李曉鳳

摘 要：采用清潔能源可以緩解環(huán)境問(wèn)題，清潔能源中的燃?xì)獬２捎瞄L(zhǎng)輸管線進(jìn)行運(yùn)輸。通過(guò)分析燃?xì)忾L(zhǎng)輸管道穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，建模、分析計(jì)算得出了燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算公式，并將其應(yīng)用于某一燃?xì)忾L(zhǎng)輸管道進(jìn)行了計(jì)算。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?；長(zhǎng)輸管道；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；模擬

中圖分類號(hào)：TE832；TK018 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.132

近年來(lái)，溫室氣體導(dǎo)致的溫室效應(yīng)越來(lái)越明顯，造成氣候顯著變化。氣體燃料能降低污染，能改善人類生存與發(fā)展的空間，實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。由于天然氣由氣田或氣體處理廠進(jìn)入輸氣干線，其流量和壓力是穩(wěn)定的，即屬于穩(wěn)定流動(dòng)。在這些穩(wěn)定工況下，對(duì)輸氣管道穩(wěn)定流動(dòng)的研究顯得更為重要。

1 模型的建立

輸氣管的直徑在很長(zhǎng)距離上是不變的，管路曲率半徑比直徑大很多，垂直于流線的氣體特性變化率同沿著流線的變化率相比可以忽略不計(jì)，所以流動(dòng)可以假定為一維的。這就意味著在管道任一截面上，所有流動(dòng)參數(shù)可以看作是均勻的，為該斷面上的平均值。對(duì)于一維流動(dòng)，流動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)p、ρ、v只是時(shí)間t和沿管道軸線長(zhǎng)度 的函數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)于燃?xì)廨敋夤艿?，若不考慮溫度的變化，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，其流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間而變化，可得到的氣體流動(dòng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及實(shí)際氣體狀態(tài)方程，不考慮時(shí)間的影響得到氣體管道穩(wěn)定流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型：

式（1）（2）（3）中：A為管道截面積，m2；ρ為密度，kg/m3； 為時(shí)間，s；M為質(zhì)量流量，kg/s；x為管道長(zhǎng)度，m；p為壓力，Pa；λ為摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑，m；g為重力加速度，m/s?；α為水平線與管道長(zhǎng)度方向之間的夾角，°。

3 數(shù)學(xué)模型的求解

對(duì)式（1）式積分，可得：

對(duì)于（2）式動(dòng)量方程的慣性項(xiàng)在大多數(shù)情況下均可忽略不計(jì)，在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，當(dāng)標(biāo)高的差值不太大時(shí)，動(dòng)量方程中的重力項(xiàng)一般也可忽略不計(jì)。式（2）可簡(jiǎn)化為：

對(duì)等溫流動(dòng)，考慮狀態(tài)方程

式（6）中：Z為氣體壓縮系數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）；T為氣體溫度，K；a為氣體波速，m/s。

將（6）代入（5）得到：

在從x1=0至管段長(zhǎng)度L的范圍內(nèi)，考慮λ和T均為常數(shù)，對(duì)于壓縮因子Z，若P≤1.2 MPa，則壓縮因子為1，而對(duì)于P>1.2 MPa，若L比較小，則Z在L長(zhǎng)度變化不大，也可認(rèn)為是個(gè)常數(shù)，對(duì)（7）積分后得：

4 算例分析

設(shè)某輸氣管道的直徑為d=0.3 m，管長(zhǎng)為L(zhǎng)=150 km，取λ=0.03，起點(diǎn)的壓力取為1 MPa，管段起點(diǎn)均勻供氣，其質(zhì)量流量為5 kg/s。該天然氣的氣體常數(shù)為498.25 J/（kg·K），密度為0.746 8 kg/m3。根據(jù)（8）式可得管道沿線的各點(diǎn)的壓力如圖1所示。

5 總結(jié)

由于環(huán)境污染、溫室氣體的排放，導(dǎo)致全球溫度變化、環(huán)境惡化，因此，采用清潔能源勢(shì)在必行。作為清潔能源的天然氣，應(yīng)用得越來(lái)越多，很多城市的供暖鍋爐都開始改成燃?xì)忮仩t，減少環(huán)境污染。燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線是最常見的運(yùn)輸方式，長(zhǎng)輸管線的流動(dòng)流量是穩(wěn)定的，可以認(rèn)為是穩(wěn)定流動(dòng)。本文主要對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)進(jìn)行了建模、分析、計(jì)算，并對(duì)某一長(zhǎng)輸管線進(jìn)行了計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

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[2]姚光鎮(zhèn).輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，1991.

〔編輯：胡雪飛〕