空混氣和液化氣為正壓降，天然氣和人工煤氣為負(fù)壓降。從數(shù)值來看，熱壓對戶內(nèi)壓降的影響是很大的，對于液化氣來說摩擦阻力壓降最小，但是熱壓卻很大，對于高層來說，往往壓降是最大的。因此在應(yīng)用判別式評估戶內(nèi)和低壓庭院壓降的時候，低壓庭院管應(yīng)占主導(dǎo)地位，這種情況在別墅群的項目中是適用的，庭院管很長，戶內(nèi)高差不大。

另一方面，在應(yīng)用判別式fw應(yīng)當(dāng)注意，壓降并不和fw成正比，只有在

遠(yuǎn)大于1的時，可認(rèn)為壓降和fw近似成線性關(guān)系，低壓庭院管屬于這種情況。使用fw時，我們強(qiáng)調(diào)的是判別式的比值和壓降的比值是接近相等的，在應(yīng)用于高中壓管的時候，這個誤差在10%范圍內(nèi)。還需要注意的是，在使用fw做校核計算的時候，同時也要滿足fb的條件。也就是同時滿足fb1>fb2，fw1>fw2時，

。

綜上所述，得到的判別式在一定的條件下，可以很好地用于不同氣源的校核計算，可以評估出物性對壓降的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]盧艷華.廈門市氣源轉(zhuǎn)換的技術(shù)分析[J].煤氣與熱力，2004（8）：460-463.

[2]劉建民.天然氣源轉(zhuǎn)換過程有關(guān)問題的探討[J].煤氣與熱力，2000（2）：155-156.