М.Д. Середюк, Л.Д. Пилипів, Ю.І. Зарубіна
ТЕХНОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ
ГАЗОВИХ МЕРЕЖ НАСЕЛЕНИХ ПУНКТІВ
Навчальний посібник для студентів спеціальності
„Газонафтопроводи та газонафтосховища”
Рекомендовано до друку рішенням вченої Ради
Івано-Франківського національного технічного університету
нафти і газу від 25 лютого 2004 р. (протокол № 1/412)
Івано-Франківськ
2004
УДК 622.691.4.
М.Д. Середюк, Л.Д. Пилипів, Ю.І. Зарубіна
Технологічні розрахунки газових мереж населених пунктів: Навч.
посібник. – Івано-Франківськ: Факел, 2004. - 183 с. з іл.
ISBN 966-694-021-3
Навчальний посібник містить теоретичні основи та інженерні методи технологічного проектування та експлуатації газових мереж населених пунктів.
Запропоновані обчислювальні алгоритми та програмне забезпечення для виконання проектних та експлуатаційних розрахунків газових мереж кільцевої та розгалуженої структури високого, середнього та низького тиску. Розглянуті особливості гідравлічного розрахунку внутрішніх газових мереж низького тиску, що прокладаються усередині житлових будівель.
Наведені методи технологічного проектування одноступеневих систем газопостачання населених пунктів з використанням будинкових регуляторів тиску. Запропоновані методики визначення пропускної здатності діючих газових мереж складної геометричної структури.
Навчальний посібник призначений для студентів та слухачів інституту післядипломної освіти спеціальності "Газонафтопроводи та газонафтосховища" при вивченні дисциплін "Газові мережі і газосховища", "Проектування та експлуатація газових мереж", "Обладнання систем газопостачання населених пунктів" і "Прогресивні методи зберігання та розподілу газу”. Він може бути корисним також фахівцям, що здійснюють проектування та експлуатацію систем газопостачання населених пунктів.
ISBN 966-694-021-3
© М.Д. Середюк, Л.Д. Пилипів, Ю.І. Зарубіна
Дане видання – власність ІФНТУНГ
Забороняється розповсюджувати та тиражувати
УДК 622.691.4.
М.Д. Середюк, Л.Д. Пилипів, Ю.І. Зарубіна
Технологічні розрахунки газових мереж населених пунктів: Навч.
посібник. – Івано-Франківськ: Факел, 2004. - 183 с. з іл.
ISBN 966-694-021-3
Навчальний посібник містить теоретичні основи та інженерні методи технологічного проектування та експлуатації газових мереж населених пунктів.
Запропоновані обчислювальні алгоритми та програмне забезпечення для виконання проектних та експлуатаційних розрахунків газових мереж кільцевої та розгалуженої структури високого, середнього та низького тиску. Розглянуті особливості гідравлічного розрахунку внутрішніх газових мереж низького тиску, що прокладаються усередині житлових будівель.
Наведені методи технологічного проектування одноступеневих систем газопостачання населених пунктів з використанням будинкових регуляторів тиску. Запропоновані методики визначення пропускної здатності діючих газових мереж складної геометричної структури.
Навчальний посібник призначений для студентів спеціальності "Газонафтопроводи та газонафтосховища" при вивченні дисциплін "Газові мережі і газосховища", "Проектування та експлуатація газових мереж", "Обладнання систем газопостачання населених пунктів" і "Прогресивні методи зберігання та розподілу газу”. Він може бути корисним також фахівцям, що здійснюють проектування та експлуатацію систем газопостачання населених пунктів.
Рецензент зав. кафедри спорудження і ремонту
газонафтопроводів та газонафтосховищ
докт. техн. наук, професор В.Я. Грудз
Голова навчально-методичного об’єднання спеціальності
„Газонафтопроводи та газофтосховища” М.Д. Середюк
Зав. кафедри транспорту і зберігання нафти і газу М.Д. Середюк
Нормоконтролер О.Г. Гургула
Коректор Н.Ф. Будуйкевич
Дане видання – власність ІФНТУНГ
Забороняється розповсюджувати та тиражувати
ЗМІСТ
ВСТУП......................................................................................8
1 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗРАХУНКУ ГАЗОВИХ
МЕРЕЖ.................................................................................10
Фізико-хімічні та термодинамічні властивості
природного газу.............................................................10
Базова система рівнянь для гідравлічного
розрахунку газових мереж...........................................15
1.3 Основна формула для гідравлічного розрахунку
газових мереж високого і середнього тиску..............17
1.4 Узагальнена формула для гідравлічного розрахунку
газових мереж низького тиску....................................20
Розрахункові витрати газу у газових мережах
низького тиску..............................................................22
2 ВИМОГИ НОРМАТИВНИХ ДОКУМЕНТІВ ЩОДО
ГІДРАВЛІЧНОГО РОЗРАХУНКУ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ.26
3 РОЗРАХУНОК КІЛЬЦЕВИХ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ
НИЗЬКОГО ТИСКУ БЕЗ ЗАСТОСУВАННЯ
НОМОГРАМ........................................................................32
3.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....33
3.2 Алгоритм проектного розрахунку кільцевої газової
мережі низького тиску...................................................33
Характеристика програми............................................40
Приклад розрахунку за програмою GMN1.................42
4 РОЗРАХУНОК КІЛЬЦЕВИХ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ
НИЗЬКОГО ТИСКУ ПРИ ВІДОМИХ ДІАМЕТРАХ
ГАЗОПРОВОДІВ.................................................................49
4.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....49
4.2 Алгоритм гідравлічного розрахунку кільцевої
газової мережі низького тиску при відомих
діаметрах..........................................................................50
4.3 Характеристика програми..............................................51
5 РОЗРАХУНОК РОЗГАЛУЖЕНИХ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ
НИЗЬКОГО ТИСКУ БЕЗ ЗАСТОСУВАННЯ
НОМОГРАМ........................................................................53
5.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....53
5.2 Алгоритм проектного розрахунку розгалуженої
газової мережі низького тиску......................................54
5.3 Характеристика програми............................................58
5.4 Приклад розрахунку за програмою GMN3..................59
6 РОЗРАХУНОК РОЗГАЛУЖЕНИХ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ
НИЗЬКОГО ТИСКУ ПРИ ВІДОМИХ ДІАМЕТРАХ
ГАЗОПРОВОДІВ.................................................................64
6.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....64
6.2 Алгоритм розрахунку розгалуженої газової мережі
низького тиску при відомих діаметрах ділянок..........65
6.3 Характеристика програми............................................66
7 РОЗРАХУНОК ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ЖИТЛОВИХ
БУДИНКІВ БЕЗ ЗАСТОСУВАННЯ НОМОГРАМ..........68
7.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....68
7.2 Алгоритм проектного розрахунку газових мереж
житлового будинку.........................................................69
7.3 Характеристика програми..............................................74
7.4 Приклад розрахунку за програмою GMN5...................75
8 РОЗРАХУНОК ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ЖИТЛОВИХ
БУДИНКІВ ПРИ ВІДОМИХ ДІАМЕТРАХ
ГАЗОПРОВОДІВ.................................................................82
8.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....82
8.2 Алгоритм розрахунку газових мереж житлового
будинку при відомих діаметрах ділянок......................83
8.3 Характеристика програми............................................84
9 РОЗРАХУНОК ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ВИСОКОГО І
СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ БЕЗ ЗАСТОСУВАННЯ
НОМОГРАМ.........................................................................86
9.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....86
9.2 Алгоритм проектного розрахунку розгалуженої
газової мережі високого і середнього тиску.................87
9.3 Характеристика програми.............................................90
9.4 Приклад проектного розрахунку розгалуженої
газової мережі середнього тиску за програмою
GMV1...............................................................................91
10 РОЗРАХУНОК ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ВИСОКОГО І
СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ ПРИ ВІДОМИХ ДІАМЕТРАХ
ГАЗОПРОВОДІВ.................................................................95
10.1 Постановка завдання і формування вхідних даних...95
10.2 Алгоритм розрахунку розгалуженої газової мережі
високого і середнього тиску при відомих діаметрах
газопроводів...................................................................96
10.3 Характеристика програми...........................................97
11РОЗРАХУНОК ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ВИСОКОГО І
СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ КІЛЬЦЕВОЇ СТРУКТУРИ.........99
11.1 Постановка завдання і формування вхідних даних....99
11.2 Алгоритм проектного розрахунку кільцевої газової
мережі високого і середнього тиску...........................100
11.3 Характеристика програми.........................................104
11.4 Приклад розрахунку за програмою GMVK...............106
12 ВИЗНАЧЕННЯ ПРОПУСКНОЇ ЗДАТНОСТІ
РОЗГАЛУЖЕНИХ ГАЗОВИХ МЕРЕЖ ВИСОКОГО
І СЕРЕДНЬОГО ТИСКУ...................................................109
12.1 Постановка завдання і формування вхідних даних...110
12.2 Алгоритм визначення пропускної здатності
розгалуженої газової мережі високого і середнього
тиску...............................................................................110
12.3 Характеристика програми............................................116
12.4 Приклад визначення пропускної здатності
розгалуженої газової мережі середнього тиску
за програмою GMVR....................................................118
ЛІТЕРАТУРА.......................................................................120
Додаток А Текст програми GMN1 для проектного
розрахунку газової мережі низького
тиску кільцевої структури.................................121
Додаток Б Результати проектного розрахунку газової
мережі низького тиску кільцевої структури
за програмою GMN1..........................................126
Додаток В Текст програми GMN2 для розрахунку
газової мережі низького тиску кільцевої
структури при відомих діаметрах......................129
Додаток Г Результати розрахунку газової мережі
низького тиску кільцевої структури при
відомих діаметрах газопроводів
за програмою GMN2..........................................134
Додаток Д Текст програми GMN3 для проектного
розрахунку газової мережі низького тиску
розгалуженої структури..................................137
Додаток Ж Результати проектного розрахунку газової
мережі низького тиску розгалуженої
структури за програмою GMN3......................140
Додаток К Текст програми GMN4 для розрахунку
газової мережі низького тиску
розгалуженої структури при відомих
діаметрах.............................................................142
Додаток Л Результати розрахунку газової мережі
низького тиску розгалуженої структури
при відомих діаметрах ділянок за
програмою GMN4..............................................144
Додаток М Текст програми GMN5 проектного
розрахунку внутрішніх газових мереж
житлового будинку..........................................146
Додаток Н Результати проектного розрахунку
внутрішніх газових мереж житлового
будинку за програмою GMN5..........................149
Додаток П Текст програми GMN6 для розрахунку
газових мереж житлового будинку при
відомих діаметрах ............................................152
Додаток Р Результати розрахунку внутрішніх газових
мереж житлового будинку при відомих
діаметрах за програмою GMN6..........................155
Додаток С Текст програми GMV1 для проектного
розрахунку розгалуженої газової мережі
високого і середнього тиску ............................158
Додаток Т Результати проектного розрахунку
розгалуженої газової мережі середнього
тиску за програмою GMV1...............................162
Додаток У Текст програми GMV2 для розрахунку
газової мережі високого і середнього
тиску при відомих діаметрах...........................164
Додаток Ф Результати розрахунку газової мережі
середнього тиску при відомих діаметрах
ділянок за програмою GMV2...........................167
Додаток Х Текст програми GMVK для проектного
розрахунку кільцевої газової мережі
високого або середнього тиску.......................169
Додаток Ц Результати розрахунку кільцевої газової
мережі середнього тиску за програмою
GMVK................................................................173
Додаток Ш Текст програми GMVR для визначення
пропускної здатності розгалуженої газової
мережі високого або середнього тиску.........176
Додаток Щ Результати розрахунку за програмою GMVR
розгалуженої газової мережі середнього
тиску.................................................................181
ВСТУП
Основною складовою частиною системи газопостачання населених пунктів є газові мережі. Це складна газодинамічна система, яка включає велику кількість елементів, що різняться за величиною робочого тиску геометричною структурою, місцем прокладання та функціональним призначенням.
Газопроводи залежно від тиску газу підрозділяються на газопроводи високого тиску І категорії (з робочим тиском від 0,6 до 1,2 МПа для природного газу), газопроводи високого тиску ІІ категорії (з робочим тиском від 0,3 до 0,6 МПа), газопроводи середнього тиску (з робочим тиском від 5000 Па до 0,3 МПа) і газопроводи низького тиску (з робочим тиском до 5000 Па).
За геометричною структурою газові мережі підрозділяються на кільцеві, розгалужені (тупикові) і комбіновані (поєднання кільцевих і розгалужених елементів).
За місцем розташування відносно будівель газові мережі підрозділяються на зовнішні і внутрішні газопроводи. Внутрішні газові мережі на відміну від зовнішніх прокладаються усередині будівель. Зовнішні газові мережі залежно від призначення підрозділяються на вуличні, внутрішньоквартальні, дворові, міжселищні тощо.
Гідравлічний розрахунок газових мереж як при проектуванні, так і при їх експлуатації ускладнений наявністю великої кількості газопроводів, складною конфігурацією трубопровідних систем, необхідністю врахування законів Кірхгофа при обчисленні параметрів кільцевих елементів мережі. Через наявність значної кількості ділянок для кожної газової мережі можна запропонувати не один, а множину технологічно можливих проектних варіантів, які здатні виконати функції газопостачання споживачів, але різняться значеннями діаметрів кожної ділянки системи.
Через складність і багатоваріантність, гідравлічні розрахунки газових мереж складної структури як при проектуванні, так і при експлуатації системи газопостачання неможливо виконувати без використання комп’ютерних технологій. А це вимагає розробки алгоритмів і відповідного програмного забезпечення.
Навчальний посібник пропонує пакет обчислювальних алгоритмів і програмного забезпечення для проведення проектних та експлуатаційних розрахунків газових мереж високого, середнього та низького тиску кільцевої та розгалуженої структури. Обчислювальні алгоритми базуються на розрахункових залежностях, які рекомендовані чинним нормативним документом ДБН В.2.5-20-2001 ГАЗОПОСТАЧАННЯ.
1 Теоретичні основи розрахунку
ГАЗОВИХ МЕРЕЖ
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
,
(1.1)
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
,
(1.2)
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 = 9,81104 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.
Аналітичний метод передбачає використання математичних моделей. Зручною і достатньо адекватною для умов газових мереж є формула В.К. Касперовича (параметри підставляються в одиницях SI)
,
(1.3)
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
.
(1.4)
Із рівняння стану газу (1.1) випливає, що густина газу є функцією тиску і температури. Знаючи склад природного газу, легко можна визначити його густину за нормальних умов.
Знаходимо молярну масу природного газу за формулою
,
(1.5)
де
-
молярна маса
-ого
компонента природного газу,
наводиться у довідниках
і таблиці 1.1.
Обчислюємо густину газу за нормальних умов
,
(1.6)
де 22,41 – число Авогадро: 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
.
(1.7)
При проведенні гідравлічних розрахунків газових мереж часто використовують поняття відносної густини газу за повітрям
,
(1.8)
де
-
густина
повітря за нормальних умов
кг/м3.
Відносну густину природного газу за повітрям можна визначити також через відношення молярних мас газу і повітря
.
(1.9)
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
.
(1.10)
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
,
(1.11)
де
- динамічна в'язкість компонента
природного газу при температурі 0 оС,
що відповідає нормальним фізичним
умовам,
- стала Сатерленда (див. таблицю 1.1).
Таблиця 1.1- Властивості компонентів природного газу
Вуглеводневий газ |
Молекулярна маса, кг |
Динамічна в'язкість при 0 оС, Пас |
Стала Сатерленда, К |
Нижча теплота згорання, кДж/м3 |
Метан |
16,04 |
10,310-6 |
198 |
36760 |
Етан |
30,07 |
8,4610-6 |
287 |
63650 |
Пропан |
44,10 |
7,3610-6 |
324 |
91140 |
Н-бутан |
58,12 |
6,2910-6 |
349 |
118530 |
Ізо-бутан |
58,12 |
7,39106 |
377 |
118230 |
Н-пентан |
72,15 |
6,9910-6 |
368 |
146180 |
Азот |
28,01 |
16,5910-6 |
103 |
- |
Вуглекислий газ |
44,01 |
13,810-6 |
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
,
(1.12)
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 (1.10).
Одиниці динамічної в'язкості:
в SI 1 Пас = 1 Нс/м2;
у фізичній системі одиниць:
пуаз , 1 П = 1динас/см2, сантипуаз, 1 сП = 0,01 П.
Зв’язок між одиницями динамічної в’язкості
1П =0,1 Пас.
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 витрачається
на випаровування гігроскопічної води.
В теплових розрахунках використовується
нижча теплота згорання
.
,
(1.13)
де
-
нижча теплота згорання і-
ого компонента
газу.
Значення нижчої теплоти згорання для компонентів природного газу наведені у таблиці 1.1.