综合管廊燃气舱燃气管道热补偿计算温差的计算

2020-03-17田辉芳钱东良

煤气与热力 2020年3期

田辉芳，钱东良

(山西省燃气规划设计研究院有限责任公司，山西太原030024)

1 概述

随着全国范围内城市综合管廊的大量实施，关于燃气舱燃气管道方面的研究越来越多。詹武刚[1]结合工程实践，针对综合管廊通风系统及燃气舱的设计中遇到的问题提出了解决方法。张承虎等人[2]、林圣剑[3]、王玉琪等人[4]针对综合管廊燃气舱燃气管道泄漏进行了数值模拟研究。

燃气管道热补偿是燃气舱工程设计中的一项重点工作，图集18GL501《综合管廊燃气管道敷设与安装》给出了3种设计压力条件下DN 150～600 mm燃气管道在计算温差(指燃气舱燃气管道安装温度与运行温度的差)分别为20、40、60 ℃下的固定支座最大间距及轴向推力。但在实际工程中，设计人员对于计算温差的选取普遍缺乏依据。若保守设计，易造成管廊内燃气管道固定支座设置密集、规格过大，导致工期的延长和建设成本的提高。本文采用理论计算方法，计算燃气舱燃气管道计算温差。

2 工程概况

以某综合管廊工程(位于廊坊地区)为例，管廊横截面见1。管廊埋深范围为3.3～7.6 m，燃气舱高×宽为3.6 m×1.8 m。燃气舱两侧布置通风口，采取机械通风，换气次数为6 h-1。

管道安装温度即施工时燃气舱内的环境温度，此时管廊没有投运，燃气舱内机械通风设施也尚未投运，舱内环境温度近似为管廊埋深处的土壤温度。研究表明，深度0.9 m以下的土壤温度日变化幅度很小，随着深度的增大，受季节性气温波动的影响也越小[5-9]。对于综合管廊，土壤温度基本稳定在所在深度的月平均地温附近。本文根据文献[8]提供的香河地区冬夏季不同深度月平均地温，对该工程冬季、夏季不同深度月平均地温进行选取。燃气管道为无缝钢管，材质为20号钢。

图1 管廊横截面

3 计算温差的计算

① 计算温差

燃气舱内空气与管内天然气的单位长度传热量q的计算式为：

(1)

式中q——燃气舱内空气与管内天然气的单位长度传热量，W/m

t1——管内天然气温度，℃

t2——燃气舱内空气温度，℃

h1——钢管内壁表面传热系数，W/(m2·K)

d1——钢管内直径，m

λs——钢材热导率，W/(m·K)，本文取45 W/(m·K)

d2——钢管外直径，m

λPE——PE外护层热导率，W/(m·K)，本文取0.35 W/(m·K)

d3——PE外护层外直径，m

h2——PE外护层外壁表面传热系数，W/(m2·K)

冬季、夏季管内天然气温度(认为管内天然气来自输气管网)分别取1月、7月管道埋深1.6 m处的月平均地温。冬季、夏季管道安装温度分别取1月、7月管廊平均埋深5.5 m处1月、7月的月平均地温。由文献[8]选取冬季、夏季不同埋深的月平均地温，冬季、夏季燃气舱内空气温度取自GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A极端最低、最高气温。冬季，管内天然气温度取6.5 ℃，燃气舱内空气温度取-21.5 ℃，管道安装温度取13 ℃。夏季，管内天然气温度取20.1 ℃，燃气舱内空气温度取41.3 ℃，管道安装温度取14.7 ℃。天然气按甲烷考虑。

由于钢管的热导率比较大，因此将钢管内壁面温度tw视为钢管温度，计算式为：

(2)

(3)

tw=t1,t1=t2

(4)

式中tw——钢管内壁面温度，K

计算温差Δt的计算式为：

Δt=|tw-t0|

(5)

式中 Δt——计算温差，℃

t0——管道安装温度，℃

② 钢管内壁表面传热系数

管内流动充分发展段的流态根据管内天然气雷诺数Re1判断：

(6)

式中Re1——管内天然气雷诺数

u1——管内天然气流速，m/s

ν1——天然气的运动黏度，m2/s

对于管内流动，一般认为雷诺数大于104时流体达到旺盛湍流。经核算，在笔者选取的天然气最小流速下(1 m/s)，本文涉及的各规格入廊燃气管道的管内天然气均可达到旺盛湍流。因此，本文按管内天然气为旺盛湍流进行计算。

对于气体的中等及以下温差(50 ℃左右)的光滑管内受迫湍流换热，可采用Dittus-Boelter准则式[10]。

管内天然气被加热，即t1

(7)

管内天然气被冷却，即t1>t2时：

(8)

式中Nu1——管内天然气努塞尔数

Pr1——管内天然气普朗特数

管内天然气努塞尔数Nu1、管内天然气普朗特数Pr1的定义式分别为：

(9)

(10)

式中λ1——天然气热导率，W/(m·K)

μ1——天然气动力黏度，Pa·s

cp1——天然气比定压热容，J/(kg·K)

由于管内天然气在不同运行工况下的温度和压力均不相同，物性参数也随之变化。但通过试算，物性参数对计算结果的影响很小。为便于统一计算，天然气物性参数统一按标准状态下(0 ℃，101 325 Pa)的甲烷选取。天然气的运动黏度取14.50×10-6m2/s，天然气热导率取0.03 W/(m·K)，天然气动力黏度取10.393×10-6Pa·s，天然气比定压热容取1 545 J/(kg·K)。根据式(6)～(10)可得到管内燃气被加热、冷却条件下钢管内壁表面传热系数的计算式。

③ PE外护层外壁表面传热系数

PE外护层外壁表面传热系数为流体外顺掠圆管传热模型，准则式为[11]：

(11)

式中Nu2——管外空气努塞尔数

Re2——管外空气雷诺数

Pr2——管外空气普朗特数

管外空气雷诺数Re2、管外空气努塞尔数Nu2、管外空气普朗特数Pr2的定义式分别为：

(12)

(13)

(14)

式中A——燃气舱横截面积，m2

u2——管外空气流速，m/s

ρ2——空气密度，kg/m3

s——燃气舱横截面周长，m

μ2——空气的动力黏度，Pa·s

λ2——空气热导率，W/(m·K)

Pr2——管外空气普朗特数

cp2——空气比定压热容，J/(kg·K)

燃气舱机械通风换气次数取6 h-1，燃气舱横截面平均空气流速为0.33 m/s，管外空气流速即0.33 m/s。由式(11)～(14)可得到PE外护层外壁表面传热系数h2的计算式。冬季、夏季管外空气的定性温度分别取冬季、夏季燃气舱内空气温度(-21.5、41.3 ℃)，燃气舱大气压力按101 325 Pa考虑。冬季管外空气物性参数：密度取1.40 kg/m3，动力黏度取16.1×10-6Pa·s，热导率取0.023 W/(m·K)，比定压热容取1 009 J/(kg·K)。夏季管外空气物性参数：密度取1.12 kg/m3，动力黏度19.2×10-6Pa·s，热导率取0.028 W/(m·K)，比定压热容取1 005 J/(kg·K)。

4 计算结果与分析

计算对象选取6种规格燃气管道，不同规格燃气管道参数见表1。按前述计算方法，分别计算不同管内天然气流速下，6种规格燃气管道在夏季安装冬季运行、冬季安装夏季运行、夏季安装夏季运行、冬季安装冬季运行4种情况的计算温差(计算结果分别见表2～5)。由表2～5可知，相同公称直径时，计算温差随天然气流速的增大而减小。相同天然气流速时，计算温差随着燃气管道公称直径的增大而减小。燃气舱燃气管道在夏季安装冬季运行情况下的计算温差最大。因此，在对燃气舱燃气管道进行热补偿设计时，应选用夏季安装冬季运行情况下的计算温差。