- •Министерство образования и науки Республики Казахстан
- •© Казахский национальный технический университет имени к.И.Сатпаева, 2012
- •1.5 Краткое описание дисциплины:
- •1.6 Список, виды заданий и сроки их выполнения:
- •1.7 Список литературы.
- •1.8 Контроль и оценка знаний. Распределение рейтинговых баллов по видам контроля
- •Календарный график сдачи всех видов контроля по дисциплине «Магистральные газопроводы»
- •Оценка знаний студентов
- •2 Содержание Активного раздаточного материала
- •2.1. Тематический план курса
- •2.2 Конспект лекционных занятий Тема лекции 1. Краткий обзор по теме транспортировки природных газов.
- •Тема лекции 2. Физико-химические свойства природных газов. Расчет газовой смеси.
- •Тема лекции 3. Состав сооружений магистральных газопроводов. Компрессорные станции. Основные понятия
- •Тема лекции 4. Основные формулы гидравлического и практического расчетов магистрального газопровода.
- •Тема лекции 5. Технологическая задача магистрального газопровода.
- •Тема лекции 6. Методы увеличения пропускной способности газопровода. Учет разности нивелирных высот между начальным и конечным пунктами газопровода.
- •Тема лекции 7. Расчет режима работы компрессорных станций. Совместная работа газопровода и компрессорных станций
- •Тема лекции 8. Расчет сложных газопроводов.
- •2.3 Планы практических занятий
- •1. Краткий обзор по теме транспортировки природных газов (2 часов).
- •2. Физико-химические свойства природных газов (2 часов).
- •3. Расчет газовой смеси (2 часов).
- •4. Состав сооружений магистральных газопроводов (2 часов).
- •5. Компрессорные станции. Основные понятия (2 часов).
- •6. Основные формулы гидравлического расчета магистрального газопровода (2 часов).
- •7. Формулы практического расчета магистрального газопровода
- •8. Выбор оптимальных параметров магистрального газопровода
- •9. Технологическая задача магистрального газопровода (2 часов).
- •10. Методы увеличения пропускной способности газопровода
- •11. Учет разности нивелирных высот между начальным и конечным пунктами газопровода (2 часов).
- •12. Расчет режима работы компрессорных станций (2 часов).
- •13. Совместная работа газопровода и компрессорных станций
- •14. Расчет сложных газопроводов (2 часов).
- •15. Расчет газопровода постоянного диаметра с путевыми отборами и подкачками газа (2 часов).
- •2.6 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов (срс)
- •2.8 Тестовые задания для самоконтроля.
- •Варианты правильных ответов
- •2.9 Перечень экзаменационных вопросов по пройденному курсу
- •Глоссарий.
Тема лекции 4. Основные формулы гидравлического и практического расчетов магистрального газопровода.
Пусть в расстояниях L друг от друга по газопроводу располагается КС, а в начале и в конце этого перегона L давления газа рн и рк. Тогда массовый расход газа определяется из системы уравнений, включающие уравнение газодинамики, уравнение неразрывности течения и уравнение состояния газа. Этот массовый расход равен:
. (39)
Эта формула называется формулой, или уравнениям расхода. Здесь D – внутренний диаметр трубы газопровода, R- постоянная газовой смеси, Tср- средняя интегральная температуры перегона L, z – сжимаемость газа, она определяется через средние температуры и давлении на перегоне. Для нахождения средней температуры из (13)-формулы определяет закон распределения давлений по газопроводу:
. (40)
Среднее давление определяется из интеграла:
. (41)
Для определения закона распределения температур по газопроводу составляет для элементарного участка трубы уравнение баланса теплоты. Ее решение дает искомый закон распределения температуры:
, (42)
здесь - начальная температура газа после КС,- температура окружающей среды газопровода,Шу - параметр Шухова:
, (43)
D – внутренний диаметр газопровода, с- удельная (массовая) теплоемкость газа при постоянном давлении, k- коэффициент теплопередачи от газа в окружающую среду (ориентировочно можно принимать, что для грунта из сухого песка, k=1,2; для влажного песка, k=3,5; для сыроватой глины, k=1,6; при отсутствии информации о грунте, k=1,75 Вт/(м2·К)), Di- коэффициент Джоуля-Томсона (для природных газов Di =3÷3,5 К/МПа). Температура газа после его выхода из КС в конце перегона в результате теплопередачи и эффектаДжоуля-Томсона (когда реальный газ расширяется, его температура падает, а при сжатии - повышается) падает до температуры окружающей среды (даже ниже ее на 3-5К). Тогда средняя температура находится проинтегрированием выражения (42):
. (44)
В практике параметр Шухова обычно определяет через суточный коммерческий расход (практическая формула):
; (45)
здесь использованы практические единицы измерения: [Qсут] = млн.м3 /сут, [L]=км, [D] =мм.
Количество газа (коммерческий объем) в трубопроводе в случае остановки перекачки по различным причинам, находится по средней температуре и среднему давлению:
. (46)
Формула расхода (39) запишем чуть по-другому:
. (47)
Эта формула называется формулой падения квадрата давления на газопроводах. Из (39)-формулы расхода можно получить формулу коммерческого расхода:
, (48)
или м2·с·К0,5/кг; здесь - постоянная воздуха.
В практических расчетах формулу коммерческого расхода запишет в других единицах измерения:
, (49)
здесь [Qсут]= млн.м3 /сут, [Р]= МПа, [L]=км, [D] =мм. λ- коэффициент гидравлического сопротивления при учете местных сопротивлений, λ=(1,02÷1,05)·λтр, обычно принимает λ=1,035·λтр. λтр - коэффициент гидравлического сопротивления от трения, он зависит от режима течения. Средняя скорость течений газа равна: . Эта скорость определяет числа Рейнольдса:
, (50)
где ν – кинематическая вязкость газа, она связана с динамической вязкостью (ν=μ /ρ). μ мало изменяется по газопроводу (она почти не зависит от давления), следовательно, число Рейнольдса также постоянно по всей длине перегона. Для практических расчетов ([Qсут]= млн.м3 /час, [D] =мм; практическая формула) :
. (51)
При прохождении газа по газопроводу в турбулентном режиме давление газа уменьшается в основном по двум причинам: разные слои потока движутся с неодинаковыми скоростями и шероховатость стенки трубы мешает движению потока. Эти две причины определяет режим турбулентного течения и делит ее на 3 зоны. 1-зона есть зона гидравлически гладких труб (сопротивления из-за 1-причины), 2-зона есть зона смешанного трения (на сопротивления влияют обе причины) и 3-зона – зона квадратичного закона трения (сопротивления из-за 2-причины). Во всех этих 3-х зонах справедлива универсальная формула для коэффициента гидравлического сопротивления от трения, предложенная ВНИИГазом:
. (52)
здесь kэ-шероховатость внутренней стенки трубы (по данным ВНИИГаз для новых труб kэ = 0,03мм). В магистральных газопроводах течение газа происходит в основном в 2 и 3 - зонах. Для 3- зоны (52)-выражение переходит к следующему виду:
. (53)
Граница 2 и 3 -зоны определяется переходным числом Рейнольдса:
. (54)
если Re<Reпер, то течение - во 2 - зоне, а при Re≥ Reпер, течение - во 3- зоне. Используя (29), можно найти переходное значение суточного коммерческого расхода (Qсут=Qпер), соответствующего значению переходного числа Рейнольдса (практическая формула):
, (55)
или для значения kэ = 0,03мм
, (56)
здесь [D]=[ kэ]=мм. если Qсут <Qпер то течение - во 2 - зоне, а при Qсут ≥ Qпер течение - в 3- зоне. Для 3-зоны при помощи (51)-го выражения формулу коммерческого расхода можно записать таким образом:
, (57)
или для значения kэ = 0,03мм
. (58)
В практических расчетах вводится поправочные коэффициенты и коммерческий расход находится следующим способом:
, (59)
если Qсут <Qпер (течение во 2 зоне),
если Qсут ≥ Qпер (течение в 3 зоне).
Коэффициент φ учитывает влияние подкладных колец (если кольца нет, то φ=1, для труб длиной 12м - φ=0,975, 6м - φ=0,95). Коэффициент Е зависит от состояния внутренней стенки трубы в исходный момент и находится экспериментальным путем. Сначала при помощи известных параметров при помощи (59) определяется значение Qсут, затем экспериментальны путем находит значение действительной суточной пропускной способности Qсут =Qф сут. Тогда
. (60)
При помощи выражения (59) можно провести несколько расчетов. Для нахождения значения Qсут, когда заранее неизвестен режим течения, ее находит при предположении, что режим течения - в 3-зоне. Затем перепроверяет режим течения, и если он не находится в 3-зоне, то еще раз определяет Qсут. Давление в конце участка между смежными КС сразу находится из выражения (59):
, (61)
Расстояние между смежными КС (длина участка, или перегона) найдем из (59) в виде:
. (62)
Здесь рн и рк - давления на выходе и на входе КС. На конце перегоне последнего участка нет КС. Поэтому в качестве рк для последнего участка берется входное давление перед конечным пунктом газопровода (или перед ГРС). Это давление зависит от спроса потребителей (не больше 1,2МПа). Обычно потребление газа в течении сутки бывает неравномерной (ночью – мало, а днем - больше). Поэтому последний перегон газопровода используется как газоаккумилирующий участок. Аккумилирующая способность последнего участка газопровода определяется следующим образом:
. (63)
Здесь рн max и рк min – наибольшее и наименьшее значения давлений рн и рк в течении сутки, Lп – длина последнего участка. Длина последнего участка, соответствующей максимальному значению аккумулирующей способности, определяется формулой:
. (64)
То есть, в 2 раза меньше, чем найдена из (61). Расчетное число КС газопровода равно:
. (65)
Значение суточной пропускной способности в выражениях (61) и (62) во многих случаях находит через значения годовой пропускной способности Qгод:
, (66)
здесь kи= k1 k2 k3 - оценочный коэффициент пропускной способности газопровода, k1 – коэффициент повышенного спроса газа (k1=0,95), k2 – коэффициент экстремальных температур (k2=0,98), k3 – коэффициент надежности магистрального газопровода (зависит от его длины и диаметра, от оборудования на КС).
В некоторых расчетах используется другая практическая формула для расчета коммерческого расхода:
, (67)
Здесь коэффициент α учитывает отклонения режима течения от квадратического и находится при помощи номограммы (рис.4) α =α(D, Qсут).
Рис.4. Номограмма(рис.4)
α =α(D, Qсут)
Основная литература: 1 осн. [140-149, 171-179], 2 осн. [168-173], 3 осн. [151-164], 4 осн. [271-286], 5 осн. [24-34, 70-72]
4 осн. [271-282] , 5 осн. [24-34]
Дополнительная литература: 3 доп. [13-17]
Контрольные вопросы:
Как запишутся формулы гидравлического расчета газопровода?
Как запишутся
Как находится длина последнего участка КС и его аккумулирующая способность?