5.5. Гидравлический расчет распределительной кольцевой газовой сети низкого давления

Схема кольцевой газовой сети показана на рис.5.9.

ГРП 1 2 3 ГРП 1 2 3

4(к)

8 7 6 5 8 7 6 5

Рис.5.9. Кольцевая газовая сеть: а-одно кольцо; б - два кольца; к- концевой узел встречи потоков; ΔQ- циркуляционный расход.

Сеть может состоять из одного кольца (рис.5.9 а) или нескольких колец, например, из двух колец (рис.5.9 б). Кольцевой газопровод можно легко получить из тупикового ( см .рис. 5.8), соединяя, например, узлы 6 и 9 веток 1 и 2. Такое соединение показывает, что строительство и эксплуатация кольцевого газопровода обходится дороже, чем тупикового ,из-за появления дополнительной газовой линии ( в рассмотренном случае линия 6-9). Однако кольцевой газопровод значительно надежнее тупикового. В тупиковом газопроводе отказ одного из участков приводит к прекращению подачи газа к некоторым потребителям. Положим, что отказал участок 2-3 ( см. рис. 5.8), тогда остаются без газа узлы 3,4,5 и 6. Теперь допустим, что отказал участок 2-3 кольцевого газопровода (см рис.5.9а). В этом случае ни к одному из узлов не прекращается подача газа. И если ранее к узлу 3 поступал газ по линии 1-2-3, то теперь газ будет поступать по линии 1-8-7-6-5-4-3.

Кольцевые сети, как наиболее надежные, используются преимущественно для газопроводов высокого и среднего давления, соединяющих крупных потребителей газа ( промпредприятия, бани, котельные и др.), см. таблицу 3.1.Такие кольцевые сети рассчитываются как сети с сосредоточенными расходами газа [6].

Иногда кольцевыми выполняются сети низкого давления, обслуживающие городские микрорайоны. Они рассчитываются как сети с равномерно распределенными расходами газа.

Рассмотрим расчет такой распределительной кольцевой газовой сети, состоящей из одного кольца ( см. рис. 5.9 а). Гидравлический расчет ведется методом приближений, так как возможное количество уравнений, описывающих течение газа в кольцевой сети, включая два закона Кирхгофа, не является достаточным для прямого решения задачи определения расчетного расхода газа, диаметра и перепада давления для каждого участка кольцевого газопровода [2].

Приведем последовательность расчета одного газового кольца ( рис. 5.9а).

1.Выбираем на глаз концевой узел К таким образом, чтобы по часовой стрелке (перепады давления принимаются положительными) и против часовой стрелки ( перепады отрицательные), потери были бы одинаковыми с целью обеспечения 2-го закона Кирхгофа:

(5.26)

где индекс К в знаке суммы свидетельствует о суммировании по кольцу.

2.Определяем длину каждого из участков. Эти и последующие результаты заносятся в табл. 5.2.

Таблица 5.2. К гидравлическому расчету распределительной кольцевой газовой сети низкого давления.

Q_общ= м³/ч; q_р1= Па/м; q_р2= Па/м; d_нS= мммм; Q= м³/ч.

3.При известном общем часовом расходе газа Q_общ., подаваемого сетевым ГРП, определяем по следующим формулам:

• Удельный расход (5.15).

• Путевые расходы (5.14).

• Узловые расходы (5.18).

• Правильность расчета путевых и узловых расходов (5.19).

4.Вычисляем транзитные расходы по часовой и против часовой стрелки, начиная с концевого узла 4 (к):

Q_тр3-4=0; Q_тр2-3= Q_п3-4 ; Q_тр1-2=Q_п3-4 + Q _п2-3;

Q_тр5-4=0; Q_тр6-5= Q_п5-4 ; Q_тр7-6=Q_п5-4 + Q _п6-5;

Q_тр8-7= Q_п5-4 + Q _п6-5+ Q _п7-6 ; Q_п1-8=Q_п5-4 + Q _п6-5+ Q _п7-8+ Q _п8-7.

5.Определяем расчетные часовые расходы газа для каждого участка по формуле (5.16).

6.Имея в виду, что расчетный перепад давления _р=1200Па, вычисляем удельные потери отдельно для ветки 1 [1-2-4 (к)] и для ветки 2 [1-8-4 (к)], ( Па/м):

, (5.27)

, (5.28)

где 1,1 – коэффициент, учитывающий местные потери; индексы 1,2 относятся к первой и второй веткам.

7.Зная расчетные расходы Q_рi и удельные потери для каждой ветки, с помощью номограммы ( рис. 5.1) находим для каждого участка диаметр d_нi ×S_i.

Диаметры менее 573 для распределительных газопроводов не применяются.

8.Диаметры кольцевых участков принимаются одинаковыми или отличными не более чем на 15-20% для уменьшения номенклатуры трубопроводов при строительстве. Помимо этого, кольцо с сильно отличающимися диаметрами перестает быть резервированным, т.к. участки с малыми диаметрами не смогут пропускать нужные расходы при аварийных ситуациях из-за повышенных сопротивлений. В случае кольца с участками одного и того же диаметра средний диаметр рассчитывается по формуле:

, (5.29)

где 1,1 –коэффициент, учитывающий эквивалентность металлоемкости кольца с постоянным и переменным диаметром; суммирование ведется по всем участкам кольца.

С использованием рис. 5.1 принимается действительный диаметр d_н ×S, близкий к d_нср.

9.При известном диаметре d_н ×S и известном расчетном расходе Q_рi для каждого участка по рис.5.1 определяется отношение р_i/_i, по которому находится перепад давления на каждом участке по формуле:

10. В связи с тем, что неизвестен действительный узел К и дискретные значения диаметров участков d_нi ×Si заменены постоянным диаметром d_н ×S, второй закон Кирхгофа (5.26) не выполняется. Поэтому возникает задача определения истинного газораспределения по участкам кольца. Для этого на участки кольца накладывается циркуляционный расход ΔQ ( см. рис. 5.9а), который определяется по формуле Лобачева-Кросса (м³/ч):

, (5.31)

где α=1.75 для газопроводов низкого давления; при суммировании в числителе учитывается знак перепада давления ( см. п.1).

Рассчитанное по формуле (5.31) значение ΔQ со своим знаком заносится в таблицу 5.2.

11. Положительное значение ΔQ свидетельствует о движении циркуляционного потока по часовой стрелке ( см. рис. 5.9а), отрицательное – против часовой стрелки. В первом случае (ΔQ положительно) циркуляционный расход увеличивает транзитные расходы через участки ветки1 и уменьшает транзитные расходы через участки ветки 2. Во втором случае –наоборот. В связи с тем , что газоотдача кольцевого газопровода от наложения циркуляционного расхода ΔQ не изменяется и сохраняется, равной Q_общ, то путевые и узловые расходы не изменяются, а изменяются только транзитные расходы. Поэтому при наложении циркуляционного расхода ΔQ новые значения расчетных расходов определяются по формулам:

при Q>0 : Q_рiн=Q_pi± |ΔQ| , (5.32)

где значение плюс соответствует ветке 1, а минус –ветке2;

при Q<0 : Q_рiн=Q_pi± |ΔQ| , (5.33)

где знак минус соответствует ветке 1, а знак плюс – ветке 2.

12.По известным Q_рiн и d_н ×S с помощью рис.5.1 находятся новые отношения р_iн/i для каждого участка. По этим отношениям определяются новые перепады давления

Δр_iн=1,1 (Δр_iн/_i) _i. (5.34)

13. Соответствие полученных результатов второму закону Кирхгофа (5.26.) оценивается неувязкой (неравенством) перепада давления на ветке 1 и ветке 2:

(5.35)

где индексы 1 и 2 соответствуют ветке 1 и ветке2.

Расчет кольцевого газопровода считается завершенным, если |δ| . В противном случае следует:

1). поменять концевой узел К или

2). увеличить диаметр участков той ветки, где перепад давления оказался больше, или уменьшить диаметр участков ветки, где перепад давления меньше, и провести все расчеты снова.

Отметим, что смена концевого узла К существенно влияет на неувязку .

14. Помимо выполнения требований по неувязке (|δ|), должно выполнятся следующие условие по коэффициенту использования давления:

.(5.36)

Если условие (5.36) не выполняется, то следует повторить все расчеты, увеличив диаметр газопровода d_н ×S.

Следует отметить, что гидравлический расчет газопровода с двумя ( см. рис.5.9б) и большим числом колец, значительно усложняется из-за необходимости увязывать циркуляционные расходы в кольцах. Так при двух кольцах циркуляционные расходы влияют на транзитный , а следовательно, на расчетный расход, который должен удовлетворять условиям течения газа как в первом, так и во втором кольце. Поэтому гидравлические расчеты многокольцевых газопроводов проводят с использованием компьютерных программ.