田輝芳， 錢東良

(山西省燃氣規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司，山西太原030024)

1 概述

隨著全國范圍內(nèi)城市綜合管廊的大量實施，關(guān)于燃氣艙燃氣管道方面的研究越來越多。詹武剛[1]結(jié)合工程實踐，針對綜合管廊通風系統(tǒng)及燃氣艙的設(shè)計中遇到的問題提出了解決方法。張承虎等人[2]、林圣劍[3]、王玉琪等人[4]針對綜合管廊燃氣艙燃氣管道泄漏進行了數(shù)值模擬研究。

燃氣管道熱補償是燃氣艙工程設(shè)計中的一項重點工作，圖集18GL501《綜合管廊燃氣管道敷設(shè)與安裝》給出了3種設(shè)計壓力條件下DN 150～600 mm燃氣管道在計算溫差(指燃氣艙燃氣管道安裝溫度與運行溫度的差)分別為20、40、60 ℃下的固定支座最大間距及軸向推力。但在實際工程中，設(shè)計人員對于計算溫差的選取普遍缺乏依據(jù)。若保守設(shè)計，易造成管廊內(nèi)燃氣管道固定支座設(shè)置密集、規(guī)格過大，導(dǎo)致工期的延長和建設(shè)成本的提高。本文采用理論計算方法，計算燃氣艙燃氣管道計算溫差。

2 工程概況

以某綜合管廊工程(位于廊坊地區(qū))為例，管廊橫截面見1。管廊埋深范圍為3.3～7.6 m，燃氣艙高×寬為3.6 m×1.8 m。燃氣艙兩側(cè)布置通風口，采取機械通風，換氣次數(shù)為6 h-1。

管道安裝溫度即施工時燃氣艙內(nèi)的環(huán)境溫度，此時管廊沒有投運，燃氣艙內(nèi)機械通風設(shè)施也尚未投運，艙內(nèi)環(huán)境溫度近似為管廊埋深處的土壤溫度。研究表明，深度0.9 m以下的土壤溫度日變化幅度很小，隨著深度的增大，受季節(jié)性氣溫波動的影響也越小[5-9]。對于綜合管廊，土壤溫度基本穩(wěn)定在所在深度的月平均地溫附近。本文根據(jù)文獻[8]提供的香河地區(qū)冬夏季不同深度月平均地溫，對該工程冬季、夏季不同深度月平均地溫進行選取。燃氣管道為無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼。

圖1 管廊橫截面

3 計算溫差的計算

① 計算溫差

燃氣艙內(nèi)空氣與管內(nèi)天然氣的單位長度傳熱量q的計算式為：

(1)

式中q——燃氣艙內(nèi)空氣與管內(nèi)天然氣的單位長度傳熱量，W/m

t1——管內(nèi)天然氣溫度，℃

t2——燃氣艙內(nèi)空氣溫度，℃

h1——鋼管內(nèi)壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

d1——鋼管內(nèi)直徑，m

λs——鋼材熱導(dǎo)率，W/(m·K)，本文取45 W/(m·K)

d2——鋼管外直徑，m

λPE——PE外護層熱導(dǎo)率，W/(m·K)，本文取0.35 W/(m·K)

d3——PE外護層外直徑，m

h2——PE外護層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

冬季、夏季管內(nèi)天然氣溫度(認為管內(nèi)天然氣來自輸氣管網(wǎng))分別取1月、7月管道埋深1.6 m處的月平均地溫。冬季、夏季管道安裝溫度分別取1月、7月管廊平均埋深5.5 m處1月、7月的月平均地溫。由文獻[8]選取冬季、夏季不同埋深的月平均地溫，冬季、夏季燃氣艙內(nèi)空氣溫度取自GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》附錄A極端最低、最高氣溫。冬季，管內(nèi)天然氣溫度取6.5 ℃，燃氣艙內(nèi)空氣溫度取-21.5 ℃，管道安裝溫度取13 ℃。夏季，管內(nèi)天然氣溫度取20.1 ℃，燃氣艙內(nèi)空氣溫度取41.3 ℃，管道安裝溫度取14.7 ℃。天然氣按甲烷考慮。

由于鋼管的熱導(dǎo)率比較大，因此將鋼管內(nèi)壁面溫度tw視為鋼管溫度，計算式為：

(2)

(3)

tw=t1,t1=t2

(4)

式中tw——鋼管內(nèi)壁面溫度，K

計算溫差Δt的計算式為：

Δt=|tw-t0|

(5)

式中 Δt——計算溫差，℃

t0——管道安裝溫度，℃

② 鋼管內(nèi)壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

管內(nèi)流動充分發(fā)展段的流態(tài)根據(jù)管內(nèi)天然氣雷諾數(shù)Re1判斷：

(6)

式中Re1——管內(nèi)天然氣雷諾數(shù)

u1——管內(nèi)天然氣流速，m/s

ν1——天然氣的運動黏度，m2/s

對于管內(nèi)流動，一般認為雷諾數(shù)大于104時流體達到旺盛湍流。經(jīng)核算，在筆者選取的天然氣最小流速下(1 m/s)，本文涉及的各規(guī)格入廊燃氣管道的管內(nèi)天然氣均可達到旺盛湍流。因此，本文按管內(nèi)天然氣為旺盛湍流進行計算。

對于氣體的中等及以下溫差(50 ℃左右)的光滑管內(nèi)受迫湍流換熱，可采用Dittus-Boelter準則式[10]。

管內(nèi)天然氣被加熱，即t1

(7)

管內(nèi)天然氣被冷卻，即t1>t2時：

(8)

式中Nu1——管內(nèi)天然氣努塞爾數(shù)

Pr1——管內(nèi)天然氣普朗特數(shù)

管內(nèi)天然氣努塞爾數(shù)Nu1、管內(nèi)天然氣普朗特數(shù)Pr1的定義式分別為：

(9)

(10)

式中λ1——天然氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)

μ1——天然氣動力黏度，Pa·s

cp1——天然氣比定壓熱容，J/(kg·K)

由于管內(nèi)天然氣在不同運行工況下的溫度和壓力均不相同，物性參數(shù)也隨之變化。但通過試算，物性參數(shù)對計算結(jié)果的影響很小。為便于統(tǒng)一計算，天然氣物性參數(shù)統(tǒng)一按標準狀態(tài)下(0 ℃，101 325 Pa)的甲烷選取。天然氣的運動黏度取14.50×10-6m2/s，天然氣熱導(dǎo)率取0.03 W/(m·K)，天然氣動力黏度取10.393×10-6Pa·s，天然氣比定壓熱容取1 545 J/(kg·K)。根據(jù)式(6)～(10)可得到管內(nèi)燃氣被加熱、冷卻條件下鋼管內(nèi)壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算式。

③ PE外護層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

PE外護層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為流體外順掠圓管傳熱模型，準則式為[11]：

(11)

式中Nu2——管外空氣努塞爾數(shù)

Re2——管外空氣雷諾數(shù)

Pr2——管外空氣普朗特數(shù)

管外空氣雷諾數(shù)Re2、管外空氣努塞爾數(shù)Nu2、管外空氣普朗特數(shù)Pr2的定義式分別為：

(12)

(13)

(14)

式中A——燃氣艙橫截面積，m2

u2——管外空氣流速，m/s

ρ2——空氣密度，kg/m3

s——燃氣艙橫截面周長，m

μ2——空氣的動力黏度，Pa·s

λ2——空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)

Pr2——管外空氣普朗特數(shù)

cp2——空氣比定壓熱容，J/(kg·K)

燃氣艙機械通風換氣次數(shù)取6 h-1，燃氣艙橫截面平均空氣流速為0.33 m/s，管外空氣流速即0.33 m/s。由式(11)～(14)可得到PE外護層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2的計算式。冬季、夏季管外空氣的定性溫度分別取冬季、夏季燃氣艙內(nèi)空氣溫度(-21.5、41.3 ℃)，燃氣艙大氣壓力按101 325 Pa考慮。冬季管外空氣物性參數(shù)：密度取1.40 kg/m3，動力黏度取16.1×10-6Pa·s，熱導(dǎo)率取0.023 W/(m·K)，比定壓熱容取1 009 J/(kg·K)。夏季管外空氣物性參數(shù)：密度取1.12 kg/m3，動力黏度19.2×10-6Pa·s，熱導(dǎo)率取0.028 W/(m·K)，比定壓熱容取1 005 J/(kg·K)。

4 計算結(jié)果與分析

計算對象選取6種規(guī)格燃氣管道，不同規(guī)格燃氣管道參數(shù)見表1。按前述計算方法，分別計算不同管內(nèi)天然氣流速下，6種規(guī)格燃氣管道在夏季安裝冬季運行、冬季安裝夏季運行、夏季安裝夏季運行、冬季安裝冬季運行4種情況的計算溫差(計算結(jié)果分別見表2～5)。由表2～5可知，相同公稱直徑時，計算溫差隨天然氣流速的增大而減小。相同天然氣流速時，計算溫差隨著燃氣管道公稱直徑的增大而減小。燃氣艙燃氣管道在夏季安裝冬季運行情況下的計算溫差最大。因此，在對燃氣艙燃氣管道進行熱補償設(shè)計時，應(yīng)選用夏季安裝冬季運行情況下的計算溫差。

表1 不同規(guī)格燃氣管道的參數(shù)

表2 夏季安裝冬季運行的計算溫差 ℃

表3 冬季安裝夏季運行的計算溫差 ℃

表4 夏季安裝夏季運行的計算溫差 ℃

表5 冬季安裝冬季運行的計算溫差 ℃

5 結(jié)論

相同公稱直徑時，計算溫差隨天然氣流速的增大而減小。相同天然氣流速時，計算溫差隨著燃氣管道公稱直徑的增大而減小。燃氣艙燃氣管道在夏季安裝冬季運行情況下的計算溫差最大。在對燃氣艙燃氣管道進行熱補償設(shè)計時，應(yīng)選用夏季安裝冬季運行情況下的計算溫差。