Расчет кольцевых газопроводов

В отличие от тупиковых газовых сетей, в которых направления потоков и расчетные расходы газа на участках сети определенны, в многокольцевых сетях и направления потоков, и количества газа, протекающие по расчетным участкам, не постоянны. Задачей гидравлического расчета таких сетей является определение диаметров участков сети, которые обеспечивают равномерность гидравлического режима всей сети и подачу всем потребителям требуемых количеств газа при заданных перепадах давления. Если в тупиковых сетях из трех величин — расхода газа,

Pnc.VI. 11. Распределение потерь давления в кольце.

допустимого перепада давления и диаметра газопровода — неизвестна одна, то задача решается легко. В кольцевых сетях, когда потоки газа могут распределиться по полукольцам неравномерно, из указанных трех величин известна только одна, а две другие необходимо определить.

Решение такой задачи базируется на двух условиях. Во- первых, на рассмотренном выше условии равновесия узла. Если приток газа к узлу считать положительным расходом, а выход газа из узла и расход газа в самом узле — отрицательным, то алгебраическая сумма расчетных расходов газа в узле должна быть равна нулю. Во-вторых, на условии, по которому сумма потерь давления в одном полукольце равна сумме потерь давления в другом полукольце: Д/?! -f- Др₂ = Др₃ 4- Лр₄ -J- Др_Б (рис. VI.11). Если условно считать движение газа в кольце по часовой стрелке положительным, а противоположное отрицательным, то указанное условие можно сформулировать так: алгебраическая сумма потерь давления в любом кольце должна быть равна нулю. Практически это условие выполнить не всегда удается и допускают, что невязка потерь давления в полукольцах не должна превышать 10% от наименьшей потери давления в одном из полуколец.

Пример 23. Разработать схему газоснабжения рабочего поселка представленного генеральным планом на рис. VI.12, по следующим исходным данным. Поселок снабжается газом Ставропольского месторождения через ГРС, расположенную в 500 м от поселка. Избыточное давление газа па выходе из ГРС 2,8 кгс/см². Застройка поселка 3—4-этажная с плотностью населения 350 чел./га. На территории поселка имеются сосредоточенные потребители газа: фабрика с расходом газа низкого давления 130 м³/ч и завод с расходом rasa 500 м^/ч. Расположен поселок в климатическом поясе с расчетной отопительной температурой наружного воздуха —20° С. Расход газа на бытовые и коммунальное цели принять из расчета, что:

• — на приготовление пищи и горячей воды для хозяйственных и санитарно-гигиенических нужд газ используют 80% населения*,
• — бани посещают 20% населения;
• — столовыми и ресторанами пользуются 20% населения;
• — посещение поликлиник одним жителем — 10 раз в год;
• — в больницах на 1000 жителей имеется 8 коек;
• — школьников на 1000 жителей 200 человек;
• — механизированные прачечные обслуживают 30% населения (при норме 100 кг сухого белья на 1 жителя в год);
• — хлебозаводы выпекают на 1000 жителей 0,6 т/сутки хлебо-булочных

изделий.

Отопление жилых и общественных зданий ва счет местных отопительных установок на газе 25% от общей их кубатуры. При этом на одного жителя приходится 50 м³ жилых зданий и 15 м⁸ общественных.

Решение.

1. Определяем низшую теплоту сгорания исходного газа. Согласно табл. 1.1 химический состав горючей части ставропольского газа, % по объему: метан — 98,7; этан — 0,3; пропан — 0,1; бутан 0,1. Плотность газа

Рис. VI.12. Генплан и газовые сеги поселка.

Длины участков, м: Z_t__а — 300, 2»_, — 200, 1,_4 — 350, !<_. — 300,

/, , — 500, г,_, — 500, — 300,

• — 150, — 350, — 100,
• 2io_n — 150, 2ц-« — 500, ~—
• — 350, — 150.

Площади участков, га: А — 4, Б — 3, / — 7, II — 10, III — 5, ' /V — 8.

р = 0,73 кг/м³. По формуле (11.13) 4 + 152,3 С₂Н_в + 217,& С₃Н₉ + 283,4 С₄Н_1в = 85,5-98,7 + 152,3-0,33 + 217,9-0,12 + 283,4-0,04 = = 8560 ккал/м⁸.

2. Определяем численность населения N, яел., которая зависит от площади поселка и плотности населения.

где F — площадь застройки, га; а — плотность населения, чел./га. В нашем случае N = (7 + 10 + 5+ 8 4- 3 + 4).350 = 12 950 яел.

Примечание. При неоднородной застройке численность населения подсчитывается по плотности населения в отдельных районах или кварталах.

3. Определяем годовую потребность газа в тепловых единицах по нормам расхода, указанным в табл. VI.1.

На приготовление пищи и горячей воды для хозяйственных и санитарно- гигиенических нужд ?>быт = 12 950-0,8-1 270 000 = 13, 14 Ткал/год.

Расход газа на бани определяем, предусматривая еженедельное посещение их каждым посетителем, т. е. из расчета 52 помывок на 1 человека в год. 12 950-0,20-52-9000 = 1,215 Ткал/год.

На столовые и рестораны с учетом трехразового питания Ст = 12 950 X X 0,20 (1 + 0,5 + 0,5) -1000 -365 = 1,89 Ткал/год.

На поликлиники расход газа определяем по их пропускной способности при 300 рабочих днях, т. е. 12 950 -10/300 чел./сутки; следовательно_t

¹²⁹зоо'¹⁰ ‘^{20 000 = 8}»⁶ Р^кал/год.

На больницы расход газа определяем из расчета расхода на приготовление пшци и горячей воды для хозяйственно-бытовых нужд и лечебные процедуры. Гкал/год.

На школы

На механизированные прачечные Ткал/год.

На хлебозаводы расход газа определяем, принимая, что выпекается хлеба формового — 0,3, батонов, булок и сдобы — 0,2 и кондитерских изделий — 0,1 т в сутки на 1000 жителей.

Расход газа на бытовые и коммунальные нужды в итоге можно ваппсать

в следующем виде:

Q_б (бани)...................... 1,2150

Фет (столовые и рестораны)............. 1,8900

Фпол (поликлиники)................. 0,0086

Фбол (больницу) .................. 0,3060

Фшк (школы) .................... 0,1034

Фпр (прачечные)................... 1,8640

Ф_Хл (хлебозаводы).................. 2,1800

Итого ~20,707 Ткал/год

Расход газа на мелкие коммунально-бытовые предприятия (ателье, мастерские, аптеки и пр.) принимаем в размере 10% расхода на бытовые и коммунальные нужды, т. е. Q^ б = 0,1 • 20 707 • 10* 2,07 Ткал/год.

Тогда ?>общ = 20 707 -10^е + 2070 -10^е = 22,777 Ткал/год.

• 4. Расчетный часовой расход газа на бытовые и коммунальные нужды по формуле (VI.6) V_K0M — femVroa. По данным к формуле (VI.6) принимаем ближайшее к расчетной численности населения значение коэффициента часового максимума к_т = 1/2200. Расход газа на бытовые и коммунальные нужды при переводе из тепловых единиц в объем исходного газа составит Vi-од = б/8560 - 2,65-10° м°/год. Тогда Р_КОм = 2,65 X X 10^в/2200»# 1200 м³/ч.
• 5. Определяем расчетный часовой расход газа на отопление жилых и общественных зданий. В нашем случае на основании исходных данных общий Объем отапливаемых зданий, м³: жилых Р_ж = 12 950 -50 ^ 650 000 м³; общественных Робщ = 12950-15#^ 194 000м³. Принимаем по СНиП II—А. 6—62 расчетную температуру воздуха внутри зданий, °С: жилых — 18; общественных — 16. Средняя тепловая характеристика отапливаемых зданий <7_ср = 0,35 ккал/(м³-ч-°С) (см. с. 100). К. п. д. отоиителъвых установок принимаем т]от. уст — 0,75. Согласно заданию установками па газовом топливе в поселке отапливается 25% помещений, т. е. Р_{оТ ж}= 650 000-0,25 = = 162 500 м³; Р_оТ. общ = 194 000-0,25 = 48 500 м³.

Расчетный часовой расход газа на отопление по формуле (Vi.3)

Ввиду ограниченного числа больших общественных зданий г. поселке расход тепла на вентиляцию их не учитываем.

• 6. Общий расчетный часовой расход газа на бытовые и коммунальные нужды с учетом отопления по формуле (VI.7) V₄ ~ 1200 + 413 = 1613 м³/ч. Считая этот расход равномерно распределенным по всей площади застройки поселка, по формуле (VI.32) удельный расход газа на единицу площади застройки Руд/= 1613/37 = 43,7 м³/(ч га).
• 7. Наносим на генплан поселка схему газовых сетей й замеряем длины расчетных участков. На основании положений, изложенных в § VI.3, принимаем для поселка кольцевую сеть низкого и тупиковую среднего давления. К сети низкого давления подключаем сосредоточенную нагрузку фабрики, а к сети среднего давления — сосредоточенную нагрузку завода. Площади А и Б (см. рис. VI. 12) рассматриваем как прилегающие к газопроводу низкого давления и не окольцовываем.
• 8. Расход газа по отдельным кольцам находим по формуле: Р_к — fnV_yaf. Для кольца I Vj= Fj 7_уд / = 7-43,7 = 306 м³/ч; для кольца II V _п = = 10-43,7 — 437 м³/ч; для площади A V_A — 4 -43,7 = 174 м³/ч и г. д. В итоге можно записать:

Общий расход газа, м³/ч: 1613.

9. Определяем удельные расходы газа на единицу длины периметра каждого кольца от равномерно распределенной нагрузки. Для кольца I ^vyaij= Vj/lj = Ш/1Ш = 0,23Ь м*/(ч-ы)- для кольца II К_уд=

= Vjj/Ijj — 437/1500 = 0,281 м³/ (ч -м) и т. д. В итоге удельные расходы газа по длине газопроводов, м³/(ч-м):

10. Определяем путевые расходы газа па участках сети. Прп этом необходимо учитывать односторонний и двусторонний разбор газа на участке. Для окольцованных кварталов этот расход определяется по удельным расходам в кольцах, в которые заключены кварталы, а расход газа на прилегающие площади прибавляется целиком к путевому расходу газа на участке сети, к которому прилегает данная площадь. Для участка 1—2 V_u i-2= h-2^Vyniv⁼ 300-0,29 = 87 м³/ч; для участка 2—10V_aS__jO= 100 (0,235 -f 0,29) = 52,5 м³/ч; для участка 5—6 V_{n 5}__t — 500 -0,281 -f- 174 = = 314 м³/ч и т. д. В итоге можно записать:

Поскольку У_р> , = 1613 м³/ч, то погрешность в расчетах 1613—1598 = = 15 м³/ч, или около 1%, что допустимо. При погрешности более 5% следует устранить неточности в расчетах.

11. Определяем узловые расходы газа. Для узла 1 У^ ₂ = 0,5 (У_{п 1-9} + + ^Vn :-») ~ °>⁵ (⁸⁷ + ¹⁰³) ^{= 95 м3}/ч; для узла 2 У_{уа я} = 0,5 (У_п +

+ ^vn t-г + ^vn s-и) ⁼ °>⁵ (⁸⁷ + ⁴⁷ + ⁵²*⁵)⁼ 93,3 м³/ч; для узла 6 V^ = = 0,5 <У_{П s}_₆ -f У_{п 7}_₆+ У_{п п}_₆) + У_ф = 0,5 (314 + 75 + 215,5) + 130 = = 432,5 м³/ч и т. д. Результаты вычислений запишем в виде

За вычетом сосредоточенного расхода Уд = 130 м³/ч сумма расходов равномерно распределенных нагруэок равна 1601 м³/^» т. е. по отношению к У, = 1613 м³/ч погрешность составила 12 м³/ч, или менее 1%,что допустимо.

12. Вычерчиваем расчетную схему газопроводов и намечаем желаемые направления потоков газа. На схеме намечаем сначала главные направления

Рис. VI. 13. Расчетная схема газовой сети низкого давления.

потоков газа от ГРП к наиболее удаленным точкам поселка и обозначаем их стрелками. При этом следует стремиться обеспечить подвод газа к потребителям в дальних точках минимум но двум наикратчайшим направлениям. Затем намечаем вспомогательные направления потоков газа, чтобы обеспечить продвижение газа от ГРП к периферии. Далее на схеме отмечаем так называемые нулевые точки, или точки схода потоков, т. е. узлы, в которых потоки газа сходятся, а выходящих расходов нет, кроме сосредоточенных, если они имеются в узле. Желательно, чтобы в кольцах длина участков ^положительными» (по часовой стрелке) направлениями потоков газа была примерно равна длине участков с «отрицательными» (против часовой стрелки направлениями потоков газа, т. е. чтобы кольца были «равноплечные». Этим условиям наиболее отвечают направления потоков газа, показанные на рис. VI.13.

13. Вычисляем расчетные расходы газа на участках, составляя для этого уравнения равновесия каждого узла. Если в уравнении равновесия уала неизвестны несколько расходов, то неизвестными расходами, 8а исключением одного, задаются, а один вычисляют. Величины расходов которыми задаются, могут быть приняты произвольно, но они должны быть не менее половины путевых расходов для соответствующих участков. Если же расход, которым ведаются, помимо путевого расхода включает и транзитный расход, то он должен быть учтен, т. е. в таком случае надо задаваться расходом Vpt ^ 0,5 F_n + F_T.

Для удобства вычислений расчетных расходов па участках на расчетную схему следует нанести узловые расходы. Вычисления начинаем с дальних точек схода, которыми будут у8лы 4, 6 я 1 (см. рис. VI.12). Для узла 4 условие равновесия выражается уравнением F_{p а}_₄ + F_{p g}_₄ = F_yarf. Принимаем Vp = 0,5 V_n ,_₄ = 0,5 -82 = 41 и»/ч. Тогда V_{p s}_, = F_yJ , - =

= 143 — 41 = 102 м³/ч. Вычисление расчетных расходов ведем в табличной форме (табл. VI.5).

Таблица VI.5

Определение расчетных расходов

По балансу в узле 11, т. е. у ГРП, проверяем правильность расчета: др_П0Гр = 1731— (1613 + 130) = —12 мз/ч, т. е. погрешность менее 1%, что допустимо.

Расчетные расходы газа па участках нанесем на расчетную схему, а также запишем в виде

• 14. Для гидравлического расчета сети вычисляем удельные потери давления на единицу длины газопроводов в различных направлениях от ГРП до самых удаленных точек — точек схода. Принимаем согласно СНиП II — Г. 13—66 давление газа па выходе из ГРП равным 300 мм вод. ст., а перепад давления в наружных распределительных газопроводах — 120 мм вод. ст. Перепад давления в газопроводах от ГРП до дальних точек схода должен максимально приближаться к 120 мм вод. ст., но не превышать этой величины. Удельная потеря давления по направлению ГРП—11 10—2—3—4: A_Pll_₃_₄ = H/^l = Л/ (1₇₁_₁₀ + 1₁₀_₂+ 1₂_₃ +
• -f- = 120/ (150 + 100 + 200 + 350) = 0,15 мм вод. ст./м. Потери давления на участках этого направления, мм вод. ст.: Н_1]_₄₀ — Ар _Jl_₃_₄l_J-_l__]0 = = 0,15-150 = 22,5; Л_]0_₂ -- Ар ₁₁_₃_₄1₁₀_₂ = 0,15-100 = 15; Я₂_₃ =

= А_Р]1_₃_₄1₂_₃ = 0,15-200 = 30;' Н ₃_₄ = Ар_и_₃_₄1₃_₄ = 0,15-350 = 52,5.

Потерю давления на тех участках, которые при расчете попадают повторно, надо принимать по направлению с меньшим значением Я, так как эти участки обслуживают несколько колец, являются ответственными и должны выполняться из труб большего диаметра. При определении удельных потерь давления на последующих направлениях из общего располагаемого перепада давления необходимо вычесть потери давления на участках, вошедших в одно ив предыдущих направлений, т. е. для таких участков удельные потерн давления

где Я — общий перепад давления (120 мм под. ст.); V. Я/ — сумма потерь давления на участках, рассчитанных по предыдущим направлениям; ^ I — сумма длин участков рассчитываемого направления; 2 U — сумма длин участков, рассчитанных по предыдущим направлениям.

A_P]1._s_₄ = (H-H_U_₁₀)I{1_J0_₅ + l₅_₄) = (120—22,5)/(350 + 300) =

— 0,15 мм вод. ст. Потери давления на участках этого направления, мм под. ст.: Я= 22,5 (определена ранее); Я ₁₀_₅= Ар_п_₅_₄1₁₀_₅— 0,15 X X 350 = 52,5; Я₅_₄ = Ар_и_₅_₄1₅_₄ = 0,15-300 = 45.

Удельная потеря давления по направлению ГРП—11—10—5—С: А_Р]].₅._б = [Л- (Н_и__]0 + Л ₁₀__я))/1₅_₆= (120 - 22,5 - 52,5)/500 = -- 0,09 мм вод. ст./м. Потери давления на участках этого направления, мм вод. ст.: Л_}]_₁₀= 22,5 (определена ранее); Я ₁₀_₅ — 52,5 (определена рапее); Л₅__б = Ар₄1_₅_₆1₅_₆ — 0,09-500 = 45.

Удельная потеря давления по направлению ГРП—1-1—6 A_Pjj_₆ -

• — Л/1_7]__е = 120/500 = 0,24 мм вод. ст./м. Потеря давления на участке
• 11—6 AHjj_₆ = Ар — 0,24 -500 = 120 мм вод. ст.

У дельная потеря давления по направлению ГРП—11 —8—7—6 А_Р]]_₇__в = ЛЦ1_П_₈ + l₈_₇ + l₇_₆) = 120/(150 + 300 + 500) -=

= 0,127 мм вод. ст./м. Потери давления на участках этого направления, мм вод. ст.: Н— &Р2i-7-eh 1-8 ~ 0,127 • 150 = 19; Н ₈_₇= Арц-у-₉1₈_₇ — - 0,127-300 = 38; Н_т__в = A_Pjl_₇_₆l₇_₆ = 0,127-500 = 63,5.

Удельная потеря давления по направлению ГРП—11—8—9—1 *Рп-9-i = (Н-Н_п_₈)К1₈_₉l₉_j) = (120—19)/(150 + 350) = 0,20 мм вод. ст.

Потери давления на участках этого направления, мм вод. ст.: Н,, _в — = 19 (определена ранее); Н₈_₉ — AP]i-₉-jl₈_₉— 0,20-150 = 30; Н_д_₁ =-• = Ар_п_₉__]1₉_₁ = 0,20-350 = 70.

Удельная потеря давления по направлению ГРП—11—10—2— 1 &Рii-2-i = W ~ (Иa-ю + Hi₀_₂)]/l₉_i = (120-22,5-15)/300 = 0,275 мм вод. ст./м. Потери давления па участках этого направления, мм вод.ст.: Н ₁₁_₁₀ = 22,5 (определена ранее); Я ₁₀_₂— 15 (определена ранее); Я2-1 = Apu_₂-i^l2-i - 0,275-300 = 82,5.

Результаты вычислений удельных потерь давления на участках гаэовой сети запишем в виде

15. Далее порядок расчета следующий. По величинам удельных потерь напора и расчетных расходов па участках по номограмме на рис. VI.3 определяем предварительные диаметры участков газопроводной сети. По определенным диаметрам газопроводов на участках по той же номограмме определяем соответствующие им действительные удельные потери давления на трение. Умножая действительные удельные потери давления на длину участков, определяем действительные линейные потери давления на трение на каждом участке в целом.

Рис. VI.14. Схема газовой сети среднего давления.

К определенным линейным потерям давления на трение прибавляем потери давления в местных сопротивлениях, принимая величину их равной 10% от линейных потерь на трение. Суммируя потери давления на участках полуколец, следим, чтобы «невязка» между суммарными потерями давления в полукольцах не превышала 10% от наименьших потерь давления в полукольце. При «невязко» потерь давления более 10% необходимо внести коррективы в ранее принятые расчеты и сделать увязку сети. Эта увязка может быть достигнута либо за счет переброски так называемых поправочных расходов с одного полукольца на другое, либо за счет изменения первоначально принятых диаметров на одном или нескольких участках полукольца.

Если участки полукольца, для которых изменены расходы или диаметры, являются общими и для смежных колец, то надо пересчитать все кольца.

Таблица VI.6

Гидравлический расчет кольцевой сети низкого давления

После пересчета сумма приходов и расходов газа в каждом узле должна быть равна нулю. Метод изменения диаметров участков газопроводов более обеспечивает ранее принятые нами желаемые распределения потоков газа, п поэтому воспользуемся им. Дальнейшие расчеты удобнее вести в табличной форме. Составлением табл. VI.6 и внесением в нее результатов расчетов увязка сети будет закончена и будут определены расчетом диаметры участков газопроводов. Их следует нанести на расчетную схему (см. рис. VI.13).

16. Проводим расчет сети среднего давления по исходным данным, приведенным на рис. VI.14. Недостающими данными необходимо задаться.

Абсолютное давление газа на выходе из ГРП завода для обеспечения устойчивой работы горелок среднего давления принимаем равным р_пых = 1,5 кгс/см². Для обеспечения устойчивой работы регулятора давления в докритическом режиме согласно зависимости (V.3) принимаем отношение Рвнх/Рвх = 0,6. Тогда абсолютное давление перед регулятором р_вх = ⁼ Двых/0,6 = 1,5/0,6 = 2,5 кгс/см². С учетом возможных колебаний давления в сети и наличия потерь давления в арматуре до регулятора принимаем давление газа на входе в ГРП завода, а следовательно, в конце нашей сети рз = 2,8 кгс/см².

Для учета потерь давления в местных сопротивлениях сети увеличиваем фактическую длину ее участков на 10%, т. е. принимаем расчетную длину газопровода ГРС—ГРП завода L_p = 1,1-0,8 -{- 1,1 • 0,35 = = 1,265 км. Величина средней квадратической разности абсолютных давлений для всей сети а^р = — pg)/L_p = (3,8²—2,8²)/1,265 =

= 6,7. По номограмме рис. VI.7 находим, что найденному значению а_ср и расчетному расходу газа на участке сети ГРС—ГРП поселка Vp = 2113 м*/ч соответствуют диаметры газопровода D_y = 100 или D_y = 125 мм. Принимаем газопровод D_y — 125 мм, для которого при данном расходе газа величина а_Ср — 3. Соответствующее выбранному диаметру абсолютное давление газа,перед ГРП поселка р₂ определится из соотношения (3,8²—pg)/(l,l X

X 0,8) = 3, откуда р₂ — V 3,8²—3-1,1 0,8 = 3,44 кгс/см². Для участка сети ГРП поселка — ГРП завода аср = (3,44² — 2,8²)/(1,1-0,35) = 4. По номограмме рис. VI.6 при данном значении а_ср и расчетном расходе газа Vp = 500 м³/ч диаметр второго участка сети принимаем равным ?>_у= «= 70 мм.