4. Гидравлический расчет трубопроводов
Внутризаводские газопроводы, как правило, являются тупиковыми газопроводами различных давлений. Такие газопроводы имеют сравнительно мало ответвлений к потребителям. Газопроводы с небольшим числом ответвлений к отдельным потребителям (цехам) с заданными расходами газа при гидравлических расчетах разбивают на ряд расчетных участков с постоянным расходом газа, каждый из которых рассчитывают самостоятельно. Газопроводы, питающие промышленные предприятия, могут быть газопроводами среднего и высокого давлений. На территории предприятий могут быть газопроводы различных давлений в зависимости от схемы газоснабжения цехов. Цехи и котельные являются сосредоточенными потребителями газа. Цель расчета газопроводов - определение диаметров газопроводов при заданных объемах транспортируемого газа и обеспечение нормальной работы газорегуляторных установок. Перепады давлений от точки присоединения к промышленному газопроводу до регуляторной установки предприятия могут быть различными. При расчетах газопроводов низкого давления учитывают потери давления в межцеховых и внутрицеховых газопроводах.
Расчет внутреннего диаметра и толщины стенок трубопровода проводится отдельно для каждого участка газопровода по максимальному расходу и давлению газа.
Расчетный внутренний диаметр газопровода определяется по эмпирической формуле:
, мм,
где v – объемный расход газа на участке газопровода, м3/ч;
L – длина рассчитываемого участка газопровода, м, определяемая по плану предприятия;
р – потери давления на рассчитываемом участке газопровода, Па.
Потери давления на участке газопровода на этом этапе расчета принимаются в процентах от давления в начале газопровода.
МПа,
МПа,
где рК – давление в конце газопровода, Па.
Для участка №1
Для участка №2
Для участка №3
Для участка №4
Давление в конце газопровода определяется паспортными данными установленного технологического оборудования.
Минимальная толщина стенки газопровода по условию прочности может быть рассчитана по формуле:
, м,
Для участка №1
, мм
Для участка №2
,мм
Для участка №3
, мм
Для участка №4
, мм
где р – расчетное давление в газопроводе;
В = 320106 Па – предел прочности для материала трубы, изготовленной из стали Ст. 3 ГОСТ 380-71;
n = 10 – коэффициент запаса прочности;
рМАХ – максимально возможное давление в газопроводе, Па.
Максимально возможное давление в газопроводе на этом этапе расчета принимается в соответствии с верхними пределами давления по СНиП 11-37-76 в зависимости от типа газопровода: для газопровода высокого давления рН = 0,3 1,2 МПа (3 12 кгс/см2); для газопровода среднего давления рН = 0,05 0,3 МПа (0,5 3 кгс/см2); для газопровода низкого давления рН 0,005 МПа (0,5 кгс/см2)
По рассчитанным внутреннему диаметру газопровода d/ и минимальной толщине стенки sMIN по сортаменту [2] выбираем близкие по размерам электросварную прямошовную стальную трубу по ГОСТ 10704-91 (2002) и ГОСТ 10705-80 (2001), бесшовную горячедеформированную стальную трубу по ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8731-74 или водогазопроводную неоцинкованную обыкновенную и легкую трубу по ГОСТ 3262-75 (1994).
Трубы выбираются стальные водогазопроводные легкие (по ГОСТ 3262-75)
На первом участке труба 80 3,5.F=0.005027 м2
На втором участке труба 80 3,5.F=0.005027 м2
На третьем участке труба 80 3,5.F=0.005027 м2
На четвертом участке труба 50 3. F=0.001963 м2
При движении газа по трубопроводам происходит постепенное снижение первоначального давления за счет преодоления сил трения и местных сопротивлений.
Потери давления по длине газопровода зависят от режима течения газа, который в свою очередь, определяется скоростью течения газа по газопроводу.
Скорость движения потока газа определяется по приведенному расходу газа к давлению:
, м/с,
На участке №1
, м/с
На участках №2
, м/с
На участках №3
, м/с
На участках №4
, м/с
где v - объемный расход газа на участке газопровода, м3/с;
F - площадь поперечного сечения трубы, м2;
В зависимости от скорости потока, диаметра трубы и вязкости, газа течение его может быть ламинарным, т. е. упорядоченным в виде движущихся один относительно другого слоев, и турбулентным, когда в потоке газа возникают завихрения и слои перемешиваются между собой. Режим движения газа характеризуется величиной критерия Рейнольдса.
,
Для участка №1
Для участка №2
Для участка №3
Для участка №4
где - скорость потока, м/с;
d – внутренний диаметр газопровода, м;
- кинематическая вязкость, м2/с.
Кинематическая вязкость газа определяется формулой:
для 0,5 МПа
,
Для 0,1 МПа
,
где =7.84*10-6 - динамическая вязкость газа, Нс/м2, определяемая по таблице 7 приложения;
- плотность газа, кг/м3, определяемая по таблице 7 приложения;
Для турбулентного режима движения газа коэффициент трения рассчитывается по формуле Альтшуля:
,
Для участка №1
Для участка №2
Для участка №3
Для участка №4
где kЭ – эквивалентная шероховатость внутренней поверхности газопровода, м, определяемая по таблице 8 приложения.
При гидравлическом расчете газопроводов среднего и высокого давлений, в которых перепады давления значительны, изменение плотности и скорости движения газа необходимо учитывать. Поэтому потери давления на преодоление сил трения в таких газопроводах определяются по формуле:
, Па2 ,
На участке №1
, Па2 ,
На участке №2
, Па2 ,
На участке №3
, Па2 ,
На участке №4
, Па2 ,
где рН и рК – начальное и конечное давление на рассчитываемом участке газопровода, Па;
- коэффициент потерь давления по длине газопровода, зависящий от режима движения газа;
v – объемный расход газа на рассчитываемом участке газопровода, м3/с;
d – диаметр рассчитываемого участка газопровода, м;
- плотность газа, кг/м3, определяемая по таблице 7 приложения.
рН = 1,013105 Па – давление газа при нормальных условиях;
ТН = 273 К – температура газа при нормальных условиях;
Т – текущая температура газа, К;
L – длина рассчитываемого участка газопровода, м, определяемая по плану предприятия.
По результатам вычисления рассчитываем начальное давление в газопроводе высокого и среднего давления.
, Па,
Для участка №1
, Па,
Для участка №2
, Па,
Для участка №3
, Па,
Для участка №4
, Па,
Потери давления на трение в газопроводах высокого и среднего давления
, Па
На участке №1
, Па
На участке №2
, Па
На участке №3
, Па
На участке №4
, Па
Потери давления в местных сопротивлениях вызываются изменениями величин и направлений скоростей движения газа в местах переходов газопровода с одного диаметра на другой, в запорной арматуре, отводах, тройниках и т. п.
Потери давления в местных сопротивлениях вычисляются по формуле Вейсбаха.
, Па,
где - безразмерный коэффициент потерь давления в местном сопротивлении, определяемый по таблицам 9 – 13 приложения в зависимости от вида сопротивления;
Потери давления в ряде последовательно расположенных местных сопротивлений на газопроводе одного диаметра определяются по формуле:
, Па,
На участке №1
, Па,
На участке №2
, Па,
На участке №3
, Па,
На участке №4
, Па
где 1 - n - коэффициенты потерь давления в различных местных сопротивлениях.
Потери давления в местных сопротивлениях могут быт выражены, через некоторую эквивалентную длину прямого участка газопровода, потери по длине в которой такие же, как в местных сопротивлениях.
, Па
На участке №1
, Па
На участке №2
, Па
На участке №3
, Па
На участке №4
, Па
где рТР – потери давления газа за счет гидравлического трения о стенки трубопровода, Па;
рМ.С – потери давления газа в местных сопротивлениях, Па.
Таблица 4.2 - Результаты гидравлического расчета газопроводов
№ расчетного участка |
v, м3/с |
L, м |
ds, мм |
рТР, Па |
рМ.С, Па |
р = рТР + рМ |
1 |
0.047 |
4550 |
80х3,5 |
78200 |
16230 |
94430 |
2 |
0.046 |
4030 |
80х3,5 |
65500 |
9049 |
65500 |
3 |
0.041 |
200 |
80х3,5 |
19600 |
6914 |
19600 |
4 |
0.014 |
200 |
50х3 |
16900 |
969 |
16900 |