CN114329894B - 城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法及装置，该方法包括：基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
Description
技术领域
本发明涉及燃气输送技术领域，特别地涉及一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法、装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
城镇燃气在管道输配过程中，随着燃气流动，燃气不断地与周边环境进行热量交换，如果管道足够长，燃气温度与环境温度最终趋近一致，达到热平衡。
目前，在城镇燃气文献中没有找到相关的计算公式和估算方法，在长输管道中，现行国家标准《输气管道工程设计规范》GB50251-2015中给出了经验公式，可以计算出输气管道沿线任意点的温度。一方面该经验公式适用于长输管道，对于城镇燃气管道的沿线温度计算不一定适用；另一方面，该经验公式中对于一些参数不能直接得出，需要通过热力学状态方程推导计算，如标况下的体积流量等，有的还需要进行繁琐的查资料和计算，如总传热系数。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法、装置、设备及计算机可读存储介质，通过城镇燃气管道的基本数据，比如燃气工况体积流量、管道直径、燃气压力、燃气起点温度、沿线长度以及周围环境温度，便可以直接、快速地计算出燃气管道沿线任意位置的燃气的温度。
本发明第一方面提供一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法，该方法包括：基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
本发明第二方面提供一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置，该装置包括：热平衡方程构建模块，用于基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；基本公式整理模块，用于将所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；总传热系数计算模块，用于对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；燃气温度估算模块，用于获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
本发明第三方面提供一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算设备，该设备包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序时实现如下步骤：
基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1是本发明一实施例提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法的流程图一；
图2是城镇燃气管道与其周围环境的换热物理模型的示意图；
图3是本发明一实施例提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法的流程图二；
图4是本发明另一实施例提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置的结构框图；
图5是本发明另一实施例提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算设备的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
当前的燃气温度估算方法是中国石油天然气集团公司针对长输管线编写的国家标准，经验公式中的给定的常数，是通过一些已知参数的代入形成的，长输管线中天然气的压力、流量、管道材质、壁厚等与城镇燃气管线差异很大，对于城镇燃气管道的沿线温度计算不一定适用。
当前国家标准中的经验公式，对于需要输入燃气到土壤的总传热系数，而总传热系数的计算需要查阅很多的资料文献和曲线图等，并且，从传热学的角度，计算相当繁琐，得出来的结果也不一定准确。
针对上述技术问题，本发明一实施例提供一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法。图1是本发明一实施例提供的一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法的流程图。请参阅图1，该城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法包括：
S100，基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程。
图2示出了城镇燃气管道与其周围环境的换热物理模型的示意图。城镇燃气管道内燃气温度的变化与城镇燃气管道的周围环境的温度有关。城镇燃气管道内燃气温度的变化包括城镇燃气管道内燃气温度的增加或减少。当城镇燃气管道的周围环境温度高于城镇燃气管道内燃气温度，则周围环境的热量会传给城镇燃气管道，使得城镇燃气管道内燃气温度逐渐升高，城镇燃气管道内燃气通过城镇燃气管道的管壁吸取周围环境的热量。当城镇燃气管道的周围环境温度低于城镇燃气管道内燃气温度，则城镇燃气管道内燃气会通过城镇燃气管道的管壁给周围环境传递热量，使城镇燃气管道内燃气温度逐渐降低，周围环境通过城镇燃气管道的管壁吸取燃气的热量。城镇燃气管道内燃气热量与城镇燃气管道的周围环境的热量是相等的，即遵循能量守恒。
上述的城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程的建立方法为：
当城镇燃气管道处于稳定运行阶段时，取城镇燃气管道上长度为dl的一小段进行热平衡分析。单位长度dl的温度变化为dt，该段城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热量为KπD(t-t0)dl，该段城镇燃气管道内燃气内能的变化量为Gcdt，由此可建立该段城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程为：
KπD(t0-t)dl＝Gcdt (1)
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为管道直径，m；t为燃气温度，℃；t0为周围环境温度，℃；G为燃气质量流量，kg/s；c为燃气定压比热，J/(kg.K)。
S200，城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式。
上述的公式(1)经积分，嵌入理想气体状态方程，进行整理得出燃气温度估算基本公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为城镇燃气管道直径，m；t为城镇燃气管道沿线任意点燃气温度，℃；t0为城镇燃气管道周围环境温度；P为燃气压力，MPa；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，m；Q为燃气工况体积流量，m3/h；t1为燃气管道计算段起点的燃气温度，℃。
该燃气温度估算基本公式能够适用于计算城镇燃气管道沿线任意点燃气温度。
该燃气温度估算基本公式嵌入了理想气体状态方程，可将工况条件下体积流量的直接输入，即可计算城镇燃气管道沿线任意点燃气温度。
S300，对燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式。
对上述的公式(2)进行变形，得到总传热系数的计算公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；P为燃气压力，MPa；Q为燃气工况体积流量，m3/h；D为管道内径，m；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，m；t0为周围环境温度，℃；t1为燃气管道计算段起点的燃气温度，℃；tL为管道长度为L的燃气管道内燃气温度，℃。
S400，获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，基于已知长度的城镇燃气管道的测量数据以及总传热系数的计算公式，采用反算法计算总传热系数。
在本实施例中，测量数据包括已知长度的城镇燃气管道内燃气温度。通过对于已知长度的城镇燃气管道内燃气温度的测试，将测得的已知长度的城镇燃气管道内燃气温度带入公式(3)，可以反算出总传热系数。
由于总传热系数与管道特性(管道材质、管径、壁厚)、流体介质、流速、温度、压力有关，因此，采用反算法计算出的总传热系数，可以方便快捷地得出结果，并且计算值最接近真实状态。
本实施例采用反算法以更加科学、更加便捷、准确算出总传热系数，回归经验公式。
S500，获取目标城镇燃气管道的基本数据，将目标城镇燃气管道的基本数据以及总传热系数分别输入燃气温度估算基本公式，计算目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
在本实施例中，目标城镇燃气管道的基本数据包括目标城镇燃气管道直径、目标城镇燃气管道内燃气压力、目标城镇燃气管道内燃气工况体积流量、目标城镇燃气管道起点燃气温度、目标城镇燃气管道沿线长度以及目标城镇燃气管道周围环境温度。
将目标城镇燃气管道直径、目标城镇燃气管道内燃气压力、目标城镇燃气管道内燃气工况体积流量、目标城镇燃气管道起点燃气温度、目标城镇燃气管道沿线长度、目标城镇燃气管道周围环境温度以及总传热系数分别输入公式(2)，即可得出目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
通过最基本、最简单、最易得的基本数据输入，比如燃气体积流量，目标城镇燃气管道直径、燃气压力和温度，以及环境的温度，便可以直接、快速地计算出目标燃气管道沿线任意位置的燃气的温度。
上述的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法，首先通过城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程，热平衡方程经积分，嵌入理想气体状态方程，进行整理得出燃气温度估算基本公式，通过已知的目标城镇燃气管道的基本数据直接输入，可以快速计算出目标燃气管道任意点的燃气的温度。
图4是本发明另一实施例提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置的结构框图。
在本实施例中，所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置600可以应用于计算机装置中，所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置600可以包括多个由程序代码段所组成的功能模块。所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置600中的各个程序段的程序代码可以存储于计算机装置的存储器中，并由所述计算机装置的至少一个处理器所执行，以实现(详见图1描述)城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算功能。
本实施例中，所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置600根据其所执行的功能，可以被划分为多个功能模块。所述功能模块可以包括：热平衡方程构建模块601、基本公式整理模块602、总传热系数计算模块603以及燃气温度估算模块604。本发明所称的模块是指一种能够被至少一个处理器所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在存储器中。在本实施例中，关于各模块的功能将在后续的实施例中详述。
其中，热平衡方程构建模块601，用于基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程。
其中，基本公式整理模块602，用于将热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式。
其中，总传热系数计算模块603，用于对燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数。
其中，燃气温度估算模块604，用于获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
相应于上面的方法实施例，参见图5，图5为本发明另一实施例所提供的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算设备700的示意图，该设备700可以包括：
存储器701，用于存储计算机程序.
处理器702，用于执行上述存储器701存储的所述计算机程序时实现如下步骤：
基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
对于本发明提供的设备的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。
相应于上面的方法实施例，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现如下步骤：
基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对于本发明提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法，其特征在于，包括：
基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；
所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；
对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；
获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；
获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度；
其中：所述建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程的步骤，包括：
获取单位长度内城镇燃气管道内燃气温度变化；
计算该段城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热量以及该段城镇燃气管道内燃气内能的变化量；
基于燃气温度变化和换热量与燃气内能的变化量的关系，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；
所述热平衡方程为：
KπD(t0-t)dl＝Gcdt
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为管道直径，m；t为燃气温度，℃；t0为周围环境温度，℃；G为燃气质量流量，kg/s；c为燃气定压比热，J/(kg.K)；
所述燃气温度估算基本公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为城镇燃气管道直径，m；t为城镇燃气管道沿线任意点燃气温度，℃；t0为城镇燃气管道周围环境温度，℃；P为燃气压力，MPa；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，m；Q为燃气工况体积流量，m3/h；t1为城镇燃气管道计算段起点的燃气温度，℃；
所述总传热系数的计算公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；P为燃气压力，MPa；Q为燃气工况体积流量，m3/h；D为城镇燃气管道直径，m；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，t0为周围环境温度，℃；t1为城镇燃气管道计算段起点的燃气温度，℃；tL为管道长度为L的燃气管道内燃气温度，℃；
所述采用反算法计算总传热系数的步骤，包括：
获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，所述测量数据包括已知长度的城镇燃气管道内燃气温度；
将所述已知长度的城镇燃气管道内燃气温度输入所述总传热系数的计算公式，计算得到总传热系数。
2.根据权利要求1所述的城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法，其特征在于，所述计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的步骤，包括：
获取目标城镇燃气管道的基本数据，所述基本数据包括所述目标城镇燃气管道直径、所述目标城镇燃气管道内燃气压力、所述目标城镇燃气管道内燃气工况体积流量、所述目标城镇燃气管道起点燃气温度、所述目标城镇燃气管道沿线长度以及所述目标城镇燃气管道周围环境温度；
将所述目标城镇燃气管道直径、所述目标城镇燃气管道内燃气压力、所述目标城镇燃气管道内燃气工况体积流量、所述目标城镇燃气管道起点燃气温度、所述目标城镇燃气管道沿线长度、所述目标城镇燃气管道周围环境温度以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度。
3.一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算装置，其特征在于，包括：
热平衡方程构建模块，用于基于城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热物理模型，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；
基本公式整理模块，用于将所述热平衡方程经积分处理及嵌入理想气体状态方程，得到燃气温度估算基本公式；
总传热系数计算模块，用于对所述燃气温度估算基本公式进行变形，得到总传热系数的计算公式；获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，采用反算法计算总传热系数；
燃气温度估算模块，用于获取目标城镇燃气管道的基本数据，将所述目标城镇燃气管道的基本数据以及所述总传热系数分别输入所述燃气温度估算基本公式，计算所述目标城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度；
其中：所述热平衡方程构建模块通过如下方式建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程的步骤：
获取单位长度内城镇燃气管道内燃气温度变化；
计算该段城镇燃气管道内燃气与其周围环境的换热量以及该段城镇燃气管道内燃气内能的变化量；
基于燃气温度变化和换热量与燃气内能的变化量的关系，建立城镇燃气管道内燃气与其周围环境的热平衡方程；
所述热平衡方程为：
KπD(t0-t)dl＝Gcdt
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为管道直径，m；t为燃气温度，℃；t0为周围环境温度，℃；G为燃气质量流量，kg/s；c为燃气定压比热，J/(kg.K)；
所述燃气温度估算基本公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；D为城镇燃气管道直径，m；t为城镇燃气管道沿线任意点燃气温度，℃；t0为城镇燃气管道周围环境温度，℃；P为燃气压力，MPa；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，m；Q为燃气工况体积流量，m3/h；t1为城镇燃气管道计算段起点的燃气温度，℃；
所述总传热系数的计算公式为：
其中，K为总传热系数，W/(m2.K)；P为燃气压力，MPa；Q为燃气工况体积流量，m3/h；D为城镇燃气管道直径，m；L为燃气管道计算段起点至沿线任意点的长度，t0为周围环境温度，℃；t1为城镇燃气管道计算段起点的燃气温度，℃；tL为管道长度为L的燃气管道内燃气温度，℃；
所述总传热系数计算模块通过如下方式采用反算法计算总传热系数的步骤：
获取已知长度的城镇燃气管道的测量数据，所述测量数据包括已知长度的城镇燃气管道内燃气温度；
将所述已知长度的城镇燃气管道内燃气温度输入所述总传热系数的计算公式，计算得到总传热系数。
4.一种城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序时实现如权利要求1至2任一项所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述城镇燃气管道沿线任意点的燃气温度的估算方法的步骤。
Priority Applications (1)
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2021
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Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 考虑能量方程影响的燃气管道流动特性分析;高兰周;侯根富;李悦敏;;福建工程学院学报(03);全文 * |
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