1.5 Схеми газових мереж

За геометричною структурою розрізняють дві схеми газових мереж: кільцеві і тупикові.

Кільцеві газові мережі – це система замкнутих газопроводів, які утворюють кільця (контури). Приклад закільцьованої газової мережі низького тиску наведений на рисунку 1.6.

Рисунок 1.6. – Принципова схема кільцевої газової мережі

Низького тиску

Основна перевага таких газових мереж - підвищена надійність газопостачання. Аварія на будь-якій ділянці не спричинює припинення газопостачання інших споживачів. Недоліком таких систем є більша протяжність газових мереж і, як наслідок, більші капітальні вкладення в будівництво.

Тупикові (розгалужені) мережі складаються з основної магістралі, від якої відходять відводи і відгалуження (див. рисунок 1.7). Надійність такої схеми газопостачання значно нижча. При аварії на будь-якій ділянці газової мережі припиняється подача газу до всіх споживачів розміщених після аварійної за рухом газу.

Рисунок 1.7. – Принципова схема тупикової (розгалуженої)

Газової мережі

Питання про доцільність використання кільцевих і розгалужених газопроводів є одним із найбільш важливих при проектуванні газових мереж населених пунктів. У більшості випадків система газопостачання міських і сільських населених пунктів складається з сукупності кільцевих газових магістралей і тупикових мереж, що відходять від магістралей. Така схема газопостачання населених пунктів достатньо гнучка в керуванні, достатньо надійна, дає можливість при виникненні нештатних ситуацій здійснювати перерозподіл потоків газу на окремих ділянках газових мереж з урахуванням реальних потреб споживачів природного газу.

2 Фізико-хімічні та термодинамічні

ВЛАСТИВОСТІ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

Природний газ – це суміш вуглеводневих газів. Як правило, він містить такі компоненти:

• метан (СН₄);

• етан (С₂Н₆);

• пропан (С₃Н₈);

• бутан (С₄Н₁₀);

• пентан (С₅Н₁₂) та інші члени ряду насичених вуглеводневих газів.

Крім того, природний газ містить невелику частку азоту, вуглекислого газу і води.

Газ, який використовується для газопостачання, містить як основний компонент метан (90 % і більше).

Для опису стану природного газу в умовах газових мереж використаємо зручну і достатньо точну математичну модель – рівняння Клапейрона з уведенням поправки на реальність газу

, (2.1)

де - абсолютний тиск газу, - густина газу при тиску і температурі , - коефіцієнт стисливості (надстисливості) газу, - газова стала, - абсолютна температура газу.

Тиск – один з основних параметрів, які характеризують режим роботи газових мереж. Для характеристики стану газу використовують поняття абсолютного тиску

, (2.2)

де - надлишковий тиск газу, величина якого може бути виміряна манометром, - тиск, що створений земною атмосферою, вимірюється барометром.

За відсутності показів барометра слід приймати, що атмосферний тиск дорівнює нормативному значенню атмосферного тиску. Останній еквівалентний тиску, що створюється стовпчиком ртуті висотою 760 мм, і становить в SI

Па.

Одиницею вимірювання тиску в системі SI є паскаль

1 Па =1 Н/м².

Зручними у практичному застосуванні є десяткові кратні одиниці паскаля: кілопаскаль (кПа) і мегапаскаль (МПа)

1кПа= 10³ Па, 1МПа=10⁶ Па, 1 бар =10⁵ Па.

Широкого використання набули позасистемні одиниці вимірювання тиску:

технічна атмосфера

1 ат = 1кгс/см² = 9,8110⁴ Па;

умовний міліметр ртутного стовпчика

1 мм рт. ст. = 133, 3 Па;

умовний міліметр водяного стовпчика

1 мм вод.ст. = 9,81 Па.

Коефіцієнт стисливості газу враховує реальні властивості природного газу. Його значення менші одиниці. Умовно приймають, що коефіцієнт стисливості газу рівний одиниці за

нормальних і стандартних фізичних умов.

Нормальні фізичні умови – це температура 0 ^оС

(273,15 К) і тиск 101325 Па.

Стандартні фізичні умови - це температура 20 ^оС

(293,15 К) і тиск 101325 Па.

Коефіцієнт стисливості природного газу може бути визначений графоаналітичним або аналітичним методами.

При графоаналітичному методі для знаходження значення коефіцієнта стисливості природного газу використовується номограма, побудована за результатами експериментальних досліджень (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Номограма для визначення коефіцієнта

стисливості природного газу

Для визначення коефіцієнта стисливості газу попередньо обчислюються приведені тиск і температура газу в умовах газових мереж за формулами

, , (2.3)

де - абсолютний тиск і температура газу в газопроводі, - псевдокритичний тиск і псевдокритична температура природного газу;

, (2.4)

, (2.5)

де - критичний тиск - ого компонента природного газу, - критична температура - ого компонента природного газу, - об'ємна частка - ого компонента природного газу.

Аналітичний метод передбачає використання математичних моделей. Зручною і достатньо адекватною для умов газових мереж є формула В.К. Касперовича (параметри підставляються в одиницях SI)

, (2.6)

де - відносна густина газу за повітрям.

Масова витрата газу – це маса газу, що проходить через довільний переріз трубопроводу за одиницю часу. Об'ємна витрата газу - це об'єм газу, що проходить через довільний переріз трубопроводу за одиницю часу. Масова і об'ємна витрати газу зв'язані між собою через густину газу

. (2.7)

Із рівняння стану газу (2.1) випливає, що густина газу є функцією тиску і температури. Знаючи склад природного газу, легко можна визначити його густину за нормальних умов.

Знаходимо молекулярну масу природного газу за формулою

, (2.8)

де - молекулярна маса -ого компонента природного газу, довідкові величини.

Обчислюємо густину газу за нормальних умов

, (2.9)

де 22,41 – об’єм, який займає один кіломоль газу за нормальних умов.

Густину газу в умовах газових мереж при відомому абсолютному тиску і температурі можна знайти за формулою

. (2.10)

При проведенні гідравлічних розрахунків газових мереж часто використовують поняття відносної густини газу за повітрям

, (2.11)

де - густина повітря за нормальних умов

кг/м³.

Відносну густину природного газу за повітрям можна визначити також через відношення молекулярних мас газу і повітря

. (2.12)

Гідравлічні розрахунки газових мереж пов'язані з використанням поняття в'язкості газу. Динамічний і кінематичний коефіцієнти в'язкості газу зв'язані між собою таким чином

. (2.13)

В'язкість природного газу залежить від тиску і температури. Для діапазону тисків газу, що має місце в газових мережах, залежністю в'язкості газу від тиску можна знехтувати. Залежність динамічної в'язкості вуглеводнів від температури може бути описана формулою Сатерленда

, (2.14)

де - динамічна в'язкість компонента природного газу при температурі 0 ^оС, що відповідає нормальним фізичним умовам, - стала Сатерленда (див. таблицю 2.1).

Таблиця 2.1- Властивості компонентів природного газу

Вуглеводневий газ	Молекулярна маса, кг	Динамічна в'язкість при 0 оС, Пас	Стала Сатерленда, К	Нижча теплота згорання, кДж/м3
Метан	16,04	10,310-6	198	36760
Етан	30,07	8,4610-6	287	63650
Пропан	44,10	7,3610-6	324	91140
Н-бутан	58,12	6,2910-6	349	118530
Ізо-бутан	58,12	7,39106	377	118230
Н-пентан	72,15	6,9910-6	368	146180
Азот	28,01	16,5910-6	103	-
Вуглекислий газ	44,01	13,810-6	274	-

В'язкість газових сумішей не є адитивною властивістю. Однак, при проведенні розрахунків газових мереж з достатньою для практичних потреб точністю можна користуватися такою наближеною залежністю

, (2.14)

де - динамічна в'язкість -ого компонента природного газу при розрахунковій температурі.

Кінематичний коефіцієнт в'язкості (кінематична в'язкість) природного газу може бути знайдений за формулою (2.13).

Одиниці динамічної в'язкості:

в SI 1 Пас = 1 Нс/м²,

у фізичній системі одиниць:

пуаз , 1 П = 1динас/см², сантипуаз, 1 сП = 0,01 П.

Зв’язок між одиницями динамічної в’язкості

1П =0,1 Пас.

Одиниці кінематичної в'язкості:

в SI 1м²/с;

у фізичній системі одиниць:

стокс, 1Ст = 1см²/с, сантистокс 1сСт = 0,01 Ст.

Зв'язок між одиницями кінематичної в’язкості такий

1 м²/с = 10⁴ Ст = 10⁶ сСт.

Теплотою згорання (теплотворною здатністю) називають кількість тепла, що виділяється при згоранні одиниці об'єму або маси природного газу. Розрізняють вищу і нижчу теплоту згорання. Різниця між ними дорівнює теплу, що тратиться на випаровування гігроскопічної води. В теплових розрахунках використовується нижча теплота згорання . Значення нижчої теплоти згорання для компонентів природного газу наведені у таблиці 2.1.