管道壓力、流速、流量計算

在實際工業(yè)管道工程設計中，我們經(jīng)常會根據(jù)客戶所給的相關技術參數(shù)來設計符合實際生產要求的合理的工程方案，所以，如何確定管道內流速V、壓力P、流量Q三者之間的關系變得尤為重要。

現(xiàn)簡單從理論上介紹一下三者之間的關系，

舉個例子：

例：不銹鋼無縫管φ25.4x1.65 ，工作介質為氮氣N2，工作壓力P=0.8MPa，工作溫度t=20℃求工況流量Q？

解：取不銹鋼管內某一截面為參考面，那么介質在1h內留經(jīng)管道截面的流量有：

Q=VπR2 x 3600

式中，

Q：工況流量— m3

V：介質流速— m/s

R：管道半徑— m

所以我們得到以下流量計算公式 ：

在實際工程應用中，管道內流速（V）受很多因素影響（使用壓力、管道通徑、使用流量等等），所以合理的流速應根據(jù)經(jīng)濟權衡決定。

一般液體流速為0.5~3m/s，

氣體流速為10~30m/s。

現(xiàn)在0.8Mpa情況下我們取：

流速V=10m/s,

管道內徑22.1mm

則在工況下每小時流量：

那么，怎么換算到標況流量呢？

在實際生產中氣體的使用壓力往往不盡相同，所以一般把工況流量換算成標準狀況下的流量，以方便計量使用。

氣體在實際使用過程中受各種因素影響，其相關參數(shù)往往在不斷變化，所以在工程實際計算中往往把氣體認為理想氣體，從而大概計算出其實際流量。

理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

式中，

P—氣體絕對壓力KPa

V—氣體體積m3

n—氣體的物質的量kmol

R—氣體摩爾常數(shù)8.314kj/(kmol .K)

T—氣體的熱力學溫度K

t —工作溫度℃

所以在工況和標況下有：

P0V0=nRT0（標況）

P1V1=nRT1（工況）

聯(lián)合兩式得：

V0=(P1/P0)x(T0/T1)

= V1(P1/P0)x【273/（273+t)】

注：式中P1為絕對壓力，P0為標準大氣壓力

所以例題中換算成標況流量為：

標況和工況流量換算公式與實例

（一）標況和工況的區(qū)別

工況：實際工作狀態(tài)下的流量，單位：m3/h

標況：溫度20℃、一個大氣壓（101.325kPa）下的流量，單位：Nm3/h

注意：通常所指的標況是溫度為0℃（273.15開爾文）和壓強為101.325千帕（1標準大氣壓，760毫米汞柱）的情況，區(qū)別于我國工業(yè)氣體標況的規(guī)定。

兩種狀態(tài)下的單位都是一樣的，只是對應的流量不同而已。另外不同國家所指的標態(tài)也不一樣。

（二）計算方程

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT。

這個方程有4個變量：p是指理想氣體的壓強，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質的量，而T則表示理想氣

體的熱力學溫度；還有一個常量：R為理想氣體常數(shù)。

PV/T=nR為常數(shù)，所以P1×V1/T1=P2×V2/T2

設標況下體積流量為V0，溫度T0=273+20=293k，壓力P0=101.325Kpa=0.101325Mpa，

工況下體積流量為V，溫度T(攝氏度)，壓力P(表壓力，Mpa)，忽略壓縮因子的變化有V*(P+0.101325)/(T+273)=V0*P0/T0

注意：一般天然氣都是中低壓輸送，低壓入戶，都是帶有壓力的，屬于工況。

天然氣的計量按標準狀態(tài)（嚴格的說是準標準狀態(tài)，我們叫它常態(tài)）來計量的，一般貿易計量按20℃，1個大氣壓力（0.1013MPa）狀態(tài)下的體積計量，比標準狀態(tài)下的體積稍大一些，對賣方有利（因為本來是乘以273，按照20℃的話就是乘以273+20，所以變大了）。

在國際標準中的標準狀態(tài)是0℃，1個標準大氣壓力。對于氣體來說不同的壓力，其體積會差很大（氣體很易壓縮），當然體積流量會差很大，同徑條件下不同工況下的流速自然也會差很大，比方同直徑蒸汽管線對于10bar和3.5bar時最大流量是不同的。

工藝計算時用工況或用標況取決于你查的圖表、用的常數(shù)，兩種狀態(tài)的計算都是可能出現(xiàn)的。比方在定義壓縮機參數(shù)時，我們常用標況下的參數(shù)來給廠家提條件，同時我們也提供溫度大氣壓力等參數(shù)供做工況下的校正，這么做的好處是我們可以用同一個狀態(tài)來表明參數(shù)，就如同泵的性能曲線都是用清水來說的，沒人會說汽油的性能曲線是什么，原油的性能曲線又是什么。在很多計算中用的都是工況，比方計算流速時。

（三）氣體的標準狀態(tài)

氣體的標準狀態(tài)分三種：

（1）1954年第十屆國際計量大會(CGPM)協(xié)議的標準狀態(tài)是：溫度273.15K（0℃），壓力101.325KPa。世界各國科技領域廣泛采用這一標態(tài)。

（2）國際標準化組織和美國國家標準規(guī)定以溫度288.15K（15℃），壓力101.325KPa作為計量氣體體積流量的標態(tài)。

（3）我國《天然氣流量的標準孔板計算方法》規(guī)定以溫度293.15K（20℃），壓力101.325KPa作為計量氣體體積流量的標準狀態(tài)。

天然氣標況體積換算公式和普通氣體的不一樣，必須符合中國石油天然氣總公司發(fā)布的標準。

氣體的氣態(tài)方程式：

Qn＝Zn/Zg*(Pg+Pa)/Pn*Tn/Tg*Qg

式中：

Qn——標準狀態(tài)下的體積流量（Nm3/h）

Zn——標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)

Zg——工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù)

Pg——表壓（KPa）

Pa——當?shù)卮髿鈮海↘Pa）

Pg+Pa——工況下的絕對壓力

Pn——標準大氣壓（101.325KPa）

Tn——標準狀態(tài)下（天然氣國標20℃）的絕對溫度（293.15K）

Tg——介質的絕對溫度（273.15+t）K

t——被測介質的攝氏溫度（℃）

Qg——未經(jīng)修正的體積流量（m3/h）

注：帶n的是標況參數(shù)，帶g的是工況參數(shù)。

（四）標況與工況之間的換算實例

通常我們所說的流量為了便于統(tǒng)一的單位，都是述說的標況狀態(tài)的流量；而工廠運行記錄的實際流量基本都是工況狀態(tài)下的流量。

1.標況流量到工況流量換算的實例：

問題：空壓機額定產氣量2立方/分鐘，管道壓力8公斤，實際管道的工況流量是多少？

解答：粗略計算，假設壓縮空氣溫度20度。

工況流量=2/(0.8+0.101325)*0.101325=0.2248立方/分鐘

式中：0.101325是大氣的絕對壓力；0.8為管道壓力，單位是MPa。

2.工況流量到標況流量換算的實例：

問題：氧氣管道壓力12公斤，工況流量10立方/小時，標況流量是多少？

解答：假設溫度為20度，不參與運算。

標況流量=10/0.101325*(1.2+0.101325)=128.43立方/小時

式中：0.101325是大氣的絕對壓力；1.2為管道壓力，單位是MPa。

（五）流量計選型計算實例

問題：已知某一供氣管線的實際工作壓力為（表壓）0.8MPa~1.2MPa，介質溫度范圍為-5℃~40℃，供氣量為3000~10000Nm3/h(標況流量)，在不考慮天然氣組分情況下，要求確定流量計的規(guī)格型號。

解答：根據(jù)氣態(tài)方程先將標況流量換算成工況流量，然后再選擇合適的口徑。氣體方程式如下：

Qb=Q×PTb/PbT×Zb/Zg=QCF2

式中：C為換算系數(shù)；F為氣體壓縮因子

計算：

①當介質壓力最低，溫度最高時，應具有最大標況體積流量，

即Qb=Q×PTb/PbT×Zb/Zg=QCF2=1200.87m3/h

②當介質壓力最高，溫度最低時，應具有最小標況體積流量，

即Qmin=213.51m3/h

從以上計算結果得知，要選擇的流量計其工況流量范圍為(214-1200)m3/h。

根據(jù)計算的流量范圍，選擇滿足工況要求的流量計。

審核編輯：郭婷