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.
Внутренний диаметр газопровода принимается из стандартного ряда внутренних диаметров трубопроводов: ближайший больший - для стальных газопроводов и ближайший меньший - для полиэтиленовых.
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 | ||
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.
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
Потребление газа характеризуется большой неравномерностью по месяцам года, дням, неделям и часам суток.
Режим работы системы газоснабжения зданий зависит от многих факторов: в жилых зданиях – от числа и типа установленных газовых приборов, степени благоустройства зданий, климатических условий, времени года, количества людей, проживающих в зданиях; в коммунально-бытовых, общественных и производственных зданиях, помимо перечисленных факторов – от характера работы технологического оборудования и технологических процессов, режима работы цехов и предприятия в целом.
Системы газоснабжения рассчитывают на подачу максимального расчетного часового расхода газа, который определяется по годовой потребности в газе.
Максимальный часовой расход газа на хозяйственные и производственные нужды при нормальных условиях (давлении 0,1 Мпа при 0°С) определяют по формуле
где – годовой расход газа, м 3 /год; − коэффициент перехода от годового расхода газа к максимальному часовому (коэффициент часового максимума расхода газа).
Для жилых и общественных зданий расчетный часовой расход газа определяют с учетом общего числа газовых однотипных приборов n, числа их типов или однотипных групп m, номинального расхода газ одним газовым прибором – по паспорту или технической характеристике , м 3 /ч, и коэффициенту одновременного действия приборов , по формуле
Для расчета газопроводов выполняют гидравлический расчет из условий бесперебойной подачи газа в часы максимального газопотребления.
Расчет трубопроводов газовой сети сводится к подбору диаметров труб по расчетным расходам и потерям давления газа.
Предварительное определение диаметров отдельных расчетных участков газопроводов выполняется по формуле
где − часовой расход газа, м 3 , при нормальных начальных условиях давления и температуры газа (0,1 Мпа и 0°С); − абсолютное давление газа на расчетном участке газопровода, МПа; – скорость движения газа, м/с.
Далее определяют падение давления газа по длине газопровода и в местных сопротивлениях: на поворотах, в соединениях, в фасонных частях, арматуре и пр. С учетом дополнительного гидростатического напора газа это падение давления сравнивают с допустимым. Если падение давления превышает допустимую величину, то делают перерасчет диаметров на отдельных расчетных участках в сторону их увеличения.
Падение давления газа по длине газопровода низкого давления определяют в зависимости от режима движения газа, который характеризуется числом Рейнольдса:
Для ламинарного режима движения газа при Re ≤ 2000 падение давления газа на трение по длине:
для турбулентного режима при Re > 4000
где – падение давления, Па; – расход газа, м 3 /ч, при нормальных условиях (давление 0,1 МПа и температуре 0°С); d – внутренний диаметр газопровода, см; – коэффициент кинематической вязкости газа, м 2 /с, при нормальных начальных условиях состояния газа; – плотность газа, кг/м 3 , тоже при нормальных начальных условиях состояниях газа; – эквивалентная абсолютная шероховатость труб: для стальных труб = 0,01, полиэтиленовых = 0,005; – расчетная длина участка газопровода одного диаметра, см.
Для внутренних и наружных газопроводов расчетную длину определяют с учетом приведенной длины, зависящей от эквивалента длины трубы, учитывающей местные сопротивления:
где – расчетная длина газопровода, м; – действительная длина газопровода, м; − приведенная длина газопровода, м, равная:
– эквивалентная длина, на которой падение давления газа на трение равно падению давления в местных сопротивлениях при = 1; ∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке газопровода длиной .
Эквивалентную длину определяют по формулам:
для ламинарного режима движения газа
для турбулентного режима движения газа
Для жилых домов в газопроводах низкого давления местные потери давления газа определяют как часть от потерь по длине, т.е. линейных потерь, %:
от ввода до стояка………………………………………………………… 25
на стояках……………………………………………………………………20
на внутриквартирной разводке в зависимости от длины, %:
до 2 м………………450 до 7 м…………………120
» 4 м………………300 » 12 м…………………50
Допустимую величину потерь давления принимают:
во внутренних и дворовых газопроводах……………60 даПа (60 мм)
в уличных и внутриквартальных газопроводах…….120 даПа (120 мм)
Таким образом, общая допустимая потеря давления в распределительных сетях низкого давления (от ГРП до самого отдаленного потребителя газа) составляет 180 даПа.
При гидравлическом расчете газопроводной сети здания необходимо учитывать естественный гидростатический напор газа, возникающий в связи с тем, что плотность газа меньше плотности воздуха, и как результат газ поднимается вверх по газопроводу.
Гидростатический напор, Па, определяют по формуле
где – высота подъема газа, т.е. разность геодезических отметок начального и
конечного участка газопровода, м;
И – плотность воздуха и газа, кг/м 3 , при нормальных начальных условиях
состояния газа (давлении 0,1 МПа и температуре 0°С).
В результате гидравлического расчета следует проверить условие обеспечения подачи газа потребителям, т.е. чтобы давление газа на вводе было не меньше требуемого давления с учетом гидростатического напора :
Величина требуемого давления равна:
где – необходимое давление газа у диктующего газового прибора, Па или даПа; − гидростатический напор, Па;
∑ – сумма потерь давления по длине и в местных сопротивлениях в сети от ввода до диктующего газового прибора, Па.
Если неравенство не выполняется, то следует увеличить диаметры труб, с тем чтобы уменьшить общие потери давления.
Для нормальной работы бытовых газовых приборов всегда указывается номинальное давление газа 2 (200 мм) или 1,3 кПа (130 мм), поэтому после ГРП в газовой сети устанавливают давление газа соответственно 3 (300 мм) или 2 кПа (200 мм).
Таким образом, при расчете газовых сетей в зданиях необходимо учитывать следующие условия:
1. На вводе создается располагаемое давление газа , равное действующему (фактическому) давлению плюс дополнительное естественное давление газа (гидростатический напор), т.е.
2. Располагаемое давление всегда должно быть не меньше требуемого:
3. Требуемое давление складывается из потерь по длине и в местных сопротивлениях и номинального давления у газовых приборов без естественного гидростатического напора.
4. Расчет газовой сети следует выполнять правильно, чтобы сумма допустимых потерь давления в газовых сетях не была бы меньше фактических потерь:
Допустимая величина потерь давления в газовых сетях приведена
в табл. 25.1.
Для облегчения расчетов на основании формул (VI. 19) - (VI.22) разработаны таблицы и номограммы . По ним с достаточной для практических целей точностью определяют: по заданному расходу и потерям давления - необходимый диаметр газопровода; по заданным диаметру и потерям - пропускную способность газопровода; по заданным диаметру и расходу - потери давления; по известным местным сопротивлениям - эквивалентные длины. Каждая таблица и номограмма составлены для газа с определенными плотностью и вязкостью и отдельно для низкого пли среднего и высокого давления. Для расчета газопроводов низкого давления чаще всего пользуются таблицами, структура которых хорошо иллюстрируется табл. VI.2. Сортамент труб в них характеризуется наружным диаметром d„, толщиной стенки s и внутренним диаметром d. Каждому диаметру соответствуют удельные потери давления Др и эквивалентная длина Z 3KB , зависящие от определенного расхода газа V. Номограммы (рис. VI.3 - VI.7) являются графическим эквивалентом данных, приведенных в таблицах.
Таблица VI.2
Потери давления Ар и эквивалентные длины в для природного газа (р = 0,73 кг/м 3 , v = 14,3* 10"* м 2 /сек, трубы стальные водогазопроводные по ГОСТ 3262-62)
|
d H X« (d), мм |
|||||
|
|
|
|
|
|
Примечание. В числителе приведены потери давления, кгс/м* на 1 и, в вна- менателе^-внвивалентная длина, и.
а - природный гав, р - 0,73 кг/м*, v = 14,3‘Ю - * м*/сек; б - газовая фава пропана, р?= 2 Kf/m*, v «= 3,7* 10~* м"/сек.
Пример 17. По трубе (ГОСТ 3262-62) d H X s = 26,8 X 2,8 мм длиной I = 12 м подается природный газ нпвкого давления с р = 0,73 кг/м 9 в количестве V = 4 м 3 /ч. На газопроводе установлен пробочный кран и пмеется два гнутых отвода 90°. Определить потери давления в газопроводе.
Решение. Г1о табл. VJ.2 находим, что при расходе V = 4 м 9 /ч удельные потери па трение Ар - 0,703 кге/м 2 на 1 м, а эквивалентная длина? Эк п = = 0,52 м. По данным па с. 108 находим коэффициенты местных сопротивлений: Для пробочного крана = 2,0 и для гнутого отвода 90° ? 2 = 0,3. Расчетная длпна газопровода по формуле (VI.29) / расч = 12 + (2,0 + 2-0,3) X 0,52 = = 13,5 м. Искомые суммарные потери давления Др сум - 13,5-0,703 = = 9,52 кге/м 2 .
Пример 18. По распределительному стальному газопроводу низкого давления, смонтированному из труб d H X s = 114 X 4 мм, длиной I = 250 м подается природный газ с р = 0,73 кг/м 9 в количестве V - 200 м 3 /ч. Геодезическая отметка концевого газопровода выше начального на 18 м. Определить потери давления в газопроводе.
Решение. По номограмме на рис. VI.3 находим, что при расходе V = = 200 м 3 /ч удельные потери давления на трение в газопроводе d H Xs = 114 X X 4 мм Ар - 0,35 кге/м 2 на 1 м. Для учета потерь давления в местных сопротивлениях увеличиваем фактическую длину газопровода на 10%, т. в. I рас Ч = 1,1 1факт = 1,1 *250 = 275 м. Суммарные потери давления на трение и в местных сопротивлениях Лр СуИ = 0,35-275 = 96 кге/м 2 .
Транспортируемый газ легче воздуха, поэтому в газопроводе создается гидростатический напор. По формуле (VI.24) Ар г ~ 18 (1,293 - 0,73)
*=« 10 кге/м 2 . Тогда искомые потери давления в газопроводе Ap* aKX =96 - - 10 = 86 кгс/см 2 .
Пример 19. По стальному газопроводу низкого давления d H X s = = 21,3-2,8 мм и длиной I = 10 м подается пропан в количестве V == 1,2’м 8 /ч. На газопроводе установлен пробочный кран и имеется один гнутый отвод 90°. Определить потери давления в газопроводе.
Решение. По номограмме на рис. VI.4 находим, что при расходе газа
V = 1,2 м 3 /ч удельные потери на трение Ар = 0,75 кге/м 2 на 1 м. По номограмме на рис. VI.5, б для данных условий эквивалентная длина газопровода /экп = 0,41 м. По данным на с. 108 коэффициенты местных сопротивлений: для пробочного крана?, = 2,0, для гнутого отвода 90 s ? 2 = 0,3.
Расчетная длина газопровода по формуле (VI.29) 1 раС ч = 10 + 0,41 (2,0 + + 0,3) = 10,94 11 м. Искомые суммарные потери давления Др сум = 11 X
X 0,75 = 8,25 кге/м 2 .
Пример 20. По стальному газопроводу D y = 200 мм, длиной 1600 м подается природный газ с плотностью р = 0,73 кг/м 3 в количестве 5000 м 8 /ч. Определить избыточное давление в конце газопровода, если в начале газопровода оно равно 2,5 кгс/см 2 .
Решение. По номограмме на рис. VI.7 находим, что при расходе газа
V - 5000 м 3 /ч для газопровода D y = 200 мм {р - pl)IL = 1.17. Отсюда абсолютное давление в конце газопровода
кгс/см 2 . Избыточное давление в конце газопровода р,- = 2,22 кгс/см 8 ,