管道壓力、流速、流量計算
在實際工業(yè)管道工程設(shè)計中,我們經(jīng)常會根據(jù)客戶所給的相關(guān)技術(shù)參數(shù)來設(shè)計符合實際生產(chǎn)要求的合理的工程方案,所以,如何確定管道內(nèi)流速V、壓力P、流量Q三者之間的關(guān)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(guān)系,
舉個例子:
例:不銹鋼無縫管φ25.4x1.65 ,工作介質(zhì)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(nèi)某一截面為參考面,那么介質(zhì)在1h內(nèi)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(zhì)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(yīng)用中,管道內(nèi)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(yīng)根據(jù)經(jīng)濟權(quán)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?nèi)。?/p>
流速V=10m/s,
管道內(nèi)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(chǎn)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(guān)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(zhì)的量kmol
R—氣體摩爾常數(shù)8.314kj/(kmol .K)
T—氣體的熱力學(xué)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(yīng)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(zhì)的量,而T則表示理想氣
體的熱力學(xué)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(shè)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(mào)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(lǐng)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(zhì)的絕對溫度(273.15+t)K
t——被測介質(zhì)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(chǎn)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(shè)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(shè)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(zhì)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(zhì)壓力最低,溫度最高時,應(yīng)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(zhì)壓力最高,溫度最低時,應(yīng)具有最小標況體積流量,
即Qmin=213.51m3/h
從以上計算結(jié)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
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原文標題:儀表老師傅常用公式總結(jié)①:管道壓力、流速、流量計算,標況和工況流量的轉(zhuǎn)換
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