Гидравлический расчет газовых сетей

 

В зависимости от того: рассматривается существующая или проектируется новая газовая сеть, различают обратную и прямую задачи гидравлического расчета.

При решении прямой задачи, как правило, известны длины участков газопроводов и их нагрузки (расходы газа). Кроме того, известен общий перепад давления и задан закон его распределения по длине сети. Решение задачи сводиться к определению требуемого диаметра газопровода.

Суть обратной задачи гидравлического расчёта сводиться к определению потерь давления при его движении по существующему газопроводу с известными диаметром, длиной и расходом газа.

В связи с тем, что решение прямой задачи имеет смысл только на уровне дискретных значений стандартных диаметров труб, то при проектировании новых газовых сетей возникает необходимость многократного решения прямой и обратной задач при соответствующем варьировании переменных диаметров в целях выполнения условия - потери давления не должны превышать располагаемый перепад давления, который задан, то есть

Гидравлический расчет реконструируемых газовых сетей сводиться к оценке ее пропускной способности, а в случае неудовлетворения возросших нагрузок - поиску лучших вариантов замены трубопроводов при заданных перепадах давления в сетях.

Потери давления при движении газа складываются из потерь давления на трение (потери давления по длине) и в местных сопротивлениях.

Потери давления на трение определяются по формуле

 

. Па,

где l - коэффициент трения;

l - длина трубопровода, м;

d - внутренний диаметр трубопровода, м;

W - скорость движения газа, м/c;

r - плотность газа, кг/м³.

Потери давления на местные сопротивления определяются по формуле

 

, Па,

 

где ζ x - сумма коэффициентов местного сопротивления

В настоящее время гидравлический расчет газопроводов осущест­вляют по формулам из СНиП 2.04.08-87, в которых учтены как режим движения газа, так и коэффициенты гидравлического сопротивления газопроводов. Потери давления Dp, Па, в зависимости от режима движения газа и значений коэффициентов гидравлического сопротивления газопровод низкого давления рассчитывают по следующим формулам:

для ламинарного режима при числе Рейнольдса – Re=2000

;

для критического режима движения газа при Re=2000-4000

;

для турбулентного режима движения газа при Re> 4000

 

,

где Q - расчетный расход газа при температуре 0 ⁰С и давлении 0,1МПа, м³/ч;

d - внутренний диаметр газопровода, см;

n - коэффициент кинематической вязкости при температуре 0 ⁰С и давлении 0,1 МПа, м²/с;

r - плотность газа при температуре 0 ⁰С и давлении 0,1 МПа, кг/м³;

l - расчетная длина газопровода постоянного диаметра, м;

n - эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, см, принимается равной - для стальных труб - 0,01.

Гидравлический расчет газопроводов среднего и высокого давления во всей области турбулентного режима выполняют по формуле

,

где P₁ - абсолютное давление газа в начале газопровода, МПа;

P₂ - абсолютное давление газа в конце газопровода, МПа.

Остальные обозначения такие же, как и в предыдущих формулах.

При расчете газовых сетей среднего и высокого давлений учитывается зависимость плотности газа от давления, а при расчете газовых сетей низкого давления газ рассматривается как несжимаемая жидкость.

При расчете газопроводов потери на местные сопротивления учитывают через эквивалентные длины, то есть такие длины прямых участков, потери на трение, на которых равны потерям на местные сопротивления.

Метод учета местных потерь давления с использованием экви­валентных длин дает возможность совместного определения суммар­ных потерь давления на трение и в местных сопротивлениях. Расчет­ная длина участка газопровода, l_p, м,в этом случае равна:

,

 

где l - действительная длина участка газопровода, м;

l_d - эквивалентная длина газопровода, равная коэффициенту местных сопротивлений x=1;

ζx - сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчет­ном участке.

Эквивалентную длину газопровода следует определять в зависимости от режима движения газа в газопроводе по следующим по формулам:

- для ламинарного режима движения газа

;

- для всей области турбулентного режима движения газа

.

При расчете распределительных газопроводов потери на местные сопротивления, в соответствии со СНиП 2.04.08 - 87, принимаются равными 5 - 10 % от потерь на трение, и тогда:

Если участки газопровода имеют разные геометрические отметки по высоте, то в газопроводах низкого давления следует учитывать гидростатическое давление, которое определяется по формуле

 

, Па,

где z - разность отметок начала и конца участка, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

r_в - плотность воздуха, кг/м³;

r_г - плотность газа, кг/м³.

Расчет с использованием выше приведенных формул требует значительного времени и довольно затруднителен. Поэтому для расчёта газопроводов прибегают к заранее составленным таблицам и номограммам. При расчете газопровод делится на расчетные участки, характеризующиеся изменением расхода газа или диаметра газопровода.

Газовые сети состоят из участков, по которым движется газ, и узлов, в которых соединяются участки и к которым присоединяются ответвления к потребителям. Геометрические фигуры, состоящие из ребер и вершин, называют графами. Любая газовая сеть представляет собой конечный связный ориентированный граф, состоящий из конечного числа вершин (узлов), соединенных между собой ребрами (участками). Все потребители, которые подсоединяются к газовым сетям, подразделяют на сосредоточенные и равномерно распределенные.

Сосредоточенные - потребители, место подсоединения которых к газовой сети известно точно. Все потребители среднего и высокого давления газа являются сосредоточенными. В сетях низкого давления к сосредоточенным потребителям относят потребителей с расходом газа более 50 м³/ч. По сосредоточенным нагрузкам проектируют внутриквартальные и внутренние сети.

Рисунок 10.1 Номограмма для определения удельных потерь давления в газопроводах низкого давления (природный газ, r=0,73 кг/м³: n=14,3*10^-6 м²/с)

При проектировании сложных сетей невозможно учесть всех потребителей, поэтому принимают, что такие потребители распределены равномерно по всей территории застройки, и разбор газа из сети производиться равномерно по всей длине сети. Следовательно, равномерно распределенные потребители - это потребители, место подсоединения к газовой сети точно неизвестно. При этом разбор газа из сети будет пропорционален длине участка.

 

Рисунок 10.2 Номограмма для определения потерь давления в газопроводах D_у=100-600 мм среднего и высокого давления (природный газ, r=0,73 кг/м³: n=14,3*10^-6 м²/с)

 

Рисунок 10.3 Номограмма для определения потерь давления в газопроводах D_у=15-100 мм среднего и высокого давления (природный газ, r=0,73 кг/м³: n=14,3*10^-6 м²/с)

Если к газопроводу подсоединен сосредоточенный потребитель, то расчетный расход газа в газопроводе равен расчетному расходу газа сосредоточенным потребителем.

Q_c

Qc

Q_p=Q_c=Q_тр

 

Расход газа, который проходит по участку, не меняя своей величины, называется транзитным (узловым).

Если к газопроводу подсоединяются равномерно распределенные потребители, то расход газа на участке пропорционален его длине. Такой расход газа называют путевым.

Qпут

 

Qэк

 

Q

 

Qтр=0

Q_p=Q_тр + 0,5 Q_пут

 

Путевой расход газа определяется по следующей методике:

1) Всю газифицируемую территорию разбивают на площади с одинаковым удельным потреблением газа, которые получают газ от определенных контуров или участков сети (этажности и кварталы).

Расход газа по кварталам определяют как произведение удельного расхода газа на одного человека на количество человек, проживающих в квартале.

Удельный расход газа в квартале определяют по следующей методике:

а) удельный расход на хозяйственно-бытовые нужды определяется по формулам

- одноэтажная застройка с местным отоплением:

 

, м³/(ч чел),

 

где - расчетный расход газа на хозяйственно - бытовые нужды, м³/ч;

- расчетный расход газа на отопление одноэтажной застройки, м³/ч;

N₁ -количество жителей проживающих в одноэтажной застройке, чел.

- двух - девятиэтажная застройка

 

, м³/(ч чел).

б) удельный расход газа на предприятия сферы обслуживания

 

, м³/(ч чел),

 

где - расчетный расход газа на предприятия сферы обслуживания (мелкие коммунально-бытовые предприятия), м³/ч;

N - общее число жителей, чел.

в) общий удельный расход газа на одного человека i - ой этажности определяется по формуле

, м³/(ч чел).

Следовательно, расчетный расход газа в замкнутом контуре газопроводов (квартале) определяется по формуле

, м³/ч,

где N_kj - число жителей, проживающих в j-ом контуре (квартале), чел.

 

2) Рассчитывают удельные путевые расходы газа путем деления потребляемого газа на этих площадях на периметр сети, от которых подается газ:

 

, м³/(ч м).

3) Определяют путевой расход участка, умножая удельный расход участка на его длину. При двухсторонней раздаче газа удельный расход участка равен сумме удельных путевых расходов газа по обе стороны участка:

, м³/ч.

1)

vуч=v1

 

2)

 

vуч=v2 + v3

Чтобы иметь возможность производить гидравлический расчет газопроводов, который производится для постоянных расходов газа на участке, действительный переменный расход газа заменяют фиктивным расходом, постоянным по всему участку так, чтобы падение давления на участке, полученное в результате расчета, было таким же, каким оно будет при действительном переменном расходе. Этот фиктивный расход называют эквивалентным расходом газа и определяют по формуле

, м³/ч.

Если на участке имеются равномерно распределенные потребители и транзитный расход, то расчетный расход газа равен сумме эквивалентного и транзитного расходов газа.

 

Q

 

Qтр

Qэк

 

Qпут

 

Qтр

 

Qp

 

Qp=Qтр + Qэк = =Qтр + 0.5Qпут

В сложных газовых сетях транзитный расход газа на участке определяется как сумма транзитных, путевых и сосредоточенных потребителей участков, примыкающих к рассчитываемому и лежащих после него по ходу движения газа. Расчет транзитных расходов начинают с участков, где он заранее известен или отсутствует.

Q1

Если имеется два параллельных газопровода, то расходы на них определяются так:

Q = Q1 + Q2;

D1

 

Q

 

D2

 

Q2

 

Характерной особенностью любой тупиковой газовой сети является подача газа потребителям только с одного направления. Поэтому на каждом участке расход газа может быть определен по расположению точек питания и точек разбора газа. Каждый участок будет пропускать расход газа равный сумме расхода всех точек разбора, лежащих ниже данного участка по ходу движения газа.

Порядок расчета следующий:

1) Производится трассировка газопроводов, составляется расчетная схема, нумеруются точки и выбирается главное направление, соединяющее точку питания (начальную точку) и наиболее удаленную точку газопровода.

2) Определяются расчетные расходы газа по отдельным участкам.

3) Определяются расчетные длины участков по формуле

, м.

- для распределительных сетей:

 

Далее расчет выполняют в зависимости от давления газа в газопроводе.

Рисунок 11.1 Виды газопроводов и тупиковых газовых сетей

а - одиночный газопровод с сосредоточенной нагрузкой;

б - разветвленная тупиковая газовая сеть с сосредоточенными потребителями; в - одиночный газопровод с равномерно распределенной нагрузкой; г - разветвленная тупиковая газовая сеть с равномерно распределенными потребителями; д - одиночный газопровод с комбинированной нагрузкой; е - разветвленная тупиковая газовая сеть с комбинированной нагрузкой.

4) Определяются средние удельные потери давления по направлению по формуле

, Па/м,

где Dp -перепад давления в газовой сети, Па. Чаще всего принимается поСНиП 2.04.08 - 87;

Sl_p - сумма расчетных длин по направлению, м;

p_н - давление газа в начальной точке направления, Па;

p_к - давление газа в конечной токе направления, Па.

5) По значению h_cp и расходу газа на участке по номограммам или таблицам для расчета газопроводов низкого давления подбирают диаметры труб и определяют действительные удельные потери давления - h_d.

6) Определяются потери давления на участке по формуле

 

, Па.

 

D2

 

D1

Q_p

 

h_d h_cp h_d

 

7) Определяются общие потери давления по направлению и узловые давления по формулам

 

, Па;

, Па.

Общие потери давления (или конечное давление) сравнивают с допустимыми располагаемыми (или с допустимым конечным давлением) по направлению. Невязка допускается не более 10%.

Если невязка превышает 10%, то на участках изменяют диаметры и расчет повторяют.

Затем рассчитывают остальные направления, принимая за начало узел с известным давлением.

Первые 1 - 3 пункты описаны ранее (см. лекцию 11).

 

Рисунок 12.1 Расчетная схема тупиковой газовой сети среднего давления

РК - районная котельная; ХЗ - хлебозавод; БПК- банно-прачечный комбинат;

1,46 - длина участка, км;

10462 - расчетный расход газа. М³/ч;

200 - условный диаметр газопровода, мм.

 

4) Определяется комплексная величина А_ср по формуле

 

, кПа²/км,

 

где p_н - абсолютное давление газа в начале направления, кПа;

p_к - то же в конце, кПа.

5) По значению А_ср и расходу газа на участке по номограммам для расчета газопроводов среднего и высокого давления подбирается диаметр газопровода и определяется действительное значение комплексной величины А_д и вычисляют произведение А_дl_p.

6)Определяется конечное давление газа на участке по формуле

 

, кПа,

где p_нуч - давление в начале участка, принимаемое равным давлению в конце

предшествующего участка, кПа;

l_p - расчетная длина участка, км.

7) Конечное давление на последнем участке сравнивают с допустимым. Невязка допускается не более 10% и оно не может быть меньше допустимого. В противном случае изменяют диаметры и расчет повторяют.