引言燃气-蒸汽联合循环电站作为成熟的能源电力供应形式之一，广泛地被“一带一路”沿线国家采纳。其中，燃气轮机作为联合循环上游最重要的原动机设备，对入口天然气燃料的压力要求较为苛刻，浮动范围通常在200 kPa以内，若无法较为精准地量化一定流量和温度压力下，天然气在管道中的阻力，会对增压机以及管道尺寸选型产生影响。如果降低天然气系统阻力设计的精度，选型裕量选取过高，将无意义地提高系统造价。目前国内外业界关于天然气阻力的计算方法[1-3]，主要为通过累加管道、管件、阀门等对应的阻力系数折算出当量长度，代入到简化阻力方程的管长中，求得压力在流动方向上的变化量。由于天然气组分复杂，物性参数的求解是主要的难点。不同的项目间具有显著的组分差异，由物性影响的密度、黏度、压缩因子、雷诺数等中间量的计算较为复杂。若采用查表或手动拟合[4-6]势必带来较大的重复工作量，同时无法保证精确度。文章首先推导天然气在管道流动中的控制方程及阻力计算方法；随后通过引入物性数据库以及摩擦系数计算公式对计算流程进行优化；最后以某燃气-蒸汽联合循环电站天然气系统为例，介绍该系统阻力的计算过程。1基本方程圆形管道绝热稳定流动的基本方程为：-dp=ρλdLDv22+ρgdZ+ρdv22 (1)式(1)中：p——管道压力，Pa；ρ——气体密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；λ——摩擦系数；Z——管道高度，m；L——管道计算长度，m；D——管道内径，m；v——气体流速，m/s。根据气体状态方程和连续性方程，有：Sρv=M (2)p=ρZRT (3)式(2)、式(3)中：S——管道截面积，m2；M——气体质量流量，kg/s；Z——气体压缩因子；R——当前气体常数，J/(kg·K)；T——气体绝对温度，K。以管道入口下标记为1，出口下标记为2，将式(2)、式(3)代入式(1)，化简并积分后可得：p12-p22=M2ZRTS2(λLD+2lnp1p2)+pavg2gZRT(H2-H1) (4)管道压损相对于绝对压力，为一个极小量，因而，p1/p2的值趋近于1，式(4)可以简化为：p12-p22=M2ZRTS2λLD+p12gZRT(H2-H1) (5)由式(5)可知，对于已知工艺参数的管道系统，已知量为M、T、L、D、S、H2、H1，根据气体成分及已知量，需输入Z、R、λ。其中R和λ则涉及管道粗糙度k，气体黏度V以及与空气的相对密度Δ。为获得以上与气体组分相关的物性参数，文章采用开源的热物性数据库Coolprop[7]，内置与美国国家标准与技术研究院开发的REFPROP相同的GERG[8]状态方程及上百种化合物间的二元交互作用系数，可以精准地获得不同组分天然气的各项物性参数，同时适用于编程迭代。采用Colebrooke-White隐式计算公式求解λ需要采用耗时的迭代方法进行计算。Asker[9]研究并对比了20多种以显式方式计算摩擦系数的方法，通过Moody[10]的拟合公式可得到精度较高的结果，因而由文中采用：λ=0.00 551+20 000kD+106Re1/3 (6)式(6)中：k——管壁粗糙度；Re——雷诺数。2实例性计算以某海外9H等级燃气-蒸汽联合循环项目为例。该厂外供气通过当地调压站处理后，进入厂内增压机站进行增压并供给下游燃机，流量较大，增压机为特殊设计，因而增压机入口的进气压力为关键指标，需要根据厂内天然气管道布置及上游来气参数进行计算后确定。该项目上游天然气组分及来流主要参数如表1和表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.006.T001表1天然气组分项目数值甲烷86.00正戊烷0.74氮气6.28二氧化碳6.98%10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.006.T002表2天然气来流主要参数项目数值100%流量/(kg/s)28.5调压站出口温度/℃15～25调压站出口压力/MPa(a)0.78～1.12流速限制/(m/s)20设计压力/MPa.a8其中流速限制20 m/s为根据合同技术条款要求，根据调压站出口的温度压力参数，须选择比容最大的0.78 MPa.a、25 ℃作为计算工况，据此求得的调压站出口管道管径和壁厚见表3。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.006.T003表3管道计算参数项目数值100%流量/(kg/s)28.5密度(0.78 MPa(a), 25 ℃)/(kg/m3)6.198流速限制/(m/s)20设计压力/MPa(a)8管外径/mm610管壁厚/mm30.96计算流速/(m/s)19.6已知流速、管内径，以及查询得到的天然气物性参数，据式(5)计算p2，其中入口与出口高度差为零，可以忽略等号右边第2项。管道管件（弯头、阀门等）的阻力系数以式(7)计算为等效长度[3]折合进管道长度L中：L=L0+∑ζDλ (7)式(7)中：L0——管道长度，m；ζ——管件阻力系数。据式(5)～式(7)计算了调压站出口至增压机进口的管道压降，其中管道总长220 m，含12个90°弯头及3个全通径球阀，出口压力p2的计算过程及结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.006.T004表4出口压力计算过程项目数值调压站出口压力p1/MPa(a)0.78运行温度/K298100%流量/(kg/m3)28.5相对密度0.651 8压缩因子0.985 56管内径/mm548.1流体黏度/(Pa·s)1.287×10-5管壁粗糙度/mm0.2摩擦系数0.016 16调压站至增压机管道长度/m400弯头折算长度/m66.6球阀折算长度/m3.29总计算长度/m469.89增压机入口压力p2/MPa(a)0.763据计算该管道压力降为17 kPa，工况为极端工况，增压机选型时只需考虑该最低入口压力，若有多段管线（管道外、内径改变），则须逐段计算流速和压降并累加。3结语从气体动量方程基础上推导天然气管道的压降公式，结合现有的物性计算库以及管流摩擦系数拟合公式，搭建较高精度的计算框架；以某天然气调压站至增压机管道为例计算了其流动阻力，排除了查表等手动操作，只需要根据天然气系统边界条件输入量，得到计算结果，为未来类似项目的设备选型提供参考。