第6章矿场集输管网资料课件

1第六章 矿场集输管网 掌握矿场集输管网的计算；掌握矿场集输管网的计算；掌握管径的计算；掌握管径的计算；261 集输管网的类型集输管网的类型（1 1）线型集输管网）线型集输管网（2 2）放射型集输管网）放射型集输管网（3 3）环型集输管网）环型集输管网（4 4）成组型集输管网）成组型集输管网 361 集输管网的类型集输管网的类型462 流体流动基本方程流体流动基本方程 一、基本定律一、基本定律（一）雷诺数（一）雷诺数 式中式中 Re雷诺数；雷诺数；流体密度，流体密度，kg/m3；D管子内径，管子内径，m；V 流体速度，流体速度，m/s；流体粘度，流体粘度，kg/(mkg/(ms)s)或（或（PaPas s）；）；5雷诺数雷诺数 对于液体，上面方程变为：对于液体，上面方程变为：式中式中 d管子内径，管子内径，mm；粘度，粘度，cp.V流速，流速，m/s；液体流量，液体流量，m3/d；液体的相对密度。液体的相对密度。6 （二）流动状态（二）流动状态 层流：层流：ReRe20002000。过渡区：过渡区：2000 2000 4000 4000湍流：湍流：ReRe40004000。7（三）伯努利（三）伯努利(BernoulliBernoulli）定理定理 微分形式：微分形式：8（四）达西方程（四）达西方程 式中式中 L 管子长度，管子长度，m；D管子内径，管子内径，m；V流体速度，流体速度，m/s；f f比例因子。比例因子。9（五）（五）Moody Moody 摩阻因子摩阻因子 e管内壁的绝对粗糙度，管内壁的绝对粗糙度，m；管内壁粗糙度，由于管线类型、材质、管内壁粗糙度，由于管线类型、材质、制造方法、清管措施、腐蚀、结垢等的不制造方法、清管措施、腐蚀、结垢等的不同而具有不同的数据。油田集输管线同而具有不同的数据。油田集输管线e=0.10.5mm。10二、液体流动二、液体流动 液体在管道内的流动规律，可用下列较为实液体在管道内的流动规律，可用下列较为实用的公式来描述用的公式来描述 式中式中 P 压力降，压力降，Pa；f fMoody摩阻因子，无因次量摩阻因子，无因次量；L管道长度，管道长度，m；QL液体流量，液体流量，m3/d S.G.液相的相对密度；液相的相对密度；d d管子内径，管子内径，mmmm。6-12需叠代求解需叠代求解11Hazen-WilliamsHazen-Williams 经验公式（供水系统）经验公式（供水系统）二、液体流动二、液体流动式中式中 HL由于摩阻所产生的压头损失，由于摩阻所产生的压头损失，m，（，（液柱）；液柱）；L管道长度，管道长度，m；dc管子内径，管子内径，cm C无因次的摩阻常数；对新的钢管，无因次的摩阻常数；对新的钢管，C=140；对新的铸铁管，对新的铸铁管，C=130；对铆接管，对铆接管，C=100；Q QL L液体流量，液体流量，m m3 3/d/d；6-1312三、气体流动三、气体流动 1Weymouth方程方程 式中：式中：Qg气体流量，气体流量，Nm3/d；dc 管子内径，管子内径，cm；P1和和P2分别为点分别为点1 和点和点2 的压力，的压力，MPa（绝）；绝）；L管道长度，管道长度，km；S气体的相对密度；气体的相对密度；T1在管道进口处的气体温度，在管道进口处的气体温度，K；Z Z气体的压缩系数。气体的压缩系数。适用于小管径和适用于小管径和短管线的场合。短管线的场合。13三、气体流动三、气体流动 2Panhandle方程方程 式中：式中：E效率因子效率因子 对于优质的新管子对于优质的新管子，E=1.0 对良好的操作条件，对良好的操作条件，E=0.95 对一般的操作条件对一般的操作条件E=0.92 对于不利的操作条件，对于不利的操作条件，E=0.85 其余符号同前其余符号同前 适用于大管径和适用于大管径和长管线的场合。长管线的场合。143Spitzglass方程方程 三、气体流动三、气体流动式中：式中：hw压力损失，压力损失，m(水柱水柱)；d dc c管子内径，管子内径，cmcm；15三、气体流动三、气体流动各个气体流动方程的准则。各个气体流动方程的准则。（1）对对于于最最为为一一般般的的用用处处，推推荐荐使使用用一一般般流流动动方方程程。如如果果使使用用一一般般流流动动方方程程的的迭迭代代程程序序不不方方便便，或或者者是是Weymouth方方程程和和Panhandle方方程程是是否否能能以以应应用用的的话话就就使使用用Weymouth方方程程和和Panhandle方方程程二二者者来来计计算算其其结结果果，并并选选用用较较高高的的压压力力降降计算值。计算值。16三、气体流动三、气体流动（2）Weymouth方方程程仅仅仅仅应应用用于于生生产产设设施施范范围围内内之之直直径径小小、长长度度短短的的管管道道；此此时时，所所期期望望的的雷雷诺诺数数比比较高。较高。（3）对对于于大大直直径径、长长管管线线，希希望望有有中中等等雷雷诺诺数数值值的场合，只能使用的场合，只能使用Panhandle方程。方程。17三、气体流动三、气体流动（4）对对于于低低压压力力的的通通风风管管线线，当当其其直直径径小小于于300mm时，使用时，使用Spitzglass方程方程。（5 5）当当流流动动方方程程应应用用于于旧旧管管道道时时，要要力力图图通通过过矿矿场场试试验验得得到到适适宜宜的的效效率率因因子子。结结垢垢物物、腐腐蚀蚀产产物物、液液体体、石石蜡蜡等等的的堆堆积积，可可以以大大大大地地影影响响气体流动的效率。气体流动的效率。186.2.2气液气液两相两相管路内压力降的计算管路内压力降的计算 在原油集输工程中讲解在原油集输工程中讲解 196.2.3 在阀门和管子附件处的压头损失在阀门和管子附件处的压头损失（一）（一）阻力系数阻力系数Darcy 方程可以改写为：方程可以改写为：阻力系数阻力系数 206.2.3 在阀门和管子附件处的压头损失在阀门和管子附件处的压头损失（续）（续）（二）流动系数（二）流动系数 对于任何阀门或管子附件（其对于任何阀门或管子附件（其C CV V是已知的）的是已知的）的压力降，可如下来计算：压力降，可如下来计算：（6-296-29）（6-6-2727）216.2.3 在阀门和管子附件处的压头损失在阀门和管子附件处的压头损失（续）（续）（三）（三）相当管长度相当管长度（6-306-30）（6-316-31）226.2.3 在阀门和管子附件处的压头损失在阀门和管子附件处的压头损失（续）（续）（四）层流系数（四）层流系数通常以表格形式出版的相当长度是关于通常以表格形式出版的相当长度是关于湍流的，当流动是层流，也就是雷诺数湍流的，当流动是层流，也就是雷诺数小于小于10001000时，可以用下列公式来计算相时，可以用下列公式来计算相当长度：当长度：236.2.4 输气管道中任何一点压力和平均压力输气管道中任何一点压力和平均压力 一、输气管道基本方程一、输气管道基本方程矿场上实用单位的输气管道方程为：矿场上实用单位的输气管道方程为：式中：式中：气体流量，气体流量，Nm3/d dc输气管道内径，输气管道内径，cm；P1和和P2输气管道始端和末端的压力，输气管道始端和末端的压力，MPa（绝）；绝）；L输气管道长度，输气管道长度，km；T1输气管道内气体的平均温度，输气管道内气体的平均温度，K；Z输气管道内平均压力下气体压缩系数。输气管道内平均压力下气体压缩系数。24二、计算输气管道中任意一点的压力二、计算输气管道中任意一点的压力 方程（方程（634）表示输气管道内压力变化的）表示输气管道内压力变化的规律，它是一条抛物线；规律，它是一条抛物线；（6-34）图图6-12 输气管道示意图输气管道示意图25二、计算输气管道中任意一点的压力二、计算输气管道中任意一点的压力对AC段，可写出：对CB段 26三、计算输气管道内的平均压力三、计算输气管道内的平均压力（6-35）压缩因子压缩因子276.2.5 相当输气管道的概念相当输气管道的概念286.2.5 相当输气管道的概念相当输气管道的概念 假如有另外一条输气管道，其直径为假如有另外一条输气管道，其直径为de，长度为长度为Le，在相同的始端压力在相同的始端压力P1和末端压和末端压力力P2条件下，与原来的输气管道（其直条件下，与原来的输气管道（其直径为径为dc,长度为长度为L）具有相同的输气量。则具有相同的输气量。则称此管道为原来管道的相当管道。称此管道为原来管道的相当管道。296.2.7 各种复杂输气管道的计算各种复杂输气管道的计算 一、沿线有气体输入（输出）的复杂输一、沿线有气体输入（输出）的复杂输气管道气管道 图图614 复杂输气管道示意图复杂输气管道示意图 30一、沿线有气体输入（输出）的复杂一、沿线有气体输入（输出）的复杂输气管道输气管道（一）同径输气管道（一）同径输气管道 各个节点的各个节点的压力压力（6-40）（6-39）例例6-3 31一、沿线有气体输入（输出）的复杂一、沿线有气体输入（输出）的复杂输气管道输气管道（二）变径输气管道（二）变径输气管道 第一步：假定输气管道内压力按直线规第一步：假定输气管道内压力按直线规律变化，然后求出各个节点的压力律变化，然后求出各个节点的压力第二步：根据各个节点的压力，由基本第二步：根据各个节点的压力，由基本方程求各管段的直径。方程求各管段的直径。32二、具有不同直径而沿线没有气体输入（或输二、具有不同直径而沿线没有气体输入（或输出）的复杂输气管道（即串联异径管道）出）的复杂输气管道（即串联异径管道）有有两两种种情情况况：第第一一，新新设设计计输输气气管管道道时时，P1、P2、Qg、L等等参参数数为为已已知知，算算出出的的管管径径dc不不是是实实际际的的标标准准管管径径，此此时时可可选选用用两两种种标标准准管管径径配配合使用。合使用。第二，由于气体输量增加，原有管道满足不了第二，由于气体输量增加，原有管道满足不了要求（即要求（即P1和和P2保持不变），此时可在管道后保持不变），此时可在管道后面部分插入一段大直径的管段。但必须指出，面部分插入一段大直径的管段。但必须指出，尽管变（异）径管道有其优点，但由于管径不尽管变（异）径管道有其优点，但由于管径不同，给清管等管理措施带来了麻烦，同时也将同，给清管等管理措施带来了麻烦，同时也将造成浪费。造成浪费。33二、具有不同直径而沿线有气体输入（或二、具有不同直径而沿线有气体输入（或输出）的复杂输气管道（即串联异径管道）输出）的复杂输气管道（即串联异径管道）（一）第一种情况（一）第一种情况 图图6-15（6-43）34二、具有不同直径而沿线有气体输入（或二、具有不同直径而沿线有气体输入（或输出）的复杂输气管道（即串联异径管道）输出）的复杂输气管道（即串联异径管道）（二）第二种情况（二）第二种情况 图图6-16（6-44）35三、输气管组（平行管组）三、输气管组（平行管组）36三、输气管组（平行管组）三、输气管组（平行管组）平行铺设的输气管组中每一条管线都有平行铺设的输气管组中每一条管线都有其流量，其总流量为各条管线流量之和。其流量，其总流量为各条管线流量之和。(6-45)37四、平行副管四、平行副管 增大输气管道的输气量的另一方法是铺增大输气管道的输气量的另一方法是铺设平行副管设平行副管 图图6-18 平行副管平行副管 38五、环型集气管网的计算五、环型集气管网的计算 图图619 环形集气管网示意图环形集气管网示意图 39五、环型集气管网的计算五、环型集气管网的计算对上边的一支对上边的一支ABO：同理，对下边一支同理，对下边一支aboabo：40五、环型集气管网的计算五、环型集气管网的计算令令 ，则得到：，则得到：416.2.8 管线尺寸和壁厚的确定管线尺寸和壁厚的确定 一、确定管子尺寸的准则一、确定管子尺寸的准则当当选选择择管管线线尺尺寸寸时时，必必须须考考虑虑压压力力降降和和流流动动速速度度两两个个因因素素。管管线线需需要要足足够够大大的的直直径径以以便便有有效效的压力能驱动流体通过管线。的压力能驱动流体通过管线。管线直径必须依据最小速度和最大速度来估算管线直径必须依据最小速度和最大速度来估算其尺寸其尺寸。流体必须保持某个低于最大速度的速。流体必须保持某个低于最大速度的速度以防止诸如侵蚀、噪声和水击等问题。同时，度以防止诸如侵蚀、噪声和水击等问题。同时，流体也必须有高于某个最小速度的速度，以减流体也必须有高于某个最小速度的速度，以减少波动，少波动，能携带走砂子和其他固体。能携带走砂子和其他固体。42（一）侵蚀流动（一）侵蚀流动当流体以足够大的力冲击管壁，侵蚀掉腐蚀层膜，将当流体以足够大的力冲击管壁，侵蚀掉腐蚀层膜，将金属暴露给流体，进一步产生腐蚀。流动速度愈高，金属暴露给流体，进一步产生腐蚀。流动速度愈高，产生流体侵蚀的趋势就愈大。产生流体侵蚀的趋势就愈大。两相流动两相流动的实验表明，的实验表明，当流动速度超过下列公式所给出的数值时，将产生腐当流动速度超过下列公式所给出的数值时，将产生腐蚀层膜的侵蚀。蚀层膜的侵蚀。（6-49）对连续工作，对连续工作，C 值取为值取为100；非连续工作，；非连续工作，C 值取为值取为125。43（二）液体管线（二）液体管线 液体管线设计尺寸通常要保持流动速度液体管线设计尺寸通常要保持流动速度以防止固体颗粒沉降出来。通常推荐最以防止固体颗粒沉降出来。通常推荐最小速度为小速度为0.9m/s。式中式中 V液体速度，液体速度，m/s；QL液体流量，液体流量，m3/s；d 管子内径，管子内径，mm。44（三）气体管线（三）气体管线气体管线也必须保持某个最大的速度和气体管线也必须保持某个最大的速度和最小的速度。最小的速度。推荐最小速度推荐最小速度34.5m/s之之间，以便尽量减少液体在低的地点沉降。间，以便尽量减少液体在低的地点沉降。同时，同时，气体速度通常保持在气体速度通常保持在1824m/s以以下下，以便尽量减小噪声的影响和对侵蚀，以便尽量减小噪声的影响和对侵蚀的抑制。的抑制。45（三）气体管线（续）（三）气体管线（续）对于压力小于对于压力小于6.913.8MPa的大多数情况，的大多数情况，侵蚀速度都将大于侵蚀速度都将大于18 m/s，这样，侵蚀速这样，侵蚀速度的标准将不起支配作用。在高压下，度的标准将不起支配作用。在高压下，在确定具有最大速度在确定具有最大速度18 m/s的管线尺寸之的管线尺寸之前，有必要检验侵蚀速度。在具有前，有必要检验侵蚀速度。在具有CO2的的管线系统内，当其含量低到管线系统内，当其含量低到12%，速度，速度应该被限制在应该被限制在15 m/s以下。矿场经验表明，以下。矿场经验表明，在较高的速度下，要抑制在较高的速度下，要抑制CO2的腐蚀是困的腐蚀是困难的。难的。46（三）气体管线（续）（三）气体管线（续）矿场实用单位的气体实际速度，可由下矿场实用单位的气体实际速度，可由下式来确定：式来确定：式中式中 Qg气体流量，气体流量，Nm3/d；T气体温度，气体温度，K；P气体压力，气体压力，MPa（绝）；绝）；Z气体压缩系数；气体压缩系数；d管了内径，管了内径，mm；V气体速度，气体速度，m/s。47（四）两相管线（四）两相管线 常推荐最小速度保持在常推荐最小速度保持在34.5m/s之间，为之间，为防止噪声，最大的允许速度可取最低值防止噪声，最大的允许速度可取最低值18 m/s；如果有必要抑制如果有必要抑制CO2的腐蚀或者的腐蚀或者是侵蚀速度，最大的允许速度可取为是侵蚀速度，最大的允许速度可取为15 m/s。48（四）两相管线（续）（四）两相管线（续）式中式中 气、液混合物密度，气、液混合物密度，kg/m3；P操作压力，操作压力，MPa（绝）；绝）；S气体相对密度；气体相对密度；R气液比，气液比，m3/m3，；，；S.G.液体相对密度；液体相对密度；49（四）两相管线（续）（四）两相管线（续）在最大的允许速度下，管子的最小横截在最大的允许速度下，管子的最小横截面积可表示为面积可表示为（6-55）式中式中 A所需要的最小横截面积，所需要的最小横截面积，m2；QL液体流量，液体流量，m3/d；V最大的允许速度，最大的允许速度，m/s。50（四）两相管线（续）（四）两相管线（续）51二、管壁厚度的标准二、管壁厚度的标准 管线壁厚，管线壁厚，mmP 管线的设计压力，管线的设计压力，MPaD 管线的内径管线的内径,mm 焊缝系数，无缝钢管：焊缝系数，无缝钢管：=1；直缝管和螺旋焊缝直缝管和螺旋焊缝管管=1；螺旋埋弧钢管螺旋埋弧钢管=0.9s 钢材的屈服极限，钢材的屈服极限，MPa，F 设计系数，输气管设计系数，输气管F=0.6（野外），野外），F=0.5（居住居住区、站场内部、公路、铁路）区、站场内部、公路、铁路）52二、管壁厚度的标准（续）二、管壁厚度的标准（续）5363 常用的管子、管件和阀门常用的管子、管件和阀门 6.3.1 管子、管件和阀门的标准化管子、管件和阀门的标准化 一、压力标准一、压力标准1工作压力工作压力 为了保证管路和设备能安全为了保证管路和设备能安全工作，根据管路和设备内介质的各种最高工作工作，根据管路和设备内介质的各种最高工作温度规定的一种最大压力。用温度规定的一种最大压力。用P表示；并在表示；并在P的的右下角附加介质最高温度除以右下角附加介质最高温度除以10所得的温度。所得的温度。例如例如P30表示介质最高工作温度为表示介质最高工作温度为300时的工时的工作压力。如表作压力。如表611所示，如最高工作温度所示，如最高工作温度200时，可略去右下角标。时，可略去右下角标。5463 常用的管子、管件和阀门常用的管子、管件和阀门（续）（续）2公称压力公称压力 为国家规定的一种标准压力。为国家规定的一种标准压力。它是为了全国统一和使用方便，而对管子、管它是为了全国统一和使用方便，而对管子、管件和阀门规定的件和阀门规定的一系列压力等级一系列压力等级；其数值正好；其数值正好等于第一级工作温度（等于第一级工作温度（200）下的最大工）下的最大工作压力。如公称压力等于作压力。如公称压力等于0.25、0.4、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、10.0、16.0、20.0、25.0、32.0等。因此，当操作温度高于等。因此，当操作温度高于200时其工作时其工作压力将降低，其数值如表压力将降低，其数值如表611所示。公称压力所示。公称压力用用PN表示（单位是表示（单位是MPa），），其后附以压力数值。其后附以压力数值。如如PN10表示公称压力为表示公称压力为10MPa。5563 常用的管子、管件和阀门常用的管子、管件和阀门（续）（续）3 3试验压力试验压力 为了对管路和设备为了对管路和设备进行强度试验和严密性试验，人为地规进行强度试验和严密性试验，人为地规定的一种压力。用定的一种压力。用P PT T表示，其后附以压力表示，其后附以压力数值。如数值。如P PT T1515表示试验压力为表示试验压力为1515MPaMPa。试试验压力一般为公称压力的验压力一般为公称压力的1.51.51.251.25倍。倍。5663 常用的管子、管件和阀门常用的管子、管件和阀门（续）（续）二、直径标准二、直径标准公称直径公称直径国家规定的一种标准直径。国家规定的一种标准直径。国家统一规定了尺寸系列，如表国家统一规定了尺寸系列，如表6-126-12所所示，管子、管件和阀门均按公称直径来示，管子、管件和阀门均按公称直径来规定有关尺寸。规定有关尺寸。公称直径一般是指公称公称直径一般是指公称内径，它是与管子内径相近的整数。故内径，它是与管子内径相近的整数。故公称直径既不等于外径。也不等于内径。公称直径既不等于外径。也不等于内径。公称直径用公称直径用DNDN表示（单位是表示（单位是mmmm）。）。如如DN100DN100表示公称直径为表示公称直径为100100mmmm。576.3.2 矿场常用的管子和管件矿场常用的管子和管件（续）（续）天天然然气气集集输输工工程程中中主主要要是是用用无无缝缝钢钢管管和和螺螺旋旋焊焊接接管管。无无缝缝钢钢管管是是用用圆圆钢钢坯坯加加热热后后穿穿孔孔机机穿穿孔孔轧轧制制而而成成，称称为为热热轧轧无无缝缝钢钢管管；或或者者是是经经过过冷冷拔拔而而成成为为外外径径较较小小的的管管子子，称称为为冷冷拔拔无无缝缝钢钢管管。而而螺螺旋旋焊焊接接管管是是由由钢钢板板（或或钢钢带带）斜斜卷卷后电焊而成，其焊缝成螺旋状。后电焊而成，其焊缝成螺旋状。管子的规格以管子的规格以“外径外径壁厚壁厚”来表示。例来表示。例如如1591597 7是表示管子外径为是表示管子外径为159159mmmm，壁厚为壁厚为7 7mmmm。管子一般是根据使用场合，介质的工作管子一般是根据使用场合，介质的工作压力、温度、流量以及所要连接的设备或管件压力、温度、流量以及所要连接的设备或管件的尺寸来选择规格和材质的。的尺寸来选择规格和材质的。586.3.2 矿场常用的管子和管件矿场常用的管子和管件（续）（续）矿场上常用的管件有法兰（包括螺栓、矿场上常用的管件有法兰（包括螺栓、螺母、垫片）、弯头、三通、大小头、螺母、垫片）、弯头、三通、大小头、接头、四通等。它们都是根据所要连接接头、四通等。它们都是根据所要连接的管子、设备的尺寸（公称直径的管子、设备的尺寸（公称直径D DN N）以及以及工作压力、温度等来选择规格和型号的。工作压力、温度等来选择规格和型号的。596.3.3 阀门阀门 阀阀门门是是石石油油和和天天然然气气工工业业中中应应用用最最为为广广泛泛的的一一种种设设备备。它它主主要要用用来来控控制制和和截截断断各各种种管管道道和和设设备备内内介介质质的的流流动动。阀阀门门的的种种类类很很多多，结结构构也也不不完完全全一一致致，故故分分类类也也不不统统一一。有有按按用用途途（化化工工、石石油油、电电站站等等）、有有按按输输送送介介质质（水水、蒸蒸汽汽、空空气气等等）、有有按按连连接接型型式式（内内螺螺纹纹、焊焊接接法法兰兰等等）、有有按按温温度度（高高温温、低低温温）将将阀阀门门分分成成各各种种阀阀。我我国国目目前前习习惯惯按按压压力力和和结结构构来来分分类阀门。类阀门。606.3.3 阀门（续）阀门（续）根据公称压力，将阀门大致分成三类：根据公称压力，将阀门大致分成三类：低压阀：低压阀：1.6MPa中压阀：中压阀：2.5、4.0、6.4 MPa；高压阀：高压阀：10.0MPa。按结构型式，分成：闸阀、球阀、截止按结构型式，分成：闸阀、球阀、截止阀阀等几种。关于阀门的规格，可查等几种。关于阀门的规格，可查阅阀门产品样本或有关手册。阅阀门产品样本或有关手册。616.3.4 节流阀的计算和选择节流阀的计算和选择 1当当P2/P10.53时，属于非临界流动，时，属于非临界流动，用下面公式来计算节流阀的通过直径用下面公式来计算节流阀的通过直径 2当时，属于临界流动，有下列公式来当时，属于临界流动，有下列公式来计算节流阀的通过直径：计算节流阀的通过直径：（663）626.3.4 节流阀的计算和选择（续）节流阀的计算和选择（续）为了满足调节的要求，节流阀的开启度为了满足调节的要求，节流阀的开启度宜处于半开状态宜处于半开状态。63人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。64