Тема 5 Гидравлический расчет газовых сетей

При проектировании трубопроводов для транспортирования газа выбор типоразмеров труб осуществляется на основании их гидравлического расчета, цель которого - определение внутренних диаметров газопроводов для пропуска необходимого количества газа при допустимых для конкретных условий потерях давления или, наоборот, потери давления при транспорте необходимого количества газа по газопроводу заданного диаметра.

1. Основное уравнение гидравлического расчета газопроводов

При движении газа по трубам давление в сети падает и соответственно плотность газа уменьшается.

Для газопроводов низкого давления обычно считают, что по ним движется стационарно несжимаемая жидкость. В остальных случаях движение газа является нестационарным по следующим причинам:

1. переменный режим работы газовых промыслов;

2. переменный режим работы работы компрессорных станций;

3. переменный режим потребления газа.

Эти факторы обусловливают переменный режим давления в газопроводе и изменение количества газа в нем.

Для большинства задач расчета газовых сетей принято считать, что движение газа является изотермическим, а его температура равна температуре грунта, в котором проложен газопровод.

В таком случае параметрами, определяющими состояние газа будут:

- абсолютное давление газа р;

- плотность газа ρ;

- скорость движения газа ω.

Чтобы определить эти параметры, необходимо решить систему уравнений с 3-мя неизвестными:

1. Уравнение Дарси-Вейсбаха

, (1)

где - коэффициент трения или гидравлического сопротивления;

- бесконечно малое изменение р;

- бесконечно малое изменение длины газопровода;

- диаметр газопровода;

ρ – текущее значение плотности газа;

ω – текущее значение скорости газа;

- динамический напор.

2. Т.к. ρ – величина переменная, то и - величина переменная. Поэтому для учета изменения плотности в зависимости от давления используют уравнение состояния газа .

3. Уравнение неразрывности:

,

где М – массовый расход газа;

Q_o – объемный расход газа.

Из этого равенства получим:

.

Возведем в квадрат обе части уравнения:

;

(2)

Аналогично, для уравнения состояния газа: уравнения и разделим друг на друга

, (3)

Подставим уравнение (3) в уравнение (2) и получим

(4)

Подставим (4) в уравнение (1), при этом :

,

разделим переменные и получим

(5).

Проинтегрируем уравнение (5), считая λ и Т в следующих пределах от р_н до р_к; и от х₁=0 до х₂=l; где l- длина участка газопровода, и получим:

(6)

Это основное уравнение для гидравлического расчета сетей всех ступеней давления при условии предположения изотермического движения газа.

Для городских газопроводов температура газа близка к 0^оС, поэтому можно считать, что Т_о≈Т, тогда формула (6) примет вид:

(7).

Уравнение (7) используют при расчете распределительных сетей среднего и высокого давления. При давлении газа в газопроводе более 1,2 МПа, необходимо учитывать, что поведение природных газов отличается от идеальных газов. Для этого в уравнение (7) вводят эмпирический коэффициент сжимаемости z: ,тогда уравнение (6) примет вид:

(8)

Из уравнения (7) можно получить расчетную формулу для газопроводов низкого давления.

,

тогда

,

тогда

(9)

Это основное уравнение для расчета потерь давления в газопроводах низкого давления.

Существует два вида конструкторского расчета: поверочный и конструкторский.

При поверочном расчете проверяют пропускную способность рабочего участка трубопровода.

При конструкторском – проектируют новые системы газоснабжения, т.е. определяют расчетные расходы, диаметры и потери давления на участках сети.

В общем виде потери давления в трубопроводе можно определить по формуле:

,

где - потери давления на трение;

- потери давления на местные сопротивления;

- потери давления на геодезическую разность высот начала и конца участка газопровода.

Потери давления на трение численно выражаются коэффициентом трения . - это безразмерная величина, характеризующая режим движения газа вдоль стенок труб и трения между отдельными слоями газа и зависит:

- от режима движения газа;

- материала трубы;

- состояния внутренней поверхности труб;

- Ø трубы;

- скорости движения газа;

- плотности газа;

- способа изготовления труб и их соединения;

- способа и качества монтажа и эксплуатации газопроводов.

В зависимости от режима движения газа (т.е. от числа Re) коэффициент трения приобретает следующие значения:

1) при ламинарном режиме Re<2000

2) для критического режима 2000<Re<4000

3) для турбулентного режима Re>4000 ,

где к_экв – коэффициент абсолютной эквивалентной шероховатости.

Потери давления на местные сопротивления

,

где Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ω – скорость движения газа;

ρ – плотность газа.

Если отдельные участки газопровода имеют разные геодезические отметки, то в газопроводах низкого давления возникает дополнительное избыточное давление, величина которого пропорциональна разности плотностей воздуха и газа.

Тогда потери давления на геодезическую разность высот

,

где Н – геометрическая разность высот конца и начала участка. Если газопровод поднимается, то Н – положительно, если опускается – то Н отрицательно.

Потери на геодезическую разность высот учитывают при расчете газопроводов низкого давления при резко выраженном переменном рельефе мест6ности и при расчете внутридомовых и внутрицеховых газопроводов.

Так как формулы для газодинамического расчета газопроводов довольно сложны, вместо них пользуются номограммами, построенными по этим формулам.