Гидравлический расчет уличной распределительной сети низкого давления

Перед гидравлическим расчетом определяется допустимый (максимальный) перепад давления в газопроводе от ГРП до точки встречи потоков. От правильного использования расчетного перепада давления зависит металлоемкость сооружения и, следовательно, эффективность и экономичность всей системы.

Расчетный перепад давления должен обеспечить давление газа у газовых приборов, отрегулированных на номинальную тепловую нагрузку. Номинальная тепловая нагрузка Q_ном (по паспорту завода изготовителя) обеспечивает работу газового прибора с максимальным КПД, наилучшей полнотой сгорания и не вызывает опасных тепловых напряжений, сокращающих срок работы приборов.

На основании статистических данных выявлены возможно-допустимые колебания тепловых нагрузок, позволяющие эксплуатировать приборы с параметрами, близкими к номинальным и допустимыми отклонениями по качеству сжигания.

Согласно рекомендациям Мосгазпроекта допускается перегрузка газового прибора, при которой нет повышенных тепловых напряжений и содержание окиси углерода в продуктах сгорания не превышает нормы. Эта перегрузка должна составлять не более 20% и может быть только кратковременной. Допустимая недогрузка газового прибора не должна превышать 20%.

Количество газа, поступающее в газовый прибор, пропорционально давлению газа. Эта зависимость выражается следующей формулой:

; (15)

для номинального режима

; (16)

для максимального

. (17)

Приняв перегрузку прибора 20%, т. е. Q_макс =1,2 Q_ном, получим:

, (18)

откуда

(18)

и

p_макс = 1,44 p_ном » 1,5 p_ном. (19)

Таким же образом, проведя вычисления для минимальной нагрузки газового прибора, получим:

p_мин = 0,64 p_ном » 0,6 p_ном. (20)

Величина суммарного расчетного перепада давления на ветке между ГРП и самым удаленным газовым прибором определится как разность между максимально и минимально допустимым давлением газа перед газовым прибором. Это положение можно интерпретировать как изменение тепловой нагрузки газового прибора в сторону уменьшения или увеличения ее против номинальной нагрузки, т. е.:

∆p = 1,5 p_ном – 0,6 p_ном = 0,9 p_ном (21)

Номинальное давление перед газовыми приборами, выпускаемыми нашей промышленностью, составляет 200 даПа, следовательно,

∆p = 0,9 · 200 = 180 даПа.

Расчетные потери давления в газопроводах низкого давления по п. 3.25 [4] рекомендуется распределять следующим образом:

в распределительной (уличной) сети – не более 120 даПа;

в газопроводах-вводах (квартальном и дворовом газопроводах) и внутренних (внутридомовых) газопроводах – не более 60 даПа.

Для вывода формул, по которым производится гидравлический расчет, используются три уравнения:

1) уравнение Дарси – Вейсбаха

, (22)

где ∆p – потери давления, Па;

l – коэффициент гидравлического трения;

l – длина трубопровода, м;

w – средняя скорость движения газа, м/с;

ρ – плотность газа, кг/м³;

d – внутренний диаметр трубопровода, м;

2) уравнение состояния

p = ρ R T; (23)

3) уравнение сплошности (неразрывности) потока

M = ρ w F = ρ₀ w₀ F= ρ₀ Q₀, (24)

где M – массовый расход газа, кг/ч;

ρ₀, - плотность, кг/м³, приведенная к нормальным условиям;

w₀, - средняя скорость движения газа, м/с, приведенная к нормальным условиям;

Q₀ - объемный расход газа, м³/ч, приведенный к нормальным условиям.

При выводе формул гидравлического расчета принимаются следующие граничные условия: по трубам движется несжимаемая жидкость, температура газа не изменяется, т. е. процесс течения газа – изотермический, движение газа по трубам происходит от участков с более высоким давлением к участкам с более низким, и при этом осуществляется переход потенциальной энергии в кинетическую. Движение газа связано с потерей потенциальной энергии (давления) на преодоление сопротивлений на его пути, которые складываются из сопротивлений трению и местных сопротивлений.

Уравнение (22) используется для вычисления линейных потерь энергии давления, а также для составления номограмм и таблиц для гидравлического расчета трубопроводов.

Значение l зависит от характера движения газового потока и характеризуется критерием Рейнольдса

, (25)

где n – кинематическая вязкость, м²/с.

Величина потери давления в местных сопротивлениях определяется по формуле

, (26)

где z – безразмерный коэффициент, характеризующий величину каждого вида местного сопротивления.

Изменение давления газа по длине газопровода незначительно, поэтому можно принять плотность газа постоянной по всей длине газопровода, т. е. ρ = const.

Средняя скорость движения газа определяется уравнением сплошности (неразрывности) потока

, (27)

где Q – расход газа, м³/час;

F – площадь поперечного сечения трубы, м².

Значение коэффициента гидравлического трения для гидравлически гладкой стенки при 4000<Re<100000 определяется по формуле

. (28)

При проектировании уличных распределительных сетей местные потери давления в газопроводах принимаются в размере 10% от линейных потерь давления на трение.

Для низкого давления газа, когда можно пренебречь коэффициентом сжимаемости, а давление газа в сети можем принять равным среднеарифметическому значению давления газа в начале и в конце рассматриваемого участка, получим расчетную формулу для определения гидравлического сопротивления трубопроводов

, (29)

где p_н, p_к – давление соответственно в начале и в конце газопровода, Па;

Гидравлический расчет выполняется по номограмме для низкого давления газа ([5, 7] или рисунок 3). Подбор диаметров производится по расчетным расходам на участках и средней удельной потере давления на 1 погонный метр R_ср, которая рассчитывается для каждого направления от ГРП до точки встречи двух потоков по формуле

, (30)

где Sl – сумма длин всех участков от ГРП до каждой точки встречи потоков, м.

Невязку гидравлического сопротивления двух «параллельных» участков допускается принимать не более 10%. Гидравлический расчет производится в табличной форме (таблица 12).

Таблица 12 – Гидравлический расчет сети низкого давления

Но­мер участка	Длина учас­тка   l, м	Рас­четный расход   Qрасч, м3/ч	Средние удельные потери давления Rср, Па/м	Диа­метр     dу, мм	Фактические удельные потери давления Rфакт, Па/м	Потери давления на трение на участке Rфакт l, Па	Общие потери давления на участке 1,1 Rфакт l, Па

Рисунок 3 – Номограмма для определения потерь давления в газопроводах низкого давления для природного газа (r = 0,73 кг/м³, n = 14,3 · 10^–6 м²/с при 0°С и 0,1013 МПа)