Министерство образования Российской Федерации

Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И.Носова

Кафедра Теплотехнических и Энергетических систем

Расчет систем газо- и водоснабжения

Методические указания по курсовому проектированию по курсу

"Технологические энергоносители промышленных предприятий"

для студентов специальностей 140104

Магнитогорск

2008

Составители: Е.Б. Агапитов

Н.Г. Злоказова

В.Н. Михайловский

М.М.Ерофеев

М.А.Покатаева

Расчет систем газо- и водоснабжения: Методические указания по курсовому проектированию по курсу «Технологические энергоносители промышленных предприятий» для студентов специальностей 140104. Магнитогорск, МГТУ, 2008.

Рецензент

© Е.Б.Агапитов, Н.Г.Злоказова, В.Н.Михайловский, М.М.Ерофеев, М.А.Покатаева, 2008

Введение

Проектирование распределительных систем газоснабжения является одной из составляющих деятельности инженера-энергетика. Рост потребления газа в городах и масштабность распределительных систем ставят перед инженером новые задачи, связанные с развитием и реконструкцией сетей, повышением надежности газоснабжения, поиску экономичных вариантов транспортировки газа.

Кольцевые сети обладают повышенной надежностью и применяются для снабжения наиболее ответственных потребителей. Газовые сети высокого (среднего) давления являются верхним иерархическим уровнем городской системы газоснабжения. Для средних и больших городов их проектируют кольцевыми, и только для малых городов они могут выполняться в виде разветвленных тупиковых сетей.

Газовые сети состоят из участков, по которым движется газ, и узлов, в которых соединяются участки и к которым присоединяют ответвления к потребителям. Геометрические фигуры, состоящие из ребер и вершин (когда каждому ребру соответствуют две вершины, являющиеся концами этих ребер) называются графами. Цепочка последовательно соединенных ребер, в которой каждую вершину (узел) при движении по направлению потока проходят один размазывается путем. Путь, у которого начальная и конечная вершины совпадают, образуют контур или цикл.

Тупиковая разветвленная газовая сеть представляет собой дерево. Кольцевая сеть представляет собой граф, состоящий только из циклов и не имеющих тупиковых ответвлений. Большинство газовых сетей представляет собой смешанный граф, состоящий из замкнутых контуров и тупиковых ответвлений. Кольцевую сеть можно трансформировать в дерево (разветвленную сеть) путем исключения из каждого цикла замыкающего участка – этот прием используется в гидравлических расчетах колец. Обычно для сетей задано начальное давление Р_n у точки питания и P_k у потребителя.

Задача гидравлического расчета разветвленной сети, у которой транзитные расходы определены однозначно (следовательно, известны расчетные расходы для всех участков), заключается в нахождении диаметра трубопровода на участке d_i и потерь давления на участке ΔР_i.

При расчете кольцевой сети можно наметить бесчисленное множество вариантов потокораспределения, т.к. ветви кольцевой сети включены параллельно, поэтому, в общем случае у кольцевой сети неизвестными будут диаметры d_i на участках, перепады давления на них ΔР_i и расчетные расходы Q_i . Поиск неизвестных проводят на основании решения системы уравнений, составленных на основании двух законов Кирхгофа для кольцевых сетей:

1. Алгебраическая сумма всех потоков газа Q_ij, сходящихся в узле, включая узловые расходы Q_j, равна нулю.

Потокам, подходящим к узлу, присваивается знак плюс, а выходящим – знак минус.

2. Алгебраическая сумма всех перепадов давлений в замкнутом контуре равна нулю при условии, если в этом контуре нет нагнетателей. Перепады давления на участках, где газ движется по часовой стрелке, принимаются положительными, а на участках с направлением движения против часовой стрелки – отрицательными. Второй закон дает число уравнений типа - равное числу элементарных колец.

Городские газовые сети рассчитывают на заданный перепад давлений, и это условие дает дополнительные уравнения типа:

где ΔРp – расчетный перепад давлений,

ΔPi – сумма потерь давления от точки 1 до концевой точки k.

Число таких уравнений равно числу точек встречи потоков. Оптимизацию сети проводят по оценке материальной характеристики – величины, пропорциональной расходу металла на сеть.

где р – число участков сети;

d_i, l_i - диаметры и длины участков.

На первом этапе гидравлического расчета проводят предварительное распределение потоков газа с соблюдением первого закона Кирхгофа и подбирают диаметры всех участков газопроводов. После подбора диаметров второй закон Кирхгофа для большинства колец оказывается неудовлетворительным.

Для независимых контуров составляется система уравнений относительно потерь давления в контуре, при этом:

для сети низкого давления

для сети высокого и среднего давления

здесь индексы «n», «k»относятся к началу и концу участка по ходу газа.

Для решения задачи используют метод циркуляционных (или контурных) расходов, когда в каждый независимый контур вводится циркуляционный расход ΔQk, в результате чего удовлетворяется второй закон Кирхгофа.

Для расчета величины ΔQk используют известную формулу Лобачева-Кросса. После введения циркуляционных расходов вычисляют " невязки" в кольцах и величины относительных ошибок, характеризующие" степень" невыполнения второго закона.

- для сети высокого давления

- для сети низкого давления

Если полученные ошибки оказываются меньше заданной точности (обычно 10%) – расчет потокораспределения считают законченным. Если ошибки оказываются больше допустимой – расчет повторяют снова.

Наиболее доступно метод гидравлического расчета кольцевых сетей изложен в работе А.А. Ионина [1]. Примеры расчетов сетей с учетом небольших методических дополнений предлагаются в данном методическом указании. В приложении приведены различные варианты заданий для расчетов и необходимые для расчетов номограммы. В дополнение к гидравлическому расчету газовых сетей приведен пример расчета надежности газоснабжения кольцевой газовой сети.

В основе расчета лежит оценка показателя надежности сети Rсети(t) как функции от принятого по заданию временного отрезка. Если в результате расчета окажется, что величина Rсети (t) получилась менее 0,95, то проектанту необходимо разработать мероприятия, к которым относят: резервирование, байпассирование и дублирование, позволяющие повысить надежность сети, после чего уточняют оценку надежности.

1. ПРИМЕР РАСЧЕТА КОЛЬЦЕВОГО ГАЗОПРОВОДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Плотность населения 550 чел/га. Рис 1. Удельный расход газа q=0,09м³(ч*чел). Сосредо­точенных нагрузок нет. Длины сторон колец, и площади застройки жилых кварталов приве­дены на рис. 1. Для газоснабжения используют природный газ. Расчетный перепад давле­ния в сети Δр_с =1000 Па.

1.1.ПЕРВЫЙ ЭТАП РАСЧЕТА

1. Расчет начинаем с определения удельных путевых расходов для всех участков сети, для чего:

а) разбиваем всю газоснабжаемую территорию на зоны, которые питаются от определенных контуров;

б) рассчитываем максимальные часовые расходы для каждой такой зоны, перемножая площадь зоны, плотность населения и удельный расход газа на одного человека;

в) подсчитываем суммарную длину питающего контура;

г) определяем удельные расходы для всех контуров, разделив максимальные часовые расходы газа в зонах на суммарную длину питающих контуров.

Все расчеты сводим в табл. 1.

2. Задаем начальное распределение потоков газа в сети. Схема газопроводов показана на рис. 2 . Первоначально назначаем направления движения газа от точки питания 12 по газопроводам к периферии кратчайшим путем. В результате получаются четыре концевых точки схода потоков: 3, 7, 14, 16 и пять концевых точек тупиковых ответвлений: 1, 5, 9, 17, 18. Для повышения надежности сети, в частности для взаимного резервирования участков выделяем из нее два основных контура.

Контур III (12-13-8-7-6-10-11-12) и контур II (12-11-15-16-13-12). Третий контур при­соединен к точке питания и несет основную нагрузку, так как питает контур IV и тупиковые ответвления. Контур II также присоединен к точке питания сети, но несет меньшую нагрузку, о чем можно судить по путевым расходам. В своих регионах эти контуры будут представ­лять резервированную часть кольцевой сети, обладающую дополнительной пропускной спо­собностью для обеспечения подачи газа в аварийные зоны.

Таблица 1

Удельные путевые расходы для питающих контуров сети

Номер Контура (из схемы)	Газоснабжаемые зоны			Длина питающего контура, м (l из схемы)	Удельный путевой рас­ход, м3/ч м (ρ=Q/l)
	Размер, га (из схемы)	Численность населения, чел.	Расход газа, м3/ч (Q=числ.нас*0,09)
1	9.8	5390	485	1445	0.336
2	5.7	3135	282	1145	0.246
3	11	6050	544	1525	0.357
4	6.5	3575	322	1225	0.263
А	1.5	825	74	400	0.186
В	2.3	1265	114	500	0.228
С	3.5	1925	173	605	0.288
Итого	40.3	22165	1994	-	-

Рис. 1. Схема газоподачи кольцевой сети

Рис. 2. Расчетная схема сети низкого давления

Соответственно выбранному основному кольцу принимаем следующие главные на­правления; 12-11-10-6-2-3 и 12-13-8-4-3. Желательно, чтобы они несли примерно одинако­вые нагрузки. Для этого точки встречи потоков 3 и 7 смещены в сторону направления 12-11-...-3. Выбором расположения точек 3 и 7 решается вопрос распределения транзитных расхо­дов в кольцах III и IV. При принятом направлении потоков колец I и II точки встречи будут 14 и 16 , и транзитные потоки кольца II распределяются однозначно. Для кольца I главные направления: 12-11-15-16-18 и 12-13-16-18. Транзитный поток к участку 16-18 передаем на участок 13-16, так как он менее загружен, чем соответствующий ему (геометрически) уча­сток 11-15. Рассмотренный вариант выбора направления движения потоков газа и распреде­ления транзитных расходов учитывает (качественно) вопросы резервирования в кольцевой сети.

Вычисляем путевые расходы для всех участков сети (сосредоточенных расходов сеть не имеет). Все расчеты сводим в табл. 2. Сначала проставляем номера и длины участков, далее удельные путевые расходы (из табл.1), а затем путевые расходы для всех участков. Последовательность проставления нумерации участков в табл.2, принята такая: от концевых точек против движения газа в трубопроводе, вдоль выбранных главных направлений в таком порядке, в каком предполагается определять расчетные расходы. При этом следует учиты­вать, что расходы для всех выходящих из данного узла участков должны быть известны, тогда можно определить расход на участке, который доставляет газ в этот узел.

Если хотя бы для одного выходящего из узла участка расход газа неизвестен, тогда это направление следует временно оставить и рассматривать другое направление, из которо­го можно определить этот неизвестный расход.

Принятая схема и расположение точек встречи потоков позволяет сразу рассчитать все расходы для участков колец IV и III кроме участков, которые граничат с кольцами II и I. Для участков от 2-1 до 11-10 расходы были определены по схеме. Для участка 11-10 расход можно найти, зная расходы на участках кольца II. Поэтому дальнейший расчет ведем по уча­сткам 4-3, 8-4, 8-7, 13-8. Далее рассматриваем участки 10-14, 11-10, 15-14, 15-17 и 15-16 (как отмечалось выше на него транзит не перекладываем). В результате заканчиваем расчет по­тока газа, выходящего из ГРП по участку 12-11. Для оставшихся участков расходы известны, в итоге определяем расход для второго головного участка 12-13. Определим расход газа, выходящего из ГРП:

участок 12-11 35+1127.1=1162.1

участок 12-13 173+596.7=769.7

Итого 1931.8

Потребление газа составляет 1944 м³ /ч, что отличается от полученного значения на 2,6 %. Считаем такую точность приемлемой.

3. Производим подбор диаметров для всех участков. Потери на местные сопротивле­ния принимаем равными 10 % линейных, тогда допустимые потери давления на трение со­ставят:

Δрт=1000/1,1=910 Па.

Поскольку пути движения газа до концевых точек и точек встречи потоков весьма различны, поэтому принимаем разные удельные потери давления Δрт/1 для разных направлений.

Рассмотрим основные направления:

1) 12-11-10-6-2-1;

50+200+300+200+100-850;

12-13-8-4-3, ∑l= 1060;

12-11-15-16-18,11-895;

12-11-10-14, ∑l=600;

Δрт/l=910/850=1,07МПа/м; Δрт/l=...=0.86Па/м;

Δрт/l=...=1.02Па/м; Δрт/l=...=1.52Па/м.

Сравнение удельных потерь давления показывает их различие (например: 1.52/0.86=1.78). Учитывая изложенное, производим корректировку Δрт/l. Сперва подбираем диаметры основных участков. Для оставшихся участков корректируем Δрт/l и подбираем диаметры. Целесообразно, по ходу расчета, оценивать возможные невязки в кольцах и учи­тывать их при назначении диаметров. Следует отметить, что чем точнее будет осуществлен предварительный подбор диаметров кольцевой сети, тем меньше труда будет затрачено на увязку сети и дальнейшие расчеты. Диаметры стремятся подобрать так, чтобы выполнить второй закон Кирхгофа, т.е. чтобы на предварительном этапе расчета потери давления по правой и левой ветви каждого кольца были приблизительно равны.

На основании полученных расчетных расходов и изложенных подсчетов возможных удельных потерь давления были подобраны диаметры для всех участков кольцевой сети. Результаты расчетов приведены в табл.3. При гидравлическом расчете использовались но­мограммы на рис.3.

После предварительного распределения расходов определяем ошибки в кольцах, характеризующие степень невыполнения второго закона Кирхгофа.

δIII=37.5*100/0.5*1725.5=4.3% δIV=39.5*100/0.5*1754.5=5%

δI=77.7*100/0.5*1692.3=9.2% δII=-40.2*100/0.5*1940.3=4.1%

В результате расчета ошибка в кольцах не превысила 10%, (т. е. максимальную по СНиПу), поэтому дальнейшую увязку можно не производить. Однако имея в виду методи­ческую сторону, ниже будет приведена гидравлическая увязка колец, что значительно повы­сит точность расчета.