Гидравлический расчет газопровода

Пропускную способность  ЕСГ необходимо наращивать. Это связано  с перспективой увеличения добычи газа как «Газпромом», так и другими  компаниями. Например, в Энергетической стратегии России предусмотрено, что  к 2020 г. независимые производители  будут добывать до 170 млрд куб. м газа. Это позволит удовлетворить платежеспособный спрос российских потребителей, выполнить международные обязательства России по поставкам природного газа, но, с другой стороны, значительно увеличит нагрузку на газотранспортную систему.⁶

Трубопроводный транспорт  по сравнению с другими видами транспорта обладает ценнейшими преимуществами:

• наиболее низкая себестоимость перекачки;
• небольшие удельные капитальные вложения за единицу транспортируемого груза;
• быстрая окупаемость затрат при строительстве трубопроводов;
• бесперебойная поставка в течение года, практически не зависящая от климатических условий;
• высокая производительность труда;
• незначительные потери при перекачке;
• сравнительно короткие сроки строительства;
• возможность перекачки нескольких сортов и видов груза по одному трубопроводу;
• возможность наращивания пропускной способности трубопровода за счет строительства дополнительных насосных станций и прокладки параллельных участков (лупингов).

Трубопроводный  транспорт имеет и ряд недостатков, в определенной мере снижающих экономическую  эффективность и сдерживающих темпы  роста трубопроводного строительства, сюда можно отнести:

• крупные единовременный капительные вложения в строительство, т.к. нужно положить весь трубопровод;
• потребность в крупных материальных затратах на заполнение всего трубопровода грузом при вводе в эксплуатацию;
• необходимость устойчивого грузопотока на длительное время;
• небольшая скорость движения груза.⁷

 

Глава 2. Гидравлический расчет газопровода.

1. Теоретические аспекты расчетов газопровода.

Основная задача гидравлических расчетов заключается в том, чтобы  определить диаметры газопроводов. С  точки зрения методов гидравлические расчеты газопроводов можно разделить на следующие типы:

• расчет кольцевых сетей высокого и среднего давления;
• расчет тупиковых сетей высокого и среднего давления;
• расчет многокольцевых сетей низкого давления;
• расчет тупиковых сетей низкого давления.

Для проведения гидравлических расчётов необходимо иметь следующие  исходные данные:

• расчетную схему газопровода с указанием на ней номеров и длин участков;
• часовые расходы газа у всех потребителей, подключенных к данной сети;
• допустимые перепады давления газа в сети.

Расчетная схема газопровода  составляется в упрощенном виде по плану газифицируемого района. Все  участки газопроводов как бы выпрямляются и указываются их полные длины со всеми изгибами и поворотами. Точки расположения потребителей газа на плане определяются местами расположения соответствующих ГРП или ГРУ.

Гидравлический режим  работы газопроводов высокого и среднего давления назначается из условий  максимального газопотребления.

Расчёт подобных сетей  состоит из трёх этапов:

• расчет в аварийных режимах;
• расчет при нормальном потокораспределении;

2. Методы расчета.

Гидравлические расчеты  газопроводов выполняются на основании  общих уравнений газовой динамики, устанавливающих связь между  диаметром, расходом газа и перепадом  давления для трубопроводов известной  длины и конструкции. Из этих уравнений  можно определить любой параметр по заданным значениям двух остальных.

Использование общих уравнений  газовой динамики для гидравлического  расчета городских газопроводов производится с учетом эксплуатационных и экономических факторов, отражающих специфику систем распределения  газа. Эксплуатационные требования выражаются ограничением диапазона колебаний  давления газа у потребителей. Таким  образом, обеспечивается нормальная работа бытовых газовых приборов и горелок  агрегатов коммунально-бытовых и  промышленных предприятий в пределах допускаемых отклонений от номинальной  тепловой нагрузки. Выполнение эксплуатационных требований осуществляется путем ограничения  величины перепада давления между газорегуляторным пунктом и потребителем – за счет оптимального распределения её по отдельным  участкам газопровода.⁸

Основными вопросами проведения гидравлических расчетов трубопроводов  является определение коэффициента гидравлического трения, который  входит в исходное уравнение движения газа и определяет гидравлическую характеристику труб. Ламинарного режима течения этот коэффициент, как показывают все имеющиеся исследования, достаточно точно может быть определен по известной формуле Хагена-Пуазейля⁹. Явления, происходящие в турбулентном потоке, из-за своей сложности длительное время не поддавались теоретическому анализу. Поэтому для вычисления коэффициента гидравлического трения были предложены эмпирические формулы, которые в большинстве своем не учитывали физических свойств транспортируемой среды и характер внутренней поверхности труб. Более поздние формулы представляли математическое выражение опытных кривых, построенных в безразмерных координатах, без проникновения в механизм турбулентного движения¹⁰.

В результате теоретических  и экспериментальных исследований XX в. получены формулы для определения коэффициента сопротивления трения λ при турбулентном режиме движения для труб с равномерно-зернистой и нерегулярной шероховатостью внутренней поверхности. Благодаря этому появилась возможность практического использования уравнений движения газа и повысилась степень точности расчетов.

Питание природным газом  всех потребителей газифицированного  города или населенного пункта осуществляется через специальную систему распределения  газа, состоящую из гидравлически  связанных между собой газопроводов разных диаметров и газорегуляторных пунктов и установок. Газорегуляторные пункты и установки оборудуют  регуляторами, поддерживающими постоянное давление газа, и запорно-предохранительными устройствами, предотвращающими повышение  давления сверх допустимого предела.¹¹

Строительными нормами и  правилами¹² для городских систем газоснабжения установлены следующие категории давления газа:

• низкого – не более 0,05 кгс/см²;
• среднего – от 0,05 до 3 кгс/см²;
• высокого – от 3 до 12 кгс/см².

Жилые и общественные здания, мелкие промышленные потребители, детские  и лечебные учреждения, предприятия  общественного питания и бытового обслуживания, размещенные в жилых  и общественных зданиях, подключают к распределительным газопроводам низкого давления. Отопительные и  производственные котельные, коммунальные предприятия, расположенные в отдельностоящих зданиях, можно подключать к газопроводам среднего или высокого (до 6 кгс/см²) давления через местные газорегуляторные пункты или установки. Промышленные предприятии обычно питают газом высокого давления.¹³

Распределение подключений  рассредоточенных потребителей с расходом газа от 50 до 700 м³/ч к городским сетям низкого давления, среднего или высокого давления осуществляется на основании сравнения затрат по разным вариантам с учетом их технологический и эксплуатационных особенностей. Сосредоточенных потребителей с нагрузкой более 700 м³/ч рекомендуется подключать к сетям среднего или высокого давления.

К газопроводам давлением 6-12 кгс/см² присоединяются и городские газорегуляторные пункты и промышленные предприятия, нуждающиеся в газе высоких давлений (газотурбинные установки, мартеновские цехи при оборудовании печей горелками высокого давления) для осуществления технологических процессов.¹⁴

Распределительные газопроводы  бывают тупиковые и кольцевые. Кольцевание  газопроводов повышает надежность систем распределения. Обычно распределительные  газопроводы низкого давления представляют собой замкнутую многокольцевую сеть,  охватывающую всю территорию района, снабжаемого газом. Трассировка газопроводов всех давлений выполняется с учетом установленных норм разрывов от зданий и сооружений.

Потребление газа в городах  отличается значительной неравномерностью.  В этих условиях газопроводы систем распределения должны быть рассчитаны на максимальный часовой расход, определенный по совмещенному суточному графику  разбора газа всеми подключенными  объектами. Построение совмещенных  суточных графиков во многих случаях  затрудняется неопределенным характером нагрузок потребителей и отсутствием  установленных закономерностей  их колебаний по величине и во времени. Поэтому практически газопроводы  проектируются на расчетные часовые  расходы, определяемые двумя методами. По первому методу неравномерность  потребления выражается коэффициентом  часового максимум, в по второму – коэффициент одновременности.¹⁵

3. Гидравлический  режим газопроводов.

Гидравлический расчет газопроводов необходим для определения диаметров  газопроводов, обеспечивающих пропуск  необходимых количеств газа при  допустимых перепадах давления. При  движении газа по трубопроводам происходит постепенное снижение первоначального  давления за счет преодоления сил  трения и местных сопротивлений, т. е.

.

Чтобы установить факторы, от которых зависит падение давления, рассмотрим основные положения динамики потока газа.¹⁶

При движении газа в трубе  из-за проявления сил трения у стенок трубы скорость потока меньше, а  в центре больше. Однако в расчетах ориентируются на среднюю скорость, м/сек,

= V/F,

где V - объемный расход газа, м³/сек; F - площадь поперечного сечения трубы, м².

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 Рейнольдса¹⁷

Re = wD/v,

где w - скорость потока, м/сек; D - диаметр трубопровода, м; v - кинематическая вязкость, м²/сек.

Интервал перехода ламинарного  движения в турбулентное называется критическим и характеризуется Re = 20004000. При Re < 2000 течение ламинарное, а при Re >4000 - турбулентное.¹⁸

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 газопроводам считают изотермическим процессом, так как температура грунта вокруг газопровода за короткое время протекания газа изменяется мало. С учетом этих положений падение давления в газопроводах за счет сил трения определяют на основании формулы Дарси-Вейсбаха¹⁹:

,

где р - потери давления, кгс/м²; - коэффициент трения; l - длина трубопровода, м; D - внутренний диаметр трубопровода, м; p - плотность газа, кг/м³ (0,102 кг/м³ =1 кгссек²м⁴); w - средняя скорость движения газа, м/сек.

Приведенная формула справедлива  для несжимаемых жидкостей, протекающих  с постоянной скоростью при неизменной плотности. Поэтому она применима  для расчета лишь газопроводов низкого  давления, в которых при небольших  перепадах давления незначительными  изменениями плотности и скорости газа можно пренебречь. Однако в  газопроводах коэффициент трения является переменной величиной, зависящей от критерия Рейнольдса и относительной шероховатости стенок трубопровода (k₉ /D).²⁰

Для ламинарного режима движения при Re 2000 коэффициент трения по формуле Пуазейля²¹

= 64/Re;

для критического режима при Re = 2000 4000 по формуле Зайченко

= 0,0025;

для турбулентного  режима при Re > 4000 по формуле Альтшуля²²

=0,11.

Подставляя указанные  коэффициенты трения в формулу Дарси-Вейсбаха (Ф-2.3.4) и заменяя размерности, после преобразований получаем следующие формулы для расчета газопроводов низкого давления:

для ламинарного  режима

 

для критического режима

;

для турбулентного  режима

.

где V - расход газа, м³/ч; d - внутренний диаметр газопровода, см; l - длина газопровода, м; p - плотность газа, кг/м³; v - кинематическая вязкость, м²/сек; _э - эквивалентная абсолютная шероховатость стенки трубы, см; для стальных труб _э = 0,01 см.

При гидравлическом расчете  газопроводов среднего и высокого давлений, в которых перепады давления значительны, изменение плотности и скорости движения газа необходимо учитывать. Поэтому  потери давления на преодоление сил  трения в таких газопроводах определяются по формуле

,

Подставив в  эту формулу значение из формулы Альтшуля (Ф-2.3.7), после преобразований получим формулу для расчета газопроводов среднего и высокого давлений в области турбулентного режима:

=1,45 ,

где р_н и р_к - абсолютные давления газа в начале и в конце газопровода, кгс/см²; L - длина газопровода, км.²³

При расчете газопроводов низкого давления, прокладываемых в  условиях резко выраженного переменного  рельефа местности, надо учитывать  гидростатический напор²⁴, кгс/м²,

,

где z - разность геометрических отметок газопровода, м; р_в и р_r - плотности воздуха и газа, кг/м³; знак «+» - относится к более, а знак «-» - к менее высоким отметкам местности по отношению к исходной плоскости.