Расчет заводского газопровода

Исходными данными дл расчета служат: вид горючего газа; параметры на стороне высокого давления ГРП; ситуационный план с размещением объектов газоснабжения (давление и расходы газа), сменность работы отдельных технологий и др. Эти данные предшествуют конструкторскому (определение диаметра труб участков заводского газопровода) или поверочному (определение давления газа за РД) расчету.

К первоочередным работам, касающимся расчета, относят выбор давления в межцеховом газопроводе и размещения ГРП, а также способа прокладки сети. Что касается выбора давления, то оно, как правило, определяется технологией производства, реализуемой в цехах, и характеристикой горелочных устройств огнетехнических установок, что в конечном итоге должно обеспечивать минимум затрат, обусловленных выбором диаметра труб, элементов ГРП и др. Вопрос о размещении ГРП является достаточно сложным. До настоящего времени подвод природного газа чаще выполняется от центрального ГРП, размещенного на вводе в непосредственной близости от городского или магистрального газопровода. При этом нужно помнить, что устройство индивидуальных цеховых ГРП взамен центрального при доведении газа по газопроводу среднего и даже высокого давления имеет смысл. Экономическое сравнение вариантов размещения ГРП показывает, что в ряде случаев варианте цеховым ГРП удовлетворяет минимуму приведенных затрат. Однако такие сравнения должны выполняться для конкретных условий проектирования объекта газоснабжения, и экономичность варианта всегда оценивается индивидуально.

После решения вопросов трассировки заводского газопровода, размещения ГРП и выбора давления, оценивают диаметры каждого из расчетных участков, исходя из расчетного (максимально возможного) объема газа, проходящего через каждый участок, и допустимых по экономическим соображениям значений потерь давления. Иными словами, выполняется гидравлический расчет каждого участка газопровода.

Допустимые значения потерь давления на участках заводского газопровода определяются исходя из ряда соображений, главным из которых является стремление к обеспечению экономичной и устойчивой работы потребителей газа. Основным критерием устойчивой работы системы служит постоянство давления на вводе в каждый цех и в обвязочном газопроводе, несмотря на колебания газопотребления в отдельных цехах. Так для ступени низкого давления минимальное давление перед горелками принимается следующим: для природных газов – 2 кПа; для искусственных – 1,3 кПа; для сжиженных – 3 кПа. Для поддержания такого избыточного давления перед цеховыми агрегатами суммарно допустимые потери на трасе межцехового газопровода до РД рекомендуется принимать равными (0,4-0,5) кПа. Если межцеховой газопровод среднего давления, то суммарные допустимые потери от РД до наиболее удаленного ввода (цеха) нужно принимать в пределах (0,1-0,15) кПа. Здесь кПа – номинальное давление в обвязочном газопроводе.

Для тех случаев, когда производится поверочный расчет, в результате гидравлического расчета находят расчетные потери давления по участкам, и их сумма сравнивается с принятыми в проекте суммарно допустимыми потерями. После этого производится оценка давления газа на вводе в наиболее отдаленный от РД цех, на основании которой делается вывод о возможности устойчивой работы отдельных огнетехнических установок.

Расчет нужно выполнять вариантно для нескольких близких значений диаметра труб. Расчет ведется раздельно для каждого участка трассы, а диаметр труб принимается согласно существующим ГОСТам на газовые трубы.

Соблюдение допустимых значений суммарных потерь возможно при правильном выборе скорости газа на участках межцехового газопровода. Приведем ориентировочные значения этих скоростей. Для газопроводов низкого давления они находятся в интервалах: 15-30 м/с – для природного газа; 18-20 м/с – для коксового газа и 14-16 м/с – для доменного газа; в газопроводах среднего и высокого давления скорость газа может изменяться в более широких пределах (30-100 м/с).

Довольно часто при расчете заводского газопровода приходится сталкиваться с необходимостью выбора отношения  (здесь  и  - давление газа до и после РД соответственно). Из условий устойчивости регулирования  выбирается в диапазоне 1,7 - 2.

Предложенный порядок расчета пригоден для межцеховых тупиковых газопроводов. Кольцевые системы газоснабжения практически используются при сооружении городских газопроводов и заводских сетей технологий, требующих очень высокой надежности газоснабжения.

Расчет замкнутой кольцевой сети отличается от расчета тупиковой разветвленной тем, что кроме определения диаметров участков газопровода, еще требуется добиться равномерности работы кольцевой сети при заданных расходах газа и перепадах давления.

Рассмотрим простейшую кольцевую схему газопровода.

Рисунок 10 - Кольцевая схема газопровода

Газ от ГРП поступает в точку 1 и далее в кольца I и II, по которым он разветвляется на участки 1-6, 5-6, 4-5, 1-2, 3-2, 4-3. В условиях заводского или городского газоснабжения к этим участкам присоединены многочисленные мелкие потребители. По газопроводу 1-4 газ подводится для обеспечения питания потребителей через точку 4. От участка 1-4 отвода может и не быть; в этом случае он называется транзитным. Геометрически наиболее удаленными от ГРП являются точки 5 и 3. К ним газ поступает с двух сторон. При расчете кольцевых схем такого типа ставится задача подобрать диаметры всех участков так, чтобы именно точки 5 и 3 стали местами встречи разветвленных в точке 1 потоков. Тогда газ, поступающий от ГРП в точку 1, равномерно распределится между транзитным участком 1-4 и боковыми ветвями колец I и II. В этом случае все участки сети загружаются равномерно. Кольца I и II разделяются на полукольца 1-6, 5-6 и 1-4, 4-5. Поскольку на этих участках в общем случае имеет место ответвление газа к многочисленным потребителям, расход его на участках изменяется. Условно заменяя распределительную нагрузку на эквивалентную ей и сосредоточенную в конечных точках, расчетный расход для участков 5-6 и 4-5 определяется как 0,5-0,6 расхода путевого. На участках же 1-6 и 1-4 расчетный расход газа

,                                            (12)

где  и  - транзитный и путевой расходы газа по участкам.

Рекомендуется следующий порядок расчета кольцевого газопровода:

1 Принимается допустимый перепад давления от ГРП до наиболее удаленных точек 5 и 3 (рисунок 10).

2 Намечается направление потоков и принимается предварительно диаметры участков.

3 Производится расчет суммарных потерь давления в полукольцевых газопроводах по формулам гидравлического расчета.

4 Расчетные данные сопоставляются с принятыми ранее значениями. В случае неудовлетворительных результатов этого сопоставления и неравномерного распределения потоков газа по полукольцам задача решается методом последовательных приближений на ЭВМ.

Определение потерь давления в газопроводах

При движении газа в газопроводе наблюдается снижение его давления вследствие потерь на трение  и наличие местных сопротивлений , обуславливающих местное перераспределение давления и, как следствие, его понижение. В газопроводах низкого давления это снижение невелико, причем изменение давления не оказывает заметного влияния на плотность газа, которую при расчетах полагают постоянной.

Совершенно иная картина наблюдается при движении газа в участках газопроводов среднего и высокого давления. Здесь плотность газа заметно снижается по ходу его движения.

Потери давления оцениваются применительно к конкретному участку заводского газопровода, в котором сохраняется постоянный расход газа .

При выполнении расчета принимается, что поток представляет собой изотермическую, квазистационарную идеальную систему. Изменение давления, связанное с преодолением возникающих при движении сил трения,

,                                         (13)

,                                                (14)

.                                  (15)

Здесь при кПа  и при кПа .

В выражении формулы (15) индекс «0» указывает, что величина берется при нормальных условиях.

Используя формулы (15) и (14) запишем

.                                                 (16)

Подставляя выражение (16) и  в соотношение (13) и разделяя переменные, получаем

,                                (17)

где ;  - объемный расход газа, м³/с.

Решение дифференциального уравнения (17) найдем интегрированием при  и  в пределах  и .

Записываем

,                            (18)

где  и  - значения давления газ в начале и конце газопровода соответственно, кПа;

   - длина расчетного участка;

Па.

Полагая , , равенство (18) окончательно записываем в виде

.                                  (19)

Равенство (19) справедливо для МПа. При более высоких давлениях газа в газопроводе наблюдается отклонение его свойств от идеального газа и формула (19) требует корректировки путем введения коэффициента сжимаемости z: z = 0,3-1,05. Тогда,

.                            (20)

Значение коэффициента сжимаемости в формуле (20) выбирается по  и , причем

;                                                 (21)

;                                                  (22)

,                                              (23)                            

где ,  - абсолютные значения давления и температуры газа в начале расчетного участка.

В случае смеси газов:

;                                    (24)

,                                     (25)

где  - объемная доля i-го компонента смеси;

  n – число компонентов;

,  - абсолютные критические значения давления и температуры i-го компонента.

Для газопроводов низкого давления выражение (19) трансформируется в равенство

.                                   (26)

Здесь , а при низком давлении , .

Коэффициент λ, входящий в (19, 20, 26), принимает следующие значения для различных режимов движения газов:

ламинарного

,                                                     (27)

переходного

,                                             (28)

турбулентного

,                                      (29)

где  - абсолютная эквивалентная шероховатость трубы (для стальных труб м).

Удельные потери давления  вычисляются по формулам (20) и (26). Так для газопроводов низкого давления

.                                          (30)

Потери давления на расчетном участке l: на преодоление местных сопротивлений находятся в соответствии с выражением

.                                          (31)

где  - коэффициент i-го местного сопротивления на расчетном участке;

 - плотность газа на расчетном участке, кг/м³.

При расчете газопровода потери давления  можно выразить через эквивалентную длину прямого участка того же газопровода, потери давления в котором равны потерям давления на местных сопротивлениях:

,                              (32)

где  - эквивалентная длина прямого участка, м:

.                                                (33)

Суммарную потерю давления на i-м участке  можно найти по формуле

,                                              (34)

где  - приведенная длина участка, м:

.                                         (35)

Следовательно,

                                 (36)

или

.                                  (37)

Итак,

.                                          (38)