CN104462777B - 一种流体管路最小可行能量需求的测算方法 - Google Patents
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Abstract
一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，包括以下步骤：1)从流体输送的起点到终点之间，根据是否存在蓄能点、流道突变点划分出关键节点，其与流体管路的起点和终点一起，构成一组从起点1到终点n的关键节点标志序列[1，2，…，n]；2)在步骤1)所确定的[2:n]之间的相邻节点间采用能量守恒方程、确定相邻节点的机械能状态之间的关系；3)、在节点1和节点2之间，应用能量守恒方程，确定完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求；4)、由步骤2)、步骤3)所给出的各个节点的机械能状态之间的关系，确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求。本发明有效测算最小能量消耗需求、有效降低输送能耗。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学领域，尤其是一种流体管路最小可行能量需求的测算方法。
背景技术
在生产、生活的各类应用场合中，往往都涉及流体的输送或者增压。为了输送流体，必须使用各种流体输送机械向流体提供机械能。流体输送作为最基本的过程单元操作、量大面广，需要消耗大量的能量。因此，降低流体输送的能量消耗，是节能减排的重点关注领域之一，流体输送能耗水平的高低对整个系统的能耗和经济性有重要影响。
输送流体所消耗的能量，一部分用于提高流体的机械能状态、以满足生产、使用需要，另一部分则用于克服流体管路中的流动阻力损失。流体输送所需的能量需求一般通过在流体输送的起点和终点二者之间应用柏努利方程(机械能守恒方程)来获得管路特性方程，管路特性方程描述了管路中流体的流量与所需外加能量的关系。
管路特性方程给出了完成规定的流体输送量所需要的外界补充给流体的能量需求，是流体机械选型和设计的依据。根据流体输送的起点和终点来确定管路特性方程，由管路特性方程得出流体管路所需的能量需求，所设计出来的系统往往存在“过高估计能量需求”而导致流体机械“大马拉小车”，或者“局部设计不可行”而导致整体设计不经济的情况。特别是在目前节能减排、低碳发展模式下，传统方法的弊端越发凸显，带来不必要的流体输送能耗。
发明内容
为了克服已有根据流体管路的起点状态和终点状态来确定流体管路能量需求的方法的无法得到最小可行能量需求、输送能耗较大的不足，本发明提供一种根据管路的实际情况确定流体输送实际可能达到的最小能量消耗需求、有效降低输送能耗的流体管路最小可行能量需求的测算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，所述测算方法包括以下步骤：
1)确定关键节点
在整个流体管路中，从流体输送的起点到终点之间，根据是否存在蓄能点、流道突变点划分出关键节点，所述关键节点与流体管路的起点和终点一起，构成一组从起点1到终点n的关键节点标志序列[1，2，…，n]；
所述蓄能点是指流体的位能-压能-动能发生转换的位置，所述流道突变是指由于流道急剧变化导致消耗机械能的位置；
2)在步骤1)所确定的[2:n]之间的相邻节点间采用能量守恒方程、确定相邻节点的机械能状态之间的关系，参照公式(1)-公式(4)：
Ei＝Ei+1+ΔEi→i+1 (1)
上式中：Ei、Ei+1分别为节点i和节点i+1处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；ΔEi→i+1为单位重量流体从管路的节点i流到节点i+1所克服的流动阻力损失，单位：m；p为流体的压强，单位：Pa；z为流体的垂直高度，单位：m；u为流体的平均流速，单位：m/s；下标i、i+1分别对应节点i和节点i+1处；λ、ξ分别为摩擦系数、局部阻力损失系数；l为管路长度，单位：m；d为管路内径，单位：m；g为重力加速度，单位N/kg；ρ为流体平均密度，单位kg/m3；
3)、在节点1和节点2之间，应用能量守恒方程，确定完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求H，参照公式(5)：
上式(5)中：E1、E2分别为节点1和节点2处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；H为需要外界向单位重量流体提供的最小可行能量，单位：m；ΔE1→2为单位重量流体从管路的节点1流到节点2所克服的流动阻力损失，单位：m；
4)、由步骤2)、步骤3)所给出的各个节点的机械能状态之间的关系，确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求，如公式(6)所示：
En→En-1→En-2→...→E2→E1,H (6)
E1+H、E2、E3、…、En-1、En分别对应于关键位置节点1、节点2、节点3、…、节点n-1、节点n处的最小可行能量需求状态。
进一步，所述测算方法还包括以下步骤：5)确定节能潜力
将所述步骤4)得到的管路在完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求与管路的实际外加能量需求H实际进行对比，H最小可行即公式(5)中的H，确定流体管路总的节能潜力，参照公式(7)：
节能潜力＝H实际-H最小可行 (7)
将所述步骤2)、步骤3)中的单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失ΔE最小可行,i→i+1与管路的实际损失ΔE实际,i→i+1相比，ΔE最小可行,i→i+1包括公式(4)中的ΔEi→i+1以及公式(5)中的ΔE1→2，确定节能潜力随空间的分布情况，快速确定耗能的薄弱环节，参照公式(8)：
i→i+1管段的节能潜力＝(ΔE实际-ΔE最小可行)i→i+1 (8)
并且，各管段的节能潜力之和等于公式(7)所获得的流体管路总的节能潜力。
再进一步，在所述步骤2)、步骤3)中，单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失的计算基于管路的实际情况，对应地所求出的流体管路的能量需求为完成流体输送实际可能达到的最小可行能量消耗需求，摩擦系数λ、局部阻力损失系数ξ、管路长度l、管路内径d均基于管路的实际结构、尺寸、流动状态、输送量等，局部阻力损失系数选用最小可能值。
更进一步，所述的步骤1)中，所述的位能-压能-动能发生转换是指在流体总的机械能组成中，位能、压能、动能这三部分分量的比例关系发生变化的情况；所述急剧变化是指流道的突然改变导致流动边界层分离、产生的漩涡消耗机械能的情况，所述突然改变是指流道方向变化或者流道截面大小变化。
本发明的技术构思为：基于关键节点对管路进行分段描述，根据管路的实际结构、尺寸、流态、流量等情况求出流体输送实际可能达到的最小能量损失，从而确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求。
本发明的有益效果为：1、该方法可以确定流体输送所需的最小可行能量需求，基于管路的实际结构、尺寸、流态、流量等情况求出流体输送实际可能达到的最小能量消耗需求；2、该方法基于关键节点的划分对管路进行分段描述，最小可行能量需求随空间位置的分布情况一目了然。特别是对存在位能-压能-动能转换的管路，可以合理地确定能量需求，克服传统方法的弊端；3、该方法可以方便、快捷地确定流体输送管路的总节能潜力以及节能潜力随空间位置的分布情况，便于寻找节能改造的薄弱环节、有效开展节能工作。
附图说明
图1是流体管路的节点划分示意图。
图2是流体管路最小可行能量需求的空间分布柱状图。
图3是流体管路最小可行能量需求中动能-静压能-位能的空间分布柱状图。
图4是流体管路最小可行能量需求的空间分布曲线图(包含动能、静压能、位能、管段损耗的分布情况)。
图5是流体管路最小可行能量需求与实际能量需求的空间分布对比曲线图(包含最小可能损耗与实际管段损耗的对比情况)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，包括以下步骤：
1)、确定关键节点。在整个流体管路中，从流体输送的起点到终点，根据是否存在蓄能点、流道突变点划分出若干关键节点，如图1所示。这些关键节点，与流体管路的起点和终点一起，构成一组从起点1到终点n的关键节点标志序列[1，2，…，n]。由这n个关键节点共同来决定输送管路的流量-能量状态特性，而不是仅由流体管路的起点和终点来确定管路特性。蓄能点是指流体的位能-压能-动能发生转换的位置，流道突变是指由于流道急剧变化导致消耗机械能的位置；
所述的位能-压能-动能发生转换是指在流体总的机械能组成中，位能、压能、动能这三部分分量的比例关系发生变化的情况；所述急剧变化是指流道的突然改变导致流动边界层分离、产生的漩涡消耗机械能的情况，所述突然改变是指流道方向变化或者流道截面大小变化。
2)、在步骤1)所确定的[2:n]之间的相邻节点间采用能量守恒方程、确定相邻节点的机械能状态之间的关系，参照公式(1)-公式(4)：
Ei＝Ei+1+ΔEi→i+1 (1)
上式中：Ei、Ei+1分别为节点i和节点i+1处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；ΔEi→i+1为单位重量流体从管路的节点i流到节点i+1所克服的流动阻力损失，单位：m；p为流体的压强，单位：Pa；z为流体的垂直高度，单位：m；u为流体的平均流速，单位：m/s；下标i、i+1分别对应节点i和节点i+1处；λ、ξ分别为摩擦系数、局部阻力损失系数；l为管路长度，单位：m；d为管路内径，单位：m；g为重力加速度，单位N/kg；ρ为流体平均密度，单位kg/m3。
3)、在节点1和节点2之间，应用能量守恒方程，确定完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求H，参照公式(5)：
上式中：E1、E2分别为节点1和节点2处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；H为需要外界向单位重量流体提供的最小可行能量，单位：m；ΔE1→2为单位重量流体从管路的节点1流到节点2所克服的流动阻力损失，单位：m；
4)、由步骤2)、步骤3)所给出的各个节点的机械能状态之间的关系，确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求，如公式(6)所示：
En→En-1→En-2→...→E2→E1,H (6)
E1+H、E2、E3、…、En-1、En分别对应于关键位置节点1、节点2、节点3、…、节点n-1、节点n处的最小可行能量需求状态。
如果将能量-位置的对应关系用图表的形式来表示，即可获得能量需求随管路空间位置的分布图表，这些图表可直观地展示出流体管路中能量随空间的分布情况，如图2-4所示。
在所述步骤2)、步骤3)中，单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失的计算基于管路的实际情况，对应地所求出的流体管路的能量需求为完成流体输送实际可能达到的最小可行能量消耗需求。摩擦系数λ、局部阻力损失系数ξ、管路长度l、管路内径d等均基于管路的实际结构、尺寸、流动状态、输送量等，局部阻力损失系数选用最小可能值。
所述测算方法还包括以下步骤：5)确定节能潜力，将所述步骤4)得到的管路在完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求与管路的实际外加能量需求H实际进行对比，H最小可行即公式(5)中的H，确定流体管路总的节能潜力，参照公式(7)：
节能潜力＝H实际-H最小可行 (7)
将所述步骤2)、步骤3)中的单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失ΔE最小可行,i→i+1与管路的实际损失ΔE实际,i→i+1相比，ΔE最小可行,i→i+1包括公式(4)中的ΔEi→i+1以及公式(5)中的ΔE1→2，确定节能潜力随空间的分布情况，快速确定耗能的薄弱环节，参照公式(8)：
i→i+1管段的节能潜力＝(ΔE实际-ΔE最小可行)i→i+1 (8)
并且，各管段的节能潜力之和等于公式(7)所获得的流体管路总的节能潜力。
本实施例中，具体步骤如下：
第一步，确定关键节点。在整个流体管路中，从流体输送的起点到终点，根据是否存在蓄能点、流道突变点划分出若干关键节点，如图1所示。这些关键节点，与流体管路的起点和终点一起，构成一组从起点1到终点12的关键节点标志序列[1，2，…，12]。由这12个关键节点共同来决定输送管路的流量-能量状态特性，而不是仅由流体管路的起点和终点来确定管路特性。
在管路的起点和终点之间，根据是否存在蓄能点、流道突变点作为关键节点的划分依据。蓄能点是指流体的位能-压能-动能发生转换的位置，流道突变是指由于流道急剧变化导致消耗机械能的位置。关键节点2、3、4、5处，由于垂直高度的变化，流体的总机械能中位能、压能、动能这三部分组成的比例关系将发生明显改变，属于蓄能点；节点6、7、8、9、10、11处，由于管路中阀门、过程设备的接入导致流道急剧变化、流动边界层分离、所产生的漩涡造成局部阻力损失，属于流道突变点。
第二步，在步骤1)所确定的[2:12]之间的相邻节点间采用能量守恒方程、确定相邻节点的机械能状态之间的关系，参照公式(1)-公式(4)：
Ei＝Ei+1+ΔEi→i+1 (1)
上式中：Ei、Ei+1分别为节点i和节点i+1处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；ΔEi→i+1为单位重量流体从管路的节点i流到节点i+1所克服的流动阻力损失，单位：m；p为流体的压强，单位：Pa；z为流体的垂直高度，单位：m；u为流体的平均流速，单位：m/s；下标i、i+1分别对应节点i和节点i+1处；λ、ξ分别为摩擦系数、局部阻力损失系数；l为管路长度，单位：m；d为管路内径，单位：m；g为重力加速度，单位N/kg；ρ为流体平均密度，单位kg/m3。
第三步，在节点1和节点2之间，应用能量守恒方程，确定完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求H，参照公式(5)：
上式中：E1、E2分别为节点1和节点2处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；H为需要外界向单位重量流体提供的最小可行能量，单位：m；ΔE1→2为单位重量流体从管路的节点1流到节点2所克服的流动阻力损失，单位：m。
本实施例采用的物流数据、输送要求如表1所示。
| 物理量名称 | 单位 | 数值 |
| 平均密度 | kg/m3 | 900 |
| 粘度 | Pa·s | 0.0015 |
| 输送量 | m3/s | 0.0045 |
| 供料点压力 | Pa | 101325 |
| 供料点垂直高度 | m | 0 |
| 用料点压力 | Pa | 151325 |
| 用料点垂直高度 | m | 0 |
表1实例数据
在第二步、第三步的计算过程中，单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失的计算基于管路的实际情况，对应地所求出的流体管路的能量需求为完成流体输送实际可能达到的最小可行能量消耗需求。各个管段的结构、尺寸、摩擦系数λ、局部阻力损失系数ξ、最小能量损失见表2。
| 物理量 | 管段1→2 | 管段2→3 | 管段3→4 | 管段4→5 | 管段5→6 |
| 数值 | 数值 | 数值 | 数值 | 数值 | |
| 长度(m) | 10 | 15 | 30 | 15 | 6 |
| 内部直径(mm) | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| 管材 | 无缝钢管 | 无缝钢管 | 无缝钢管 | 无缝钢管 | 无缝钢管 |
| 垂直高度(m) | 0 | 15 | 15 | 0 | 0 |
| 平均流速(m/s) | 2.2918 | 2.2918 | 2.2918 | 2.2918 | 2.2918 |
| 摩擦系数λ | 0.0284 | 0.0284 | 0.0284 | 0.0284 | 0.0284 |
| 局部阻力系数ξ | 10.75 | 1.5 | 0 | 1.5 | 0 |
| 能量损失(m) | 4.3985 | 2.6825 | 4.5619 | 2.6825 | 0.9124 |
表2各管段结构和操作参数
第四步，由第二步、第三步所给出的各个节点的机械能状态之间的关系，确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求。关键位置节点1、节点2、节点3、…、节点11、节点12处的最小可行能量需求、动能-位能-静压能组成情况、损失的计算结果见表3。
表3最小可行能量需求计算结果
将能量-位置的对应关系用图表的形式来表示，即可获得能量需求随管路空间位置的分布图表，这些图表可直观地展示出流体管路中能量随空间的分布情况，如图2-4所示。
将计算得到的管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求与管路的实际能量需求进行对比，如图5所示，可以确定流体管路总的节能潜力为单位重量流体可节约6.38m(占总能耗的12.4％)。将单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失与管路的实际损失相比，如图5所示，可以确定节能潜力随空间的分布情况，快速确定耗能的薄弱环节为阀门(对应于节点6)开度仅为1/4开所导致。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，其特征在于：所述测算方法包括以下步骤：
1)确定关键节点
在整个流体管路中，从流体输送的起点到终点之间，根据是否存在蓄能点、流道突变点划分出关键节点，所述关键节点与流体管路的起点和终点一起，构成一组从起点1到终点n的关键节点标志序列[1，2，…，n]；
所述蓄能点是指流体的位能-压能-动能发生转换的位置，所述流道突变是指由于流道急剧变化导致消耗机械能的位置；
2)在步骤1)所确定的[2:n]之间的相邻节点间采用能量守恒方程、确定相邻节点的机械能状态之间的关系，参照公式(1)-公式(4)：
Ei＝Ei+1+ΔEi→i+1 (1)
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上式中：Ei、Ei+1分别为节点i和节点i+1处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；ΔEi→i+1为单位重量流体从管路的节点i流到节点i+1所克服的流动阻力损失，单位：m；p为流体的压强，单位：Pa；z为流体的垂直高度，单位：m；u为流体的平均流速，单位：m/s；下标i、i+1分别对应节点i和节点i+1处；λ、ξ分别为摩擦系数、局部阻力损失系数；l为管路长度，单位：m；d为管路内径，单位：m；g为重力加速度，单位N/kg；ρ为流体平均密度，单位kg/m3；
3)、在节点1和节点2之间，应用能量守恒方程，确定完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求H，参照公式(5)：
E1+H＝E2+ΔE1→2
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上式(5)中：E1、E2分别为节点1和节点2处单位重量流体的机械能，包括流体的压能、位能、动能三部分，单位：m；H为需要外界向单位重量流体提供的最小可行能量，单位：m；ΔE1→2为单位重量流体从管路的节点1流到节点2所克服的流动阻力损失，单位：m；
4)、由步骤2)、步骤3)所给出的各个节点的机械能状态之间的关系，确定管路在完成规定输送量要求时的最小可行能量需求，如公式(6)所示：
En→En-1→En-2→...→E2→E1,H (6)
E1+H、E2、E3、…、En-1、En分别对应于关键位置节点1、节点2、节点3、…、节点n-1、节点n处的最小可行能量需求状态；
5)确定节能潜力
将所述步骤4)得到的管路在完成规定输送量要求时的最小可行外加能量需求与管路的实际外加能量需求H实际进行对比，H最小可行即公式(5)中的H，确定流体管路总的节能潜力，参照公式(7)：
节能潜力＝H实际-H最小可行 (7)
将所述步骤2)、步骤3)中的单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失ΔE最小可行,i→i+1与管路的实际损失ΔE实际,i→i+1相比，ΔE最小可行,i→i+1包括公式(4)中的ΔEi→i+1以及公式(5)中的ΔE1→2，确定节能潜力随空间的分布情况，快速确定耗能的薄弱环节，参照公式(8)：
i→i+1管段的节能潜力＝(ΔE实际-ΔE最小可行)i→i+1 (8)
并且，各管段的节能潜力之和等于公式(7)所获得的流体管路总的节能潜力。
2.如权利要求1所述的一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，其特征在于：在所述步骤2)、步骤3)中，单位重量流体在管路的相邻节点间所克服的流动阻力损失的计算基于管路的实际情况，对应地所求出的流体管路的能量需求为完成流体输送实际可能达到的最小可行能量消耗需求，摩擦系数λ、局部阻力损失系数ξ、管路长度l、管路内径d均基于管路的实际结构、尺寸、流动状态和输送量，局部阻力损失系数选用最小可能值。
3.如权利要求1或2所述的一种流体管路最小可行能量需求的测算方法，其特征在于：所述的步骤1)中，所述的位能-压能-动能发生转换是指在流体总的机械能组成中，位能、压能、动能这三部分分量的比例关系发生变化的情况；所述急剧变化是指流道的突然改变导致流动边界层分离、产生的漩涡消耗机械能的情况，所述突然改变是指流道方向变化或者流道截面大小变化。
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