II.4.1 Гидравлический расчет кольцевых газовых сетей высокого давления

Газовые сети высокого давления являются верхним иерархическим уровнем городской системы газоснабжения. Для средних и больших городов их проектируют кольцевыми и только для маленьких городов они могут выполняться в виде разветвленных тупиковых сетей.

Все городские сети рассчитывают на заданный перепад давлений. Такой подход к расчету связан с тем, что в город газ поступает под определенным давлением и поддерживается не ниже заданной величины.

Расчетный перепад для сетей высокого давления определяют исходя из следующих соображений. Начальное давление принимают максимальным по СНиП для соответствующей категории газопровода. Конечное давление принимают таким, чтобы при максимальной нагрузке сети было обеспечено минимально допустимое давление газа перед горелками, с учетом перепада давлений в абонентском ответвлении при максимальной нагрузке и перепада в ГРП. В большинстве случаев перед ГРП достаточно иметь избыточное давление примерно 0,15-0,2МПа.

При расчете кольцевых сетей необходимо оставлять резерв давления для увеличения пропускной способности системы при аварийных гидравлических режимах. Принятый резерв следует проверять расчетом при возникновении наиболее неблагоприятных аварийных ситуаций. Такие режимы обычно возникают при выключении головных участков. Для многокольцевой сети неблагоприятных режимов, которые необходимо проверить расчетом, может быть несколько.

В виду кратковременности аварийных ситуаций следует допускать снижение качества системы при отказах ее элементов. Снижение качества оценивают коэффициентом обеспеченности К_об, который зависит от категории потребителей.

Сети высокого (среднего) давления являются управляемыми, так как к ним присоединяют ограниченное число крупных потребителей, режимом подачи газа которых управляет диспетчерская служба.

Следствием управляемости сети является и особая постановка задачи расчета гидравлического режима заключающегося в том, что не только в расчетном режиме, но и в аварийных ситуациях узловые расходы газа являются заданными. Это положение позволяет вести расчет аварийных режимов теми же методами какими определяют диаметр газопроводов при расчетном режиме. Отличие состоит лишь в том, что меняется геометрия сети- выключают один или несколько элементов и уменьшают узловые нагрузки в соответствии с принятым К_об. Возможное уменьшение подачи газа ограничено нижним пределом, который устанавливают из соображений минимально допустимого давления газа перед приборами. Это минимальное давление определяется минимальной нагрузкой которую принимают равной 50% расчетного значения.

Половину нормы газообразного топлива будут получать примерно 20-30% потребителей. Причем такое снижение подачи топлива существенно не отразится на приготовлении пищи. В основном это будет отражаться на качестве горячего водоснабжения. Как показывают исследования при снижении давления после ГРП можно уменьшить максимальный расход примерно на 15-20%. Следовательно, для коммунально-бытовых потребителей, присоединенных к сети низкого давления, коэффициент обеспеченности можно принять равным 0,8-0,85. Учитывая кратковременность аварийных ситуаций и теплоаккумулирующую способность зданий, можно сократить подачу газа на отопительные цели. Коэффициент обеспеченности для отопительных котельных можно принять 0,7-0,75.

Коэффициент обеспеченности промышленных предприятий определяют из следующих соображений. Если предприятие имеет резервную систему снабжения топливом, то К_об=0. При ее отсутствии допустимое сокращение подачи газа зависит от сокращения подачи теплоты на отопительные цели. Для технологических нужд сокращать подачу газа не следует. Таким образом, коэффициент обеспеченности можно определить для всех сосредоточенных потребителей и на их основе рассчитать аварийные гидравлические режимы. После обоснования коэффициента обеспеченности для всех потребителей решают вторую задачу, т.е. определяют необходимый резерв пропускной способности сети.

Для однокольцевого газопровода аварийных режимов, подлежащих расчету, два: при выключении головных участков слева и справа от точки питания.

Так как при выключении головных участков однокольцевой газопровод превращается в тупиковый, то диаметр кольца можно определить из расчета аварийного гидравлического режима при лимитированном газоснабжении для тупиковой линии.

Рекомендуется следующий порядок расчета однокольцевой сети высокого (среднего) давления:

1. Производим предварительный расчет диаметра кольца по приближенным зависимостям:

, (II.3.17)

(II.3.18)

где -расчетный расход газа, м³/ч; - расчетные расходы газа потребителями, м³/ч; -коэффициент обеспеченности, для всех потребителей принят =0,7;-длина кольца, м.

2. Выполняем два варианта гидравлического расчета аварийных режимов при выключенных головных участках слева и справа от точки питания. Диаметры участков корректируем так, чтобы давление газа у последнего потребителя не понижалось ниже минимально допустимого значения. Для всех ответвлений рассчитываем диаметры газопроводов на полное использование перепада давлений с подачей им (Q_i∙k_об) газа.

3. Рассчитываем распределение потоков при нормальном режиме и определяем давление газа во всех узловых точках.

4. Проверяем диаметры ответвлений к сосредоточенным потребителям при расчетном гидравлическом режиме. При недостаточности диаметров увеличиваем их до необходимых размеров.

В нашем примере гидравлический расчет газовой сети выполнен для однокольцевого газопровода. В приложении 6 приведена расчетная схема газопроводов среднего давления для районов I, II.

Трассу кольцевого газопровода следует прокладывать таким образом, чтобы левая и правая ветвь кольца были загружены равномерно. Далее нумеруем все узлы. Стрелками указываем направление движения транзитных потоков газа.

Давление при выходе из ГРС-1 и ГРС-2 примем 0,7 МПа (абс.). Оно и будет в нашем случае давлением газа в начале сети, Рн. Конечное давление газа в конце сети примем Рк=0,4 МПа (абс.). Коэффициент обеспеченности для всех потребителей примем Коб=0,7.

Гидравлический расчет газовой сети высокого давления II категории для кольца представлен в таблице 22.

Определим предварительный диаметр кольца по расчетному расходу

г де Q_ав- расчетный расход газа в аварийном режиме, и удельному падению

квадрата давления по формуле:

Увеличивая длину кольца на 10% учитываем потери давления газа в местных сопротивлениях.

По номограмме (приложение 3) для определения потерь давления в газопроводах высокого (среднего) давления находим предварительный диаметр кольца Dк=426х9 мм.

Производим расчеты для двух аварийных режимов при выключении участков 1-2 и 1-34.

Первоначально считаем, что диаметры всех участков равны 426х9 и проверяем использование заданного перепада давления. При необходимости корректируем диаметры.

Расчеты для обоих вариантов сводим в таблицу 22.1, 22.2. Узловые расходы принимаем равными (k_обQ_Р=0,7Q_Р).

Давление, Па, в конце каждого участка рассчитываем по формуле:

(II.3.19)

В процессе гидравлического расчета выяснилось, что кольцо диаметром 426х9 мм на обеспечивает необходимого давления в концевых точках. Особенно это проявилось при выключении участка 1-2. Результаты данного расчета приведены в таблице 22.2.

Чтобы обеспечить необходимое минимальное давление в концевых узлах, увеличиваем диаметры участков ГРС-1, 1-34, 34-33, 33-32, 32-31, 31-30 на один калибр, т.е. до 530х7 мм. Смотри таблицу 22.3.

Далее рассчитываем диаметры ответвлений для аварийных режимов при подаче потребителям Q_ав =k_обQ_Р, м³/ч.

Сначала определяем давление газа в начале всех ответвлений как при отказе участка 1-34, так и при отказе участка 1-2. Из сравнения двух значений начальных давлений для каждого ответвления Р_н.от выбираем меньшее. Для этого давления и подбираем диаметр ответвления по номограмме при условии, чтобы давление в конце ответвления было не менее 400 кПа. Следует учитывать, что проектировать подземные газопроводы условным диаметром менее 50 мм не рекомендуется.

Все расчеты для ответвлений в аварийном режиме сводим в таблицу 22.4., 22.5.

Далее производим расчет потокораспределения при нормальном гидравлическом режиме сети. Сначала задаемся предварительным распределением потоков. Примем точку схода потоков в узле 9. Точка схода потоков в нулевом приближении определяется так: все кольцо разбивается на две тупиковых сети, приблизительно одинаковых по длине и по суммарным расходам в одну и другую сторону от точки схода потоков газа.

Будем считать, что по участку 9-10 в ответвление поступает газ с расходом 400 м³/ч, а по участку 10-11 поступает 10-11 м³/ч.

Далее, двигаясь против потоков газа по каждой ветви кольца, находим расчетные расходы газа для всех участков кольца.

По известным диаметрам и расходам по номограмме находим потери давления на всех участках. Все расчеты сводим в таблицу 22.6.

В результате расчета кольца, исходя из предварительного распределения потоков, получаем невязку потерь квадрата давления, равную (23014). Следовательно, левая ветвь кольца перегружена. Для ее разгрузки необходимо ввести круговой расход газа. Ошибка в кольце составляет величину:

Таким образом, для кольца ошибка составит 7,87 %. Ошибка должна быть не более 10%:

Этим заканчивается расчет кольца.

Затем проверяем достаточность принятых диаметров ответвлений в процессе расчета аварийных гидравлических режимов. Если конечное давление в конце ответвлений не менее 400 кПа, тогда принятый диаметр оставляем. В противном случае диаметры увеличиваем. Результаты расчета сводим в таблицу 22.8.

На этом гидравлический расчет однокольцевого газопровода высокого давления II категории заканчивается.

Результаты гидравлического расчета приведены в таблице 22.

Гидравлический расчет кольцевого газопровода высокого давления II категории. Таблица 22.1.

Предварительный (окончательный) расчет аварийного режима при отказе участка 1-25 Таблица 22.1
№уч	dнхs,	Lуч,	Qуч,	(Pн2-Рк2)у,	1,1(Pн2-Рк2)у,	Рн,	Рк,	λ	Re
	мм	м	м3 ∕ч	кПа2	кПа2	кПа	кПа
ГРС1-1	325x8	1283	43043,6	52205	57426	700,00	657,70	0,07	957,89
1-2	325x8	168	43043,6	6817	7499	657,70	651,98	0,07	957,89
2-3	325x8	271	41730,4	10702	11773	651,98	642,89	0,07	928,66
3-4	325x8	283	41682,1	11153	12268	642,89	633,27	0,07	927,59
4-5	325x8	170	41587,6	6694	7364	633,27	627,43	0,07	925,49
5-6	325x8	910	28712,5	24711	27182	627,43	605,38	0,10	638,96
6-7	325x8	315	28685,2	8543	9398	605,38	597,57	0,10	638,36
7-8	325x8	1066	28077,6	28300	31130	597,57	570,93	0,10	624,84
8-9	325x8	262	26403,2	6528	7181	570,93	564,61	0,11	587,57
9-10	325x8	673	17798,6	11317	12449	564,61	553,47	0,16	396,09
10-11	325x8	1030	17191,0	16742	18416	553,47	536,58	0,17	382,57
11-12	325x8	311	17096,5	5027	5530	536,58	531,40	0,17	380,46
12-13	325x8	175	16698,9	2763	3039	531,40	528,53	0,17	371,61
13-14	325x8	2662	14678,0	36943	40638	528,53	488,58	0,20	326,64
14-15	325x8	393	14070,4	5228	5751	488,58	482,66	0,20	313,12
15-16	325x8	518	13913,6	6818	7500	482,66	474,82	0,21	309,63
16-17	325x8	1213	13516,0	15498	17048	474,82	456,52	0,21	300,78
17-18	325x8	111	10801,4	1131	1244	456,52	455,15	0,27	240,37
18-19	325x8	326	10193,8	3142	3456	455,15	451,34	0,28	226,85
19-20	325x8	330	10046,1	3130	3443	451,34	447,51	0,29	223,56
20-21	325x8	785	9648,5	7161	7877	447,51	438,62	0,30	214,72
21-22	325x8	479	2508,5	1136	1250	438,62	437,19	1,15	55,82
22-23	325x8	289	1832,6	501	551	437,19	436,56	1,57	40,78
23-24	325x8	165	1528,1	238	261	436,56	436,26	1,88	34,01
24-25	325x8	607	214,9	123	136	436,26	436,11	13,38	4,78
Предварительный расчет аварийного режима при отказе участка 1-2 Таблица 22.2
№уч	dнхs,	Lуч,	Qуч,	(Pн2-Рк2)у,	1,1(Pн2-Рк2)у,	Рн,	Рк,	λ	Re
	мм	м	м3 ∕ч	кПа2	кПа2	кПа	кПа
ГРС1-25	325x8	786	43043,6	31988	35187	700,00	674,40	0,07	957,89
1-25	325x8	607	43043,6	24704	27174	674,40	653,94	0,07	957,89
25-24	325x8	165	42828,7	6661	7328	653,94	648,31	0,07	953,10
24-23	325x8	289	41515,5	11354	12489	648,31	638,61	0,07	923,88
23-22	325x8	479	41211,0	18664	20531	638,61	622,33	0,07	917,10
22-21	325x8	785	40535,1	30086	33095	622,33	595,14	0,07	902,06
21-20	325x8	330	33395,1	10404	11444	595,14	585,45	0,09	743,17
20-19	325x8	326	32997,5	10171	11188	585,45	575,82	0,09	734,32
19-18	325x8	111	32849,8	3440	3784	575,82	572,52	0,09	731,04
18-17	325x8	1213	32242,2	36971	40668	572,52	535,83	0,09	717,52
17-16	325x8	518	29527,6	14469	15916	535,83	520,77	0,10	657,10
16-15	325x8	393	29130,0	10824	11907	520,77	509,21	0,10	648,26
15-14	325x8	2662	28973,2	72924	80216	509,21	423,17	0,10	644,77
14-13	325x8	175	28365,6	4693	5163	423,17	417,03	0,10	631,25
13-12	325x8	311	26344,7	7747	8521	417,03	406,68	0,11	586,27
12-11	325x8	1030	25947,1	25269	27796	406,68	370,94	0,11	577,42
11-10	325x8	673	25852,6	16438	18082	370,94	345,70	0,11	575,32
10-9	325x8	262	25245,0	6242	6866	345,70	335,63	0,11	561,80
9-8	325x8	1066	16640,4	16772	18449	335,63	306,91	0,17	370,31
8-7	325x8	315	14966,0	4457	4903	306,91	298,82	0,19	333,05
7-6	325x8	910	14358,4	12357	13593	298,82	275,14	0,20	319,53
6-5	325x8	170	14331,1	2307	2538	275,14	270,49	0,20	318,92
5-4	325x8	283	1456,0	390	429	270,49	269,69	1,98	32,40
4-3	325x8	271	1361,5	349	384	269,69	268,98	2,11	30,30
3-2	325x8	168	1313,2	208	229	268,98	268,55	2,19	29,22
Окончательный расчет аварийного режима при отказе участка 1-2 Таблица 22.3
№уч	dнхs,	Lуч,	Qуч,	(Pн2-Рк2)у,	1,1(Pн2-Рк2)у,	Рн,	Рк,	λ	Re
	мм	м	м3 ∕ч	кПа2	кПа2	кПа	кПа
ГРС1-25	426x9	786	43043,6	10524	11577	700,00	691,68	0,09	725,46
1-25	426x9	607	43043,6	8127	8940	691,68	685,19	0,09	725,46
25-24	426x9	165	42828,7	2192	2411	685,19	683,43	0,09	721,84
24-23	426x9	289	41515,5	3735	4109	683,43	680,41	0,09	699,70
23-22	426x9	479	41211,0	6141	6755	680,41	675,43	0,09	694,57
22-21	426x9	785	40535,1	9898	10888	675,43	667,32	0,09	683,18
21-20	325x8	330	33395,1	10404	11444	667,32	658,69	0,09	743,17
20-19	325x8	326	32997,5	10171	11188	658,69	650,14	0,09	734,32
19-18	325x8	111	32849,8	3440	3784	650,14	647,23	0,09	731,04
18-17	325x8	1213	32242,2	36971	40668	647,23	615,01	0,09	717,52
17-16	325x8	518	29527,6	14469	15916	615,01	601,93	0,10	657,10
16-15	325x8	393	29130,0	10824	11907	601,93	591,96	0,10	648,26
15-14	325x8	2662	28973,2	72924	80216	591,96	519,81	0,10	644,77
14-13	325x8	175	28365,6	4693	5163	519,81	514,82	0,10	631,25
13-12	325x8	311	26344,7	7747	8521	514,82	506,47	0,11	586,27
12-11	325x8	1030	25947,1	25269	27796	506,47	478,25	0,11	577,42
11-10	325x8	673	25852,6	16438	18082	478,25	458,95	0,11	575,32
10-9	325x8	262	25245,0	6242	6866	458,95	451,41	0,11	561,80
9-8	325x8	1066	16640,4	16772	18449	451,41	430,49	0,17	370,31
8-7	325x8	315	14966,0	4457	4903	430,49	424,76	0,19	333,05
7-6	325x8	910	14358,4	12357	13593	424,76	408,44	0,20	319,53
6-5	325x8	170	14331,1	2307	2538	408,44	405,32	0,20	318,92
5-4	325x8	283	1456,0	390	429	405,32	404,79	1,98	32,40
4-3	325x8	271	1361,5	349	384	404,79	404,32	2,11	30,30
3-2	325x8	168	1313,2	208	229	404,32	404,04	2,19	29,22