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        管道壓力、流速、流量計算,標況和工況流量的轉換!

        發布日期:2022-12-26 16:39:51 點擊:

        在實際工業管道工程設計中,我們經常會根據客戶所給的相關技術參數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。

        現簡單從理論上介紹一下三者之間的關系,

        舉個例子:


        : 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?


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

        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 :

        1.jpg


        1.jpg

        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經濟權衡決定。

        一般液體流速為0.5~3m/s,

        氣體流速為10~30m/s。

        現在0.8Mpa情況下我們?。?/span>

        流速V=10m/s , 

        管道內徑22.1mm

        工況下每小時流量

        1.jpg

        那么,

        怎么換算到標況流量呢?

        2.jpg


        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 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:

        1.jpg


        標況和工況流量換算公式與實例


        (一)標況和工況的區


        工況:實際工作狀態下的流量,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,區別于我國工業氣體標況的規定。

        兩種狀態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也不一樣。


        (二)計算方程


        根據理想氣體狀態方程: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。

        PV/T=nR為常數,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(嚴格的說是準標準狀態,我們叫它常態)來計量的,一般貿易計量按20℃,1個大氣壓力(0.1013MPa)狀態下的體積計量,比標準狀態下的體積稍大一些,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,兩種狀態的計算都是可能出現的。比方在定義壓縮機參數時,我們常用標況下的參數來給廠家提條件,同時我們也提供溫度大氣壓力等參數供做工況下的校正,這么做的好處是我們可以用同一個狀態來表明參數,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

           

        氣體的標準狀態分三種:

        (1)1954年第十屆國際計量大會(CGPM)協議的標準狀態是: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。

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

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

            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布的標準。

            氣體的氣態方程式:

            Qn=Zn/Zg*(Pg+Pa)/Pn*Tn/Tg*Qg

            式中:

            Qn——標準狀態下的體積流量(Nm3/h)

            Zn——標準狀態下的壓縮系數

            Zg——工作狀態下的壓縮系數

            Pg——表壓(KPa)

            Pa——當地大氣壓(KPa)

            Pg+Pa——工況下的絕對壓力

            Pn——標準大氣壓(101.325KPa)

            Tn——標準狀態下(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——未經修正的體積流量(m3/h)

            注:帶n的是標況參數,帶g的是工況參數。


        (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一的單位,都是述說的標況狀態的流量;而工廠運行記錄的實際流量基本都是工況狀態下的流量。

        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格型號。

        解答:根據氣態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;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。

        根據計算的流量范圍,選擇滿足工況要求的流量計。


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