4.2. Методи проектних та експлуатаційних розрахунків мереж газопостачання низького тиску

До мереж газопостачання низького тиску відносять газопроводи, в яких надлишковий тиск не перевищує 5000 Па. Для елементів систем газопостачання житлового сектора населених пунктів надлишковий тиск не перевищує 3000 Па. Тому максимальний абсолютний тиск в зазначених мережах газопостачання становить

Р_тах = 101325+3000=104325 Па

Це значення тиску газу дуже мало відрізняється від атмосферного тиску, що визначає особливості розрахунку та експлуатації мереж газопостачання низького тиску.

Мережі газопостачання низького тиску характеризуються невеликими втратами тиску по довжині, а отже, і незначними змінами густини газу. Тому при гідравлічному розрахунку мереж газопостачання низького тиску на відміну від газопроводів високого і середнього тиску густину газу можна вважати постійною величиною, рівною середньому значенню для умов транспортування.

Із рівняння нерозривності потоку газу випливає, що при відсутності шляхового відбору газу в мережах газопостачання низького тиску об'ємна витрата газу може бути прийнята сталою величиною:

із формули М = ρ = соnst при ρ = соnst маємо Q = соnst.

Звідси випливає, що з точки зору гідродинаміки режими роботи газопроводів низького тиску мають гідродинамічні аналогії з трубопроводами для перекачування нафти і нафтопродуктів.

Узагальнена формула для гідравлічного розрахунку мереж газопостачання низького тиску

Зовнішні мережі низького тиску (вуличні, внутрішньоква-ртальні, дворові газопроводи) - це складна система газопроводів, яка подає газ значній кількості споживачів, наприклад, житловим будинкам. Витрати газу споживачами приблизно однакові, споживачі розміщені на приблизно однакових відстанях. При виконанні зазначених трьох умов для розрахунку мереж газопостачання низького тиску може бути використана математична модель газопроводу з рівномірним і безперервним відбором газу по довжині.

Розрахункова схема газопроводу низького тиску за наявності шляхового відбору газу наведена на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 - Розрахункова схема газопроводу низького тиску

Газопровід має довжину L і постійний внутрішній діаметр D. Позначимо абсолютний тиск на початку газопроводу Р_п, у кінці газопроводу Р_к . По довжині газопроводу відбувається рівномірний і безперервний відбір газу споживачами, яких надалі будемо називати шляховими споживачами газу.

Вводимо поняття шляхової витрати газу Q_ш - це витрата

газу, яка відбирається розміщеними по довжині газопроводу шляховими споживачами газу. Питома шляхова витрата газу d - це витрата газу, яка відбирається шляховими споживачами на одиниці довжини газопрововоду,

(5.1)

Транзитна витрата газу Q_Т - це витрата газу, яка не використовується на даному газопроводі, а проходить по ньому транзитом для використання на дальше розміщених (за рухом газу) ділянках мережі газопостачання.

З врахуванням введених позначень об'ємну витрату газу в довільному перерізі газопроводу, розташованому на відстані х від його початку, можна визначити за формулою

(5.2)

Як вихідне рівняння використовуємо рівняння Бернуллі, записане для горизонтального газопроводу без врахування втрат енергії на зміну швидкості руху газу

(5.3)

Всі позначення параметрів наведені у розділі .

Виражаємо швидкість руху газу у довільному перерізі газопроводу

через об'ємну витрату газу з урахуванням формули (5.2)

(5.4)

Для коефіцієнта гідравлічного опору використаємо узагальнену математичну модель Лейбензона

(5.5)

де А, т - коефіцієнти математичної моделі, значення яких залежать від гідравлічного режиму руху газу в газопроводі.

Спільно розв'язуємо систему рівнянь (5.3)-(5.5). У результаті одержуємо розрахункову формулу для визначення втрат тиску від тертя в газопроводі низького тиску

(5.6)

Формулу (5.6) далі будемо називати узагальненою формулою для гідравлічного розрахунку мереж газопостачання низького тиску.

Формула (5.6) має такі часткові випадки:

для тупикової ділянки Q_T=0

(5.7)

за відсутності шляхового відбору газу Q_ш=0

(5.8)

Формулу (5.6), як і її часткові випадки (5.7) і (5.8), називають узагальненою, оскільки їх можна використовувати при різних режимах руху газу у трубопроводі. Щоб скористатись зазначеними формулами, необхідно попередньо визначити режим руху газу, вибрати відповідні значення коефіцієнтів режиму і підставити у розрахункові формули. Для ілюстрації розглянемо вісь чисел Рейнольдса (рисунок 5.2), під якою зобразимо нішу можливих режимів роботи газопроводів різного тиску та відповідні значення коефіцієнтів режиму руху газу А і т.

Рисунок 4.2. Схема для вибору коефіцієнтів А і m

в узагальненій формулі для розрахунку

мереж газопостачання низького тиску

Розрахункові витрати газу в мережі

газопостачання низького тиску

Із формули (5.3) видно, що за наявності рівномірного шляхового відбору газу витрата газу є змінною по довжині газопроводу, максимальною на початку і мінімальною в кінці трубопроводу. При виборі необхідного діаметра газопроводу виникає питання, яку витрату газу брати до уваги. Очевидно, що вибір діаметра газопроводу треба проводити за усередненим за певною методикою значенням витрати газу на ділянці.

Витрата газу, за якою визначається необхідний діаметр газопроводу, називається розрахунковою.

Розрахунковою витратою газу на ділянці газопроводу будемо називати таку еквівалентну, постійну по довжині трубопроводу витрату, яка спричинює втрати тиску газу, що дорівнюють втратам тиску для дійсної, змінної за величиною витрати газу (див. рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 - Схема для пояснення поняття розрахункової витрати газу для ділянки мережі низького тиску

Втрати тиску від тертя при розрахунковій постійній по довжині газопроводу витраті газу згідно з формулою

(5.9)

Втрати тиску від тертя при фактичній, змінній по довжині

газопроводу, витраті газу згідно з формулою (5.6)

(5.10)

Критерій переходу від фактичної до розрахункової витрати газу на

ділянці мережі газопостачання низького тиску

(5.11)

Спільне розв'язування рівнянь (5.9) - (5.11) дає таку формулу для розрахункової витрати газу на ділянці мережі низького тиску

(5.12)

Із формули (5.12) видно, що розрахункова витрата газу залежить від режиму руху газу (коефіцієнта режиму т і співвідношення транзитних і шляхових витрат газу на ділянці газопроводу.

Для ламінарного режиму руху газу маємо т = 1, з урахуванням цього формула (5.12) після математичних перетворень набуває вигляд

(5.13)

Результати досліджень свідчать, що при різних режимах руху газу та різних співвідношеннях транзитних і шляхових витрат газу на ділянці газопроводу коефіцієнт біля шляхової витрати у формулі (5.13) змінюється у вузьких межах від 0,5 до 0,58. Тому широко застосовуються такі наближені формули для визначення розрахункових витрат газу:

для турбулентного режиму руху газу

(5.14)

незалежно від режиму руху газу, на ділянці згідно з рекомендаціями

ДБН В. 2.5-20-2001

(5.15)

Математичні моделі (5.14) і (5.15) можуть бути використані в методиках гідравлічного розрахунку мереж газопостачання низького тиску.