在實際工業管線工程設計中,我們常常會依照顧客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,怎么確定管線內流速V、壓力P、流量Q二者之間的關系顯得尤為重要。
現簡單從理論上介紹一下二者之間的關系,
舉個反例:
例:碳鋼無縫管φ25.4x1.65,工作介質為甲烷N2,工作壓力P=0.8MPa,工作氣溫t=20℃求工況流量Q?
解:取碳鋼管內某一截面為參考面,這么介質在1h內留經管道截面的流量有:
Q=VπR2x3600
式中,
Q:工況流量—m3
V:介質流速—m/s
R:管線直徑—m
所以我們得到以下流量估算公式:
在實際工程應用中,管線內流速(V)受好多誘因影響(使用壓力、管道通徑、使用流量等等),所以合理的流速應按照經濟權衡決定。
通常液體流速為0.5~3m/s,
二氧化碳流速為10~30m/s。
如今0.8Mpa情況下我們取:
流速V=10m/s,
管線管徑22.1mm
則在工況下每小時流量:
這么,如何換算到標況流量呢?
在實際生產中二氧化碳的使用壓力常常不盡相同,所以通常把工況流量換算成標準狀況下的流量,以便捷計量使用。
二氧化碳在實際使用過程中受各類誘因影響,其相關參數常常在不斷變化,所以在工程實際估算中常常把二氧化碳覺得理想二氧化碳,因而大約估算出其實際流量。
理想二氧化碳狀態多項式:
PV=nRT
式中,
P—氣體絕對壓力KPa
V—氣體容積m3
n—氣體的物質的量kmol
R—氣體摩爾常數8.314kj/(kmol.K)
T—氣體的熱力學氣溫K
t—工作氣溫℃
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:
標況和工況流量換算公式與實例
(一)標況和工況的區別
工況:實際工作狀態下的流量,單位:m3/h
標況:氣溫20℃、一個大氣壓(101.)下的流量,單位:Nm3/h
注意:一般所指的標況是氣溫為0℃(273.15開爾文)和浮力為101.325千帕(1標準大氣壓,760毫米汞柱)的情況,區別于我國工業二氧化碳標況的規定。
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)估算多項式
依照理想二氧化碳狀態多項式:pV=nRT。
這個多項式有4個變量:p是指理想二氧化碳的浮力,V為理想二氧化碳的容積,n表示二氧化碳物質的量,而T則表示理想二氧化碳的熱力學氣溫;還有一個常量:R為理想二氧化碳常數。
PV/T=nR為常數,所以P1×V1/T1=P2×V2/T2
設標況陰道積流量為V0,氣溫T0=273+20=293k重力和壓力的區別,壓力P0=101.=0.,
工況陰道積流量為V,氣溫T(攝氏度),壓力P(表壓力,Mpa),忽視壓縮因子的變化有V*(P+0.)/(T+273)=V0*P0/T0
注意:通常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,通常貿易計量按20℃,1個大氣壓力(0.)狀態下的容積計量,比標準狀態下的容積稍大一些,對買方有利(由于原本是除以273,根據20℃的話就是除以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。對于二氧化碳來說不同的壓力,其容積會差很大(二氧化碳很易壓縮),其實容積流量會差很大,同徑條件下不同工況下的流速自然也會差很大,比方同半徑蒸氣管道對于10bar和3.5bar時最大流量是不同的。工藝估算時用工況或用標況取決于你查的圖表、用的常數,兩種狀態的估算都是可能出現的。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,同時我們也提供濕度大氣壓力等參數供做工況下的校準重力和壓力的區別,那么做的用處是我們可以用同一個狀態來表明參數,就好似泵的性能曲線都是用清水來說的,沒人會說柴油的性能曲線是哪些,歐盤的性能曲線又是哪些。在好多估算中用的都是工況,比方估算流速時。
(三)二氧化碳的標準狀態
二氧化碳的標準狀態分三種:
(1)1954年第十屆國際計量會議(CGPM)合同的標準狀態是:體溫273.15K(0℃),壓力101.。世界各國科技領域廣泛采用這一標態。
(2)國際標準化組織和英國國家標準規定以氣溫288.15K(15℃),壓力101.作為計量二氧化碳容積流量的標態。
(3)我國《天然氣流量的標準孔板估算方式》規定以氣溫293.15K(20℃),壓力101.作為計量二氧化碳容積流量的標準狀態。
天然氣標況容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。
二氧化碳的氣態方程式:
Qn=Zn/Zg*(Pg+Pa)/Pn*Tn/Tg*Qg
式中:
Qn——標準狀態下的容積流量(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.)
Tn——標準狀態下(天然氣國標20℃)的絕對濕度(293.15K)
Tg——介質的絕對濕度(273.15+t)K
t——被測介質的攝氏濕度(℃)
Qg——未經修正的容積流量(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
一般我們所說的流量為了易于統一的單位,都是講述的標況狀態的流量;而鞋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,管線壓力8公斤,實際管線的工況流量是多少?
解答:簡略估算,假定壓縮空氣濕度20度。
工況流量=2/(0.8+0.)*0.=0.2248立方/分鐘
式中:0.是大氣的絕對壓力;0.8為管線壓力,單位是MPa。
2.工況流量到標況流量換算的實例:
問題:二氧化碳管線壓力12公斤,工況流量10立方/小時,標況流量是多少?
解答:假定氣溫為20度,不參與運算。
標況流量=10/0.*(1.2+0.)=128.43立方/小時
式中:0.是大氣的絕對壓力;1.2為管線壓力,單位是MPa。
(五)流量計選型估算實例
問題:已知某一供熱管道的實際工作壓力為(表壓)0.8MPa~1.2MPa,介質氣溫范圍為-5℃~40℃,供熱量為3000~3/h(標況流量),在不考慮天然氣組分情況下,要求確定流量計的尺寸機型。
解答:按照氣態多項式先將標況流量換算成工況流量,之后再選擇合適的口徑。二氧化碳方程式如下:
Qb=Q×PTb/PbT×Zb/Zg=QCF2
式中:C為換算系數;F為二氧化碳壓縮因子
估算:
①當介質壓力最低,氣溫最高時,應具有最大標況容積流量,
即Qb=Q×PTb/PbT×Zb/Zg=QCF2=1200.87m3/h
②當介質壓力最高,氣溫最低時,應具有最小標況容積流量,
即Qmin=213.51m3/h
從以上估算結果獲知,要選擇的流量計其工況流量范圍為(214-1200)m3/h。
按照估算的流量范圍,選擇滿足工況要求的流量計。