II.3.1 Выбор, обоснование и конструирование системы газоснабжения 2 страница

Расчётные внутренние диаметры газопроводов необходимо определять гидравлическим расчётом из условия обеспечения бесперебойного газоснабжения всех потребителей в часы максимального потребления газа.

Гидравлический расчёт газопроводов следует выполнять, как правило, на компьютере, с оптимальным распределением расчётных потерь давления между участками сети.

При невозможности или нецелесообразности выполнения расчёта на компьютере (отсутствие соответствующей программы, отдельные участки газопроводов и т. п.) гидравлический расчёт допускается производить по приведённым ниже формулам или номограммам, составленным по этим формулам (Приложения 9, 10).

Расчётные потери давления в газопроводах высокого и среднего давления следует принимать в пределах категории давления, принятой для газопровода.

Расчётные суммарные потери давления газа в газопроводах низкого давления (от источника газоснабжения до наиболее удалённого прибора) следует принимать не более 180 даПа, в том числе в распределительных газопроводах – 120 даПа, в газопроводах-вводах и внутренних газопроводах – 60 даПа.

Значения расчётной потери давления газа при проектировании газопроводов всех давлений для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых предприятий и предприятий коммунально-бытового обслуживания принимаются в зависимости от давления газа в месте подключения с учётом технических характеристик принимаемого к установке газового оборудования, устройств автоматики регулирования технологического режима тепловых агрегатов.

Падение давления на участках газовой сети среднего (высокого) давления, , МПа, следует определять по формуле:

, (34)

где P_н и P_к – абсолютные давления газа в начале и в конце газопровода, МПа;

Р ₀ – атмосферное давление, Р ₀ = 101,325 кПа;

Q ₀ – расход газа при нормальных условиях, м³/ч;

L – расчётная длина газопровода постоянного диаметра, м;

l – коэффициент гидравлического трения;

r₀ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

n – эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы для стали, принимается 0,01;

d – внутренний диаметр газопровода, см.

Для сетей низкого давления – по формуле:

. (35)

Коэффициент гидравлического трения, l, следует определять в зависимости от режима движения газа по газопроводу, характеризуемого числом Рейнольдса:

, (36)

где ν – коэффициент кинематической вязкости газа, м²/с, при нормальных условиях.

А также коэффициент гидравлического трения, l, зависит от гидравлической гладкости внутренней стенки газопровода, определяемой по условию:

, (37)

где n – эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимается равной, см, для новых стальных труб n = 0,01; для бывших в эксплуатации стальных труб – n = 0,1см; для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации – n = 0,0007.

В зависимости от значения Re коэффициент гидравлического трения, l, следует определять:

- для ламинарного режима движения газа Re 2000:

, (38)

- для критического режима движения газа Re = 2000÷4000:

. (39)

При Re > 4000 в зависимости от выполнения условия (37) для гидравлически гладкой стенки неравенство (37) справедливо:

- при 4000 < Rе < 100000 по формуле:

, (40)

- при Rе > 100000:

, (41)

- для шероховатых стенок неравенство (33) несправедливо при Rе > 4000:

. (42)

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

Для наружных надземных и внутренних газопроводов расчётную длину газопроводов, l, м, следует определять по формуле:

, (43)

где l ₁ – действительная длина газопровода, м;

ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений участка газопровода.

При расчёте внутридомовых газопроводов низкого давления следует учитывать гидростатический напор, Н_g, даПа, определяемый по формуле:

, (44)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

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

ρ _в – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

Гидравлический расчёт кольцевых сетей газопроводов следует выполнять увязкой давлений газа в узловых точках расчётных колец. Неувязка потерь давления в кольце допускается до 10%.

При выполнении гидравлического расчёта надземных и внутренних газопроводов с учётом 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.

При выполнении гидравлического расчёта газопроводов по приведённым формулам, а также по различным методикам и программам для электронно-вычислительных машин, составленным на основе этих формул, расчётный внутренний диаметр газопровода следует предварительно определять по формуле:

, (45)

где d_р – расчётный диаметр, см;

А, В, m, m ₁ – коэффициенты, которые определяются по таблицам 12 и 13 в зависимости от категории сети (по давлению) и материала газопровода;

– расчётный расход газа, приведённый к нормальным физическим условиям, м³/ч;

Удельные потери давления, Δ P_уд, Па/м, определяются по формуле:

, (46)

где Δ P_доп – допустимые потери давления, Па;

l – расстояние до самой удалённой точки, м.

Давление в конце каждого участка, Р_К.УЧ, Па, рассчитываем по формуле:

. (47)

Таблица 12 – Коэффициент А для расчёта диаметра газопровода

Категория сети	А
Сети низкого давления	106/162 π 2 = 626
Сети среднего и высокого давления	Р 0/(Рm 162 π 2) Р 0 = 0,101325 МПа

Примечание: Р_m – усреднённое давление газа (абсолютное) в сети, МПа.

Таблица 13 – Коэффициенты В, m, m ₁ для расчёта диаметра газопровода

Материал	В	m	m 1
Сталь	0,022
Полиэтилен	0,3164(9πν)0,25 = 0,0446	1,75	4,75

II.4.2 Гидравлический расчёт сетей низкого давления

Городские сети низкого давления, распределяющие газ по всей территории застройки к бытовым и мелким коммунальным предприятиям, представляют собой сложную по конфигурации систему сопряжённых колец, которые получают газ от нескольких ГРП и снабжают газом многочисленные ответвления на кварталы и отводы к отдельным зданиям.

При расчёте такую сеть разбивают на отдельные районы по количеству точек питания (ГРП), и сеть каждого района рассчитывают отдельно. Расчёт сети производится в две стадии. Вначале рассчитывают распределительную (уличную) сеть, затем внутриквартальную разводку.

Задача проектировщика заключается в том, чтобы выбрать наилучший вариант движения потоков газа и так подобрать диаметры сети, чтобы добиться намеченного распределения потоков.

Направление движения потоков газа выбирают так, чтобы газ от точки питания подавался ко всем потребителям по кратчайшему пути. При этом диаметры сети будут наименьшими. Направления движения газа выбираются начиная от точки питания к периферии. При таком порядке выбора легче избежать возможности ошибок. В результате выявляются нулевые точки – конечные точки встречи потоков газа, идущих по разным направлениям.

Пути движения транзитных потоков газа выбирают так, чтобы, соблюдая первое условие, одновременно добиваться как можно более равномерного распределения потоков газа по всем направлениям. На расчётной схеме показывают «отcечки» – точки, через которые транзитные расходы газа не проходят. Необходимо также учитывать возможность увязки сети. При расчёте каждой такой сети вначале рассчитываются самые длинные направления от ГРП к нулевым точкам.

Основные исходные данные для расчёта кольцевой газовой сети низкого давления:

1) общая протяжённость сети, , м;

2) максимальное часовое потребление газа, , м³/ч;

3) расчётный перепад давления, , Па (принимается в соответствии с вариантом задания);

4) схема газифицируемых кварталов (принимается в соответствии с вариантом задания).

Для наглядности рассмотрим методику расчёта кольцевых газовых сетей на конкретном примере для микрорайона, изображённого на рисунке 1. Требуется определить диаметры газопроводов на всех участках.

Рисунок 1 – Схема расположения газифицируемых кварталов

Прежде всего вычерчивается схема газифицируемых кварталов в масштабе, определяются их площади и изображается схема газоотдачи кольцевой сети (см. рисунок 2). На этой схеме указываются длины участков сети, номера кварталов (буквами), площади кварталов и контуры (кольца) цифрами.

Рисунок 2 – Схема подачи газа в кольцевой сети

По схеме подачи газа в кольцевой сети строится в том же масштабе расчётная схема сети низкого давления (см. рис. 3). На этой схеме показываются: присоединение газовой сети низкого давления к ГРП, кварталы – римскими буквами (в кружочках), кольца – римскими цифрами (в кружочках), узлы – арабскими цифрами и длины участков газовой сети.

Рисунок 3 – Расчётная схема кольцевой сети низкого давления

Расчёт производится в следующей последовательности.

1. Определяются максимальные часовые расхода для каждой зоны (квартала), , м³/ч, по формуле:

, (48)

где N_Ж – численность населения квартала, чел.

Удельный расход газа на одного человека по району застройки, е, м³/(ч·чел.), определяют по формуле:

, (49)

где – часовой расход сети низкого давления района застройки, м³/ч;

N_района – численность населения района застройки, чел.

2. Рассчитывается суммарная длина питающего контура, l_К, м, для каждой из зон (кварталов) по формуле:

, (50)

Например, для квартала А l = 100 + 200 + 100 = 400 м.

3. Определяются удельные расходы, q_К, м³/(ч·м), для каждого контура по формуле:

. (51)

Результаты расчётов удельных путевых расходов для всех питающих контуров сети заносятся в таблицу 14.

Таблица 14 – Удельные путевые расходы для всех питающих контуров кольцевой газовой сети

№ кольца (контура)	Газоснабжаемые зоны	Длина питающего контура, lK, м	Удельный путевой расход, qK, м3/ч м
Удельный расход газа, е, м3/(ч·чел.)	Численность населения, Nж, чел.	Расход газа, QK, м3/ч
I	1квартал 2 квартал и т. д.
II
A
B
C

Сумма часовых расходов, приходящихся на площади всех колец, , должна сходиться с часовым расходом газа сети низкого давления, . Проверка: = , невязка до 3%.

4. Задаётся начальное распределение потоков газа в сети. Стрелками указываются направления потоков (см. рис. 3). Первоначально назначаются направления движения газа от точки питания 11 по газопроводам к периферии кратчайшим путём. В результате получаются две концевые точки схода потоков 3 и 7 и пять концевых точек тупиковых ответвлений: 1, 5, 9, 13, 14. Для повышения надёжности сети, в частности для взаимного резервирования участков, выполняются 2 контура (2-3-4-8-7-6) и контур I (6-7-8-13-12-11-10).

5. Определяются путевые расходы для всех участков сети на основе данных, полученных в таблице 13. При этом удельные расходы для участков, принадлежащих двум различным контурам, , м³/ч, суммируются, то есть:

. (52)

Например, для участка 6-2: .

6. Путевые расходы для каждого из участков, Q_П, м³/ч, определяются по формуле:

. (53)

7. Расходы в начале участка, Q_j, м³/ч, принимаются равными:

. (54)

8. Расчётный расход газа на участке, Q_р, м³/ч, принимается равным:

. (55)

Результаты определения расчётных расходов газа заносятся в таблицу 15.

Таблица 15 – Результаты определения расчётных расходов газа в контурах кольцевой газовой сети

№ участка	Длина участка, li, м	Удельный путевой расход, qi, м3/ч м	Расход газа, м3/ч
QП	0,5 QП	QТ	QР

Предварительные расчётные расходы по участкам сети определены верно, если отклонение расчётных расходов на головных участках ГРП от максимального часового расхода на район не превышает 10%.

Отклонение расчётных расходов на головных участках ГРП от максимального часового расхода на район, δ:

. (56)

9. Допустимые потери давления на трение с десятипроцентным запасом на местные сопротивления составляют:

. (57)

10. Определяются удельные потери давления на трение, Δ Р_УД, Па/м, на каждом из направлений по формуле

. (58)

11. По номограмме (Приложение 9) определяются диаметры для каждого из участков сети , мм.

Результаты расчёта диаметров, d, удельных перепадов давлений, перепадов давлений на участках, а также отношений заносятся в таблицу 16 (столбцы 1-9) гидравлического расчёта кольцевой сети.

Значения Δ Р / L, Q_р, Δ Р следует записывать со знаком «+», если газ движется по часовой стрелке, и со знаком «–», если газ движется против часовой стрелки.

Целесообразно по ходу расчёта оценивать возможность невязки в кольцах и учитывать их при назначении диаметров. Чем точнее будет осуществлён предварительный подбор диаметров кольцевой сети, тем меньше труда будет затрачено на увязку сети и дальнейшие расчёты.

12. Далее определяем невязку в каждом кольце, δ_к, %, по формуле:

, (59)

где к – номер соответствующего кольца;

i – условный номер участка кольца;

n – количество всех участков кольца.

Если >10%, то выполняем гидравлическую увязку колец.

13. Методика гидравлической увязки колец. Для этого, прежде всего, рассчитываются первые поправочные круговые расходы для всех колец, Δ Q ´, м³/ч, по формуле:

. (60)

14. Рассчитываются вторые поправочные расходы колец, Δ Q ´´, м³/ч, по формуле:

. (61)

15. Рассчитываются полные круговые поправочные расходы колец, Δ Q_К, м³/ч, по формуле:

. (62)

16. Определяются полные поправочные расходы участков, принадлежащие к двум смежным кольцам, Δ Q_УЧ, м³/ч, по формуле:

. (63)

17. Определяются полные поправочные расходы участков, принадлежащих одному кольцу, по формуле:

. (64)

18. Определяются новые расчётные расходы на участках в первом приближении (итерация), , м³/ч, по формуле:

. (65)

19. По номограмме (Приложение 9) определяются в первом приближении удельные перепады давления , Па/м.

20. Определяются перепады давления в первой итерации для каждого из участков по формуле:

. (66)

21. Определяется невязка (ошибка) в определении давления. Если невязка не превышает 10%, то расчёт можно ограничить первой итерацией. Если невязка превысит 10%, то расчёты следует продолжить, то есть выполнить вторую итерацию.

Результаты расчёта заносятся в таблицу 16 (столбцы 10-19).

Таблица 16 – Результаты гидравлического расчёта кольцевой газовой сети

Номер кольца	Участки	Предварительное распределение расходов
номер	номер соседнего кольца	l, м	d x s, мм	Qр, м3/ч	D P/l, Па/м	D P, Па	D P/Qр, Па·ч/м3

Продолжение табл. 16

D QI, м3/ч	Первая итерация	D QII, м3/ч	Вторая итерация
Qр, м3/ч	D P/l, Па/м	D P, Па	D P/Qр, Па ч/м3	Qр, м3/ч	D P/l, Па/м	D P, Па	D P/Qр, Па·ч/м3

II.4.3 Гидравлический расчёт сети высокого (среднего) давления

Газовые сети высокого давления являются верхним иерархическим уровнем городской системы газоснабжения. Для средних и больших городов их проектируют кольцевыми, и только для малых городов они могут выполняться в виде разветвлённых тупиковых сетей [21].

Расчётный перепад для сетей высокого давления определяют исходя из следующих соображений. Начальное давление принимают максимальным согласно [1]. Конечное давление принимают таким, чтобы при максимальной нагрузке сети было обеспечено минимально допустимое давление газа перед регуляторами. Величина этого давления складывается из максимального давления газа перед горелками, перепада давлений в абонентском ответвлении при максимальной нагрузке и перепада в ГРП. В большинстве случаев перед ГРП достаточно иметь избыточное давление – примерно 0,15-0,2 МПа.

При расчёте кольцевых сетей необходимо оставлять резерв давления для увеличения пропускной способности системы при аварийных гидравлических режимах. Принятый резерв следует проверять расчётом при возникновении наиболее неблагоприятных аварийных ситуаций. Такие режимы обычно возникают при выключении головных участков сети. Для многокольцевой сети неблагоприятных режимов, которые необходимо проверить расчётом, может быть несколько.

Ввиду кратковременности аварийных ситуаций следует допускать снижение качества системы при отказах её элементов. Снижение качества оценивают коэффициентом обеспеченности, К_об, который зависит от категории потребителей.

Сети высокого (среднего) давления являются управляемыми, к ним присоединяют ограниченное число крупных потребителей, режимом подачи газа которых управляет диспетчерская служба.

Следствием управляемости сети является и особая постановка задачи расчёта аварийного гидравлического режима, заключающегося в том, что не только в расчётном режиме, но и в аварийных ситуациях узловые расходы газа являются заданными.

Это положение позволяет вести расчёт аварийных режимов теми же методами, какими определяют диаметр газопроводов при расчётном режиме. Отличие состоит лишь в том, что меняется геометрия сети: выключают один или несколько элементов и уменьшают узловые нагрузки в соответствии с принятыми К_об. Возможное уменьшение подачи газа ограничено нижним пределом, который устанавливают из соображений минимально допустимого давления газа перед приборами. Это минимальное давление определяется минимальной нагрузкой, которую принимают равной 50% расчётного значения. Половину нормы газообразного топлива будут получать примерно 20-30% потребителей, причём такое снижение подачи топлива существенно не отразится на приготовлении пищи [21].

В основном это будет отражаться на качестве горячего водоснабжения. Как показывают исследования, при снижении давления после ГРП можно уменьшить максимальный расход примерно на 15-20%.

Следовательно, для коммунально-бытовых потребителей, присоединённых к сети низкого давления, коэффициент обеспеченности, К_об, можно принять равным 0,8-0,85. Учитывая кратковременность аварийных ситуаций и теплоаккумулирующую способность зданий, можно сократить подачу газа на отопительные цели. К_об для отопительных котельных можно принимать равным 0,7-0,75.

Значение К_об для промышленных предприятий определяют из следующих соображений. Если предприятие имеет резервную систему снабжения топливом, то К_об = 0. При её отсутствии допустимое сокращение подачи газа зависит от сокращения подачи теплоты на отопительные цели. Для технологических нужд сокращать подачу газа не следует. Таким образом, коэффициент К_об можно определить для всех сосредоточенных потребителей и на их основе рассчитать аварийные гидравлические режимы. После обоснования коэффициентов обеспеченности для всех потребителей решают вторую задачу, то есть определяют необходимый резерв пропускной способности сети.

Для однокольцевого газопровода аварийных режимов, подлежащих расчёту, два: при выключении головных участков слева и справа от точки питания. Так как при выключении головных участков однокольцевой газопровод превращается в тупиковый, то диаметр кольца можно определить из расчёта аварийного гидравлического режима при лимитированном газоснабжении для тупиковой линии. Рекомендуется следующий порядок расчёта однокольцевой газовой сети высокого (среднего) давления: