Гидравлический расчет газопроводов. Высокого и среднего давления Гидравлический расчет газопровода низкого давления tagaz

Введение

В основе гидравлического расчета газопроводной сети лежит определение оптимальных диаметров газопроводов, обеспечивающих пропуск необходимых количеств газа при допустимых перепадах давления. Расчет ведется исходя из максимально возможных расходов газа в часы максимального газопотребления. При этом учитываются часовые расходы газа на нужды производственных (промышленных и сельскохозяйственных), коммунально-бытовых потребителей, а также на индивидуально-бытовые нужды населения (отопление, горячее водоснабжение). Как правило, при гидравлическом расчете газопроводов среднего и высокого давления расчетные расходы газа потребителями принимаются в качестве сосредоточенных нагрузок, для сетей низкого давления учитывается также и равномерно распределенная нагрузка. Отличительной особенностью систем газоснабжения среднего давления с установкой газорегуляторных пунктов у каждого потребителя или небольшой группы потребителей населенного пункта является применимость к ним принципа расчета сетей с равномерно распределенными нагрузками.

Гидравлический расчет газопровода.

При движении газа по трубопроводам происходит постепенное снижение первоначального давления за счет преодоления сил трения и местных сопротивлений:

В зависимости от скорости потока, диаметра трубы и вязкости газа течение его может быть ламинарным, т. е. упорядоченным в виде движущихся один относительно другого слоев, и турбулентным, когда в потоке газа возникают завихрения и слои перемешиваются между собой. Режим движения газа характеризуется величиной критерия Рейнольдса:

где ω - скорость потока, м/с; D - диаметр трубопровода, м; ν - кинематическая вяз-кость, .

Интервал перехода ламинарного движения в турбулентное называется крити-ческим и характеризуется Re = 2000–4000. При Re = 2000 течение ламинарное, а при Re = 4000 - турбулентное.

Практически в распределительных газопроводах преобладает турбулентное движение газа. Лишь в газопроводах малого диаметра, например во внутридомовых, при небольших расходах газ течет ламинарно. Течение газа по подземным газопрово-дам считают изотермическим процессом, так как температура грунта вокруг газопро-вода за короткое время протекания газа изменяется мало.

Различают гидравлический расчет сетей низкого давления и среднего (высокого) давления. Разработка системы газоснабжения жилого здания предполагает сеть низкого давления.

При расчете системы газоснабжения низкого давления используют формулу для расчета потерь давления на участке.

(3)

Где – разница давлений в начале и конце газопровода, – коэффициент гидравлического трения, Q – расход газа, d – внутренний диаметр трубы, – плотность газа, l – длина газопровода.

Также определяются удельные потери давления на участках (Па/м – для сетей низкого давления) по формуле:

– допустимые потери давления (Па – для сетей низкого давления); L – расстояние до самой удаленной точки, м.

Внутренний диаметр газопровода принимается из стандартного ряда внутренних диаметров трубопроводов: ближайший больший – для стальных газопроводов и ближайший меньший – для полиэтиленовых.

Коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от режима движения газа по газопроводу, характеризуемого числом Рейнольдса,

Где, ν- коэффициент кинематической вязкости газа, Q-расход газа, d-внутренний диаметр трубы газопровода.

А также в зависимости от гидравлической гладкости внутренней стенки газо-провода, определяемой по условию

Где, n - эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимаемая равной для новых стальных 0,01 см, для бывших в эксплуатации стальных – 0,1 см, для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации – 0,0007 см, для медных труб – 0,001 см.

В зависимости от значения Re коэффициент гидравлического трения λ:

для ламинарного режима движения газа при Re ≤ 2000

для критического режима движения газа при Re = 2000–4000

(8)

При Re = 4000 в зависимости от выполнения условия (6):

для гидравлически гладкой стенки (неравенство (6) справедливо):

при 4000≤ Re ≤ 100 000

при Re ˃ 100 000

для шероховатых стенок (неравенство (6) несправедливо) при Re ˃ 4000

Таким образом, при проведении гидравлических расчетов газораспределительной сети учитывается материал газопровода, а также процесс старения трубы, который выражается в увеличении шероховатости и зарастании стальных труб и неизменности шероховатости в процессе эксплуатации и ползучести полиэтиленовых труб. Ползучесть полиэтиленовой трубы выражается в увеличении внутреннего диаметра на 5 в процессе эксплуатации под воздействием внутреннего давления в результате уменьшения толщины стенки трубы.

Особая специфика полиэтиленовых труб заключается еще и в том, что они могут изготавливаться из полиэтилена различной плотности: средней – ПЭ 80, высокой – ПЭ 63 (в настоящее время в системах газораспределения не применяется), а также на основе бимодального сополимера – ПЭ 100. Известно, что внутренний слой стенки полиэтиленовой трубы насыщается газом и степень насыщения зависит от давления газа и плотности стенки. Насыщение газом приводит к изменению шероховатости стенки, вследствие чего изменяется гидравлическое сопротивление трубы. Ползучесть также влияет на изменение шероховатости стенки трубы в процессе эксплуатации. В совокупности все эти факторы определяют пропускную способность полиэтиленовых труб.

При расчете газопроводов низкого давления, прокладываемых в условиях резко выраженного переменного рельефа местности, надо учитывать гидростатический напор, Па,

где h – разность геометрических отметок газопровода, м; знак «+» – при течении газа по направлению снизу вверх, а знак «-» – при движении газа сверху вниз.

Потери давления в местных сопротивлениях вызываются изменениями величин и направлений скоростей движения газа в местах переходов газопровода с одного диаметра на другой, в запорной арматуре, отводах, тройниках и т. д. По формуле Вейсбаха потери давления в местных сопротивлениях, Па,

Для ряда последовательно расположенных местных сопротивлений на газопро-воде одного диаметра сумма их

Средние значения коэффициентов некоторых видов местных сопротивлений приведены в таблице 1.

Часто потери давления в местных сопротивлениях выражают через некоторую эквивалентную длину прямого участка трубы l экв, на которой линейные потери давле-ния на трение равнозначны потерям на данном местном сопротивлении,

где D - внутренний диаметр газопровода, м; l экв - эквивалентная длина, м, прямолинейного участка трубы данного диаметра, на котором потери давления на трение равны потерям в местном сопротивлении при .

Похожая информация.

I. Разновидности расчетов сетей:

1) Оптимизационные и технико-экономические расчеты решают задачи выбора основных параметров, включаемых в задание на проектирование, в частности: выбор оптимального направления и условий прокладки трубопровода, определение наиболее эффективной технологической схемы транспортировки и параметров трубопровода, определение целесообразного уровня резервирования в элементах систем и другие

2) Технологические расчеты включают выбор технологии и технологической схемы транспортировки, обоснование технологической структуры трубопровода, определение состава и типа используемого оборудования, режимов его работы и другие

3) Гидравлические расчеты предусматривают определение давления и скорости перемещаемой по трубопроводу среды в различных сечениях трубопровода, а также потери напора движущегося потока

4) Тепловые расчеты включают определение температуры транспортируемого продукта, оценку температуры стенок трубопроводов и оборудования, а также потерь тепла трубопроводами и их термических сопротивлений

5) Механические расчеты предполагают оценку прочности, устойчивости, и деформации трубопровода, конструкций, установок и оборудования под действием температуры, давления и других нагрузок и выбор значений параметров, обеспечивающих надежную работу в заданных условиях

6) Расчет внешних воздействий на процесс транспортировки включают определение температуры внешней среды, ветровых, снеговых и других механических нагрузок, оценку сейсмичности и другие

7) Расчет свойств транспортируемой среды предусматривает определение физических, химических, термодинамических и прочих характеристик, необходимых для проектирования трубопроводов и прогнозирования режимов его эксплуатации

II. Цель гидравлического расчета

Прямой задачей при проектировании газопроводов является определение внутреннего диаметра труб при пропуске необходимого количества газа при допустимых для конкретных условий потерях давления.

Обратная задача – определение потерь давления при заданном расходе, диаметре газопровода и давлении.

III. Уравнения, являющиеся основанием для вывода формул гидравлического расчета

Для большинства задач расчета газопроводов движение газа можно считать изотермическим, температура трубы принимается равной температуре грунта. Следовательно определяющими параметрами будут: давление газа р, его плотность ρ и скорость движения ω. Для их определения нам нужна система из 3 уравнений:

1) Уравнение Дарси в дифференциальной форме, определяющее потери давления на преодоление сопротивлений:

Где – коэффициент трения, d – внутренний диаметр

2) Уравнение состояния для учета изменения плотности от изменения давления:

3) Уравнение неразрывности:

Где М – массовый расход, Q 0 – объемный расход, приведенный к нормальным условиям

Решая систему, получим основное уравнение для расчета газопроводов высокого и среднего давления:

Для расчета городских газопроводов Т≈Т 0 , следовательно:

Для расчета низкого давления подставим , а так как ≈Р 0 , то формула примет вид:

IV. Основные составляющие сопротивления движения газа

· Линейные сопротивления трения по всей длине газопровода

· Местные сопротивления в местах изменения скоростей и направления движения

По соотношению местных потерь и потерь давления по длине сети бывают:

Короткие – местные потери соизмеримые с потерями по длине

Длинные – местные потери пренебрежимо малы по отношению к потере по длине (5-10%)

V. Основные формулы для гидравлического расчета согласно
СП 42-101-2003

1. Падение давления на участке газовой сети можно определить по формулам:

а) Для среднего и высокого давления:

Р н - абсолютное давление в начале газопровода, МПа;

Р к - абсолютное давление в конце газопровода, МПа;

Р 0 = 0,101325 МПа;

Коэффициент гидравлического трения;

l - расчетная длина газопровода постоянного диаметра, м;

d - внутренний диаметр газопровода, см;

Плотность газа при нормальных условиях, кг/м 3 ;

Q 0 - расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях;

б) Для низкого давления:

Р н - избыточное давление в начале газопровода, Па;

Р к - избыточное давление в конце газопровода, Па

в) В трубопроводах жидкой фазы СУГ:

V – средняя скорость движения сжиженных газов, м/с: во всасывающих трубопроводах – не более 1,2 м/с; в напорных трубопроводах – не более 3 м/с

2. Режим движения газа по газопроводу, характеризуемый числом Рейнольдса:

где ν - коэффициент кинематической вязкости газа при нормальных условиях, 1,4 10 -6 м 2 /с

Условие гидравлической гладкости внутренней стенки газопровода:

n - эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимаемая равной для новых стальных - 0,01 см, для бывших в эксплуатации стальных - 0,1 см, для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации - 0,0007 см/

3. Коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от значения Re:

а) для ламинарного режима движения газа Re ≤ 2000:

б) для критического режима движения газа 2000≤ Re ≤ 4000:

в) при Re > 4000 - в зависимости от выполнения условия гидравлической гладкости внутренней стенки газопровода:

Для гидравлически гладкой стенки:

· при 4000 < Re < 100000:

· при Re > 100000:

Для шероховатых стенок:

4. Предварительный подбор диаметров участков сети

, где

· d p - расчетный диаметр [см]

· А, В, m, m1 - коэффициенты, определяемые по таблицам 6 и 7 СП 42-101-2003 в зависимости от категории сети (по давлению) и материала газопровода

· - расчетный расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях;

· ΔP уд - удельные потери давления (Па/м - для сетей низкого давления, МПа/м - для сетей среднего и высокого давления)

Внутренний диаметр газопровода принимается из стандартного ряда внутренних диаметров трубопроводов: ближайший больший - для стальных газопроводов и ближайший меньший - для полиэтиленовых.

5. При расчете газопроводов низкого давления учитывается гидростатический напор Нg, даПа, определяемый по формуле:

где g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с 2 ;

h - разность абсолютных отметок начальных и конечных участков газопровода, м;

ρ а - плотность воздуха, кг/м 3 , при температуре 0°С и давлении
0,10132 МПа;

ρ 0 - плотность газа при нормальных условиях, кг/м 3

6. Местные сопротивления:

Для наружных надземных и внутренних газопроводов расчетную длину газопроводов определяют по формуле:

где l 1 – действительная длина газопровода, м;

Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений участка газопровода

Падение давления в местных сопротивлениях (колена, тройники, запорная арматура и др.) допускается учитывать путем увеличения фактической длины газопровода на 5 - 10 %

При расчете внутренних газопроводов низкого давления для жилых домов допускается определять потери давления газа на местные сопротивления в размере:

На газопроводах от вводов в здание:

· до стояка – 25% линейных потерь

· на стояках – 20% линейных потерь

На внутриквартирной разводке:

· при длине разводки 1 - 2 м – 450% линейных потерь

· при длине разводки 3 - 4 м – 300% линейных потерь

· при длине разводки 5 - 7 м – 120% линейных потерь

· при длине разводки 8 - 12 м – 50% линейных потерь

Более подробные данные о величине ξ приведены в справочнике С.А.Рысина:

7. Расчет кольцевых сетей газопроводов следует выполнять с увязкой давлений газа в узловых точках расчетных колец. Неувязка потерь давления в кольце допускается до 10 %. При выполнении гидравлического расчета надземных и внутренних газопроводов с учетом степени шума, создаваемого движением газа, следует принимать скорости движения газа не более 7 м/с для газопроводов низкого давления, 15 м/с для газопроводов среднего давления, 25 м/с для газопроводов высокого давления.

VI. По конфигурации сети бывают:

1) Простые: трубопроводы с постоянным диаметром и не имеющие ответвлений

2) Сложные: имеющие хотя бы одно ответвление

а) Тупиковые (обычно сети низкого давления, позволяют сэкономить на трубопроводах, т. к. имеют минимальную длину)

б) Кольцевые (обычно сети высокого и среднего давления, имеют возможность резервирования, т.е. продолжения снабжения газом объектов в случае аварии на одном из участков путем перераспределения потоков)

в) Смешанные (сочетают возможности тупиковых и кольцевых сетей, обычно получаются из тупиковых сетей путем их закольцовки – добавления перемычки между стратегически важными точками)

Вопросы для самопроверки

11. Разновидности расчетов сетей

12. Цели гидравлического расчета

13. Понятие о сопротивлении движению газа

14. Определение основных констант и переменных, входящих в формулы гидравлического расчета

15. Учет местных сопротивлений при гидравлическом расчете газопроводов

16. Допустимые невязки и скорости газа в сетях

17. Классификация сетей по конфигурации.

Б2Л10 СГРГП

Лекция 10

При проектировании трубопроводов выбор размеров труб осуществляется на основании гидравлического расчета, определяющего внутренний диаметр труб для пропуска необходимого количества газа при допустимых потерях давления или, наоборот, потери давления при транспорте необходимого количества газа по срубам заданного диаметра.

Сопротивление движению газа в трубопроводах слагается из линейных сопротивлений трения и местных сопротивлений: сопротивления трения «работают» на всей протяженности трубопроводов, а местные создаются только в пунктах изменения скоростей и направления движения газа (углы, тройники и т.д.). Подробный гидравлический расчет газопроводов осуществляется по формулам, приведенным в СП 42-101–2003, в которых учтены как режим движения газа, так и коэффициенты гидравлического сопротивления газопроводов. Здесь приводится сокращенный вариант.

Для расчетов внутреннего диаметра газопровода следует воспользоваться формулой:

Dp = (626Аρ 0 Q 0 /ΔP уд) 1/m1 (5.1)

Где dp - расчетный диаметр, см; А, m, m1 - коэффициенты, зависящие от категории сети (по давлению) и материала газопровода; Q 0 - расчетный расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях; ΔР уд - удельные потери давления (Па/м для сетей низкого давления)

ΔP уд = ΔP доп /1,1L (5.2)

Здесь ΔР доп - допустимые потери давления (Па); L - расстояние до самой удаленной точки, м. Коэффициенты А, m, m1 определяются по приведенной ниже таблице.

Расчетные суммарные потери давления газа в газопроводах низкого давления (от источника газоснабжения до наиболее удаленного прибора) принимаются не более 1,80 кПа (в том числе в распределительных газопроводах - 1,20 кПа), в газопроводах-вводах и внутренних газопроводах - 0,60 кПа.

Для расчета падения давления необходимо определить такие параметры, как число Рейнольдса, зависящее от характера движения газа, и коэффициент гидравлического трения λ. Число Рейнольдса - безразмерное соотношение, отражающее, в каком режиме движется жидкость или газ: ламинарном или турбулентном.

Переход от ламинарного к турбулентному режиму происходит по достижении так называемого критического числа Рейнольдса R eкp . При Re < Re кp течение происходит в ламинарном режиме, при Re > Re кp - возможно возникновение турбулентности. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения.

Число Рейнольдса как критерий перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения и обратно относительно хорошо действует для напорных потоков. При переходе к безнапорным потокам переходная зона между ламинарным и турбулентным режимами возрастает, и использование числа Рейнольдса как критерия не всегда правомерно.

Число Рейнольдса есть отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости. Также число Рейнольдса можно рассматривать как отношение кинетической энергии жидкости к потерям энергии на характерной длине.
Число Рейнольдса применительно к углеводородным газам определяется по следующему соотношению:

Re = Q/9πdπν (5.3)

Где Q - расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях; d - внутренний диаметр газопровода, см; π - число пи; ν - коэффициент кинематической вязкости газа при нормальных условиях, м 2 /с (см. таб. 2.3).
Диаметр газопровода d должен отвечать условию:

(n/d) < 23 (5.4)

Где n - эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимаемая равной:

Для новых стальных - 0,01 см;
- для бывших в эксплуатации стальных - 0,1 см;
- для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации - 0,0007 см.

Коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от режима движения газа по газопроводу, характеризуемого числом Рейнольдса. Для ламинарного режима движения газа (Re ≤ 2000):

λ = 64/Re (5.5)

Для критического режима движения газа (Re = 2000–4000):

λ = 0,0025 Re 0,333 (5.6)

Eсли значение числа Рейнольдса превышает 4000 (Re > 4000), возможны следующие ситуации. Для гидравлически гладкой стенки при соотношении 4000 < Re < 100000:

λ = 0,3164/25 Re 0,25 (5.7)

При значении Re > 100000:

λ = 1/(1,82lgRe – 1,64) 2 (5.8)

Для шероховатых стенок при Re > 4000:

λ = 0,11[(n/d) + (68/Re)] 0,25 (5.9)

После определения вышеперечисленных параметров падение давления для сетей низкого давления вычисляется по формуле

P н – P к = 626,1λQ 2 ρ 0 l/d 5 (5.10)

Где P н - абсолютное давление в начале газопровода, Па; Р к - абсолютное давление в конце газопровода, Па; λ - коэффициент гидравлического трения; l - расчетная длина газопровода постоянного диаметра, м; d - внутренний диаметр газопровода, см; ρ 0 - плотность газа при нормальных условиях, кг/м 3 ; Q - расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях;

Расход газа на участках распределительных наружных газопроводов низкого давления, имеющих путевые расходы газа, следует определять как сумму транзитного и 0,5 путевого расходов газа на данном участке. Падение давления в местных сопротивлениях (колена, тройники, запорная арматура и др.) учитываются путем увеличения фактической длины газопровода на 5–10%.

Для наружных надземных и внутренних газопроводов расчетная длина газопроводов определяется по формуле:

L = l 1 + (d/100λ)Σξ (5.11)

Где l 1 - действительная длина газопровода, м; Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений участка газопровода; d - внутренний диаметр газопровода, см; λ - коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от режима течения и гидравлической гладкости стенок газопровода.

Местные гидравлические сопротивления в газопроводах и вызываемые ими потери давления возникают при изменении направления движения газа, а также в местах разделения и слияния потоков. Источники местных сопротивлений - переходы с одного размера газопровода на другой, колена, отводы, тройники, крестовины, компенсаторы, запорная, регулирующая и предохранительная арматура, конденсатосборники, гидравлические затворы и другие устройства, приводящие к сжатию, расширению и изгибу потоков газа. Падение давления в местных сопротивлениях, перечисленных выше, допускается учитывать путем увеличения расчетной длины газопровода на 5–10%. Расчетная длина наружных надземных и внутренних газопроводов

L = l 1 + Σξl э (5.12)

Где l 1 - действительная длина газопровода, м; Σξ - сумма коэффициентов местных сопротивлений участка газопровода длиной l 1 , l э - условная эквивалентная длина прямолинейного участка газопровода, м, потери давления на котором равны потерям давления в местном сопротивлении со значением коэффициента ξ = 1.

Эквивалентная длина газопровода в зависимости от режима движения газа в газопроводе:
- для ламинарного режима движения

L э = 5,5 10 -6 Q/v (5.13)

Для критического режима движения газа

L э = 12,15d 1,333 v 0,333 /Q 0,333 (5.14)

Для всей области турбулентного режима движения газа

L э = d/ (5.15)

При расчете внутренних газопроводов низкого давления для жилых домов допустимые потери давления газа на местные сопротивления, % от линейных потерь:
- на газопроводах от вводов в здание до стояка - 25;
- на стояках - 20;
- на внутриквартирной разводке - 450 (при длине разводки 1–2 м), 300 (3–4 м), 120 (5–7 м) и 50 (8–12 м),

Приближенные значения коэффициента ξ для наиболее распространенных видов местных сопротивлений приведены в табл. 5.2.
Падение давления в трубопроводах жидкой фазы СУГ определяется по формуле:

H = 50λV 2 ρ/d (5.12)

Где λ - коэффициент гидравлического трения (определяется по формуле 5.7); V - средняя скорость движения сжиженных газов, м/с.

С учетом противокавитационного запаса средние скорости движения жидкой фазы принимаются:
- во всасывающих трубопроводах - не более 1,2 м/с;
- в напорных трубопроводах - не более 3 м/с.

При расчете газопроводов низкого давления учитывается гидростатический напор Нg, даПа, определяемый по формуле

H g = ±lgh(ρ a – ρ 0) (5.13)

Где g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с 2 ; h - разность абсолютных отметок начальных и конечных участков газопровода, м; ρ а - плотность воздуха, кг/м 3 , при температуре 0°С и давлении 0,10132 МПа; ρ 0 - плотность газа при нормальных условиях кг/м 3 .

При выполнении гидравлического расчета надземных и внутренних газопроводов с учетом степени шума, создаваемого движением газа, следует принимать скорости движения газа не более 7 м/с для газопроводов низкого давления, 15 м/с для газопроводов среднего давления, 25 м/с для газопроводов высокого давления.

Таблица 5.2. Коэффициенты местных сопротивлений ξ при турбулентном движении газа (Re > 3500)

Вид местного сопротивления	Значение	Вид местного сопротивления	Значение
Отводы:		Сборники конденсата	0,5–2,0
гнутые плавные	0,20–0,15	Гидравлические затворы	1,5–3,0
сварные сегментные	0,25–0,20	Внезапное расширение трубопроводов	0,60–0,25
Кран пробочный	3,0–2,0	Внезапное сужение трубопроводов	0,4
Задвижки:		Плавное расширение трубопроводов (диффузоры)	0,25–0,80
параллельная	0,25–0,50	Плавное сужение трубопроводов (конфузоры)	0,25–0,30
с симметричным сужением стенки	1,30–1,50	Тройники
Компенсаторы:		потоков слияния	1,7
волнистые	1,7–2,3	разделения потоков	1,0
лирообразные	1,7–2,4
П-образные	2,1–2,7

От поставщика к потребителю используются трубопроводы и другие специальные сооружения и комплексы, которые бывают разных размеров и конструкций. Чтобы газовая магистраль на всех участках была надёжной и более эффективной в эксплуатации, обязательно проводится гидравлический расчёт газопровода с подбором оптимального для данных эксплуатационных условий режима его работы.

Почему необходимо проводить расчёт газопровода

На протяжении всех участков газопроводной магистрали проводятся расчёты для выявления мест, где в трубах вероятны появления возможных сопротивлений, изменяющих скорость подачи топлива.

Если все вычисления сделать правильно, то можно подобрать наиболее подходящее оборудование и создать экономичный и эффективный проект всей конструкции газовой системы.

Это избавит от лишних, завышенных показателей при эксплуатации и расходов в строительстве, которые могли бы быть при планировании и установке системы без гидравлического расчёта газопровода.

Появляется лучшая возможность подбора нужного размера в сечении и материалов труб для более эффективной, быстрой и стабильной подачи голубого топлива в запланированные точки системы газопровода.

Обеспечивается оптимальный рабочий режим всей газовой магистрали.

Застройщики получают финансовую выгоду при экономии на закупках технического оборудования, строительных материалов.

Производится правильный расчёт газопроводной магистрали с учётом максимальных уровней расхода горючего в периоды массового потребления. Учитываются все промышленные, коммунальные, индивидуально-бытовые нужды.

Классификация газопроводов

Современные газопроводы – это целая система комплексов сооружений, предназначенных для транспортировки горючего топлива от мест его добычи до потребителей. Поэтому по предназначению они бывают:

– для транспортировки на большие расстояния от мест добычи до пунктов назначения.
Местными – для сбора, распределения и подачи газа к объектам населённых пунктов и предприятий.

По магистральным трассам сооружаются компрессорные станции, которые нужны для поддержания в трубах рабочего давления и поставки газа до назначенных пунктов к потребителям в необходимых объёмах, рассчитанных заранее. В них газ очищается, осушается, сжимается и охлаждается, а затем возвращается в газопровод под определённым давлением, необходимым для данного участка прохождения топлива.

Все газопроводы – это сложные сооружения, оснащённые автоматизированными системами регулировки всеми технологическими процессами. Их эксплуатация основывается на технических исследованиях, в том числе на результатах гидравлического расчёта трубопроводов.

Местные газопроводы, расположенные в населённых пунктах, классифицируются:

По виду газа – транспортироваться может природный, сжиженный углеводородный, смешанный и др.
По давлению – на разных участках газ бывает с низким, средним и высоким давлением.
По расположению – наружные (уличные) и , надземные и подземные.

Принцип работы газовой магистрали

В составе городских систем находятся:

источник газоснабжения;
газораспределительные станции;
газопроводы разных уровней давления;
газгольдерные станции;
ГРУ и ГРП;
средства телемеханизации.

В процессе гидравлического расчёта все эти объекты учитываются, так как каждый из них оказывает своё воздействие на скорость и объём транспортируемого топлива. Вычисления проводятся по отдельным участкам, а затем суммируются.

Сеть газопроводов, расположенных в пределах города, оснащена специальными системами для распределения газа (станциями), которые располагаются в конце всех этих трубопроводов.
При поступлении газа на такую станцию, его давление регулируется и перераспределяется, а напор подачи снижается до допустимых значений.
Затем газ перемещается в регуляторный пункт, оттуда отправляется далее в сеть, где давление снова увеличивается.
Трубопроводы с самым высоким уровнем давления подключаются к системам, расположенным в подземных хранилищах.
Для управления уровнем расхода газа в каждый суточный период, строятся специальные газгольдерные станции.
Газ с высоким и средним показателем уровня давления транспортируется в трубах, которые служат своего рода подпиткой для магистралей с низким напором газа. Для управления процессами перепадов давления устанавливаются специальные точки регулировки.
Чтобы точно учитывать уровни потери давления при транспортировке газа и поступление всего планируемого объёма в назначенный пункт, методом гидравлического расчёта определяют оптимальный диаметр труб, для установки подходящего размера.

Гидравлический расчёт газопровода с низким давлением

Вначале ориентировочно учитывается, сколько населения проживает в данном районе, количество промышленных, общественных объектов, а затем определяется приблизительный объём газа, который потребуется расходовать на бытовые и производственные нужды.

Затем вычисляется средний расход топлива в течение определённого времени (обычно 1 часа).

Требуется учесть точки газораспределения – подсчитывается их количество, а также местонахождение, чтобы знать, какой длины надо будет строить магистраль, какой диаметр труб и строительные материалы выбрать.

Из-за разницы в показателях производится расчёт не только общих перепадов давления всей магистрали, но и в распределительных точках, газопроводах внутри зданий и всех абонентских ветвях.

Если размеры труб разные, то измеряется площадь каждого одинакового участка, рассчитывается расход газа на все из этих показателей в отдельности, а затем суммируется.

Вычислительные работы выполняются с учётом нескольких факторов: расчётных данных отрезка газопровода, фактических показателей со всего участка и эквивалентных показаний.

В итоге подсчитывается узловая и удельная путевая затрата. Узловая сосредоточена в определённой точке магистрали, а удельная путевая распределена между узловыми точками.

Гидравлический расчёт газопровода со средним давлением

Учитываются показания напора топлива в начале его подачи. Этот участок находится в пределах от главной газораспределительной точки до места, где происходит переход высокого давления к среднему. Уровень давления на этом участке должен быть таким, чтобы даже в периоды самых больших нагрузок на магистраль показатели были всегда выше минимальных допустимых отметок.

Применяются вычисления по принципу перемены давления с учётом определённой длины трубопровода.
Вначале рассчитываются потери давления, возникающие на основном участке магистрали, а затем – расход топлива.
По этим средним показателям подбирается необходимая толщина и диаметры труб.
Выбираются все их возможные размеры, а потом по номограмме определяется уровень потерь для каждого варианта.
При правильных показаниях гидравлического расчёта потери давления на таких участках всегда соответствуют постоянному уровню.

Вычисления проводятся с учётом самого высокого натиска газа, а также всех особенностей спецификации данного газопровода. Поэтому подбираются строительные материалы и виды труб с такими техническими характеристиками, которые обеспечат нормальное функционирование системы газопровода по всей магистрали. Обязательно учитываются и все окружающие условия, где будет проложен газопровод. Досконально изучается местность и составляется точный её план. Далее:

Гидравлический расчёт газопроводов и среднего давления

Составляется схема проекта с чётко обозначенными ответвлениями к местам потребления.
Выбирается минимальная длина пути и обязательно расположение по кольцу.
Расчёты производятся на основании измерений всех участков с учётом масштаба.
Результаты показаний увеличиваются – в итоге расчётная длина каждого участка будет больше на 10%.
Показания гидравлического расчёта, выполненного с каждого отдельного участка, суммируются для определения общего расхода топлива.
Затем определяется внутренний оптимальный размер трубы.

Что ещё учитывается при расчёте газопроводной магистрали

В результате трения о стенки скорость газа по сечению трубы различается – по центру она быстрее. Однако применяется для расчётов средний показатель – одна условная скорость.

Различают два вида перемещения по трубам: ламинарное (струйное, характерное для труб с малым диаметром) и турбулентное (имеет неупорядоченный характер движения с непроизвольным образованием вихрей в любом месте широкой трубы).

Газ перемещается не только из-за оказываемого на него внешнего давления. Его слои оказывают давление между собой. Поэтому учитывается и фактор гидростатического напора.

На скорость перемещения влияют и материалы труб. Так в стальных трубах в процессе эксплуатации увеличивается шероховатость внутренних стенок и оси сужаются по причине зарастания. Полиэтиленовые трубы, наоборот, увеличиваются во внутреннем диаметре с уменьшением толщины стенок. Всё это учитывается при расчётном давлении.

Для расчёта движения газа по трубам берутся значения диаметра трубы, расходы топлива и потеря напора. Вычисляется в зависимости от характера движения. При ламинарном – расчёты производятся строго математически по формуле:

Р1 – Р2 = ∆Р = (32*μ*ω*L)/D2 кг/м2 (20), где:

∆Р – кгм2, потери напора в результате трения;
ω – м/сек, скорость движения топлива;
D – м, диаметр трубопровода;
L – м, длина трубопровода;
μ - кг сек/м2, вязкость жидкости.

При турбулентном движении невозможно применить точные математические расчёты по причине хаотичности движения. Поэтому применяются экспериментально определяемые коэффициенты.

Рассчитываются по формуле:

Р1 – Р2 = (λ*ω2*L*ρ)/2g*D (21), где:

Р1и Р2 – давления в начале и конце трубопровода, кг/м2;
λ – безразмерный коэффициент сопротивления;
ω – м/сек, средняя по сечению трубы скорость движения газа;
ρ – кг/м3, плотность топлива;
D – м, диаметр трубы;
g – м/сек2, ускорение силы тяжести.

Видео: Основы гидравлического расчета газопроводов

Гидравлические режимы работы распределённых газопроводов должны приниматься из условий создания (при ΔР макс.доп. ) системы, обеспечивающей устойчивость работы всех ГРП, горелок в допустимых пределах давления газа.

Расчёт газопроводов сводится к определению необходимых диаметров и к проверке заданных перепадов давления. В практических расчётах газовых сетей широко используются номограммы, построенные в координатах и расчётного расхода Q р.ч. , для стандартных диаметров.

Номограмма построена на основе формулы для всей области турбулентного режима.

где k э и d в см.

Порядок расчёта может быть следующим:

1. Начальное давление определяется режимом работы ГРС или ГРП, а конечное давление – паспортными характеристиками газовых приборов потребителей.

2. Выбирают наиболее удалённые точки разветвлённых газопроводов и определяют общую длину l об. их по выбранным основным направлениям. Каждое направление рассчитывается отдельно.

3. В системах газоснабжения правило постоянного перепада давления на единице длины газопровода . Местные сопротивления в газопроводе учитывают увеличением общей расчётной длины на 5-10%, (км).

4. Определяют расчётные расходы газа для каждого участка газопровода Q p . i . .

5. По величинам A ср и Q p . i . по номограмме выбирают диаметры участков, округляя их по ГОСТу в большую сторону, т.е. в сторону меньших перепадов давлений на участке.

6. Для выбранных стандартных диаметров по госту находят действительные значения А д, затем уточняют Р к по формуле

7. Определяют давления, начиная с начала газопровода, т.к. начальное давление ГРС или ГРП известно. Если давление Р к.д. значительно больше заданного (более 10%), то уменьшают диаметры конечных участков

основного направления.

8. после определения давления по данному основному направлению проводят гидравлический расчёт газопроводов-отводов по той же методике, начиная со второго пункта. При этом за начальное давление принимают давление в точке отбора.

Задача 9.2.2. Провести гидравлический расчет разветвленной сети высокого давления, типа «дерево» по двум вариантам: а, б (рис. 9.4).

а) Q 6 = 700 м 3 /ч; Р 6 = 0,3 МПа;

Q 7 = 900 м 3 /ч; Р 7 = 0,33 МПа;

Q 4 = 1200 м 3 /ч; Р 4 = 0,4 МПа;

Q 2 = 1700 м 3 /ч; Р 2 = 0,5 МПа;

Р ГРС = 1 МПа;

l ГРС-1 = 4 км; l 1-2 = 7 км;

l 1-3 = 6 км; l 3-4 = 8 км;

l 3-5 = 10 км; l 5-6 = 3 км; l 5-7 = 7 км;

б) Q 8 = 1500 м 3 /ч; Р 8 = 0,3 МПа; Q 10 = 2000 м 3 /ч; Р 10 = 0,4 МПа; Q 13

2100 м 3 /ч; Р 13 = 0,45 МПа; Q 14 = 2300 м 3 /ч; Р 14 = 0,6 МПа; Р ГРС = 0,8 МПа; l ГРС-11 = =5км; l 11-12 =7 км; l 12-14 =l 12-13 =8 км; l 11-9 =20 км; l 9-8 =4 км; l 9-10 =6 км;

Рис. 9.5. Номограмма газопроводов высокого и среднего давления.

9.2.3. Расчёт газопроводов высокого и среднего давления

Пример 9.2.1. Определить расход газа в газопроводе длиной 5 км, диаметром 500 мм. Избыточное давление в начале и в конце газопровода соответственно равно р 1 =3∙10 5 Н/м 3 и р 2 =1∙10 5 Н/м 3 . Газовая постоянная 500 (Н∙м)/(кг∙К). Температура газа 5 о С. Коэффициент гидравлического сопротивления λ =0,02. Плотность газа 0,7 кг/м 3 .

Решение

Абсолютная температура газа

Т= 273+5=278 К.

Коэффициент отклонения значения реальных газов от значения идеальных принимаем равным единице (z =1).

Массовый расход будет равен

Объёмный расход газа

Часовой расход газа

Пример 9.2.2. Определить перепад давления в горизонтальном газопроводе длиной 10 км, диаметром 300 мм, при расходе газа 500000 м 3 /сут. Плотность газа 0,7 кг/м 3 , газовая постоянная R =500 (Н∙м)/(кг∙К). Коэффициент гидравлического сопротивления λ =0,015. Коэффициент Z =1. Температура газа в газопроводе равна 7 о С. Абсолютное давление в конце газопровода равно р 2 =6∙10 5 Па.

Решение

Выразим секундный массовый расход газа через объёмный

Определяем разность квадрата давлений

Перепад давления

Пример 9.2.3. z= 500 м, Т= 280 К, р 2 =5∙10 5 Па (давление абсолютное), R =500 (Н∙м)/(кг∙К). Газопровод остановлен (М 0 =0).

Решение

Определяем значение коэффициента b

Пример 9.2.4. Определить давление столба газа в наклонном газопроводе, если Δz= 280 м, абсолютное давление в начальной точке газопровода р 2 =3∙10 5 Па, R =490 (Н∙м)/(кг∙К), Т =280 К. Газопровод остановлен (М =0).

Решение

Определяем коэффициент b

Определяем давление столба газа

или р 1 -р 2 составляет 2% от давления в начале газопровода р 1 .

Пример 9.2.5. Определить массовый и объемный расход газа метана в газопроводе длинной 10 км, внутренним диаметром 0,3 м. Положительная разность отметок газопровода составляет 500 м. Избыточное давление в начале газопровода равно р 1 = 15 кгс/см 2 , в конце газопровода р 2 =14 кгс/см 2 . Температура газа 5 о С, плотность ρ =0,7кг/м 3 , газовая постоянная R =500(Н∙м)/(кг∙К).

Решение

Определяем коэффициент b

Приведённые давление и температура

Коэффициент сжимаемости по графикам устанавливаем равным 0,95.