Гидравлический расчет газовых сетей

Целью расчета газовой сети является определение оптимальных диаметров труб всех ее расчетных участков и вычисления потерь давления в них. Для приближенного отыскания экономически наивыгоднейших диаметров участков сети эти участки можно рассматривать как независимо работающие линии. При любых методах нахождения диаметров газопровода нужно знать расчетные расходы на этих участках.

Для сети, подлежащей расчету, всегда известны ее конфигурация, а также длины участков от отбора газа в узлах.

При наличии одного ГРП и отсутствии нефиксированных отборов от ГРП запишется как сумма фиксированных отборов (см. рисунок 11)

.                                                  (39)

Для нахождения расходов газа  в  - участках кольцевой сети могут быть использованы уравнения первого закона Кирхгофа, выражающие баланс расходов, а в точках 1-6 – «узловые уравнения» (см. рисунок 11)

                                                                                    (40)

где i, к – номера узлов.

Рисунок 11 – Схема газовой сети

При расчетах по формуле (40) расходы, приходящие к узлу, условно считают положительными, а исходящими из него (включая сосредоточенный отбор) – отрицательными. Число уравнение для таких условий питания узлов будет m-1, где m – число узлов сети. Для одного из узлов уравнения баланса расходов превращается в тождество, т. к. сумма всех отборов известна и равна . Для сети, схема которой приведена на рисунке 11, число уравнений совпадает с числом расчетных участков и, следовательно, пяти узловых уравнений достаточно для определения всех расходов газа .

Для кольцевых сетей значения расходов газа  в участках, кроме уравнений (40), должны удовлетворять уравнениям второго закона Кирхгофа. В газовых сетях среднего и высокого давления, как известно, эти уравнения (контурные) выражают равенство нулю алгебраической суммы потерь давления в каждом из колец:

,                                   (41)

где ,  - потери давления в кольцах I и II соответственно.

Соотношения (41) указывают на то, что потери давления  и  в полукольцах одинаковы, а также . Точка встречи 3 и 5 полуколец могут быть выражены из примерного равенства их расчетных длин. При расчете кольцевых газопроводов низкого давления невязка  на полукольцах не должна превышать 10 %.

Для участков кольцевого газопровода, схема которого приведена на рисунке 11, можно записать следующую систему уравнений:

                                    (42)

Решение системы (42) позволяет определить расходы газа в каждом элементе сети, а, следовательно, с использованием условия (41) и потери давления.

Если не предполагать, что потери давления в полукольцах колец I и II соответственно равны, то найденные на основании расходов  потери давления  на участках сети не будут удовлетворять условию (42).

Общий вид межцехового газопровода (его расчетной схемы) приведен на рисунке 12.

; ; ;

;

Рисунок 12 – Расчетная схема межцехового заводского газопровода

Как уже отмечалось, в число исходных данных, предшествовавших расчету заводского газопровода, входят расчетные годовые расходы газа производственными потребителями  (), м³/г, коммунально-бытовыми потребителями , м³/г, на отопление , м³/г и суммарное расчетное годовое потребление объектом газоснабжения , м³ (нормальных) в год. И, если годовая производственная  нагрузка по месяцам года распределяется равномерно сообразно со значениями  годовой нагрузки каждого производственного потребителя (цеха), то этого нельзя сказать о коммунально-бытовой и отопительных нагрузках.

Как видно из рисунка 12 расчет межцехового газопровода ведется по максимальным и минимальным часовым нагрузкам, выраженным в м³/ч.

Максимально-часовая нагрузка  считается неизменной в течение года (). Эта нагрузка определяется по формуле

,                                               (43)

где  - коэффициент часового максимума: для машиностроительных и для металлургических предприятий.

Отметим, что

.                                             (44)

Максимально-часовая нагрузка на отопление рассчитывается для самых холодных суток января по формуле

,                      (45)

где - месячный январский расход газа на отопление, , м³/мес;

 - средняя температура внутри отапливаемого помещения: ;

 - максимально-расчетная температура наружного воздуха наиболее холодного месяца (выбирается для климатического пояса);

 - число календарных дней января;

 - средняя температура наружного воздуха в январе (выбирается для климатического пояса).

Максимально часовая нагрузка приходится на август. Причем минимум часовой отопительной нагрузки приходится на ночные часы суток, когда горячий водоразбор отсутствует, а, следовательно, можно считать, что .

Максимально-часовой расход  горючего газа на коммунально-бытовые нужды приходится на декабрь, причем , определяется по формуле

,                                       (46)

где  - месячный декабрьский расход газа на коммунально-бытовые нужды;

 - расход газа за неделю;

 - коэффициент, устанавливающий долю максимально-суточного расхода газа на к/б нужды в пределах недели: ;      

 - коэффициент, устанавливающий долю максимально-часового расхода газа на эти же нужды в пределах суток декабря: ;

 - число календарных дней декабря: .

Аналогично записывается выражение для определения

,                                     (47)

где  - то, что в равенстве (46), но для августа: ;

 - коэффициент минимального суточного расхода на к/б нужды в пределах недели: ;

 - коэффициент минимального часового расхода газа на те же нужды в пределах суток августа (ночные часы): ;

 - число календарных дней августа: .

Используя формулы (43-47) рассчитывают суммарную часовую нагрузку по объему газоснабжения, м³/ч:

максимальную:

;                                  (48)

минимальную:

.                                    (49)

Также находя нагрузку каждого цеха , , …,  и путевые часовые расходы на каждом расчетном участке. Причем нагрузка на участке до ГРП принимается равной .

На рисунке 12 РД находится на участке 1-2.

Используя значения путевых расходов  и данные таблицы значений и  для газа с различной плотностью  выполняют гидравлический расчет межцехового газопровода и участка до РД.

  Техника безопасности в газовом хозяйстве промпредприятий

Токсичные газы содержатся как в исходной смеси (горючем газе), так и продуктах ее сгорания. К их числу нужно отнести CO, H₂S, CS₂ (сероуглерод), аммиак (NH₃), цианистый водород (HCN) и газы, образующиеся в результате горения сернистых соединений элементарного состава горючего газа.

 CO присутствует в искусственных газах и продуктах сгорания природных газов, имеет слабый запах чеснока и плотность, меньшую, чем плотность воздуха. Попадая через органы дыхания в организм, он оказывает сильное физиологическое воздействие, заключающееся в замещении кислорода в молекулах оксигемоглобина крови и соединении с гемоглобином. В результате образуются молекулы карбоксигемоглобина с незначительным содержанием кислорода, и наступает кислородное голодание организма. При отравлении CO первая помощь заключается в эвакуации пострадавшего, вдыхании им O₂ и обеспечении покоя. H₂S – это бесцветный газ с плотностью, большей, чем плотность воздуха и характерным запахом тухлых яиц. В результате отравления H₂S пострадавшего эвакуируют на свежий воздух, обеспечивают ему вдыхание O₂. CS₂ содержится в горючих газах сухой перегонки содержащих твердых топлив. Это бесцветный газ с запахом редьки и с плотностью в несколько раз больше, чем плотность воздуха. На организм человека воздействует наркотически, парализуя деятельность коры головного мозга. Приводит к тяжелым заболеваниям нервной системы. При сильных отравлениях наступает смерть. Первая помощь при отравлении CS₂ заключается в эвакуации пострадавшего на чистый воздух, полном покое, применении искусственного дыхания.

Цианистый водород – продукт, сопутствующий высокотемпературной газификации каменных углей. Образуется при взаимодействии аммиака с раскаленным коксом, имеет запах миндаля. При отравлении наступает потеря сознания и паралич дыхания, первая помощь – эвакуация пострадавшего на свежий воздух, искусственное дыхание.

Предельно допустимые концентрации рассмотренных выше токсичных веществ приведены в справочной литературе.

Горючие газы, будучи смешанными в определенной пропорции с воздухом, образуют взрывоопасные смеси. Такие смеси получаются при смешении с воздухом как однокомпонентных (типа CO, H₂, CH₄), так и многокомпонентных газов (к примеру, технологических атмосфер). Смеси с минимальным и максимальным содержанием горючего газа в воздухе (объемные доли, %), способные взрываться при контакте с огнем, характеризуются нижним и верхним пределами взрываемости соответственно. Пределы взрываемости для нормальных условий см. в табл.

 Таблица 3 - Пределы взрываемости для нормальных условий

Горючий компонент	Предел взрываемости, %
	нижний Zв	верхний Zн
H2	4,2	74
CO	12,4	75
CH4	5,4	15
C2H6	3,0-5,8	10,7-15
C2H4	3-4	34
C3H6	2,2	9,7
H2S	4,3	45,3

 

Для многокомпонентного горючего газа, образующего взрывоопасную смесь с воздухом, пределы взрываемости подсчитываются по формулам:

; ,                                  (50)

где ,  - нижний и верхний пределы взрываемости;

 - компонент смеси, %;

 - объемная доля i-го горючего компонента, %;

,  - нижний и верхний пределы взрываемости i-го горючего компонента, %.

Пределы взрываемости, приведенные в таблице, с повышением температуры и давления, а также при наличии в смеси пыли и водяных паров расширяются. Если в смеси присутствуют нейтральные газы (в частности N₂), то пределы взрываемости сужаются.

Совершенно очевидно, что наибольшая опасность взрыва будет у газов (смесей горючих газов) с большим диапазоном взрываемости (разницей пределов взрываемости). В этом отношении наиболее опасны H₂, CO, H₂S.

Утечка газа в атмосферу цеха может привести к образованию взрывоопасной смеси. Наиболее характерными местами утечек в газопроводах являются места сочленения запорно-предохранительной и регулирующей аппаратур с газопроводами утечки газов, содержащих H₂S, легко обнаружить по запаху. Что касается природных газов, то они, как правило, запаха не имеют и поэтому подвергаются одаризации путем введения веществ с сильным запахом (одарантов) (на промысле и ГРРС). В качестве одаранта чаще всего используют этилмеркантан C₂H₅SH, содержащий 51,5 % летучей серы и получаемый при переработке сернистой нефти. Для одаризации 1000 м³ газа расходуется кг C₂H₅SH. В последнее время обнаружение утечек газа выполняют с помощью газоанализаторов. Обнаружение утечек газа из газопроводов подземной прокладки производится путем бурения скважин над газопроводом через каждые 2-3 м трассы и поджигании вытекающего из скважин газа.

Все газопроводы после их сооружения подвергаются очистке путем их промывки водой и продувке воздухом. Это делается до испытания на прочность и герметичность. Газопровод диаметром более 219 мм продувается с пропуском очистных поршней, а трубопровод меньшего размера – без них. Очистка газопроводов производится: подземных – после укладки и засыпки, наземных - после прокладки и крепления на опорах, подключения агрегатов и аппаратов. Испытания проводятся гидравлическим и пневматическим способом. Рабочее давление  поддерживается в течение 12 ч при проверке на герметичность и 24 ч при испытании на прочность. Испытания начинают с проверки прочности газопровода. При применении пневматического способа испытания на прочность допускается снижение давления на 1 % в течение 12 ч.

Поиск утечек на внутрицеховых и обвязочных газопроводах производится путем нанесения мыльной эмульсии на резьбовые и сварные соединения узлов и приборов оборудования, выходов труб из стен и перекрытий.

Вопросы проектирования заводских газопроводов

Выбор технического решения делается с учетом вариантов, обеспечивающих максимальное вовлечение в топливно-энергетический баланс предприятия всех видов ВЭР. Предприятия с большим расходом природного газа ( м³/ч) присоединяются непосредственно к магистральному газопроводу и получают его под высоким давлением, т. к. это обеспечивает значительное сокращение капитальных затрат при сооружении подводящего газопровода. Мелкие и средние промпредприятия, питающиеся газом от городских сетей, получают его под средним давлением часто непосредственно от ГРС. Городские газовые сети, как правило, делаются двухступенчатыми по давлению (газ среднего и низкого давления). К сетям низкого давления присоединяются коммунально-бытовые и промышленные предприятия с незначительным расходом газа, колебания которого не могут повлиять на режим покрытия коммунально-бытовой нагрузки.

При этом на промышленных предприятиях наибольшее распространение получили тупиковые разветвленные газопроводы одно- и двухступенчатые по давлению. Однако в последние годы в практике проектирования заводских газопроводов преобладает тенденция доведения газа среднего и высокого давления до цехов. Правильность такого решения подтверждается технико-экономическими сопоставлениями вариантов.

Различают две стадии проектирования: проектное задание и рабочий проект.

Проектное задание оформляется в виде расчетно-пояснительной записки, включающей основные технико-экономические сопоставления. На стадии проектного задания определяется общая, а также сравнительно экономическая эффективности, показывающие насколько один вариант экономичнее другого.

Рабочий проект газопровода содержит также расчетно-пояснительную записку, в которой приводятся все необходимые сведения для его строительства, монтажа и наладки.

 

Потребители и потребление газообразного топлива. Методы определения расчетной потребности в газе.

 

Различают следующие виды потребления газа: бытовое (приготовление пищи, снабжение горячей водой), коммунальное (на отопление и вентиляцию), промышленное (обеспечение технологического процесса).

Годовой расход газа объектами промышленного газоснабжения находится с учетом норм расхода газа на выработку единицы определенной промышленной продукции и годовой программы ее выпуска П:

                                       ,

где - удельная норма расхода газа на выработку единицы продукции.

Расчетный часовой расход газа находится:

                                    ,

где - коэффициент часового максимума (для машиностроения ; для металлургии ).

Газовый баланс промышленного предприятия разделяют на фактический, плановый и перспективный. Фактический баланс составляют по результатам работы предприятия. Он может быть избыточным и дефицитным. Его составление дает основание судить обеспеченности газом промышленного предприятия. При избыточном балансе газ направляется буферным потребителям (например, ТЭЦ или районной котельной). При составлении баланса учитываются неизбежные потери газа (например, природного газа – 0,5%).

Плановый и перспективный баланс составляется на предстоящий промежуток времени или с учетом перспективы развития предприятия.

Дефицитный баланс покрывается за счет перевода оборудования на более калорийный газ, энергосбережения, совершенствования производственных технологий, более широкого использования ВЭР.

Газовый баланс состоит из приходящей и расчетной частей: в приходной части – источники газоснабжения предприятий, в расходной – потребность в газе агрегатов всех цехов завода.

В процессе работы предприятия составляется график потребления газа объектом газоснабжения. Необходимость его составления вызвана неравномерность потребления газа. Различают часовую, суточную и сезонную неравномерности потребления. Неравномерность потребления определяется видом потребителя и характеризуется коэффициентом неравномерности потребления К_н, представляющим отношение максимального расхода газа за данный период (час, сутки) к его среднему расходу за этот период. Часовая неравномерность объясняется разным потреблением газа в дневные и вечерние часы. Причем днем и вечером часовое потребление газа оказывается выше среднечасового за сутки и тем более в ночное время, когда разбор газа может прекратиться вообще.

Для покрытия часовой неравномерности потребления газа используют газгольдерную способность концевого участка магистрального газопровода.

Для покрытия суточной неравномерности потребления газа часть технологий завода переводят на другой вид топлива или выбирают другой режим работы со смещением выходных дней.