Расчет магистрального направления тупикового газопровода среднего или высокого давления из условий постоянства диаметра

При одинаковом для всех участков диаметре D исходное гидравлическое уравнение для любого участка запишется в виде

(15.61)

а сумма разностей квадратов давлений вдоль всей магистрали:

(15.62)

Отсюда диаметр каждого участка равен:

(15.63)

15.6 Последовательность проектирования тупиковой газовой
сети (низкого давления газа)

При рассмотрении последовательности проектирования тупиковой газовой сети имеем в виду, что одновременно намечается как бы и модель расчета закольцованной сети.

Последовательность проектирования выглядит примерно следующим образом.

1. Выясняют источники подачи горючего газа, выписывают его состав и, используя правило аддитивности, определяют плотность, низшую и высшую теплоту сгорания, динамическую и кинематическую вязкости.

2. Анализируют характер населенного пункта или города, для которых проектируется газовая сеть. Описывается характер застройки жилых домов (одно-, двух- и многоэтажные дома), количество жилых домов, плотность населения (количество жителей, приходящееся на 1 га), вид использования газа в быту, коммунально-бытовых и промышленных предприятиях. Приводят метеорологическую характеристику местности (самые низкие температуры, средние температуры во время отопительного периода и его продолжительность).

3. Определяют годовое потребление газа различными потребителями и отопительную нагрузку. Используя эти данные, а также значения коэффициентов часового максимума, вычисляют расчетную максимальную часовую нагрузку.

Для расчета внутридомовых газовых сетей максимальные часовые нагрузки определяют на основании данных о номенклатуре используемых бытовых газовых приборов, их мощности и значении коэффициентов одновременности.

4. Выбирают схему газоснабжения и определяют, какие потребители подключаются непосредственно к газопроводам высокого, среднего и низкого давлений. Определяют оптимальное количество сетевых ГРП и намечают места их расположения.

5. Определяют необходимость выравнивания пиков потребления и в отдельных случаях выбирают технические средства для погашения пиков потребления (подача смесей воздуха со сжиженными углеводородными газами, устройство подземных хранилищ газа и т.п.). Требования данного пункта в странах СНГ относятся, как правило, к методам проектирования ближайшего будущего.

6. При реальном проектировании согласовывают с соответствующими инстанциями планы и профили сооружаемых газопроводов, места расположения газораспределительной станции (ГРС) и газорегуляторных пунктов (ГРП). При этом вычерчиваются планы и профили газопроводов. При выполнении полных строительных чертежей на трассе газопроводов указываются характер и состояние поверх­ности земли, уровень грунтовых вод, наличие различных каналов, кабелей, пересечения с автомобильными и железными дорогами и т.п.

Для проектирования защиты газопроводов от коррозии собирают данные об агрессивных свойствах грунтов и о блуждающих токах.

Затем изготовляются окончательные планы и продольные профили газопроводов. Планы вычерчиваются в масштабе 1:200 или 1:500. На плане указывают диаметр газопровода, места перехода с одного диаметра на другой, ответвления от газопровода. Продольные профили газопровода вычерчиваются в масштабе для горизонтальных расстояний 1:200 или 1:500 и для вертикальных расстояний 1:20 или 1:50 с указанием уклона газопровода, красных и черных отметок поверхности земли, отметок верха трубы, глубины заложения до верхней образующей (с учетом толщины изоляции), характерных расстояний и длин между узлами.

На расчетной схеме газопроводов границы каждого отдельного участка (узлы) обозначают арабскими цифрами. Подготавливают расчетную таблицу участков, в которую заносят длины отдельных участков l_i. Местные сопротивления заменяются эквивалентными длинами, принимаемыми для распределительной сети в размере 0.1 l_i. Суммарные значения 1.1 l_i заносят во вторую строчку таблицы.

8. Для упрощения расчетов и укрупнения отдельных расчетных участков применяют методику равномерно распределенных расходов. При проектировании распределительных газовых сетей приходится иметь дело с большим количеством ответвлений к отдельным зданиям. Количество отдельных участков при этом возрастает настолько, что расчет всей сети значительно осложняется. Для сокращения количества участков производят замену сосредоточенных расходов газа через различные ответвления равномерно распределенным расходом газа, отбираемым вдоль распределительного газопровода. Такую методику целесообразно применять в случае примерно равных расходов газа через различные ответвления и примерно равномерного распределения этих ответвлений вдоль распределительного газопровода.

На приведенном рис. 15.2 представлен распределительный тупиковый газопровод. Из узла 1 подается общий расход газа V_общ. По пути от него отбираются в ответвления 2-6, 3-7, 4-8 расходы V_2-6, V_3-7, V_3-7.

Соответственно расход газа через участок 1-2 равен V _1-2 = V_{общ .}; через участок
2-3 — V _2-3 = V _1-2 - V _2-6; через участок 3-4 — V _3-4 = V _1-2 - (V _2-6 + V _3-7); через участок 4-5 — V _4-5 = V _1-2 - (V _2-6 + V _3-7 + V _4-8).

Через участок 4-5 протекает неизменившаяся часть общего расхо­да, которую называют транзитным расходом газа. Можно было бы произвести гидравлический расчет участков 1-2, 2-3, 3-4 и 4-5. Чтобы сократить, однако, их число, заменяют сосредоточенно отби­раемые через ответвления расходы равномерно распределенными. При этом участки 1-2; 2-3 и 3-4 объединяют в единый, через который протекают транзитный расход V_тр. и равномерно отбираемые до пути через ответвления расходы V_пут. В данном случае V_{пут .} = (V _2-6 + V _3-7 + V _4-8), à V_общ. = V_тр. + V_{пут .}. На единицу длины распределительного газопровода приходится удельная величина равномерно отбираемого расхода газа, равная:

или (15.64)

Можно представить величину равномерно отбираемого путевого расхода газа в виде:

(15.65)

Представим равномерно отбираемые путевые расходы газа в виде стрелок на приведенной рис. 15.3. На отрезке пути от пункта питания, равном х, от общего расхода газа отбирается путевой расход;

. (15.66)

Расход газа, поступающий в сечение х-х, равен:

(15.67)

Уравнение Дарси-Вейсбаха может быть записано в дифференциальной форме для бесконечно малого отрезка dx в виде dp = C ₁ V_x dx для ламинарного течения и - для квадратичного режима течения, то есть для турбулентного течения в гидравлически шероховатых трубах. При этом в коэффициенты С ₁ и С ₂ объединены все вели­чины, не зависящие от переменной х.

Если подставить в оба уравнения значения V_х и проинтегрировать их, то получим в первом случае D p = C₁ (V_тр.+ 0.5 V_пут)l и во втором случае (приближенно) D p = C ₂ (V_тр.+ 0.55 V_пут)l.

Очевидно, что интегрирование уравнения Дарси-Вейсбаха для промежуточных степеней расхода (например, показателя степе­ни 1.75 для турбулентного течения в гидравлически гладких трубах) даст значение коэффициента при V_{пут .,} находящееся между 0.5 и 0.55.

Для упрощения расчетов принимают для любых режимов течения значение коэффициента при V_{пут .,} равным 0.5. Если сравнить полученные выражения с исходными формулами, то видно, что расчетная величина расхода газа в уравнениях Дарси-Вейсбаха равна сумме транзитного расхода газа и половины равномерно распределенного путевого расхода газа.

9. Определяют максимальный часовой расход газа, проходящий через каждый ГРП.

С этой целью определяют общую площадь F газифицированной местности с однотипной застройкой и равномерно распределяемый расход газа на этой площади V_пут.F. Если определено количество ГРП, равное n, то на один ГРП придется газоснабжаемая площадь F¢ и равномерно распределяемый путе­вой расход:

. (15.68)

Отдельно от равномерно распределенного расхода учитываются все большие сосредоточенные расходы. Если сумма их на данной площади F¢ составляет S V_соср, то общий расход через ГРП составит:

. (15.69)

10. Для местности с однотипной застройкой, питаемой газом через данный ГРП, вычисляют сумму длин всех участков распределительной сети S l_i и определяют удельную величину равномерно распределяемого расхода газа с единицы длины газопровода:

. (15.70)

Затем вычисляют путевой расход газа через каждый отрезок сети:

. (15.71)

Полученные значения заносят в таблицу 15.1 Последовательность проведения указанных и последующих расчетов целесообразно иллюстрировать конкретным примером, в качестве которого служит представленная на прилагаемом рис. 15.4 схема тупикового газопровода. После определения максимальных часовых расходов было установле но, что равномерно распределенный расход газа составляет V_пут= 1860 м³/ч, а к узлу 8 присоединен потребитель с сосредоточенной нагрузкой V_соср(8) = 80 м³/ч.

В таблицу участков занесены значения длин участков l_i (1-я строчка); значения 1.1 l_i (2-я строчка). Сумма длин всех участков составляет 3100 м. Следовательно:

м³/ч× пог.м (15.72)

Затем вычисляют путевые расходы через все отдельные участки (3-я строка). Для участка 1-2 путевой расход составляет V_пут.1-2 = 0.6, l_1-2 = 0.6×250 = 150 м³/ч; для участка 2-3 получаем V_пут.2-3 = 0.6, l_2-3 = 0.6×300 = 180 м³/ч и т.д. После заполнения всей третьей строки проверяют, соблюдается ли условие . В данном случае проверка показывает S V_пут.i= 1860 м³ / ч, то есть, равнаисходной величине V_пут.

Тупиковая сеть

(расчет на минимум металловложений, ГНД, метан)

Табл. 15.1

№№	№№ участков	Магистральное направление	Ответвление
	параметры	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	5-7	4-8	3-9	2-10
	l i м
	1.1l i м
	Vпут i м3/ч
	Vi м3/ч
	Vi1.75	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	2.02 Vi1,75 ×1.1 li даПа	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	Vi0.304	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	Vi0.304 1.1 li	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	D P p даПа	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	di = K Vi0.304 см	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	di ст см	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	di ст4.75	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	D Pi = (6)/(12)	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	Проверка	даПа
	di ст см	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	di ст4.75	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	D Pi = (6)/(16)	...	...	...	...	...	...	...	...	...
	Проверка	даПа

11. Вычисляют расчетные значения расходов газа через отдельные участки. При этом следует учитывать и наличие сосредоточенных расходов. С учетом сосредоточенного расхода V_{соср .}(8) = 80 м³ / ч общий расход газа, подаваемый из пункта питания (ГРП), составляет в данном случае V_общ.= V_пут. + V_{соср .} = 1860 + 80 = 1940 м³ / ч.

Вычисление расчетных расходов газа начинают с концов газопровода и постепенно переходят к пункту питания. При этом для каждого участка расчетный расход газа V_i определяется как:

V_i = V_{i тр} +0. 5V_пут.i. (15.73)

В участках 5-6; 5-7; 3-9 и 2-10 транзитные расходы газа отсутствуют. Поэтому для этих участков V_i = 0.5 V_{пут i .}

Соответственно получаем значения V _5-6 = 0.5×120 = 60 м ³/ ч; V _5-7 = 0.5×240 =120 м³ / ч; V _3-9 = 0.5×180 = 90 м ³/ ч; V _2-10 = 0.5×210 =105 м ³/ ч. Эти значения заносим в 4-ю строку таблицы.

Равномерно распределенные расходы V_{пут .5-6} и V_{пут .5-7} проходят, не изменяясь, через участок 4-5 и являются для него транзитным расходом газа. Отсюда получим V _4-5 = V_{пут .5-6} + V_{пут .5-7} + 0.5 V_{пут .4-5} = 120 + + 240 + 0.5420 = 570 м³ / ч. Для участка 4-8 тран­зитным расходом газа является сосредоточенный расход V_{соср .(8)} = 80 м ³/ ч. Поэтому:

V _4-8 = V_{соср .(8)} + 0.5 V_{пут 4-8} = 80 + 0.5×150 = 155 м ³/ ч. (15.74)

Так определяют все расчетные расходы газа, заполняя всю 4-ю строку таблицы.

Последним определяют расчетный расход газа по участку 1-2. Он состоит из суммы путевых расходов во всех последующих участ­ках, сосредоточенного расхода газа и половины собственного путевого расхода газа.

12. Производят гидравлический расчет газопроводов. Целью расчета является определение диаметров всех участков при одновременном соблюдении технологических и экономических требований.

В качестве исходной формулы для расчета газовых сетей низкого давления принимается формула потери давления при турбулентном режиме течения для гидравлически гладких труб:

(15.75)

Для метана при r ₀ = 0.7175 кг / м ³ и n = 14.49 ×10^-6 м² / с:

. (15.76)

Если газопроводы рассчитываются для иного газа, то полученные по указанной формуле значения D p_i следует умножить на:

(15.77)

где величины с индексом " пр " относятся к проектируемому для гaзоснабжения газу, а с индексом " м " - для метана.

В соответствии с требованиями обеспечения минимума метал-ловложений получим:

, (15.78)

где D P_p принимается для всей магистрали в размере 120 даПа.

Из уравнения гидравлических потерь и данного уравнения получим величину диаметра участка:

. (15.79)

Обозначая комплекс коэффициентом «K», получим:

(15.80)

Все вычисленные величины заносятся в соответствующие строки таблицы участков. В 9-й строке занесены значения D P_p и К, причем для магистрального направления 1-2-3-4-5-6 значение D P_p принято равным 120 даПа.

Для ответвлений, состоящих всего лишь из одного участка, диаметр вычисляют непосредственно на основании гидравлической формулы (для метана):

, (15.81)

причем расчетная величина потери давления равна первоначальному значению D Pн = 120 даПа минус потери давления в предыду­щих участках. Так, например,

D P _5-7= 120 - (D P _1-2 + D P _2-3 + D P _3-4 + D P _4-5) даПа и т.д. (15.82)

Соответственно:

и т.д. (15.83)

Если ответвления состоят из более чем одного участка, то их рассчитывают по той же методике, что и основную магистраль, но величину допустимой потери давления вдоль ответвления принимают равной 120 даПа минус сумма потерь давления в предыдущих участках магистрали, а под знаком суммы стоят лишь произведе­ния для оставшихся нерассчитанных участков.

После 10-й строки (d_i = K V_i^0.304) рассчитанные величины диаметров d_i заменяются на ближайшие большие или меньшие стандартные диаметры. При этом целесообразно выбирать попеременно то большие, то меньшие стандартные диаметры, используя Приложение В. Значения условных стандартных диаметров заносят в строку 11.

13. Проверяют, не превышает ли сумма потерь давления по каждому рассчитываемому направлению допустимую величину D р_р. Для этого строку 6 таблицы делим на строку 12, определяя значения D р_i для каждого участка и проверяя, соблюдается ли условие . Если это условие не соблюдается, следует на одном или более участках заменить часть условных стандартных диаметров на ближайшие большие и вновь произвести проверку.

14. Можно рассчитать диаметры газопроводов из условия укладки всей магистрали из труб одного диаметра. При этом исходят из формул:

(15.84)

или при D Р_н= 120 даПа:

. (15.85)

Последовательность расчета тупиковой сети низкого давления из условия постоянства диаметра участков магистрального направления сведена в таблицу 15.2.

Вычисленное значение диаметра (строка 8) заменялось на ближайшее большее значение стандартного условного диаметра (строка 9). При последнем значении вычисляют потери давления по отдельным участкам магистрального направления (строка 10). Диаметры ответвлений вычисляют по обычным формулам гидравлических потерь, если они состоят только из одного участка. При этом расчетная величина потери давления в ответвлении составляет 120 даПа минус сумма потерь давления в участках магистрали, предшествующих данному ответвлению. Если же ответвления состоят из более чем одного участка, то каждое рассчитывают из условий постоянства диаметра по формуле:

см, (15.86)

где D Рн равно 120 даПа минус сумма потерь давления в предшествующих участках магистрали. Полученное значение диаметра d заменяют на ближайшее большее стандартное.

15. Понятие и определение узловых расходов газа. При наличии тупикового газопровода сравнительно просто вычисляют расчетные расходы газа по каждому из отдельных участков. Для этих вычислений нет необходимости в использовании какой-либо специальной методики. Необходимость в такой методике возникает, однако, при определении расходов газа по отдельным участкам закольцованной сети. Это так называемая методика "узловых расходов газа". Применение методики узловых расходов газа продемонстрируем на примере тупиковой газовой сети.

Вычисление диаметров при постоянном условном диаметре

магистрального направления (ГНД, метан)

Таблица 15.2

№№	№№ участков	Магистральное направление	Ответвление
	параметры	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	5-7	4-8	3-9	2-10
	li м
	1.1 li м
	Vпут i м3 / ч
	Vi м3 / ч
	Vi1.75
	Vi1.75 li
	d = 0.432.(7) cм
	d ст см
	даПа

Вводится понятие узлового расхода газа, причем узловой расход газа считают выходящим из узла и равным полусумме всех путевых расходов газа по участкам, примыкающим к данному узлу. К этой полусумме добавляется также сосредоточенная нагрузка в данном узле, то есть сосредоточенный расход газа, выходящий из данного узла. Соответственно:

(15.87)

Следуя указанному определению в каждой паре соседних узлов, образующих границы отдельного участка, путевой расход по участку фигурирует дважды. Поэтому сумма всех узловых расходов в газовой сети равна:

(15.88)

Это равенство служит для проверки правильности вычисления всех узловых расходов.

Вспомним о первоначальных узловых условиях (условиях равновесия узлов): Эти условия действительны и с учетом узловых расходов газа, но формулировка их иная. Алгебраическая сумма расчетных расходов газа по участкам, сходящимся в каждом узле, и узлового расхода газа равна нулю. Узловой расход газа входит в эту сумму со знаком "минус". Следовательно, каждый узловой расход газа считается выходящим из данного узла.

Уравнения, включающие узловые расходы, используются для вычисления расчетных расходов газа по участкам. Покажем это на приведенном выше примере тупикового газопровода. Вычислим узловые расходы газа:

Узел (6) - м³ / ч (15.89)

Узел (7) - м³ / ч (15.90)

Узел (8) - м³ / ч (15.91)

Узел (4) - м³ / ч (15.92)

Так, переходя от узла к узлу, доходим до узла (1), где:

м³ / ч (15.93)

Полученные значения узловых расходов заносим в таблицу 15.3, а на схеме газовой сети обозначаем стрелками из прерывистых линий, выходящими из узлов.

Узловые расходы газа

Таблица 15.3

Узел
Узловой расход,
м 3/ ч

Используя новые узловые условия, вычисляем расчетные расходы газа:

Узел (6) - м³ / ч. (15.94)

Узел (7) - м³ / ч. (15.95)

Узел (5) - м³ / ч. (15.96)

Узел (8) - м³ / ч. (15.97)

Узел (4) - м³ / ч. (15.98)

Узел (9) - м³ / ч. (15.99)

Узел (10) - м³ / ч. (15.100)

Узел (2) - м³ / ч. (15.101)

Если сравнить значения расчетных расходов газа, полученные по данной методике, с вычисленными ранее, то видно, что они полностью совпадают.

15.7 Последовательность проектирования закольцованной
газовой сети (низкое давление газа)

Закольцованные сети отличаются от тупиковых тем, что у первых из них направление потоков газа однозначно не определено. Если известны структура сети и значения всех, путевых и сосредоточенных расходов газа, то можно лишь однозначно определить величины узловых расходов газа.

В то же время существует множество вариантов направления потоков по участкам сети, а, следовательно, и множество возможных значений расчетных расходов газа. В начале проектирования проектант сам намечает направления потоков газа. При этом желательно выбрать такое потокораспределение, при котором удовлетворяются требования надежности и потребитель может снабжаться газом даже при аварии на одном из участков сети, по обходному пути. Желательно также направлять потоки газа по кратчайшему пути от пункта питания к наиболее отдаленным путям.

Начало проектирования на протяжении первых этапов такое же, как и в случае тупикового газопровода. Определяют характеристики горючего газа. Анализируют тип местности, на которой расположен населенный пункт, подлежащий газоснабжению. Выбирают схему газовой сети, определяют количество ГРП и намечают район действий каждого. Затем наносят на план схему газопроводов низкого давления, питаемых газом от каждого ГРП. Примером такой газовой сети низкого давления, питаемой газом от сетевого ГРП, служит схема, изображенная на рис. 15.5 Нумерацию узлов производят арабскими цифрами. При наличии сосредоточенных расходов их обозначают сплошными линиями со стрелками, выходящими из соответствующих узлов. Римскими цифрами обозначают площади, охватываемые отдельными кольцами. Застроенные территории, расположенные вне колец, подразделяются на площади, к которым подается газ от отдельных участков, и также нумеруются.

Определяются длины участков l_i и общий расход газа, подаваемый через ГРП.

Для упорядочения расчетов заготавливают таблицы с данными по участкам, по кольцам и по узлам.

Измеряют общую площадь газоснабжаемой территории F и отдельные площади F¢, охватываемые кольцами или расположенные вне колец.

Общий равномерно распределенный расход газа составляет V_{пут .}, а удельный равномерно распределенный (путевой) расход:

. (15.102)

Соответственно расход газа, подаваемый к потребителям, расположенным на территории площадью F¢,составляет:

. (15.103)

Определяют периметр каждого кольца П _к и вычисляют удельный путевой расход газа, отбираемый с единицы длины участков, образующих каждое кольцо:

. (15.104)

Для площадей территорий, расположенных вне колец, вместо периметра кольца используют длину соответствующего участка сети. Так, например, для площади, расположенной в кольце VIII, получим:

, (15.105)

а для площади IX, расположенной вне колец:

. (15.106)

Значения F ¢, V _к, П _к и заносим в таблицу колец 15.4.