Author: Бобровский С.А. Яковлев Е.И.
Tags: газоснабжение газовая промышленность газохранилища
Year: 1980
Text
V'-. -
С. А. БОБРОВСКИЙ,
E. И. ЯКОВЛЕВ
ГАЗОВЫЕ СЕТИ
И ГАЗО-
ХРАНИЛИЩА
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов,
газохранилищ и нефтебаз»
МОСКВА
«НЕДРА»
1980
УДК £622.691.4.054 (1-21) + 622.691] (075.8)
Бобровский С. А., Яковлев Е. И. Газовые сети й газохранилища.
М., Недра, 1980, 413 с.
В учебнике изложены вопросы проектирования и эксплуатации город-
ских газораспределительных сетей, газорегуляторных станций, наземных
и подземных хранилищ природного газа, газораздаточных станций сжи-
женного газа, изотермических хранилищ сжиженных газов, а также уста-
новок] регазификации; рассмотрена экономика газоснабжения и охраны
труда в системе снабжения природным и сжиженным газами. Использо-
ваны последние достижения науки и техники в области газоснабжения.
Все разделы курса написаны с использованием Международной системы
единиц (СИ). Учебник полностью соответствует программе курса, утвер-
жденной Министерством высшего и среднего специального образования
СССР.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений по
специальности 0207 — «Проектирование и эксплуатация газонефтепро-
водов, газохранилищ и нефтебаз».
Табл. — 41, ил. 126, список лит.— 15 назв.
Рецензенты:
1. Кафедра «Проектирование И Эксплуатация газонефтепровбдов, Газохра-
нилищ и нефтебаз» Уфимского нефтяного института, зав. кафедрой д-р техн,
наук проф. В. Д. НОВОСЕЛОВ и канд. техн, наук доц. А. И. ГОЛЬЯНОВ.
2. Первый заместитель директора ВНИИГаза д-р техн, наук проф.
3. Т. ГАЛИУЛИН.
Иив. Ж --------
Библиотека УНИ
(6) Издательство «Недра», 1980
ПРЕДИСЛОВИЕ
Газовая промышленность является самой молодой отраслью
топливной промышленности Советского Союза. В дореволюцион-
ной России природный газ не добывался. В незначительных коли-
чествах добывался попутный нефтяной газ в Бакинском и Гроз-
ненском районах. Перед Великой Октябрьской социалистической
революцией в Баку использовалось всего лишь 33 млн. м3 попут-
ного нефтяного газа.
Начало производства искусственного газа в России относится
к тридцатым годам XIX в. В Петербурге был построен небольшой
завод, который вырабатывал газ из угля, поступавшего из Англии.
В 1914 г. в Петербурге этот газ поступал только в 3 тыс. квартир
наиболее богатых семей. В Москве искусственный газ начали ис-
пользовать в конце шестидесятых годов XIX в. для освещения
улиц и вокзалов. Позже газ стали применять и для бытовых нужд.
В 1913 г. было газифицировано 2,7 тыс. квартир.
После Великой Октябрьской социалистической революции
использование попутного нефтяного газа стало постепенно воз-
растать. В Бакинском и Грозненском нефтедобывающих районах
в 1927—1928 гг. было добыто и использовано 270 млн. м3 газа.
В 1940 г. добыча природного и попутного газа в Советском Союзе
составила около 3220 млн. м3.
В сентябре 1944 г. Советским правительством было принято
решение о строительстве первого газопровода Саратов—Москва.
В июле 1946 г. саратовский газ поступил в Московскую газовую
сеть.
За пять лет (1946—1950 гг.) в Москве было построено более
1340 км уличных и внутридворовых газопроводов, десятки газорегу-
ляторных станций, две газгольдерные станции, газифицировано
211 тыс. квартир.
Широкая газификация бытовых и коммунальных потребителей
в городах и поселках городского типа началась в 1958 г., в сель-
ской местности к газификации поступили в 1962 г.
Газовая промышленность Советского Союза развивается бы-
стрыми темпами. Эти темпы являются более высокими по сравне-
нию с другими отраслями топливно-энергетического хозяйства
страны.
Газовые промыслы страны в 1977 г. дали 346 млрд, м3 газа,
что в 2,2 раза больше, чем десять лет назад.
1*
3
В настоящее время сформирована и успешно функционирует
Единая система газоснабжения. Из месторождений Российской
Федерации, Украины, Туркмении, Узбекистана, Азербайджана,
Казахстана, Таджикистана по подземным артериям общей протя-
женностью около 120 тыс. км чистое, высокопродуктивное топливо
поступает к потребителям всех 15 союзных республик и за
рубеж.
Развитие народного хозяйства в современных условиях свя-
зано со значительным ростом потребления газа. Природные горю-
чие газы являются экономичным и универсальным теплоносителем,
способным заменить твердое и жидкое топливо в быту, в город-
ском и энергетическом хозяйствах, в промышленности и тран-
спорте.
Удельный вес газа в топливно-энергетическом балансе страны
возрос с 18,9% в 1970 г. до 21,1% в 1975 г. и возрастет примерно
до 25,6% в 1980 г.
Всего в 1976 г. использовано в народном хозяйстве Советского
Союза 285863,6 млн. м3 газа, в том числе в промышленности
158445,1 млн. м3 (55%), на электростанциях 7681 млн. м3 (26,8%),
коммунально-бытовыми потребителями 40724,2 млн. м3 (14,2%).
Замена газом других менее экономичных видов топлива поз-
волила за прошедшее десятилетие получить экономию в эксплуа-
тационных издержках более 10 млрд. руб.
Для повышения надежности и эффективности работы систем
газоснабжения и с целью компенсации неравномерности газопо-
требления в крупных городах (Москве, Ленинграде, Киеве, Риге,
Ташкенте, Свердловске и др.) созданы подземные хранилища при-
родного газа.
Развиваются прогрессивные способы хранения углеводород-
ных газов в соляных пластах, шахтные и др., строятся хранилища
сжиженного природного газа.
Широкий размах работ по газификации городов и населенных
пунктов, определил необходимость создания нового вида хозяй-
ства —газового. Газовое хозяйство городов представляет собой
сложную инженерную систему, в которую входят газовые сети,
системы резервирования и установки для сжигания газа.
В нашей стране создано мощное газовое хозяйство, которое
в настоящее время оказывает непосредственное влияние на техни-
ческий прогресс и развитие многих важнейших отраслей промыш-
ленности и сельского хозяйства.
Применение газа для технологических нужд промышленности
снижает стоимость топлива, способствует повышению производи-
тельности и улучшению качественных показателей работы агре-
гатов, а в химической промышленности улучшает технико-эконо-
мические показатели производства и позволяет уменьшить исполь-
зование продуктов сельскохозяйственного производства. Исполь-
зование газа для промышленности и сельскохозяйственного про-
изводства в городских населенных пунктах позволяет оздоровить
4
воздушные бассейны и улучшить санитарно-гигиенические усло-
вия трудящихся. В результате газификации промышленности и
ТЭЦ в Москве запыленность и загазованность значительно снизи-
лись. В настоящее время газ является одним из основных видов
топлива и химического сырья для ряда важнейших отраслей про-
мышленности. Применение газа приводит к улучшению качества
выпускаемой продукции, повышению производительности и об-
легчению условий труда.
Большие удобства от использования газа на бытовые нужды
получает население. Широкий размах получила газификация
жилищно-коммунального хозяйства. В настоящее время газом
снабжается более 68% населенных пунктов городского типа и
48% населенных пунктов в сельской местности. Всего бытовым
газом пользуются более 182 млн. человек. Число газифицирован-
ных квартир превысило 40 млн., из них 18 млн. квартир исполь-
зуют природный газ и 22 млн. квартир — сжиженный. Резко
увеличилось также применение сжиженных углеводородных га-
зов для отопления бытовых и коммунальных помещений, для
сушки, резки и сварки металлов, как топливо для двигателей и
легковых машин. Быстрый рост производства и потребления
сжиженных газов обусловлен экономичностью транспорта, высо-
кой эффективностью сгорания, отсутствием серы, более высоким
к. п. д. приборов.
При газификации жилищно-коммунального хозяйства в отдель-
ных районах страны (например, в Западной и Восточной Сибири,
на Дальнем Востоке, в Казахской ССР, Грузинской ССР, в При-
балтийских республиках и др.) наиболее широко используют сжи-
женные углеводородные газы.
Успехи в проектировании, сооружении и эксплуатации систем
газоснабжения достигнуты совместными усилиями рабочих и ин-
женерно-технических работников газовой и смежных отраслей
промышленности.
Большой вклад в дело развития теории и техники хранения
и резервирования газа внесли научно-исследовательские и учеб-
ные институты страны (ВНИИГаз, ВНИИпромгаз, ВНИПИ-
трансгаз, ГипроНИИгаз, Мосгазпроект.МИНХ и ГП им. И. М. Губ-
кина, МИСИ и др.).
В решении новых задач, стоящих перед газовой промышлен-
ностью, в дальнейшем важную роль должна сыграть наука об эф-
фективных методах распределения и хранения газа. Должны найти
дальнейшее развитие новые технические решения, внедрены ком-
плексы автоматизированного управления технологическими про-
цессами в сочетании с широким применением высокопроизводи-
тельного оборудования.
Рост потребления газа и числа потребителей обусловил необ-
ходимость подготовки инженерных кадров для организации на-
дежного, бесперебойного, безаварийного снабжения потребителей
этим высокоэффективным топливом, сырьем и горючим.
5
Предлагаемый учебник написан в соответствии с программой
курса «Газовые сети и хранилища газа» и выпускается впервые.
Авторы выражают благодарность рецензентам: зав. кафедрой
«Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов, газохрани-
лищ и нефтебаз» Уфимского нефтяного института д-ру техн, наук,
проф. В. Д. Новоселову, канд. техн, наук, доц. той же кафедры
А. И. Гольянову, первому заместителю директора ВНИИГаза
д-ру техн, наук, проф. 3. Т. Галиулину за ценные замечания при
подготовке рукописи. Авторы будут признательны всем читателям,
которые сообщат о замеченных недостатках книги.
ГЛАВА i
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
О ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ.
СВОЙСТВА ГАЗОВ
§ 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
О ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
И ХРАНИЛИЩАХ ГАЗОВ
В системе газоснабжения могут использоваться природный
газ, подаваемый в какой-либо населенный пункт по магистраль-
ному газопроводу, сжиженный газ или смесь паров пропана и бу-
тана с воздухом.
Основным топливом в системе газоснабжения является природ-
ный газ.
^Основные физико-химические свойства компонентов газов,
используемых для газоснабжения, даны в табл. 1.1, а средние со-
ставы и характеристики природных газов некоторых месторожде-
ний — в табл. 1.2.
Система газоснабжения городов и поселков состоит из источ-
ника газоснабжения, газораспределительной сети и внутреннего
оборудования.
При использовании природного газа источником газоснабже-
ния городов является магистральный газопровод, а при исполь-
зовании сжиженного газа — газораздаточные станции сжиженных
газов, которые получают газ по магистральным трубопроводам
сжиженного газа, железной дороге, автомобильным или водным
транспортом.
Газовая распределительная сеть представляет собой систему
трубопроводов и оборудования, служащих для транспорта и рас-
пределения газа внутри города. Классификация газопроводов
дана в табл. 1.3.
Газопроводы на территории городов и других населенных пунк-
тов в зависимости от максимального рабочего давления делятся
на газопроводы: низкого давления (до 0,005 МПа), среднего дав-
ления (0,005—0,3 МПа); высокого давления (0,3—1,2 МПа). Дав-
ления, по значению которых проведена классификация городских
газопроводов, являются избыточными.
В газопроводах низкого давления при газоснабжении бытовых
потребителей следует использовать искусственный газ давлением
до 0,002 МПа, природный газ давлением 0,003 МПа, а сжиженный
газ давлением — 0,004 МПа.
7
00 Таблица 1.1
Основные физико-химические свойства компонентов газов, используемых для газоснабжения
Параметры Газы
Метан Этан Этилен Пропан Пропилен «-Бутан изо-Бу- тан Бутилен изо- Бути- лен «-Пентан
Химическая формула сн4 О>н4 СЭН8 Сэн6 С4Н10 С4Н]0 С4Н8 С4Н8 С5н12
Молекулярная масса, кг 16,04 30,07 28,05 44,10 42,08 58,12 58,12 56,10 56,10 72,15
Состав, %: Н 25,03 20,12 14,38 18,30 14,36 17,35 17,35 14,38 14,38 16,70
С 74,57 79,83 85,62 81,70 85,62 82,65 82,65 85,62 85,62 83,30
Относительная плотность 0,554 1,048 0,975 1,562 1,481 2,091 2,064 1,937 1,937 2,488
газа Плотность газовой фазы 0,77 1,356 1,261 2,019 1,915 2,703 2,668 2,500 2,500 3,220
при 0° С и 760 мм рт. ст., кг/м® Плотность жидкой фазы 416 546 566 585 609 600 594 646 646 637
при 0 ° С и 760 мм рт. ст., кг/см3 Температура, °C: кипения при 760 мм —161,0 —88,5 —103,7 —42,1 —47,0 —0,6 —10,2 —5,9 —6,0 +36,2
рт. ст. отвердения —182,5 —172,1 — 169,4 —189,0 —185,2 —135,0 — 145,0 — 130,0 — 146,0 —135,5
критическая —82,1 32,3 9,7 96,8 92,3 152,0 133,7 144,0 143,0 197,2
Критическое давление, 4,58 4,82 5,09 4,21 4,50 3,45 3,82 3,40 — 3,44
МПа Теплоемкость, кДж/(кг-°С): при постоянном дав- 2,1654 1,6470 1,4595 1,4260 1,5918 1,5909 1,5909 1,5909 1,5909 1,5930
лении при постоянном объ еме 1,6470 1,3707 1,1626 1,3607 1,2238 1,4486 1,4561 1,4318 1,4402 1,4775
жидкой фазы при 3,450 2,998 2,407 2,223 — 2,231 2,231 — — 2,679
760 мм рт. ст. Теплота сгорания, кДж/м3: высшая, газовой фазы 49 948 47 160 46 842 45 937 45 615 45 406 45 406 45 125 45 125 45 217
низшая, газовой фазы
низшая, жидкой фазы
Скрытая теплота испаре-
ния, кДж/кг
Объем паров 1 кг сжи-
женного газа (в м3) при
20° С и 760 мм рт. ст.
Теоретически необходи-
мые количества воздуха
для сгорания газа,
м3/м3
То же, кислорода, м3/м3
Температура воспламе-
нения, °C
Октановое число
Динамический коэффи-
циент вязкости
р- 10~e, Н -с/м2:
газа
жидкой фазы при 0 °C
Кинематический коэф-
фициент вязкости газа
v • 10-6, м2/с
Пределы воспламеняе-
мости (взрываемости)
газов в смеси с возду-
хом (при 0 °C и 760 мм
рт. ст.), %:
нижний
верхний
Коэффициент теплопро-
водности, компонен-
тов, кДж/(м-ч-°С):
парообразных
жидких
Отношение объема газа к
объему жидкости при
0 °C и 760 мм рт. ст.
35 797 63 723 59 063 91 251 86 017 118 645 118 645 113 508 113 508 146 119
21 850 22 479 — 24 677 25 162 28 047 28 047 28 579 28 579 30 044
511 486 481 427 440 389 381 410 398 360
— 0,745 0,800 0,510 0,520 0,386 0,386 0,400 0,312 0,312
9,53 16,66 14,28 23,80 22,42 30,94 30,94 28,56 28,56 30,08
2,0 3,5 3,0 5,0 4,5 6,5 6,5 6,0 6,0 8,0
640 508 475 510 475 476 400 445 400 475
НО 125 100 120 115 93 99 105 87 64
10,000 8,593 9,614 7,504 7,652 6,837 6,837 6,867 6,278
66,71 64,75 135,4 — 210,9 188,3 — 284,5
14,24 6,25 7,50 3,70 4,08 2,45 2,50 1,80
5,3 3,2 3,2 2,3 2,2 1,5 1,8 1,7 1,7 1,4
15,0 12,5 34,0 9,5 9,7 8,4 8,4 9,0 9,0 7,8
0,110 0,065 0,059 0,053 0,049 0,049 0,049 0,460
1,105 0,682 — 0,456 0,477 0,460 — 0,490
580 403 450 290 318 222 222 285 285 198
5 Таблица 1.2
Средние составы и характеристики природных газов некоторых месторождений СССР
Месторождения Состав газа (по объему), % Относи- тельная плотность воздуха при 20 °C Теплота сгорания при 20 °C. кДж/м3
СН4 С2НВ с,н„ С.н10 с5н12+ -рвысшие со2 N2+ 4-редкие H2S
с еверные мест о р О Ж Д е н и я
Уренгойское:
горизонт сеноман 98,8 0,07 — — 0,01 0,29 0.8 Нет 0,561 32 950
горизонт валанжин 92,5 2,00 0,66 0.50 0,15 0,33 3,7 0,600 0,673 33 500
горизонт юра Медвежье: 87,0 6,20 3,40 1,98 0,76 0,12 1,1 » 39 000
горизонт сеноман горизонт валанжин 99,2 85,9 0,12 4,70 3,10 1,60 0,01 1,00 0,01 0,48 0,6 3,2 » » 0,558 0 671 33 250 3 750
горизонт юра Заполярное Тазовское: 63,7 98,4 10,20 0,07 12,60 0,01 7,60 3,60 0,01 0,70 0,20 1,8 1,3 » » 0,760 0,562 52 120 32 950
горизонт сеноман 98,6 0,10 0,03 0,02 0,01 0,20 1,0 » 0 562 33 200
горизонт валанжин 93,1 2,10 0,28 0,06 0,11 0,40 3,2 » 0,585 0,635 0,573 35 710
горизонт юра Губкинское Комсомольское: 87,5 98,4 6,70 0,13 2,10 0,01 0,59 0,005 0,11 0,01 0,60 0,15 2,4 1,3 » » 35 700 33 000
горизонт сеноман 97,2 0,12 0,01 0,01 0,10 2,5 » 0 566 32 570
горизонт юра Вынгапуровское Юбилейное Мессояхское Соленинское Березовское Вуктыльское Вой-Вожское 94,5 95,1 98,4 97,6 95,8 94,8 81,8 84,4 2,10 0,32 0,07 0,10 2,90 1,20 8,80 5,20 0,50 0,01 0,03 0,07 0,30 2,80 1,30 0,10 0,01 0,020 0,10 0,94 0,43 0,10 0,01 0,15 0,06 0,30 0,15 0,20 0,19 0,40 0,60 0,40 0,50 0,30 0,18 1,60 4,3 1,1 1,6 0,5 3,0 5,1 8,2 » » » » » » » » 0,577 0,575 0,563 13,568 0,582 0,583 0,670 0,637 33 530 32 000 32 900 32 700 34 250 32 860 36 550 33 160
Среднеазиатские месторождения
Ачакское:
горизонт нижний мел
горизонт верхняя юра
Гугуртли:
горизонт нижний мел
горизонт верхняя юра
горизонт нижняя юра
Наин
Самантепинское
Майское
Шатлыкское
Байрамалинское
Газлинское
Учкырское
Северо-Мубарекское
Шебелинское
Ефремовское
Кегичевское
Солоховское
Машевское
Пролетарское
Джанкойское
Вергунское
Оренбургское
Покровское
Северо-Ставропольское
93,7 3,80 0,90 0,37 0,84 0,30 0,7 Нет 0,614 36 000
89,2 4,60 1,50 0,44 0,37 0,50 3,30 Следы 0,624 34 750
51,4 4,20 1,10 0,33 0,25 0,70 1,9 0,17 0,612 34 790
92,4 3,80 0,80 0,29 0,19 1,00 1,3 0,19 0,606 34 500
89,7 4,50 1,20 0,46 0,26 0,50 3,0 0,01 0,616 34 580
92,3 3,90 0,90 0,35 0,25 0,50 1,0 Следы 0,598 34 700
88,3 2,30 0,38 0,15 0,19 5,00 0,5 3,20 0,647 31 650
97,7 0,70 0,10 0,02 — 0,90 1,0 Нет 0,575 33 160
94,6 2,20 0,27 0,20 0,18 1,40 1,2 » 0,594 33 030
97,3 1,20 0,10 0,10 0,01 0,50 0,9 » 0.572 . 33 450
94,7 3,70 0,12 0,29 0,11 0,40 1,1 Следы 0,591 34 450
92,5 4,40 1,00 0,33 0,12 0,30 1,1 0,02 0,600 34 960
92,1 4,10 1,10 1,42 0,61 1,10 1,2 0,27 0,648 36 675
Украинской ССР
Месторождения
92,2 4,10 1,00 0,36 0,33 0,10 2,0 Нет 0,607 34 250
93,2 3,90 0,81 0,28 0,18 0,20 1,4 0,597 34 750
93,2 3,30 1,40 0,25 0,18 0,60 1,3 » 0,605 33 790
86,5 0,16 0,11 0,05 0,11 0,06 13,0 » 0,614 29 300
92,7 3,70 0,64 0,27 0,22 0,40 2,0 0,599 34 375
86,2 5,30 2,40 2,00 1,55 0,60 1,5 » 0,676 38 560
96,0 0,50 0,20 0,04 0,20 3,0 » 0,574 32 575
84,6 3,40 1,00 0,36 0,29 1,30 9,0 » 0,642 32 000
Месторожден ия различных райо нов.
92,7 2,20 0,80 0,22 0,15 0,20 1,1 2,60 0,603 34 120
65,3 4,90 2,10 0,90 0,50 0,30 26,0 Нет 0,734 28 265
98,7 0,33 0,12 0,04 0,01 0,10 0,7 » 0,562 35 940
Искусственный газ вырабатывается на заводах из угля, слан-
цев или нефти.
Внутреннее газовое оборудование жилых домов, коммунальных
и промышленных предприятий включает внутриведомственные
или промышленные газопроводы, а также газовые приборы и уста-
новки для сжигания газа. Подается природный газ в города по
мощным магистральным газопроводам, которые целесообразно
Таблица 1.3
Классификационные показатели газопроводов
Показатели Наименование газопроводов
По виду транспортируемого
газа
По давлению газа
По местоположению относитель-
но отметки земли
По расположению в системе пла-
нирования городов и населенных
пунктов
По назначению в системе газо-
снабжения
По принципу построения (рас
пределительные газопроводы)
По материалу труб
Природного газа (чисто газовых место-
рождений); попутного нефтяного газа (га-
зонефтяных месторождений); сжиженных
углеводородных газов (фракций С3 и С4);
искусственного газа; смешанного газа
Низкого, среднего и высокого давления
Подземные (подводные); надземные (над-
водные)
Наружные (уличные, внутрикварталь-
ные, дворовые, межцеховые, межпоселко-
вые); внутренние (внутрицеховые)
Городские магистральные; распредели-
тельные; вводы; вводные газопроводы
(ввод в здание); импульсные (к КИП, ре-
гуляторам и др.); продувочные
Закольцованные (кольцевые); тупико-
вые; смешанные (закольцованные и тупи-
ковые)
Металлические (стальные); неметалли-
ческие (пластмассовые, асбестоцемент-
ные, резинотканевые и др.)
Примечание. Городскими магистральными газопроводами следует считать
газопроводы, идущие от газорегуляторной станции (ГРС) или других источников, обеспе-
чивающих подачу газа потребителям, до головных газорегуляторных пунктов (ГРП),
а также межпоселковые газопроводы до ГРП. Распределительными газопроводами сле-
дует считать газопроводы, идущие от ГРП или газовых заводов, обеспечивающих газо-
снабжение населенных пунктов, до ввода (уличные, внутриквартирные, дворбвые, меж-
цеховые и другие газопроводы). Вводом следует считать участок газопровода от места
присоединения к распределительному газопроводу до здания, включая отключающее
устройство на вводе в здание, или до вводного газопровода. Вводным газопроводом сле-
дует считать участок газопровода от включающего устройства на вводе в здание (при уста-
новке отключающего устройства снаружи здания) до внутреннего газопровода, включая
газопровод, проложенный в футляре через стену здания, внутренним газопроводом сле-
дует считать газопровод, прокладываемый внутри здания от вводного газопровода или
ввода (при установке отключающего устройства внутри здания) до места подключения
прибора, теплового агрегата н др.
эксплуатировать при максимальной проектной производитель-
ности. Фактическое потребление газа характеризуется резкой
неравномерностью в течение суток, месяца и года. Неравномер-
ность потребления связана с изменениями погоды, специфиче-
скими особенностями некоторых производств и др. Города и на-
12
селенные пункты потребляют газ зимой в 1,3—2 раза больше, чем
летом. Единственно приемлемым способом аккумулирования таких
количеств природного газа и создания запасов на непредвиден-
ный случай является его хранение в истощенных нефтяных и
газовых месторождениях, а также в водоносных пластах.
Подземное газохранилище оборудовано скважинами для за-
качки и отбора газа из пласта, установками для охлаждения,
очистки и осушки газа. Газ в газохранилище поступает из маги-
стрального газопррвода через специальную компрессорную стан-
цию (КС). Отбор газа из хранилища ведется через газораспреде-
лительную станцию (ГРС).
Для хранения относительно небольших количеств газа на за-
водах и в газораспределительной сети применяют газгольдеры
низкого и высокого давления. В газовой сети газгольдеры служат
для покрытия часовой неравномерности потребления газа в те-
чение суток.
Для приема, хранения и поставки потребителям сжиженных
углеводородных газов строят раздаточные станции и кустовые
базы. Для хранения больших объемов сжиженных газов сооружают
подземные хранилища в искусственных или естественных выработ-
ках в плотных непроницаемых породах.
При проектировании газовых сетей необходимо выполнять
определенные требования. Газовые сети должны быть надежными
и обеспечивать бесперебойность газоснабжения. Эксплуатация
газовой сети должна быть простой, удобной и безопасной. При
проектировании сети необходимо предусматривать возможность
отключения отдельных районов, а также возможность строитель-
ства и ввода в эксплуатацию по очереди. При оборудовании газо-
вой сети следует использовать однотипные сооружения и узлы.
§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ГАЗОВ
В качестве меры количества вещества принимается масса ве-
щества в состоянии покоя.
Покоящаяся масса газа является мерой количества газа, так
как чем больше количество газа, тем он инертнее, тем больше его
масса. Масса тела измеряется в кг.
Плотность газа определяется как масса единицы
объема, т. е. как отношение массы газа к его объему1:
где т — масса газа; V — объем газа.
Плотность является параметром газа и не зависит от пункта
измерения.
1 Размерности всех обозначений в книге, выполненные по системе СИ, при-
ведены в приложении.
13
Удельным объемом газа называется объем единицы
массы газа.
Удельный объем (параметр газа) — величина, обратная плот-
ности, т. е.
где vc — удельный объем среды, м3/кг.
Массовым расходом газа называется масса газа,
проходящая через поперечное сечение потока в единицу времени
(для стационарного режима газопровода):
.. tn
где т — масса газа (за время t)\ t — время, в течение которого
через данное сечение проходит газ.
Объемным расходом газа называется количество
газа в единицах объема, проходящее через сечение потока в еди-
ницу времени:
где V — объем газа; t — время, в течение которого через рас-
сматриваемое сечение проходит V газа.
Объем и объемный расход газа относят к определенным усло-
виям (температуре и давлению). В расчетах систем газоснабжения
используют понятие объемного расхода при температуре 0° С
и давлении 760 мм рт. ст. и понятие объемного расхода газа при
температуре 20° С и давлении 0,1 МПа.
Линейная скорость газа определяется как объем-
ный расход газа в условиях потока (температура, давление)
через единицу поперечного сечения потока:
где v — линейная скорость газа в газопроводе (численно может
быть принята равной площади поперечного сечения газопровода);
Q — объемный расход газа в условиях потока (температура, дав-
ление); F — площадь поперечного сечения потока.
Массовой скоростью газа называется массовый
расход газа через единицу поперечного сечения потока (газопро-
вода):
м
U ~ F ’
где М — массовый расход газа; F — площадь поперечного сече-
ния потока (газопровода).
14
Давление в общем случае равно пределу отношения нор-
мальной составляющей силы N к площади s, на которую действует
сила;
дм
р = 11П1—г— =
dN
ds
сил
При равномерном распределении
М
Р = —-
где р — давление, N — нормальная составляющая силы давления;
s — площадь, на которую действуют силы.
Для характеристики состояния газов используется понятие
абсолютного давления (р), которое представляет собой давление
газов на стенки трубопроводов и сосудов. Абсолютное давление
является параметром состояния газа. Для определения резуль-
тирующих усилий, приложенных к стенкам трубопроводов, ис-
пользуют понятие «избыточное давление» (ризб), которое представ-
ляет собой разность между абсолютным давлением газа (р) и баро-
метрическим давлением среды (рбяр):
Ризб = Р — Рбар
или разность между барометрическим давлением и абсолютным
давлением (когда рбар > рабс):
Рвак = Рбар Р>
где рвак — давление, показываемое вакуумметром.
Избыточное давление используют для характеристики газовых
приборов и измерения давления в газопроводах низкого, среднего
и высокого давления. В гидравлических расчетах газопроводов
используют абсолютное давление.’
В газовом деле широко используется учение об идеальных га-
зах, при этом не учитываются силы внутреннего взаимодей-
ствия и собственная масса молекул.
Применяемые законы идеальных газов весьма просты, однако
они достаточно хорошо характеризуют поведение и свойства
реальных газов для невысоких давлений и не совсем низких тем-
ператур. Эти законы тем лучше описывают свойства реальных
газов, чем дальше'они находятся от областей насыщения и крити-
ческого состояния.
Закон Бойля — Мариотта устанавливает зависи-
мость между давлением и удельным объемом газа при постоянной
температуре:
Р1 ^’С2
Р‘2 1*С1
ИЛИ
РА1 = Р«°сг-
15
Закон Бойля—Мариотта, описывающий физическое состояние
идеальных газов, формулируется следующим образом: произведе-
ние абсолютного давления и удельного объема идеального газа при
постоянной температуре сохраняет неизменную величину.
Закон Гей-Люссака определяет изменение удель-
ного объема идеального газа в зависимости от температуры при
постоянном давлении. Относительное расширение идеальных га-
зов при нагревании под неизменным давлением (р = idem) прямо
пропорционально повышению температуры:
усо
При t0 = О °C
Ус = Усо(1 +а0/),
где ис — удельный объем газа при температуре t и давлении р;
ис0— удельный объем газа при температуре О °C и том же давле-
нии р; а0 — температурный коэффициент объемного расширения
идеальных газов при О °C, сохраняющий то же значение при всех
давлениях и одинаковый для всех идеальных газов.
Величина температурного коэффициента объемного расшире-
ния идеальных газов
1
а<) " 27^,16 '
Уравнение Клапейрона получается путем со-
поставления законов Бойля—Мариотта и Гей-Люссака.
По закону Бойля—Мариотта
pvc = f (0.
откуда удельный объем
Удельный объем идеального газа при температуре 0 °C и лю-
бом заданном давлении
f (0 °C) _const
с р р
Тогда
fe = Vco (1+ М = (1 + <V).
откуда
рцс = const (1 4- аоО = ао const —f- .
Заменяем:
а0 = const = R
и
— +1 = Т.
а0
16
После подстановки этих выражений получаем уравнение со-
стояния идеальных газов, т. е. уравнение Клапейрона:
pvc = RT,
где /? — газовая постоянная идеального газа; Т — абсолютная
температура газа.
Уравнение Клапейрона может быть записано также в виде:
— == RT,
Р
где р — плотность газа.
Если умножить левую часть уравнения состояния на коли-
чество газа в единицах массы (т. е. т), то получим уравнение со-
стояния для любого количества газа:
pV =-- tnRT,
где К — полный объем газа.
Газовая постоянная R — есть работа расширения единицы
количества газа (1 кг) при нагревании его на 1 °C при постоянном
давлении (р = idem).
Газовые постоянные R некоторых газов, Н-м/(кг-К):
Воздух......................................... 287,04
Метан ......................................... 519,26
Пропан ........................................ 195,45
Бутан ......................................... 143,08
Закон Авогадро может быть сформулирован как чисто
опытный закон: объем одного киломоля идеального газа не за-
висит от природы газа и вполне определяется параметрами физи-
ческого состояния газа (давлением и температурой).
При изучении химических реакций с участием газообразных
веществ Гей-Люссак установил, что объемы вступивших в реакцию
газов относятся друг к другу, а также к объемам получающихся
газообразных продуктов как простые целые числа.
Для объяснения простых отношений между объектами реаги-
рующих газов итальянский ученый Авогадро высказал гипотезу,
которая впоследствии была подтверждена оптимизационными дан-
ными. Эта гипотеза стала называться законом Авогадро: в равных
объемах различных газов при одинаковых условиях (температура
и давление) содержится одинаковое число молекул.
Киломолем, или килограмм-молекулой, называется число кило-
граммов вещества, равное его молекулярной массе (ц).
Выражение объема 1 кмоля (цс) идеальных газов по уравнению
Клапейрона:
р/?—.
г р
17
-
Иив. М ----------
Библиотека УНИ
-
По закону Авогадро, правая часть последнего выражения не
зависит от природы газа. Поэтому произведение молекулярной
массы р, и газовой постоянной 7? не зависит от природы газа и яв-
ляется универсальной постоянной идеальных газов:
р7? = R — const.
Уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа
pvc--^ RT,
где ис — объем 1 кмоля идеального газа (молярный объем); R —
универсальная газовая постоянная идеальных газов.
Универсальная постоянная R идеальных газов — есть работа
расширения 1 кмоля идеального газа при нагревании на 1 °C
при постоянном давлении.
В настоящее время принята следующая расчетная величина
универсальной постоянной идеальных газов:
8314,3 Н-мДкмоль-°C) = 8,3143 кДж/(кмоль-К).
Величина молярного объема идеальных газов при температуре
t = О °C и давлении р = 760 мм рт. ст., или р = 101325 Н/м2 —
= 101325 Па
8314,3-273,16 оо .
vc =---101 зй---= 22,4 М7кмоль.
Расчетные значения удельных газовых постоянных идеальных
газов определяются по величине универсальной газовой посто-
янной.
Для реальных газов составлено большое число уравнений со-
стояния. Наиболее распространенным является уравнение Кла-
пейрона с поправочным коэффициентом
pvc = zRT,
где z — коэффициент, учитывающий отклонение реальных газов
от закона идеальных газов. Коэффициент z часто называют коэф-
фициентом сжимаемости.
Величины коэффициента отклонения обычно определяются
по графикам (рис. 1.1), в которых коэффициент z дан в зависимости
от приведенных параметров (температура и давление) газа:
л = ——
Ркр
где л, р и ркр — приведенное, абсолютное и критическое давления
газа; т, Т и Ткр — приведенная, абсолютная и критическая тем-
пературы газа.
18
Критическим давлением называется такое давление, при ко-
тором и выше которого никаким повышением температуры нельзя
испарить жидкость.
Критическая температура — это такая температура, при ко-
торой и выше которой ни при каком повышении давления нельзя
сконцентрировать пар.
Значения критических параметров некоторых газов приведены
в табл. 1.4. При движении природного газа через сопротивления,
Рис. 1.1. График зависимости коэффициента сжимаемости газов от приведен-
ного давления и приведенной температуры
(регулирующие клапаны ГРС и ГРП, трубопроводы, фильтры и
др.) особенно при резком падении давления, снижается темпера-
тура газа. На газораспределительных станциях снижение темпера-
туры вызывает обмерзание трубопроводов, запорных, регулирую-
щих и измерительных устройств и приводит к образованию ги-
дратов в трубопроводах. Это явление называют эффектом дрос-
селирования (дроссельный процесс).
Характеристикой дроссельного процесса, или коэффициентом
Джоуля—Томсона, называется предел отношения изменения тем-
пературы газа к изменению его давления в изоэнтальпийном про-
цессе:
Для идеальных газов
Значения коэффициента Джоуля—Томсона для метана приве-
дены в табл. 1.5. Положительный коэффициент Джоуля—Томсона
характеризует дросселирование большинства газов при обычных
19
температуре и давлении. При некоторых условиях дросселирова-
ние сопровождается нагреванием газа (отрицательный коэффи-
циент Джоуля—Томсона).
Коэффициент Джоуля—Томсона при некоторых значениях
давления и температуры может обращаться в нуль. Совокупность
точек, в которых коэффициент Джоуля—Томсона равен нулю,
называется линией инверсии.
Таблица 1.4
Критические параметры газов
Газ Темпера- тура, Ткр, °C Давление ркр’ МПа
Азот — 147,1 3,39
Бутан 152,8 3.62
Водяной пар 374,15 21,77
Воздух — 140,7 3,77
Кислород — 118,8 5,04
Метан —82,5 4,65
Пропан 95,6 4,40
Этан 32,1 4,94
Пентан 197,2 3,34
Таблица 1.5
Значения коэффициента Джоуля—
Томсона Dj для метана в зависимости
от температуры и давления
Давле- ние, МПа Значения D- (в°С/МПа) при температуре, °C
—25 0 25 50 75 100
0,10 5,6 4,8 4,1 3,5 3,0 2,6
0,52 5,5 4,7 4,0 3,4 3,0 2,6
2,50 5,0 4,3 3,6 3,1 2,6 2,3
5,15 4,5 3,8 3,3 2,8 2,4 2,1
1,03 3,6 3,2 2,7 2,5 2,1 1,9
Вследствие эффекта Джоуля—Томсона температура газа в
трубопроводе может опускаться ниже температуры окружающей
среды.
Смеси газов
Природные газы представляют собой смесь газов. Главную долю
этой смеси обычно составляет метан. Для проведения термодина-
мических и гидравлических расчетов необходимо определять свой-
ства смеси газов по характеристике индивидуальных составляю-
щих. Рассмотрим некоторые основные показатели смеси газов.
Массовой концентрацией i-ro компонента смеси газов х на-
зывается величина отношения количества этого компонента (газа)
в единицах массы б,- к количеству смеси 6:
Gj
G ’
Количество смеси равно сумме количеств отдельных газов:
6,.
i=i
20
Молярной концентрацией i-ro компонента у, называется ве-
личина отношения числа киломолей компонента G, к числу кило-
молей смеси G:
где mi — масса газа, численно равная относительной молекуляр-
ной массе.
Сумма числа киломолей всех компонентов смеси газов равна
числу киломолей смеси:
i=n
£ G(. = G.
i=i
Сумма молярных концентраций всех компонентов смеси газа
i=n i^=n
1=1 1=1
Среднемолекулярная масса смеси mcp есть величина отноше-
ния количества смеси в единицах массы к числу молей смеси:
G
тСР=-^-
О
Если массу смеси выразить через массу отдельных компонен-
тов, получим
l=n i--n
1=1 1=1
Таким образом, среднемолекулярная масса смеси газов равна
сумме произведения относительной молекулярной массы на моляр-
ную концентрацию компонента.
Если раскрыть значение числа молей, то можно получить сле-
дующее соотношение:
G
тСр — д
G = G
i—n i—n
L G/ у Jl.
1=1 AJ mt
1=1
V J_________Gi.
tn, G
21
Средняя молекулярная масса смеси газов выражается через
массовую концентрацию и относительную молекулярную массу
компонентов.
Массовые и молярные концентрации находятся в определенных
соотношениях:
к, __ Ci, (I т,-
Ui Gi a ~ mep
Отсюда
inf и, tn i
xt == у i l — -
™cp l~n
> >
i—- 1
ИЛИ
Объемной концентрацией называется величина отношения
объема компонента V\p' п при давлении и температуре смеси газа
к объему смеси У<₽,/):
у(Р, О
уУ = v_l___.
Для реальных газов
>
1 = 1 1=1
Таким образом, понятие объемной концентрации для реаль-
ных газов не имеет физического и расчетного смысла.
Для идеальных газов
где рт — давление смеси;
Тогда сумма объемных
Pi — парциальное давление газа,
концентраций компонентов
1 = п
У* у(Р. О Pi _
Рт
у(Р, t)
[i(P, t)
По закону Дальтона сумма парциальных давлений компонентов
равна давлению смеси газов:
X. Pi ~ Рт
1=1
22
Тогда
v” уГ=1.
Для идеальных газов по закону Авогадро объем одного моля
не зависит от природы газа и определяется параметрами физиче-
ского состояния газа (давление и температура):
Тогда
р(₽. О
ЛР. о
у(Р. t,
О [/(р. О
с,
„(Р. О
Таким образом, молярные концентрации компонентов смесей
идеальных газов тождественны их объемным концентрациям:
Влажность газов
Газ, транспортируемый по распределительным газопроводам,
может содержать некоторое количество влаги. Однако наличие
влаги в газе может привести к коррозии трубопроводов, арматуры
и приборов, к образованию гидратов и концентратов.
Влажный газ может быть представлен как смесь любого газа
с парами любой жидкости или как газовая смесь, в которой один
из газов является паром, близким к состоянию насыщения.
При оценке влажного газа условно принимается, что перегре-
тый водяной пар является идеальным газом. Поэтому к влажному
газу применимы законы идеального газа.
Абсолютной влажностью газа называется',коли-
чество водяного пара в единицах массы, содержащегося в единице
количества газа. В связи с этим различают:
массовую абсолютную влажность
где ти — количество водяного пара; тг — количество газа;
объемную абсолютную влажность
где V — объем газа.
23
Относительной влажностью называется отно-
шение фактически содержащегося количества водяного пара
к максимально возможному при определенных условиях:
где ms — максимально возможное (в единицах массы) количество
пара, которое может находиться в газе при данных температуре
и давлении.
Относительную влажность можно выразить следующим обра-
зом:
<p = _Pl^-=-P!L,
PsV Ps
где рп — плотность пара; ps — плотность насыщенного пара.
Влажный газ называется насыщенным, когда он содержит
максимально возможное количество пара при данных температуре
и давлении.
Соотношения для смеси газа и водяных паров как смеси иде-
альных газов можно получить из уравнения состояния:
pnV = GnRT = GnRT;
pV = GRmT = CRT,
где pn — парциальное давление пара; G„ — количество пара;
р — давление смеси газа и водяного пара; Rm и Rn — газовая
постоянная смеси и пара; R — универсальная газовая постоян-
ная; Gn и G — число киломолей пара и смеси; Т — абсолютная
температура смеси.
Парциальное давление паров
Рп _ Gn ___
р - □ — У™
где уп — молярная концентрация водяного пара.
Откуда
Рп = РУп-
Если считать газ и пар идеальными, то давление водяных
паров можно выразить через объемную концентрацию у^:
РП=РУп-
Относительная влажность определяется так же, как и отноше-
ние парциального давления водяного пара рп в газе к давлению
насыщенного пара ps при той же температуре:
24
Теплоемкость газов
При тепловых расчетах газопроводов необходимо знать и учи-
тывать теплоемкость газа. Удельной теплоемкостью газа назы-
вается количество тепла, которое необходимо сообщить единице
массы (или объема), чтобы температура его в данном процессе
изменилась на 1° С.
Теплоемкость газа зависит от характера протекаемого про-
цесса.
Таблица 1.6 Таблиь Значения массовых теплоемкостей Значею ср некоторых газов (ср) npi а 1.7 1Я массовой теплоемкости метана постоянном давлении и »туре
Газ Теплоемк кДж/(к
ЭСТЫр, г-°с) Тем- Теплоемкость с? [в кДж/(кг-°С)] при давлении, Мн/м2
при тем- пературе 0° С при т^а’ темпе-
0,0980 1,010 2,020 3,030 4,040
1 00й с 2,022 2,064 2,НО 2,152 2,192 2,231 2,273 2,106 2,148 2,185 2,223 2,261 2,298 2,336 2,223 2,244 2,269 2,307 2,340 2,378 2,407 2,370 2,360 2,370 2,395 2,424 2,457 2,483 2,554 2,499 2,487 2,491 2,512 2,537 2,554
Азот Бутан Водяной пар Воздух Кислород Метан Пропан Этан Пентан * По расчету. 1,039 1,592 1,859 1,003 0,915 2,165 1,549 1,647 1,593 * —30 1)042 20 2,027 ~2и 1,950 1,010 — 1и 0,934 п 2,448 и 2,016 ,10 2,067 1 1и 2,024 +20 +30
Наибольшее распространение в термодинамических расчетах
получили теплоемкости двух простейших процессов: при постоян-
ном давлении (ср) и при постоянном объеме (су).
В каком-либо определенном процессе изменения состояния газа
количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К
при данном давлении, зависит от абсолютной температуры газа.
Количество тепла оказывается различным при разных темпера-
турах газа. При данной температуре газа количество тепла, не-
обходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К, зависит от величины
давления.
Для городских газопроводов теплоемкость газов изменяется
в узких пределах, поэтому величину теплоемкости можно прини-
мать постоянной.
В табл. 1.6 приведены значения массовой теплоемкости неко-
торых газов.
Для идеальных газов справедливо соотношение (закон Майера):
+ — cv = 7?,
25
где dp — удельная теплоемкость при постоянном давлений; dv
удельная теплоемкость при постоянном объеме; R — газовая
постоянная.
Таким образом, если известна величина удельной теплоем-
кости при постоянном давлении, можно определить теплоемкость
при постоянном объеме.
В табл. 1.7 приведены значения массовой теплоемкости при
постоянном давлении для метана в зависимости от давления и
температуры.
Массовые удельные теплоемкости при постоянном давлении и
постоянном объеме идеальных газов являются функцией только
одной температуры, т. е. зависят только от температуры.
Теплоемкость газовых смесей вычисляют по правилу адди-
тивности
Ср=
где yt — мольная доля компонентов в смеси.
Вязкость газов
При движении вязких жидкостей и газов наблюдаются каса-
тельные напряжения (т. е. напряжения внутреннего трения).
Такое явление обусловлено молекулярной структурой газа и
жидкости. Внутреннее трение газов и жидкостей характеризуется
коэффициентом вязкости.
Напряжение внутреннего трения между двумя слоями прямо-
линейно движущегося вязкого газа согласно закону Ньютона
пропорционально отнесенному к единице длины изменению ско-
рости по нормали к направлению движения:
где т — напряжение внутреннего трения; р. — динамический или
абсолютный коэффициент вязкости; v — линейная скорость газа;
п — расстояние по нормали к направлению линейной скорости
газа.
Наряду с динамическим коэффициентом вязкости широко ис-
пользуется кинематический коэффициент вязкости v, который ра-
вен отношению динамического коэффициента вязкости ц к плот-
ности газа или жидкости р:
Динамический коэффициент вязкости определяется работой,
которую необходимо произвести при относительном течении вяз-
кого газа для единицы объемного расхода.
26
Кинематический коэффициент вязкости определяется работой,
которую необходимо совершить при относительном движении
вязкого газа для единицы массового расхода.
В условиях городских распределительных газопроводов (дав-
ление не более 2,0 МПа) динамический коэффициент вязкости
мало зависит от давления. В табл. 1.8 приведены величины ди-
намического коэффициента вязкости некоторых газов при абсо-
лютном давлении и температуре.
Таблица 1.8
Значения динамического и кинематического коэффициентов вязкости газов при
абсолютном давлении 0,1 МПа в зависимости от температуры
Тсмператург|, '’С
20 0 20 40 60 80 1 00
Динамический ко э ф ф и ц и е н т вязкости
II • 10 ' . Н-с/м2
Метан 9,74 10,00 11,02 11,83 12,34 12,95 13,57
Этан — 8,60 9,38 9,75 — — 11,70
Пропан 7,14 7,50 8,16 8,71 9,23 9,76 10,20
н-Бутап — 6,73 7,55 — — — 9,69
z/ло-Бутан — 6,73 7,55 — — — 9,69
н-Пентан — 6,27 7,14 — — —. —
Этилен 9,03 9,61 10,30 10,90 11,40 12,04 12,65
Пропилен — 7,66 8,52 — — — 10,91
Бутилен — — 7,78 — — — —
К и п е м а т и чес кг 1 Й КС э ф ф г н н е II т в 1 3 к о с т II
v • 10 ° м2/с
Метан 12,57 14,24 16,18 18,57 20,5 22,95 25,40
Этап — 6,25 '7,28 — — . — 1 1,60
Пропан 3,04 3,70 4,26 4,90 5,52 6,18 6,76
н-Бутан — 2,45 2,95 — — — 4,85
азо-Бута н — 2,50 3,00 — — — 4,90
н-Пентан — 1,80 2,18 —— — — •—
Этилен 6,80 7,50 8.66 9,73 10,85 12,15 13,40
Пропилен — 4,08 4,70 — — — 7,70
Бутилен — — 3,05 — — — —
Динамический коэффициент вязкости в зависимости от тем-
пературы газа (рис. 1.2) выражается по формуле Сатерленда:
273-1- С/ т \з/>
М =~ П о 'ДДГ'Д \ 273 ) ’
где р — динамический коэффициент вязкости при температуре
газа Т\ р.о — динамический коэффициент вязкости при 0° С;
27
Т — абсолютная температура газа, К; С — постоянная Сатер-
ленда:
Метан................................................... 162
Этан....................................................252
Пропан .................................................673
н-Бутан ................................................377
изо-Бутан...............................................368
м-Пентан................................................382
Этилен..................................................225
Пропилен................................................322
Бутилен.................................................. —
Рис. 1.2. График зависимости динамического коэффициента вязкости различных
газов от температуры:
/ — кислород; 2 — воздух; 3 — окись углерода; 4 — азот; 5 — двуокись углерода;
6 — метан; 7 — ацетилен; 8 — этилен; 9 — этан; 10 — пропилен; 11 — пропан; 12 —
пары бензола
Кинематический коэффициент вязкости в зависимости от тем-
пературы и давления выразится формулой
V = -£- = RT•
р р 1 —г" С \ /о }
Вязкость газовых смесей не является аддитивным свойством:
Рем Н[Уi >
где tji — мольные доли компонентов в смеси.
Вязкость многокомпонентной смеси можно рассчитать, поль-
зуясь уравнением
1~п
н — ________Hi______
ГСМ — / ]
1=1
/+'
28
Коэффициенты Д17 вычисляются следующим образом:
А
где mi и trij — молекулярные массы компонентов.
Теплопроводность газов
Теплопроводность углеводородных газов — это способность
передачи тепла между непосредственно соприкасающимися ча-
стицами тела, обусловленная движением молекул или атомов
веществ:
, dT
4 dn
где q — тепловой поток, проходящий через единицу поверхности
за единицу времени; X — коэффициент теплопроводности, характе-
„ dT
ризующии способность газов проводить тепло; — градиент
температур.
Величину коэффициента теплопроводности можно найти, ис-
пользуя кинетическую теорию газов. По этой теории значения кри-
терия Прандтля Рг являются функцией отношения теплоемкостей
Рг = ср'х == 4
X Су
9 — 5——
и не зависят для данного газа от давления и температуры. Напри-
мер, зная ср, находим cv из зависимости ср — cv = R, а затем,
рассчитав Рг, при известной величине вязкости р определяем X.
Поскольку вязкость в пределах умеренного давления почти не
изменяется, то и % также мало зависит от давления. Зависимость
теплопроводности от температуры получается из определения
критерия Прандтля:
А. _ СрЦ
^-0 СроЦо
Используя уравнение Сатерленда для отношения р, = ц0
при температурах Т и То, получаем:
CpQ \ J -f- G / \ / о /
Таким образом, при повышении температуры теплопроводность
увеличивается. Часто пересчет ведут по формуле
29
где X— коэффициент теплопроводности при температуре Т;
Хо — коэффициент теплопроводности газа при 0° С и 760 мм рт. ст.;
п — постоянная, зависящая от состава газа.
Теплопроводность многокомпонентных газовых смесей может
быть представлена на основе кинетической теории газов уравне-
нием, аналогичным уравнению вязкости смесей:
где
i=n
1 _ V к
СМ k=n
i=i 1 -|- у{ У ykAkt
fe=l
k-f-l
Ck и Ci — постоянные Сатерленда.
Иногда используется упрощенное уравнение
Теплотворная способность газов
Теплотворной способностью газов Q называется количество
тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы объема
или массы газа.
Соответственно массовые высшая и низшая теплотворные
способности газов составляют (в кДж/кг):
*в 'll
Метан...................................... 57800 49 950
н-Бутан ................................... 49500 45 760
Пропан .................................... 50 370 46 180
Разность между высшей и низшей теплотворными способно-
стями равна теплоте, расходуемой на испарение гигроскопической
воды. В обычных тепловых расчетах используется только низшая
теплота сгорания. Для подсчета теплотворной способности газовой
смеси используется зависимость
зо
Пределы взрываемости газовоздушных смесей
Основная задача работников, занятых в области транспорта,
хранения и использования сжиженных углеводородных газов, —
создание условий, исключающих образования взрывных концен-
траций сжиженного газа и газовоздушной смеси, а также появле-
ние источников воспламенения этой смеси (пламени, искр). При
взрыве газовоздушной смеси скорость распространения пламени
достигает несколько сотен метров в секунду и резко повышается
давление, которое разрушает строительные конструкции, а нагре-
тые горючие газы образуют очаги пожара. О взрывоопас-
ности газовоздушных смесей забывать
нельзя.
При взрыве газовоздушных смесей, находящихся под давле-
нием 0,1 МПа, развиваются давления: 0,75 МПа — для метана,
0,95 — для пропана и 0,95 МПа — для бутана.
Взрыв газовоздушной смеси происходит при определенной кон-
центрации газа в воздухе. Смесь взрывается, если в ней содержится:
5,3—15,0% метана, 2,1—9,5% пропана и 1,5—8,5% бутана.
Приведенные пределы взрываемости соответствуют исходному
давлению смеси, равному 0,1 МПа. При повышении давления газо-
воздушной смеси пределы взрываемости сужаются.
Скорость распространения звука в газе
При решении задач неустановившегося движения газа исполь-
зуется скорость звука в газе:
. dP
dp •
При адиабатическом измерении состояния газа давление р
можно выразить по формуле
где k — показатель адиабаты.
Дифференцируя давление по плотности и подставляя резуль-
таты в выражение скорости звука, получаем
Для идеальных газов, состояние которых описывается уравне-
нием Клапейрона, ___
с = VkRT,
где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура газа.
Физически скорость звука есть критическая скорость обрати-
мого адиабатического истечения газа.
31
§ 3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Для проведения гидравлических, тепловых и других расчетов,
а также для решения проблем защиты окружающей среды и ох-
раны труда необходимо знать состав газа. Природный газ является
многокомпонентной смесью, сжиженные газы имеют примеси дру-
гих газов, а также широко используются бинарные смеси сжи-
женных газов. Рассмотрим наиболее общие методы анализа много-
компонентных газов.
f Методы анализа многокомпонентных смесей представляют со-
бой совокупные измерения, в которых определяемые величины вы-
числяются путем решения системы уравнений, объединяющей
измеряемые параметры смеси, найденные прямыми измерениями.
Для измеряемого параметра в общем виде имеем зависимость:
F = х2, . . ., xt, . . ., xk),
где Xi — концентрация i-ro компонента смеси.
Для определения концентраций каждого k-ro компонента
смеси число уравнений должно быть равно числу независимых k
компонентов газовой смеси:
/i(xi, х2, . . ., Xi.**) = Л;
/2(xi, х2, . . ., xt, . . ., xk) = F2-
К (хъ х2, . . ., xit . . ., xk) = Fi;
Л-iUi, х2, . . ., х.xk)=Fks,
Х1 + Х2 + •••+*( + •••+**= 1
Следует отметить, что все уравнения должны быть независимы
друг от друга. В результате решения системы определяют кон-
центрации компонентов. Обычно предполагают аддитивность пара-
метров анализируемой смеси и используют линейные зависимости
между переменными, что достаточно точно описывает состав смеси
большинства реально существующих газовых смесей. Некоторые
свойства газовых смесей являются аддитивными, например, плот-
У ViPi
ность смеси высчитывается как р = —, где п,- и р, — парциаль-
ные объемы и плотности компонентов смеси. Остальные свойства
газов в относительно узких диапазонах их практического исполь-
зования условно принимают аддитивными. Для анализа многоком-
понентных смесей и, следовательно, для составления уравнений
при определении концентрации компонентов газовой смеси, могут
быть использованы следующие методы.
32
Метод измерения различных свойств ана-
лизируемой среды: теплопроводности, вязкости, плотности, ско-
рости распространения ультразвуковых колебаний, поглощения
света и другие — является наиболее распространенным, особенно
при анализе бинарных и трехкомпонентных смесей. Газовая смесь
поступает в два или три анализатора, причем в каждом опреде-
ляется концентрация лишь данного компонента.
Метод измерений при равных свойствах
основан на том, что два или более компонента смеси при опреде-
ленных условиях приобретают одинаковые свойства. Например,
одинаковы теплопроводности воздуха и таких газов, как: этилен
при 120° С, аммиак при 63° С, двуокись серы при 450° С, пары воды
при 200° С. Приняв закономерности изменения теплопроводности
газов в виде X = л(1 )
(где и — температурный коэффициент), получим для двух веществ
зависимости
M = *
и
При определенной Т± наблюдается равенство = Х2 или
откуда
\ ^02 /
При известных величинах теплопроводностей Хо1, Х02 и коэф-
фициентов нх и «2 находят Тъ а по 7\ измеряют Хсм. Концентра-
цию компонентов х,- определяют из соотношений
^см = ^1А1 Н- ^2Х2 = ^1 (Л1 + *2);
Х1 4“ Х2 = 1
Данный метод пригоден также и для анализа четырехкомпо-
нентного газа.
Метод измерений в различных условиях
одного и того же свойства используют как оптический анализ
при различных длинах волн, измерение теплопроводности при раз-
ных температурах и т. д. Например, поглощение излучений газами
изменяется от нуля до максимума и наоборот — в зависимости от
длины волны, при которой производится измерение. Это позво-
ляет использовать измерения при равных свойствах, при исчезаю-
2 С. А. Бобровский
33
щих свойствах и просто при разных длинах волн в различных ус-
. ловиях для получения необходимой системы уравнений для расчета
свойств газовой смеси.
Метод дозировки заключается в добавлении в анали-
зируемую среду фиксированного количества одного из присут-
ствующих в ней компонентов или какого-либо другого газа для
изменения функциональной зависимости определяемого параметра
от состава исследуемой газовой смеси.
Метод измерений при исчезающих свой-
ствах, иначе называемый методом псевдопроизводительности,
заключается в определении концентрации вещества в условиях,
когда изменение содержаний неизмеряемых компонентов анализи-
руемой смеси не влияет на измеряемый параметр. В связи с этим
необходимо подобрать такие условия измерения параметра, при
которых у неопределенных компонентов не обнаруживаются
свойства, присущие им в других условиях.
Метод исключения известен давно и наиболее прост
по техническому оснащению. Он использует свойства поглощения
отдельных компонентов смеси или свойство превращения их в дру-
гие химические соединения путем химической реакции или сжи-
гания. Газовая смесь, очищенная в фильтрах, поступает последо-
вательно в несколько поглотительных растворов. Замеряют с по-
мощью дифманометров перепады давления при прохождении газа
через поглотительный раствор. При поглощении одного из компо-
нентов уменьшается расход газа. Так, для газовой смеси, при ис-
пользовании зависимости между расходом и перепадом давлений
в виде Q = аДр, получают изменение расхода в первом поглоти-
теле в виде
AQi = Q - Qi,
где Q и Qj — расход газа соответственно до поглотителя и после
поглотителя. Для второго поглотителя
AQ2 = Qi - Q2;
и т. д.
или
= а Др — а Дрх;
Д(?2 = а Др! — аДр2
и т. д.
Учитывая, что
.. _ AQz
А2 — Q.
И т. д.,
34
получим
„ ЛР — АР1
1-1 Ар ’
_ АР1 — Ар2
2 =~ Ар
И т. д.
Методы разделения имеют наиболее широкое при-
менение. К ним относится хроматографическое и масс-спектроско-
пическое разделение газовых смесей. Известны газовая, газо-
жидкостная и газо-адсорбционная хроматографии. Хроматографи-
ческий метод восьми точек считается ценным для анализа малых
концентраций компонентов. Для газовой хроматографии при раз-
делении смеси газов применяют колонку, заполняемую твердым
ношпелем (например, пористой окисью кремния), на котором на-
несена специальная жидкая фаза (парафин, эфир, фталевой кис-
лоты и др.). Через колонку пропускают индифферентный газ —
азот, аргон или гелий, являющийся подвижной газовой фазой
(газом-носителем), а затем вводят испытываемую газовую смесь.
Компоненты газовой смеси распределяются между газом-носите-
лем и стационарной жидкой фазой и при дальнейшем поступле-
нии газа выходят из колонки; при этом разные вещества в зависи-
мости от их растворимости выходят из колонки через различные
промежутки времени. Выход компонентов из колонки регистри-
руется специальным детектором с самописцем, который записывает
появление компонентов в виде интегральной или дифференциаль-
ной хроматограммы.
Интегральный детектор регистрирует суммарное свойство всех
компонентов с начала опыта, например их общий объем. Количе-
ство того или иного компонента определяется по излому хромато-
граммы. Дифференциальный детектор измеряет мгновенную кон-
центрацию, имеет вид кривой с отдельными пиками, соответствую-
щими наличию того или иного компонента в газовой смеси. Полу-
ченные хроматографические кривые подвергают обработке для
определения концентрации данного компонента в смеси. При ис-
пользовании метода площадей пиков сумму площадей всех пиков
принимают за единицу. Тогда отношение площади данного пика
к единице даст оценку концентрации данного компонента. Чтобы
установить, какому компоненту принадлежит тот или иной излом
на интегральной хроматограмме или пик на дифференциальной
хроматограмме, предварительно необходимо произвести ряд опы-
тов, в которых определяют время появления из колонки чистого
вещества, наличие которого предполагают в газовой смеси.
Для разделения газовых смесей начинают широко применять
молекулярные сита — природные и синтетические материалы,
отличающиеся однородными параметрами, размеры которых близки
к размерам молекул исследуемых компонентов. Молекулярные
сита отличаются высокой избирательностью для различных газов.
2* 35
Хроматография наиболее широко используется в газовой промыш-
ленности, так как позволяет разделять и выявлять большое число
компонентов, что недоступно другим методам. Кроме того, она
имеет высокую точность и эффективность, экономична, и для ее
применения необходимо сравнительно небольшое время анализа.
Масс-спектрометрические анализаторы предназначены для ка-
чественного и количественного определения состава и структуры
газовых смесей путем разделения компонентов газовой смеси в ва-
кууме под воздействием линейных или электрических полей. Метод
достаточно сложен и на практике применяется мало. Для опреде-
ления наличия газов в воздухе используют весьма простые газо-
анализаторы, работающие по методу сравнения путем сжигания
образца и пробы (газоанализатор ПГ7) или с использованием сме-
щения интерференционных кривых (газоанализатор ШИ-5).
Действие газоанализатора ПГ7 основано на изменении электри-
ческого сопротивления платинового плеча мостика Уатсона за
счет повышения его температуры при сжигании на нем исследуе-
мой пробы газовоздушной смеси. В газоанализаторе ШИ-5, осно-
ванном на принципе интерференции световых лучей, смещение
интерференционной линии пропорционально разности между по-
казателями преломления света, прошедшего через атмосферный
воздух и газовоздушную смесь, т. е. пропорционально содержанию
газа в газовоздушной смеси.
ГЛАВА 2
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
§ 1. ПОТРЕБИТЕЛИ ГАЗА.
РЕЖИМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ГАЗА
В городах и населенных пунктах газ подается в жилые дома
для удовлетворения бытовых нужд населения, а также предприя-
тиям и учреждениям коммунально-бытового и культурного обслу-
живания.
Природный газ применяется в химической промышленности,
использующей его в качестве сырья, в металлургии, использующей
газ в качестве топлива, в машиностроении, энергетике и других
отраслях.
Выбор потребителей для перевода на газ следует осуществлять
на основании сравнительных технико-экономических расчетов.
Обычно выделяют следующие группы потребителей газа:
промышленные предприятия;
теплоэлектроцентрали и котельные;
коммунальные и общественные предприятия;
бытовые потребители газа.
Потребление газа в течение года и суток является неравно-
мерным. Различают сезонную (месячную), суточную и часовую
неравномерности.
Сезонная неравномерность вызвана дополнительным расходом
газа на отопление в зимнее время, а также некоторым уменьше-
нием его потребления летом на коммунально-бытовые нужды.
Суточная неравномерность, т. е. неравномерное потребление
газа в отдельные дни недели, вызвана укладом жизни населения,
режимом работы предприятий и изменением температуры наруж-
ного воздуха.
Часовая неравномерность вызвана неравномерностью потреб-
ления газа в течение суток (рис. 2.1). Наибольшая часовая не-
равномерность наблюдается у бытовых и коммунальных потреби-
телей газа (рис. 2.2). Режим потребления газа промышленными
предприятиями определяется главным образом числом работаю-
щих смен.
Годовой график потребления газа городом, имеющий большое
значение для эксплуатации системы газоснабжения, строят на ос-
37
нове годовых графиков всех категорий потребителей. На рис. 2.3, а
приведен годовой график потребления газа в Москве. Наиболь-
шей сезонной неравномерностью обладает отопительная нагрузка
(в летние месяцы газ на отопление не расходуется). Газ на техноло-
гические нужды расходуется наиболее равномерно.
По годовому графику можно составлять баланс газа, планиро-
вать его подачу потребителям, определять число буферных потре-
бителей, рассчитывать объем подземных хранилищ и планировать
Рис. 2.1. Типичный суточный график потребления газа:
а — по рабочим дням; 6 — по субботам; в — по воскресеньям
Потребление газа бытовыми потребителями в течение первых
четырех дней недели равномерное. Расход газа повышается перед
выходными днями. Наибольшее потребление газа наблюдается
в предпраздничные дни. Максимальный суточный расход газа за
год приходится на 31 декабря.
Городские распределительные газопроводы рассчитывают на
максимальные часовые расходы газа, которые можно определить,
располагая графиками потребления газа в течение суток (см.
рис. 2.3, б). Потребление газа электростанциями на графике не
учитывается.
На рис. 2.4, а, б показаны закономерности потребления газа
летом (июнь) и зимой (январь). Из графика видно, что в зависи-
мости от температуры окружающей среды потребление газа из-
меняется. Данный график используется для оценки потребления
газа в зависимости от температуры окружающего воздуха. Для
ее построения используют регрессионные методы.
38
Рис. 2.2. Суточный график по-
требления газа одного типичного
района города для некоторых
групп потребителей (по суббо-
там):
1 — для всех потребителей города;
2 — для индивидуальных бытовых
потребителей; 3 — для коммуналь-
ных потребителей
Рис. 2.3. Годовой (а) и суточный
(б) графики потребления газа
в Москве:
1 — промышленностью; 2 — элек-
тростамциями; 3 — коммунально-
бытовое; 4 — в квартирах; 5 --- на
отопление и вентиляцию зданий
Основными исходными данными могут служить п пар связан-
ных между собой эксплуатационных данных, например, потреб-
ление газа Q и температуры окружающей среды t, сгруппирован-
ных по интервалам. Корреляционное поле из п значений потреб-
ления газа делится на т интервалов. Для каждого интервала
вычисляют среднюю величину потребления и соответствующие ей
точки соединяют ломаной линией. Эта линия называется эмпири-
ческой линией регрессии. В дальнейшем ее аппроксимируют ли-
нейной или полиномиальной зависимостями. При этом для опи-
сания криволинейных зависимостей не следует использовать поли-
номы высоких порядков, так как повышение порядка не всегда
приводит к желаемой точности при возрастающем объеме вычисли-
тельных работ.
Наклон регрессионной прямой зависит от соотношения про-
мышленной и бытовой нагрузок.
С ростом температуры потребление газа падает. При незначи-
тельном наклоне прямой можно констатировать, что значительное
количество газа идет на удовлетворение нужд промышленности и
только небольшая его часть — на отопление.
Иногда целесообразно выделить области меньшего потребле-
ния газа, например, летом. Из графика (см. рис. 2.4, а, б) следует,
что потребление газа летом меньше, чем зимой, из-за меньших
бытовых нагрузок при одинаковой общей тенденции: максимум —
днем, минимум — ночью. На рис. 2.5 приведен график, построен-
ный по данным потребления газа для двух полугодий года и от-
дельно для лета. Из графика видно, что регрессионные прямые
для первого и второго полугодий отличаются. Для разных объек-
тов потребления газа наклон регрессии различен, что отражает
40
долю расхода газа на отопление по отношению к остальным по-
требителям газа. Для приведенных данных при положительных
температурах желательно использовать нелинейную зависимость
между расходом газа и температурой окружающего воздуха.
Некоторые исследователи задаются видом аппроксимирующей
функции на основе физических представлений. Однако на прак-
тике оперируют линейными функциональными соотношениями.
Рис. 2.5. Регрессионные зависимости Q = f (t):
/ — для первого полугодия; 2 — для второго полугодия; 3 — для летних месяцев
Если линия регрессии традисцендентна, то проводят замену пере-
менных, превращающих нелинейные зависимости в линейные.
Это целесообразно делать потому, что, во-первых, для многих
случаев линейное представление является наилучшим (например,
когда случайные ошибки нормально распределены, оценки пара-
метров являются несмещенными и имеют меньшее рассеивание),
во-вторых, линейные зависимости проще использовать для практи-
ческих расчетов. Когда функция нелинейна, при дальнейших
расчетах приходится использовать итеративные методы вместо
широко распространенных методов линейных преобразований.
Использование линейных зависимостей упрощает подбор линии
регрессии при ручном подсчете.
41
§ 2. РАСЧЕТНЫЕ РАСХОДЫ ГАЗА
Для проектирования системы газоснабжения города необхо-
димы данные о годовом потреблении газа различными потребите-
лями. Расчет годового потребления проводят по нормам.
Большинство факторов, от которых зависит годовое потребле-
ние газа, трудно поддается точному учету, поэтому нормы расхода
газа представляют собой средние величины, полученные на основе
эксплуатации систем газоснабжения.
Номинальные расходы газа газовыми приборами коммунально-
бытового назначения и нормы расхода газа на хозяйственно-бы-
товые и коммунальные нужды даны в табл. 2.1.
Перерасчет в объемные единицы производят по формуле
0т_
Угод QPri ’
где фгод — расход газа за год; QT — расход топлива; — низ-
шая теплотворная способность газа; ц — КПД отопительных
установок (г| = 0,65 — 0,85).
Часовой расход газа на отопление жилищ и общественных зда-
ний определяют по формуле
__ Qq (^вн ^н) Ки
QSn
где <70 — средняя удельная тепловая характеристика отапливае-
мых зданий (табл. 2.2.); /вк — расчетная температура воздуха
внутри отапливаемых помещений; /н — расчетная температура
наружного воздуха; VH — геометрический объем отапливаемых
помещений.
Расход газа на вентиляцию
7в Овн ^н) Vн
где qB — средняя удельная тепловая характеристика вентиля-
ционной системы.
Расход газа промышленными предприятиями определяют рас-
четным путем на основании данных проекта или данных расхода
жидкого или твердого топлива с учетом повышения КПД при пере-
воде установок на газ.
Средняя расчетная температура воздуха внутри отапливаемых
помещений tBll, °C:
Жилые здания, гостиницы, общежития, административные
здания................................................ 18
Учебные заведения, общеобразовательные школы-интернаты,
лаборатории, предприятия общественного питания, клубы и
дома культуры......................................... 16
Театры, магазины, прачечные, пожарное депо............ 15
Кинотеатры ........................................... 14
42
Таблица 2.1
Основные нормы расхода газа
Назначение расходуемого газа Показатель потребления газа Нормы расхода газа на хозяй- ственно-быто- вые и комму- нальные нужды <?год- 10Т КДЖ
Жилые здания
На приготовление пищи (при наличии в квартире газовой плиты и центра- лизованного горячего водоснабже- ния) На одного чел. (в год) 2679
На приготовление пищи и подогрев во- ды для хозяйственных нужд без стирки белья (при наличии в квар- тире газовой плиты и отсутствии централизованного горячего водо- снабжения и газового водонагрева- теля) То же 3391 *
На приготовление пищи и подогрев воды для хозяйственных и санитар- но-гигиенических нужд без стирки белья (при наличии в квартире га- зовой плиты и газового водоснаб- жения) » 5317
На стирку белья в домашних услови- ях На 1 т сухого белья 8792
Коммунальн о-б ы т с в ы е предприяти Я и
у ч р е > На стирку белья в прачечных: к д е н и я
в немеханизированных То же 8792
в немеханизированных с сушиль- ными шкафами » 12 560
в механизированных (с сушкой и и глаженьем белья) » 20 097
На дезинфекцию белья и одежды в дез- камерах:
паровых » 2 240
огневых На мытье в банях: » 1 256
без ванн На одну промывку 37
с ваннами То же 50
Учреждения з дравоохранения
На приготовление пищи и горячей во- ды в больницах:
на приготовление пищи На одну койку (в год) 3182
на приготовление горячей воды для хозяйственно-бытовых нужд и ле- чебные процедуры (без стирки белья) То же 9211
* При газоснабжении сжиженными следует принимать 2972 000 кДж/год. углеводородными газами норму расхода газа
43
Продолжение табл. 2.1
Назначение расходуемого газа Показатель потребления газа Нормы расхода газа на хозяй- ственно-быто- вые н комму- нальные нужды
«год |0а, кДж
На лечебные процедуры (без стирки белья в поликлиниках) На одного посетителя (в год) 83
Предприятия общ На приготовление пищи в обществен- ных столовых и ресторанах: ее тве и и о го пита НИЯ
на приготовление обедов (независи- мо от пропускной способности столовых и ресторанов) На один обед 4
на приготовление завтраков или ужинов На один завтрак или ужин 2
Хлебопекарные и кон На выпечку хлебобулочных и конди- терских изделий: дитсрские предг I р и я T И Я
хлеба формового На I т изделий 1758
хлеба подового То же 4563
батонов, булок, сдобы » 3977
кондитерских изделий (тортов, пи- рожных и др.) » 6071
Таблица 2.2
Средняя удельная тепловая характеристика q0 жилых и общественных
отапливаемых зданий (при /п —30е С)
Этажность застройки
Значения qQ, кДж/(м’. ч . °C)
Одноэтажная
Двух- и трехэтажная
Четырех- и пятиэтажная
Шестиэтажная и более
2,51—2,93
1,67—2,09
1,46—1,67
1,26—1,67
Примечания. 1. Поправочные коэффициенты: а == 1,2 при 7 > — 10° С;
а = 1,1 при /и = —20° С; и а = 0,9 при С —40° С.
2. Если нет сведений об этажности общественных зданий, то принимается q0 =
= 1,67 кДж/(ма • ч • °C).
Гаражи................................................... 10
Детские ясли н сады, поликлиники, амбулатории, диспансе-
ры и больницы............................................ 20
Бани .................................................... 25
Примечание, Если нет указаний о назначении общественных
зданий, то для всех зданий принимается г = -|-18 °C
44
Средняя удельная тепловая характеристика вентиляционной
системы общественных зданий <7В, кдж/(м3-ч-° С):
Административные, научно-исследовательские и проектные
институты ..........................................0,753
Клубы................................................0,837
Театры и кинотеатры..................................1,674
Магазины, учебные заведения и пожарное депо .........0,419
Поликлиники, диспансеры и амбулатории................1,046
Больницы ............................................1,256
Бани и лаборатории ..................................4,187
Предприятия общественного пит,-пия и гаражи .........2,931
Прачечные............................................3,349
Детские сады и ясли..................................0,419
Школы (общеобразовательные) ................0,335
Примечание. При отсутствии перечня общественных зда-
ний принимается q = 0,837 кДж/(ма • ч • °C).
Неравномерность потребления газа может характеризоваться
коэффициентами неравномерности. Коэффициент неравномерности
показывает соотношение между текущим газопотреблением и сред-
ним потреблением газа. Различают:
коэффициент сезонной неравномерности kM — определяется
как отношение расхода газа за данный месяц к среднемесячному
расходу;
коэффициент суточной неравномерности kc — рассчитывается
как отношение расхода газа за данные сутки к среднесуточному
расходу за неделю;
коэффициент часовой неравномерности k4 — определяется как
отношение расхода газа за 11ч к среднечасовому расходу за сутки.
Коэффициенты сезонной неравномерности газопотребления
рассчитывают в зависимости от доли отопительной нагрузки и
продолжительности отопительного сезона.
Для центральных районов, где отопительный сезон продол-
жается 212 дней, при 10%-ной отопительной нагрузке коэффи-
циент сезонной неравномерности k№ = 1,30, а при 50%-ной ото-
пительной нагрузке kM = 1,75.
Для квартир, в которых газ используется для приготовления
пищи, наибольший коэффициент суточной неравномерности по-
требления газа kc = 1,96. Наибольший коэффициент часовой не-
равномерности в городских квартирах в зависимости от объема
газоснабжения и характера газового оборудования изменяется
в пределах k4 = 1,6—2,2 для коммунально-бытовых потребителей
k4 = 2,62.
При расчетах коэффициент неравномерности выбирают на ос-
нове анализа опыта эксплуатации подобных систем.
Наибольший коэффициент неравномерности наблюдается у от-
дельных потребителей газа. С увеличением числа потребителей
график газопотребления суммируют и делают более равномерным
ввиду несовпадения во времени максимумов потребления газа от-
дельными потребителями. С увеличением числа потребителей газа
45
при возрастающем суммарном объеме потребления газа коэффи-
циент неравномерности уменьшается и расчетные расходы газа
для большего числа потребителей увеличиваются в меньшей
степени по сравнению с объемом потребления газа. Так, по нор-
мам для одной однокомнатной квартиры максимальный коэффи-
циент неравномерности потребления газа равен 35,5, для двух
однокомнатных квартир он составляет 17,8 и т. д.
Рис. 2.6. График изменения <2тах/<2ср в зависимости от числа объектов потребле-
ния газа:
1 —расход газа на приготовление пищи, на горячее водоснабжение и па отопление при
централизованной системе отопления; 2 то же, при блочной системе отопления', .7 -
то же, при индивидуальном отоплении; 4 расход газа на приготовление пищи п на
горячее водоснабжение; 5 — расход газа па приготовление пищи
Таким образом, чем большее число объектов газопотребления
имеется, тем более сглаженный характер имеет общая закономер-
ность потребления газа.
На рис. 2.6 показано отношение суммарных максимальных ве-
личин потреблений газа к числу объектов потребления. Как видно
из рис. 2.6, при числе объектов более ста график выравнивается.
Это же подтверждается для большинства крупных систем газоснаб-
жения.
Систему снабжения городов и других населенных пунктов рас-
считывают на максимальный суточный расход газа, определяемый
по совмещенному суточному графику потребления газа всеми
потребителями. Под расчетным расходом газа для отдельных по-
требителей газа принимают величины расхода, которые исполь-
зуются для выбора диаметра газопровода. В большинстве случаев
они близки к максимальным расходам газа.
46
Расчетный часовой расход <2Р. ч при О °C и давлении
760 мм рт. ст. на хозяйственно-бытовые и коммунальные нужды
определяют как долю годового расхода по формуле
Qp. ч = ^(пФгод,
где km — коэффициент часового максимума, показывающий пере-
ход от годового расхода газа к его максимальному часовому рас-
ходу.
Таблица 2.3
Значения коэффициента часового максимума на хозяйственно-бытовые нужды
(без отопления)
Число жителей, снабжаемых газом, тыс. чел. Значения коэффи- циента часового максимума на хозяй- ственно-бытовые нужды Число жителей, снабжаемых газом, тыс. чел. Значения коэффи- циента часового мак- симума на хозяй- ственно-бытовые нужды
1 1/1800 40 1/2500
2 1/2000 50 1/2600
3 1/2050 100 1/2800
5 1/2100 300 1/3000
10 1/2200 500 1/3300
20 1/2300 750 1/3500
30 1/2400 1000 и более 1/3700
Коэффициент km связан с коэффициентами неравномерности
следующей зависимостью:
Г, гпах^с тах^ч так
кт — Т >
где тах, max и Ач max — максимальные значения коэффициен-
тов сезонной, суточной и часовой неравномерности за год; т — число
часов в году.
Коэффициент часового максимума расхода газа принимают диф-
ференцированно по каждому району газоснабжения, сети которого
представляют самостоятельную систему, гидравлически не связан-
ную с системами других районов. Значения коэффициентов часо-
вого максимума расхода газа на хозяйственно-бытовые нужды
в зависимости от численности населения, снабжаемого газом,
приведены в табл. 2.3, а для коммунально-бытовых потребите-
лей — в табл. 2.4.
Расчетный часовой расход газа на технологические и оптималь-
ные нужды промышленных, коммунально-бытовых и сельскохо-
зяйственных предприятий следует определять по предложенной
формуле, применяя коэффициенты часового максимума с учетом
изменения КПД оборудования и приборов при работе на газовом
топливе. Значения коэффициентов часового максимума расхода
газа следует устанавливать при проектировании на основании дан-
ных о характере производства и режимах потребления топлива
47
с составлением совмещенного суточного графика отдельно для каж-
дого предприятия. Для промышленных предприятий, строитель-
ство и ввод в эксплуатацию которых предусматривается в течение
расчетного периода, расчетные расходы газа принимают по дан-
ным проектов этих предприятий, а при отсутствии проектной до-
кументации — на основании данных о планируемой мощности
предприятий и укрупненных показателей расхода топлива анало-
гичными предприятиями.
Таблица 2.4
Значения коэффициента часового максимума для коммунально-бытовых
потребителей газа
Наименование предприятия Значения коэффициента часового максимума для коммунально- бытовых потребителей газа
Бани Прачечные Предприятия общественного питания 1/1600-1/2300 1/2300—1/3000 1/1800—1/2200
Примечание. Для бань и прачечных коэффициенты часового максимума
расхода газа приняты с учетом расхода газа на отопление и вентиляцию.
Для отдельных микрохозяйств города, коммунально-бытовых,
сельскохозяйственных и промышленных предприятий, а также для
населенных пунктов в сельской местности, оснащенных однотип-
ными газовыми приборами, расчетный часовой расход газа до-
пускается определять с учетом одновременности их работы путем
введения коэффициента одновременности k0 (табл. 2.5).
Типичная кривая изменения коэффициента одновременности
для бытовых потребителей дана на рис. 2.7.
Коэффициент часового максимума km и коэффициент одновре-
менности ko связаны между собой соотношением
^тСгод —
где QH — номинальное значение расхода газа прибором.
Расчет по методу коэффициентов одновременности рекомен-
дуется применять в тех случаях, когда затруднено получение
оценки графиков газопотребления. При наличии экспериментально
определенных графиков потребления газа целесообразно исполь-
зовать способ определения расчетных расходов газа с учетом коэф-
фициента часового максимума.
Расчетная формула имеет вид:
i=m
Qp.4 = ^оСнЛ'»
i=l
i = m
где У —сумма произведений величин k0, Q, и nh QH, — номи-
нальное значение расхода газа прибором или группой приборов,
48
Таблица 2.5
Значения коэффициентов одновременности k0 в зависимости от типа и числа
установленных приборов
Число квар- тир Плита четырех- конфо- рочная Плита двух- конфо- рочная Плита четы рехконфороч- ная и газовый проточный водонагре- ватель Плита двух- конфорочная и газовый проточный водонагрева- тель Плита четы- рехконфороч- ная и емкост- ный водона- греватель Плита двух- конфорочная и емкостный водонагрева- тель
1 1 1 0,72 0,75 1 1
2 0,65 0,84 0,46 0,48 0,59 0,71
3 0,45 0,73 0,35 0,37 0,42 0,55
4 0,35 0,59 0,31 0,325 0,34 0,44
5 0,29 0,48 0,28 0,29 0,287 0,38
6 0,28 0,41 0,26 0,27 0,274 0,34
7 0,27 0,36 0,25 0,26 0,263 0,3
8 0,265 0,32 0,24 0,25 0,257 0,280
9 0,258 0,289 0,23 0,24 0,249 0,26
10 0,254 0,263 0,22 0,23 0,243 0,25
11 0,25 0,258 0,21 0,22 0,237 0,245
12 0,245 0,254 0,207 0,215 0,232 0,24
13 0,243 0,249 0,2 0,21 0,229 0,236
14 0,241 0,245 0,195 0,205 0,226 0,231
15 0,24 0,242 0,19 0,2 0,223 0,228
20 0,235 0,23 0,181 0,19 0,217 0,222
25 0,233 0,221 0,178 0,185 0,215 0,219
30 0,231 0,218 0,176 0,184 0,213 0,216
35 0,229 0,215 0,174 0,183 0,211 0,213
40 0,227 0,213 0,172 0,18 0,209 0,211
45 0,225 0,212 0,171 0,179 0,206 0,208
50 0,223 0,21 1 0,170 0,178 0,205 0,205
60 0,22 0,207 0,166 0,175 0,202 0,202
70 0,217 0,205 0,164 0,174 0,199 0,199
80 0,214 0,204 0,163 0,172 0,197 0,198
90 0,212 0,203 0,161 0,171 0,195 0,196
100 0,21 0,202 0,16 0,17 0,193 0,196
400 0,18 0,17 0,13 0,14 0,15 0,152
Примечания. 1. Для квартир, в кухнях которых установлено более одного
однотипного прибора, коэффициент одновременности принимают как для нескольких
квартир, укомплектованных аналогичными приборами.
2. Для квартир, оборудованных газовой бытовой плитой (двух- или четырехконфо-
рочной) и отопительной печкой, коэффициент одновременности принимают как для квар-
тир, имеющих такую же плиту и емкостный водонагреватель.
м3/ч (принимается по паспортным данным или техническим ха-
рактеристикам приборов); П/ — число однотипных приборов или
их групп; т — число типов или групп приборов.
В настоящее время для определения расчетных расходов газа
используют статистические методы. Если принять, что распределе-
ние величин потребления газа, взятых из опыта эксплуатации ана-
логичных газовых установок, подчиняется нормальному закону,
то для оценки максимальных величин потребления газа (расчет-
ных расходов) используют известные формулы статистики.
49
Пример 2.1. Определить расход газа встроенной котельной, подающей
тепло для отопления и вентиляции пятиэтажного административного здания строи-
тельным объемом = 30 000 м3. Причем q0 — 1,84 кДж/(м3-ч-°C); qB =
= 0,75 кДж/(м3-ч-°C); QJJ = 35 588 кДж/(м3-ч-°С); г) = 0,8; /„ = —20° С.
Решение
Определяем расход тепла на отопление здания
<2оТ = q. (Аш - А,) = 1.84 [ 18 - (- 20)] .30000 =
= 2097600 кДж/ч «« 582 кВт.
Рис. 2.7. График значения коэф-
фициента одновременности для
бытовых объектов потребления
газа
Определяем расход тепла на вентиляцию
QBe„ = qu - 4) l/„ = 0,75 [ 18 — (— 20)] 30000 =
= 855 000 кДж/ч <=& 237,5 кВт.
Рассчитываем расход газа котельной
Z) Qo + Qeen 2 097 600 1- 855 000 lnQ7,3/rr
Qp- 4 ==-----------------35-588—,8---- = 103’7 М /Ч-
Пример 2.2. Определить максимальный коэффициент часовой нерав-
номерности потребления газа по табл. 2.6 и по расчетной формуле
Qi
Qcp
k,
где Qi — расход газа в данный час; Qcp — среднечасовой расход газа в сутки.
Решение
П 100 Л 1-7,,,. Н 5,12
Qcp — "24 :— 4,17/6, шах 1— 417
1,23.
Пример 2.3. Определить расчетный расход газа в одной квартире с раз-
личными приборами: двухконфорочной плитой с Qu = 25 120 кДж/ч; двухкон-
форочной плитой и газовой колонкой с Q„ = 83 736 кДж/ч3; четырехконфороч-
ной плитой с <2„ = 40 193 кДж/ч и аппаратом горячего водоснабжения с Q„ =
= 50 241 кДж/ч. Причем QP = 35 583 кДж/м3.
Решение
При установке двухконфорочной плиты расчетный расход
n ft, 25120 _ ,,
4 QP ' 35583 0,7 М /Ч’
50
Для двухконфорочной плиты и газовой колонки коэффициент одновремен-
ности k0 = 0,48 (см. табл. 2.5).
Для четырехконфорочной плиты и аппарата горячего водоснабжения
(АГВ-120) при k0 = 0,59
Л Л 40 193-1- 50 241 , -
Qp,4 -.0,59----------------.1,5 м*/Ч.
Пример 2.4. Определить расчетный расход газа в 25-квартирном жилом
доме с централизованным горячим водоснабжением при следующих условиях:
Таблица 2.6
Распределение расхода газа по часам суток (в % суточного потребления)
Время, ч 0—1 1—2 2—3 3-4 4—5 5—6 6-7 7-8
<2, % 3,96 3,75 3,75 3,67 3,74 3,81 4,12 4,6
Время, ч 8—9 9—1С 10—11 1 1 — 12 12—13 13—14 14—15 15— 16
Q, % 4,6 5,12 4,75 4,77 4,36 4,36 4,34 4,15
Время, ч 16—17 17—18 18—19 19—20 20—21 21—22 22—23 23—24
Q, % 4,22 4,05 4,06 4 3,81 4,13 4,13 3,75
1) при наличии во всех квартирах четырехконфорочных плит; 2) при установке
в 12 квартирах четырехконфорочных плит и газовых колонок, а в остальных
13 квартирах—двухконфорочных плит.
Решение
1) ko = 0,233;
Qp.,, = 0,233 40 193 25^-'-— = 6.58 м3/ч.
иЬ ООО
2) kol — 0,233 (для т = 25);
/?02 -= 0,221 (для m =25);
Qp.4-(0,233-40 193-12: 0,221 -25 120 -13) „ ‘-=5,18 м3/ч.
00 ООО
Коэффициенты одновременности /го во всех случаях принимаем по суммар-
ному числу ассортиментов, т. е. для 25 квартир.
§ 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГАЗОПРОВОДОВ
СРЕДНЕГО И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
При движении газа в газопроводах среднего и высокого дав-
ления происходит значительное падение давления по длине в ре-
зультате преодоления гидравлических сопротивлений. В этих
условиях плотность газа соответственно уменьшается. Это ведет
к изменению по длине газопровода линейной скорости газа. Для
увеличения последней требуется затратить некоторое количество
энергии.
51
Если профиль газопровода не горизонтальный, то дополни-
тельно необходимо затратить энергию на подъем газа.
Таким образом, в общем случае при гидравлическом расчете
газопровода среднего и высокого давления следует учитывать
гидравлическое сопротивление
газопровода, а также влияние
профиля трассы и изменения ско-
рости газа.
Гидравлический расчет город-
ских газопроводов ведется для
стационарного режима течения.
Температура газа в распреде-
лительных газопроводах практи-
чески близка к температуре гру-
нта на глубине заложения газо-
провода и сравнительно мало
Рис. 2.8. Схема расчета участка
наклонного газопровода
В связи с этим течение газа в
изменяется при движении
городских распределительных
газа,
газо-
проводах можно рассматривать изотермическим, т. е. при постоян-
ной температуре.
Стационарное движение газа в газопроводе высокого и среднего
давления описывается системой уравнений:
движения (уравнение Бернулли)
dp . d (v)2 , , . , v2 dx n
_^ + a_^. + gd2 + Z_._. = 0;
баланса количества газа
состояния
М = pvF == idem;
р = gzRT.
Исходные уравнения можно свести к одному уравнению
zRT + a d (^) + 2g dzr + = О,
где a — коэффициент Кориолиса (для ламинарных потоков а = 2;
для турбулентных потоков а = 1,1); 2Г — изменение профиля
газопровода.
Рассмотрим газопровод с равномерным постоянным подъемом
(или уклоном). Тогда абсолютная величина подъема профиля
трассы газопровода на элементарном участке (рис. 2.8)
dz,. = dx,
где Дгг — разность отметок конечной и начальной точек газо-
провода; I — длина рассматриваемого участка газопровода.
52
Подставив элементарное приращение высоты газопровода,
получим:
- ZRT^V2)~ + « d (ц2) 4- 2g dx + № -^ = 0.
Это уравнение является обыкновенным дифференциальным
уравнением с разделяющимися переменными. После разделения
переменных будем иметь
______—I- —4^4—<-*=»
./„ Дгг . X „\ ' Дгг X „ 1
v\2g— +p-v2) 2g— + —
Обозначим линейную скорость газа в начале газопровода (х =
= 0) через vlt а в конце (х = /) через v2. Проинтегрировав урав-
нение в пределах от vr до ц2 и от х = 0 до х = I, получим
zRTl / 2gAzr X \ 1»2 .
2g Дгг \ 42/ ' D / |0, '
1 Г/ In ( ° Г AZr 1 "г2") Iй2_/
-г a^-ln z -г D }|oi— I-
„ zRTl
Разделим левую и правую части выражения на 2 Дг и подста-
вим пределы интегрирования:
/ 2g Azr X \
1 I D ।
I п I --=------- I —
\ 2gAzr X I
vU D /
- 2gAzr / 1 1 Da . 2g bzrDMv?2 \
~ zRT \ ф X/ 2g\zTD + Mvl /
Следует заметить, что выражение, стоящее в скобках, опреде-
ляет влияние изменения скорости газа по длине газопровода.
Оставим это выражение без изменения, а линейные скорости газа
Uj и v2, стоящие в левой части, заменим массовым расходом газа
и давлением в соответствующих точках.
Освободимся еще от логарифма в левой части последней фор-
мулы. После этих преобразований найдем:
pi exp (— be) — pi
XM^zRTl 1— exp (—6c)
F4) ' b
Эта формула позволяет рассчитать перепад давления на уча-
стке газопровода при заданном массовом расходе газа.
Массовый расход газа в газопроводе, если известны давления
в начале и в конце участка, определяется по формуле
[p'fexp (—be) — pj] Db
KzRTl [1 — exp (— 6c)] •
53
По этой формуле рассчитывается массовый расход газа на из-
вестном участке газопровода (даны длина, диаметр, коэффициент
гидравлического сопротивления, разность отметок газопровода и
температура газа) при заданных давлениях на концах участка
газопровода.
В приведенных формулах коэффициент b учитывает влияние
разности отметок начала и конца газопровода:
/, _ 2gАг'-
’ zRT '
Коэффициент с учитывает влияние изменения линейной ско-
рости газа на рассматриваемом участке газопровода;
„ _ I , aD_ 1n 2g AzrD + Щ
1 + U П 2gAzrD + '
Для горизонтального газопровода (Азг = 0) коэффициент
с = с0, т. е.
Для расчета газопроводов без учета изменения скорости коэф-
фициент с = 1 и расчетные формулы примут вид:
2 , ,\ :> rKMizRTl 1—exp (—b)
pi exp (— b) - p,, =---------------;
M = F I/ fPiexP(—fe)~
V XzRTl[l — exp(— ft)]
Если газопровод горизонтальный, то при Аг = 0 коэффициент
b = 0. В правой части формулы появляется неопределенность
0
вида -Q-, раскрывая которую, получим
2 2 MPzRTl
pi- Р2 = —;
i — pl) d
i.zRTl
М -=! •
Эти формулы применяют, когда можно пренебречь влиянием
разности отметок крайних точек газопровода и изменения линей-
ной скорости газа.
При расчетах часто пользуются объемным расходом газа:
Qh=A; Qct = 21L.
pH рст
при температуре 0° С и давлении
при температуре 20° С и давлении 0,1 МПа
берутся по справочникам для данного газа или рассчитываются
по известному составу газа.
Плотности газа рн
760 мм рт. ст. или рст
54
Объемный расход, приведенный к температуре 0° С и давлению
760 мм рт. ст., определяется по формуле
2 i к \ 2
pi exp (— be) — р2 =
F2D
1 — exp (— be)
Ъ
без учета изменения скорости газа
pi exp (— b) — pl =
^Q^RTl
F4)
1 — exp (— b)
b
для горизонтального газопровода и без учета изменения линейной
скорости газа
2 2 ^^^7/
Pl Р2 = у?2£)
Соответственно объемный расход будет равен:
в общем виде ____________________
„ _ 2L 1 / [Pi exp(—bc)—p^]Db~.
4,1 — рн Г i.zR'Fl [f — exp (— 6c)] ’
без учета изменения скорости газа
„ _F_ -1 / [р? exp (—b) — р2] Db .
р„ Г XzRTl [1 — ехр(-б)] ’
для горизонтального газопровода и без учета изменения линейной
скорости газа
п _ F_ 1/
— рн г -kzRTl '
При использовании объемного расхода, приведенного к тем-
пературе 20° С и давлению 0,1 МПа, величины QH и рн следует за-
менить на Qct и Рст, оставляя все остальные параметры без из-
менения.
Расчет газопровода при сосредоточенном отборе
газа по длине
Если отборы газа по длине газопровода нельзя распределить
равномерно, то гидравлический расчет ведут на сосредоточенные
отборы.
Схема газопровода представлена на рис. 2.9. Газопровод со-
стоит из п участков различных диаметров и длин с соответствую-
щими массовыми расходами и отборами. Если газопровод заканчи-
вается п - м участком, то Мп — т„. При наличии транзитного
расхода МТ расход на последнем участке Мп = Мт + тп. Рас-
ходы на всех предыдущих участках определяются путем суммиро-
вания расходов газа на отводах. Расход на первом участке
1=11
= мт У fflj.
1=1
55
Для каждого участка газопровода можно записать
2 2 XjM'izRTl
pl- р2 =
}.2M?,zRTl
~ ПР, '
2 2
pn — l Рк P2 D
Mhlf Р/ М^ЬгРгМзЛзРз
^n-i,Ln-iPn-i Mn,
Рц-i I *
Ph
Рис. 2.9. Расчетная схе-
ма газопровода высокого
и среднего давления с со-
средоточенными отборами
газа
Сложим левые и правые части выписанных выражений:
гП к ‘
Коэффициент отклонения свойств реальных газов от законов
идеальных газов принят средним для всех участков. Эта формула
позволяет рассчитать горизонтальный газопровод с отбором газа
по длине.
Расчет газопроводов, проложенных параллельно
В случае двух газопроводов, проложенных параллельно и
работающих с одинаковыми начальным и конечным давлениями,
можно записать для каждого газопровода:
М — Р 1/ [Р1ехР (—й) — P2I Di6 .
11 ГУ faRTl [1 -exp (-6)| ’
М —F 1./ tpi exp (—6) — pg]
,.гу xzRTl[l — exp(—1>)] '
Индексы «1» и «2» относятся соответственно к первому и второму
газопроводам. В данном случае длина газопроводов одинакова,
а диаметры могут быть разные.
Массовый расход газа через параллельные газопроводы
м = м. -Н м2 = (Л +
। F 1/ ехр(—6) —/>.][ 6
2 V ла ) У ZRTI[\ —exp (—6)] '
56
Коэффициент b для обоих газопроводов один и тот же, так
как он не зависит от параметров газопровода, а определяется раз-
ностью отметок Azr конца и начала газопроводов. Оба газопровода
имеют^одну и ту же разность отметок. Другие параметры (z, R, Т)
также,одинаковы для двух газопроводов. Среднее значение коэф-
фициента z зависит от средних давлений, которые равны между
собой в первом и втором газопроводах.
Расходы в газопроводах будут распределяться следующим
образом:
Mi _ Л i / ХоГ
м2 f2 V xto2 ‘
Это соотношение одинаково для горизонтального и для наклон-
ного газопроводов. Соотношение объемных расходов будет также
определяться выражением, в котором вместо массовых расходов
следует представить соответствующие объемные расходы, приве-
денные к определенным условиям.
Если заданы диаметры газопроводов и общий массовый (или
объемный) расход при известных коэффициентах гидравлического
сопротивления, то найдем
pl ехр (— Ь)
M2zRTl
1 — ехр (— 6)
Ъ ~
Для горизонтального газопровода (Ь = 0) после раскрытия
о
неопределенности -у :
2 2 M2zRTl
^>./¥+^57'
Из этого равенства можно найти массовый расход в горизонталь-
ном газопроводе с параллельными нитками.
Расчет газопровода с лупингом
Лупинги устанавливают для увеличения пропускной способ-
ности газопроводов. Если на горизонтальном газопроводе уста-
новлен лупинг длиной х, то для участка с параллельными газо-
проводами можно записать:
2 2 /.aM2zRT (/ — х)
Р'-Р‘> =--------FID г----
M2zRTx
Здесь индекс «1» относится к основной нитке газопровода,
а индекс «2» — к лупингу. Последнее выражение можно пере-
писать в виде
2 2 *2 Д-0 (^ X)
pi — р2 = MuzRT рф-
57
Из последней формулы можно получить массовый расход,
если заданы давления в начале и конце газопровода и длина лу-
пинга. Расход определяем по сравнению с расходом Л40 в газо-
проводе без лупинга (при равных давлениях до и после увеличения
расхода, а также при условии /0 = kJ:
М =
Ма
При заданном увеличении расхода газа и том же перепаде
давления необходимо определить длину параллельного газопро-
вода:
Если диаметр лупинга равен диаметру основного газопровода
= DJ, то
Если требуется увеличить в 2 раза расход газа в газопроводе
(М = 2Л40), то длина лупинга
т. е. при неизменном перепаде давления на данном газопроводе
необходимо параллельно проложить второй газопровод.
Из анализа расчетных формул следует, что место установки
лупинга по длине газопровода не влияет на величину гидравли-
ческого сопротивления. Поэтому с этой точки зрения лупинг
может быть установлен в любом месте газопровода.
Расчет газопровода со вставкой
Увеличить пропускную способность газопровода можно путем
прокладки участка (вставки) некоторой длины и диаметром, не-
сколько большим диаметра всего газопровода. Для газопровода
со вставкой
2 2 kJMzRT (/ — х) k2Maz«Tx
Pl Р2 — f201 + ’
58
где х — длина вставки диаметром £)2; и Х2 — коэффициенты
гидравлического сопротивления основного газопровода и вставки.
Увеличение пропускной способности найдем относительно
пропускной способности Мо газопровода без вставки:
М = ~___________—-----------.
Г/,___* \ WlDi 30.5
IA I ) Л2 ^F‘D2 J
Необходимая длина вставки при заданном увеличении расхода
и неизменном перепаде давления
/ \
. / Z() Л4“ j
х I' х2ЖГ ’
\ /-о /
Если условия строительства вынуждают задаваться опреде-
ленной длиной вставки, то можно найти необходимый диаметр D2
вставки при установленном увеличении расхода газа. Расчетные
формулы получены при условии, что коэффициент гидравличе-
ского сопротивления основной линии газопровода после установки
вставки большего диаметра останется неизменным или изме-
няется незначительно.
Расчет газопровода при равномерном отборе
газа по длине
При большом числе отводов от газопровода его можно пред-
ставить как газопровод с равномерным по длине отбором газа:
М = pvF = М„ — тх.
Таким образом, массовый расход газа меняется с удалением
от начала газопровода, где расход равен Мо. Отбор газа на еди-
нице длины газопровода равен т.
Для горизонтального газопровода без учета инерционного
члена уравнения Бернулли имеем:
Р dp X (Л/о — тх)2 , п
zRT ' 2D ’ А2 ~
ИЛИ
Pdp . X / .И,: + 2Л10тх /п2х2 \ dx _
~zRT ' ~2 \ F2 ) 7T=U'
В результате интегрирования этого уравнения от рг до р2
и от 0 до I получим
59
где а — доля газа, отбираемого на рассматриваемом участке
газопровода,
По этой формуле можно рассчитать длину газопровода, если
известен массовый расход газа в начале газопровода Л40 и доля
отбираемого газа по длине газопровода а.
В газопроводе с непрерывным отбором газа массовый расход
дл _ р, (Ру D _______________
|/ XzRTl ( 1 - а +
При а = 0 эта формула превращается в обычную формулу для
горизонтального участка без отбора газа. При наибольшем зна-
чении коэффициента, т. е. при а == 1, это соответствует полному
отбору газа по длине данного участка. Из анализа формулы видно,
что при одном и том же перепаде давления величина Мо в зависи-
мости от коэффициента а может меняться от Мо при а = 0 до
1,73 Л40 при а = 1.
Расчет разветвленных газопроводов высокого
и среднего давления
Методика расчета сводится к определению необходимых диаме-
тров газопроводов и к проверке заданных перепадов давлений.
Согласно СНиП П-37—76, гидравлический расчет газопро-
водов среднего и высокого давления во всей области турбулент-
ного режима движения газа следует проводить по формуле
9 2
Рк = 1,45 • 10’4 (+ 1922 ——У ’25 р,
I \ DB„ 1 Q / D5
вн
где рн и рк — абсолютное давление газа соответственно в начале
и в конце газопровода, МПа; I — расчетная длина газопровода, м;
k3 — эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней по-
верхности стенки трубы (для стальных труб fe3 = 0,01 см); v —
коэффициент кинематической вязкости газа (в м2/с) при темпера-
туре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.; DBti — внутренний диаметр
газопровода, см; Q — расчетный расход газа, м3/ч; р — плот-
ность газа, кг/м3.
По данной формуле построены номограммы для различного
состава газов, широко используемые в практических расчетах
газовых сетей. Номограммы построены в координатах Лср =
Р2-Р2
= ———— и Qp для различных диаметров (рис. 2.10).
60
Порядок расчета
1. На основании данных газовых приборов устанавливают
конечные давления в тупиковых газопроводах (начальное давле-
ние определяется режимом работы газорегуляторных пунктов).
2. Выбирают наиболее удаленную точку или точки распре-
делительных газопроводов и определяют общую длину газопро-
водов по выбранным основным направлениям. Основных направ-
Рис. 2.10. Номограмма для расчета газопроводов среднего и высокого давления
(природный газ, р = 0,75 кг/м:|)
лений к удаленным точкам может быть несколько, и каждое на-
правление рассчитывают отдельно.
3. В системах газоснабжения используют правило постоянного
перепада давления на единице длины газопровода. Местные
61
сопротивления для газопроводов высокого и среднего давления
учитываются введением поправочного коэффициента, при этом счи-
тают, что потери на местные сопротивления составляют 10%,
тогда £/s//p = 1,1 -
4. Определяют расчетные расходы для каждого сосредоточен-
ного отбора газа и для участков газопровода.
5. По величинам Лср и Qp по номограмме выбирают диаметр
для отдельных участков газопровода, который осредняют по стан-
дарту в большинстве случаев в большую сторону, т. е. в сторону
меньших перепадов давлений на участке газопровода.
6. Для стандартного диаметра по ГОСТу определяют действи-
тельное значение величины
А Р“ ~~Р«
/Р ’
затем находят /Д — р*.
7. Производят расчет давлений. Поскольку давление ГРП
известно, то расчет можно вести с начала газопровода. При дав-
лении рк, значительно большем заданного, уменьшают диаметры
участков газопровода ближе к концу основного направления.
8. После определения давлений по данному направлению
производят гидравлический расчет газопроводов-отводов по дан-
ной методике, начиная со второго пункта. При этом за начальное
давление принимают давление в точке отбора.
Пример 2.5. Определить расход газа в газопроводе длиной 5000 м и диа-
метром 500 мм. Избыточное давление в начале и в конце газопровода соответ-
ственно равно Pi = 3-105 Па и р2 == 1 • 105 Па. Газовая постоянная 500 И -м/(кг- К),
температура газа 5° С, коэффициент гидравлического сопротивления Л = 0,02
и плотность 0,7 кг/м3 при 0° С и 760 мм рт. ст.
Решение
Абсолютная температура газа
Т =: 273 + 5 = 278 К.
Коэффициент отклонения значений реальных газов от идеальных принимаем
равным единице (т. е. z = 1).
Массовый расход
м — р 1/ (pi—Р'ро = 52! 1/ <^| ~ № D _
У bzRTl 4 У URTI ~
- 2 14 °д21/ (4-— 23) 101и0,5 _
’ 4 У 0,02-1-500 278 5000 '
Объемный расход газа
о М 12,9 ,о . ...
QH =------— дгг 18,4 м’/с.
н pH 0,7
Часовой расход газа
<2н. ч = 18,4-3600 == 66 200 м3/ч.
Пример 2.6. Определить перепад давления в горизонтальном газопро-
воде длиной 10 000 м и диаметром 300 мм при расходе газа 500 000 м3/сут. Плот-
ность газа 0,7 кг/м3, газовая постоянная R = 500 Н-м/(кг-К), коэффициент
гидравлического сопротивления X = 0,015, коэффициент z= 1, температура
газа в газопроводе 7" С, абсолютное давление в конце газопровода рг = 6-106 Па.
62
Решение
Выразим секундный массовый расход газа через объемный:
М______^ир"
~ 24 3600 ‘
Определим разность квадратов давлений:
2 2 M^zRTl
Pl - Р2 = ~ =
52-1010-0,72-0,015-1-500-280-10000 o„n 1Л|()
— / 3 14a \ ~ — 2.30-1 u 113 ,
242 36001 ( 0,32 \ о з
p{ = у230-1010 + = V 230-IO10+ 36-1010 = 16,3 10s Па.
Перепад давления
Pl — p2 = (16,3 — 6,0) 105 = 10,3-105 Па
Пример 2.7. Определить давление столба газа в наклонном газопроводе,
если Лгг = 500 м, Т = 280 К, р2 = 5-105 Па (давление абсолютное), R =
= 500 Н-м (кг-К)- Газопровод остановлен (Л4 = 0).
Решение
Определяем значение коэффициента Ь:
. 2gAzr 2-9,81-500
Ь ~ 500-280 “ °’0'-
Определяем давление столба газа:
Pi — Рг -= Рге+Ь^ — р2 = рг(е+ЬГ2 — 1) =
= 5- 105(e+°-03S - 1) = 5 -105 (1,035 — 1) =
= 5-105-0,035 = 0,175-10й Па.
Пример 2.8. Определить массовый и объемный расходы газа в газопро-
воде длиной 10 000 м, внутренним диаметром 0,3 м. Положительная разность
отметок газопровода составляет 500 м. Избыточное давление в начале газопровода
Pt — 15-Ю5 Па, в конце газопровода р2 == 14-Ю5 Па. Температура газа 5° С,
плотность р = 0,7 кг/м3, газовая постоянная R = 500 Н-м/(кг-К), Тк, =
= 190,5 К, рКр = 4,74-10° Па.
Решение
Определяем
коэффициент:
, 2g Az,
b = —-----5
zRT
2'9’81'500 = 0,0744.
0,95-500-278
Определяем
приведенные давление и температуру:
15-Ю6 0Q , T 278
4,74-10° — '<+— Гкр 190 5 -= Ma.
Коэффициент сжимаемости по графикам равен 0,95. Массовый расход
У4+О 9
4
-П-пр —
(162— 15a)9,812-10a-0,3 0,0744 = q q3 Rr/c
0,015-0,95 500-278-104 (1 —+0744)
Объемный расход газа
„ M 3,03 . „„ ...
Qu = — = ПТУ = 4’33 M /c-
Ph
63
Суточный расход газа
Л4е = М-3600-24 = 3,03-3600-24 = 262-103 кг/сут.
Объемный суточный расход газа
л Мс 262-103 о_. 1ЛЗ о,
<?н = -оу = —оу~ = 374 •10 М^СУТ-
Пример 2.9. Определить перепад давления в наклонном газопроводе при
положительной разности отметок Даг — 300 м. Диаметр газопровода 200 м,
длина 5000 м. Температура газа 7° С, газовая постоянная R — 500 Н-м/(кг-К).
Ткр = 190,5 К, Ркр = 4,74-10е Па, плотность рн = 0,7 кг/м3, объемный расход
газа Q = 100 000 м3/сут, избыточное давление в начале газопровода р, =
=6-103 Па, коэффициент гидравлического сопротивления газопровода Л = 0,02.
Решение
Определяем секундный массовый расход газа:
.. <Эр„ 100 000 0,7 л о.
24-3600 ~ 24-3600 0,8 КГ^С’
Определяем коэффициент сжимаемости 2 по приведенным параметрам:
Яг1р==7^ = 4,74-10е -=°>148; Т"Р = — Т9оУ = >47-
Коэффициент сжимаемости из графика 1.
Находим коэффициент:
и 2g 2-9,81-300 0
zRT 1-500-280 и’
Определяем давление в конце газопровода:
MA2zRTl 1 —е~ь __
pi — |/ pie • ь
./~72no14fl4H,№ 0,02-0,812-1-500-280-500 1-е"0'042 .
/ -з,о1 -те 0,148 0,2 ур g ‘ 0,042
= 6,37-105 Па.
Перепад давления
Pi — р2 = (7 — 6,37) 108 = 0,67-108 Па.
Пример 2.10. Определить диаметр транзитного газопровода среднего
давления для подачи газа от газораспределительной станции к промышленному
предприятию в количестве Q = 4000 м3/ч. Длина газопровода I = 4000 м, не-
обходимое абсолютное давление газа на вводе в заводской газораспределительный
пункт рк — 2,6-105 Па, начальное абсолютное давление рн = 4-Ю6 Па.
Решение
Для одного и того же расхода газа может подойти газопровод различного
диаметра, но падение давления в нем и давление перед ГРП будет различное.
Определим необходимый диаметр газопровода методом подбора.
Расчетная длина газопровода /р = 1,05-4 = 4250 м. Задаемся условным
диаметром газопровода Оу = 250 мм и определяем по номограмме на рис. 2.11
р2 — р2
при расходе газа Q = 4000 м/ч значение А = S——- = 0,25.
‘р
64
Тогда конечное давление перед ГРП
рк = - Л/р = J/42 - 0,25 -4,2 • 105 = 3,86 • 106 Па.
Задаемся условным диаметром газопровода Dy = 200 мм, находим для него
новое значение А = 0,75 и определяем давление перед ГРП при этом диаметре:
рк = У 42 - 0,75-4,2-105 = 3,5 • 10Б Па.
При диаметре О = 150 мм и А — 2,3
рк = |/ 42 - 2,3-4,2-105 = 2,55-103 Па.
0_ = 1300^1л
□IГРП-7
Z
7,4£
70432
200
0,53
3732
200
0,25
7078
200
Q=5882rf^ Q=/72hOh\
Рк \^ГРЛ-2
0,575
2774
~7?рГ
# = 450 м-'/ч
0,73
450
80
3
4
Рис. 2.11. Расчетная схема тупиковой сети среднего давления:
РК — районная котельная; X — хлебозавод; ВПК. — банно-прачечный Комбинат; 1,46;
0,53; 0,25; 0,515 н 0,73 — длина участков в км; 10 492, 9192, 7018, 2174 и 450 — расчет-
ные расходы газа в ма/ч; 200, 125 и 80 - условные диаметры газопроводов в мм
Из полученных данных видно, что наиболее подходящим условным диаме-
тром будет Ьу = 200 мм. Газопроводы большим диаметром при излишнем давле-
нии окажутся более металлоемкими, а газопроводы меньшим диаметром не обес-
печат необходимого давления перед ГРП.
Задачу можно решить проще, если предварительно определить максимально
допустимое значение А для газопровода:
А = Рн~Рк- = 1010 2’-1- =2,20 • Ю10 Па2/км.
1р 4,2
Далее по номограмме подбираем диаметр, для которого действительное зна-
чение А будет ближайшим меньшим, т. е. Dy = 200 мм.
Давление перед ГРП при этом диаметре определяется так же, как и в прежнем
варианте решения.
Пример 2.11. Требуется выполнить гидравлический расчет тупиковой
разветвленной сети среднего давления (рис. 2.11). Давление в начале сети =
= 4 105 Па, давление перед потребителями рк = 1,5-105 Па.
Решение
Расчет газопровода производим по методике расчета разветвленных тупико-
вых газопроводов высокого и среднего давления.
Нумеруем все узлы ответвления сети и проставляем на расчетной схеме
длины участков, определяя их по длине кварталов и по ширине улиц. Далее
определяем и проставляем на расчетной схеме расходы газа по участкам сети.
Расходы газа на отводах к потребителям равны расходам газа потребителями
(в м3/ч):
Q4—грп—2 = 1724; Qs—бпк=И36;
Qs—рк—1 = 5882.
3 С. А. Бобровский
65
Расходы газа на ответвлениях к нескольким потребителям определяем
как сумму расходов всех присоединенных участков:
<?3_5 = &-бпк + Q5-PK-1 =1136 + 5882 = 7018 м3/ч.
Расходы газа по основной магистрали определяем аналогично:
Q4—з = @4—грп—2 + Q4—з - 1724 + 450 = 2174 м3/ч.
и т. д.
Нанесем величины этих расходов на расчетную схему и составим расчетную
табл. 2.7. Проставляем номера расчетных участков только основной магистрали,
Таблица 2.7
Расчет газовой сети среднего давления
Участок (см. ряс. 2.11) Длина участка, км кя/гвц 'о.О I-d+ Расчетный расход газа Qp. М3/ч Условный диаметр га- зопровода Ру,*мм Давление на участке, Па
по плану 1 расчетная = в начале рн-106 в конце рк = =(К₽У7’)',°6
ГРС-2 1,46 1,61 3,9 10 492 200 4,9 7,89 4 2,84
2—3 0,53 0,58 3,9 9 192 200 3,8 2,20 2,84 2,43
3—4 0,515 0,57 3,9 2 174 125 3,8 1,71 2,43 2,05
4—Х 0,7 0,77 3,9 450 80 1,2 0,92 2,05 1,81
X ip = = 3,53
2—ГРП 0,05 0,055 106 1 300 80 10 0,55 2,84 2,75
4-ГРП-2 0,05 0,055 36 1 724 100 6,7 0,37 2,05 1,96
3—5 0,25 0,275 6,95 7 018 200 2,3 0,63 2,43 2,30
5—ВПК 0,23 0,253 6,95 1 136 80 7,2 1,82 2,30 1,86
Xi ip ~ == 0,528
РК-1 0,04 0,044 69 5 882 150 8,7 0,38 2,30 2,2
начиная от Г PC до конечного потребителя (хлебозавод). Ответвления и отводы
от основной магистрали будут определены после расчета магистрали.
Длину I берем из расчетной схемы. При определении диаметров газопроводов
пользуемся номограммой для расчета газопроводов среднего и высокого давления.
Номограмма дает зависимость между тремя величинами: расходом газа Q,
диаметром газопровода и комплексной величиной А, из которых известен только
расход газа. Таким образом, имеем одно уравнение с двумя неизвестными. Пред-
полагая, что располагаемый перепад давления затрачивается равномерно по всей
магистрали, по номограмме на рис. 2.11 определяем среднее значение величины А:
2 2
Лр = AzA = = 3>9. J Ою Па2/км.
r ip 0,00
66
Далее подбираем диаметры магистрали так, чтобы значение А для каждого
участка было по возможности ближе к значению Аср = 3,9-10^° Па2/км. Опреде-
ляем диаметр участка ГРС-1, откладывая на шкале расхода номограммы расход
р2 — р2
'газа на участке Qcpc-i = 10 492 м3/ч и на шкале ------- = А полученное
<р
значение Лср = 3,9-10В * 10 Па2/км. Точка пересечения 1 оказалась между линиями
диаметром Dy = 200 мм и Dy = 250 мм. Продвигаясь по линии того же расхода
’вверх или вниз до линии ближайшего диаметра, находим искомый диаметр Dy =
= 200 мм.
Проектируем точку пересечения расхода газа с найденным диаметром на
ось А и находим действительное значение А = 4,9-Ю'0 Па2/км. Вносим полу-
ченные значения Dy = 200 мм и А = 4,9-Ю'0 Па2/км в расчетную табл. 2.7 и
определяем давление газа в конце участка:
рк = |/ р2 - А1Р = 105 / 42 - 4,9-1,6Т = 2,84 10s Па.
Аналогично рассчитываем все остальные участки магистрали, определяем
все диаметры и давления в узлах и перед последним потребителем — хлебозаво-
дом. При этом конечное давление для одного участка будет начальным давлением
для следующего. Если давление перед последним потребителем меньше или зна-
чительно больше необходимого, надо пересчитать какой-либо из участков, до-
биваясь необходимого давления.
В данном случае имеем давление 0,18 МПа вместо заданного 0,15 МПа.
Проверяем, можно ли более рационально использовать избыточное давление
для участка 4-Х, который имеет наименьшее значение А. Для этого задаемся
меньшим диаметром участка и проверяем величину давления на вводе на участке
хлебозавод.
Примем диаметр участка 4-Х равным 70 мм. По номограмме находим А = 3.
Давление перед хлебозаводом
рх = рГ^АГр = 105 /2,052 -3-0,77 = 1,38 105 Па,
т. е. меньше необходимого. Оставляем прежний диаметр, и расчет магистрали
считаем законченным.
Далее рассчитываем отводы от главной магистрали к отдельным потре-
бителям.
Длина участка 2—ГРП—1 по плану I = 0,05 км; расчетная длина /р = 1,1
I = 0,055 км; расчетный расход газа Qp4_rpn= 450 м3/ч.
Определяем максимально допустимое значение А для участка по ранее по-
лученному давлению в начале участка (р2 = 2,84-105 Па) и необходимому давле-
нию в конце участка (ргрп-i ~ 1,5-105 Па).
Подбираем диаметр отвода по полученному значению:
А = ^н~Рк^ ‘° = (2'842Д_1’52) 101°. 106.10ю Па2/км.
Ip UjObu
В данном случае значение А получилось слишком большим. Принимаем
газопровод диаметром 80 мм, при этом получим А = 10-1010 Па2/км и находим
р = 2,75-103 Па. Все вычисления сведены в расчетную табл. 2.7. Подобным же
образом рассчитываем и отвод к ГРП.
Затем рассчитываем ответвления к отдельным зданиям. Если ответвление
сложное, его рассчитываем аналогично основной ветви. Таким образом выполнен
расчет к банно-прачечному комбинату. Если ответвление более простое (к двум
или к трем потребителям), его можно не выделять отдельно, а рассчитывать вместе
со всеми отводами.
3*
67
§ 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
В настоящее время городские распределительные газопроводы,,
в которых избыточное давление не превышает 0,005 МПа, отно-
сятся к газопроводам низкого давления.
В действительности имеется незначительное изменение плот-
ности газа по длине газопроводов, но такое изменение не учиты-
вается.
Для оценки изменения плотности газа в распределительных
газопроводах примем температуру газа постоянной и равной То.
Коэффициент отклонения реальных газов для низкого давления
(близкого к атмосферному) примем также постоянным и рав-
ным г0- Тогда из уравнения состояния плотность газа
' z0RT0
Абсолютное изменение плотности в зависимости от абсолют-
ного изменения давления составит
, dp
dp~ 20RT0 '
Из двух выражений можно найти относительное изменение
плотности 6р, если разделить их левую и правую части соответ-
ственно на р и р
s _ dP _ dP
р - р ’
где dp и р — абсолютное изменение плотности газа и его плот-
ность; dp — абсолютная величина изменения давления газа
в газопроводе; р — абсолютное давление газа в газопроводе.
Для определения числового значения величины относитель-
ного изменения плотности газа примем наибольшее изменение
давления. Наибольшее избыточное давление газа составляет
5000 Па, а наименьшее давление определяется давлением перед
газовыми приборами, которое можно принять равным 1000 Па.
Наибольшее абсолютное изменение давления газа в газо-
проводе
dp = 5000 - 1000 = 4000 Па.
Среднее абсолютное давление газа в газопроводе
Рср = Р™* + Рмш 105 000 МО 1000 = 103 000 Па
Наибольшее относительное изменение плотности, которое воз-
можно в городских газопроводах низкого давления, составит
6»-^‘=ттео-|00-3'9%-
68
Таким образом, можно считать, что наибольшее изменение
плотности в газопроводах низкого давления может достигать при-
мерно 4%. Часто в городских газопроводах на расчетных участ-
ках перепады давления имеют величину, значительно меньшую
4000 Па. Поэтому плотность газа в этих случаях будет изменяться
еще меньше.
Учитывая, что относительное изменение плотности газа неве-
лико и не превышает 4%, в гидравлических расчетах газопроводов
низкого давления плотность газа можно принимать постоянной
величиной, равной среднему значению на расчетном участке:
„ - - Pi+ Рз
Р — 2
где рх и р2 — плотности газа в начале и в конце участка.
Вывод расчетных формул для случая равномерного отбора
газа по длине горизонтального газопровода
Городские распределительные газопроводы имеют по длине
сосредоточенные отборы, расположенные на некотором расстоя-
нии друг от друга. Величины отборов могут быть различные.
Гидравлический расчет газопровода с учетом большого числа
сосредоточенных отборов слишком громоздкий. Для облегчения
расчета принимают упрощенную схему газопровода с непрерыв-
ным и равномерным отбором газа по длине.
Рассмотрим участок газопровода длиной I, который необхо-
димо рассчитать. По длине газопровода равномерно отбирается q
(удельный расход газа на единицу длины газопровода) газа.
Общее количество газа, отбираемого на данном участке (путевой
расход газа), обозначим Qn. Он равен:
Q„ = ql.
Количество газа, которое проходит по рассматриваемому
участку для обеспечения других участков газовой сети, обозна-
чим QT (транзитный расход). Величина транзитного расхода не
меняется по длине данного участка. Путевой расход является
переменной величиной, уменьшающейся до нуля к концу участка.
Аналитически путевой расход в любой точке газопровода к можно
выразить линейной зависимостью
QnW = <?(/-л).
Суммарный переменный расход газа в любой точке газопро-
вода
Q = Qt + <7(/-A).
Определим перепад давления на горизонтальном участке
газопровода (рис. 2.12). Влиянием изменения скорости на инер-
ционность потока пренебрегаем.
69
На элементарном участке газопровода перепад давления опре-
делим по формуле Дарси—Вейсбаха:
dp = X • -£- dx.
Линейная скорость газа v — переменная величина. Выразим
ее через объемный расход газа:
Q _ <2т + q (I — х)
F ~ F
х —Н
IIIIIIIIII
п-
Рис. 2.12. Расчетная схема горизон-
тального газопровода низкого давле-
ния с равномерным отбором газа по
длине
Подставим в формуле Дарси—Вейсбаха значение линейной
скорости газа и проинтегрировав от 0 до I, получим:
i
Pi - Р-i = -2^Д- J М<?Т + <7 G - *)]2 dx,
о
где Pj и р2 — давление соответственно в начале и в конце рас-
четного участка.
Коэффициент гидравлического сопротивления зависит от ре-
жима течения, поэтому для получения расчетных формул необ-
ходимо рассмотреть конкретные режимы и соответствующие им
коэффициенты гидравлического сопротивления.
Для ламинарного режима (% = 64/Re) в пределах чисел Рей-
нольдса от 0 до 2320 будем иметь:
ре = Д <?т+ — *)
v F
Распределительные газопроводы могут работать в критическом
режиме течения так же часто, как и при ламинарном. Это подтверж-
дается наблюдениями, приведенными в городских газовых сетях.
Для турбулентного режима течения газа в пределах чисел
Рейнольдса от 4000 до 100 000, когда коэффициент гидравличе-
ского сопротивления определяется по формуле Блазиуса (X =
= 0,3164/Re0-25), при интегрировании получаем:
А - А =<-(<«’ + <М"5 -
Формула применима для расчета горизонтальных газопроводов
низкого давления с равномерным отбором газа по длине при тур-
булентном режиме течения в зоне гладких труб.
70
При отсутствии путевого расхода (Qn = 0) после раскрытия
0 ГТ
неопределенности по правилу Лопиталя
O,1582Q^75v°’25pZ
Pl Ра — pl.75^1,25 '
Для концевых участков газораспределительной сети при
отсутствии транзитных расходов (QT = 0)
O,O575^'75v°’25pZ
Pi — Ра = pi,75p)i;25 ‘
Эти формулы применимы для гидравлического расчета гори-
зонтальных газопроводов низкого давления для гидравлически
гладких труб (зона Блазиуса, Re = 4000 — 107).
В переходной области режима течения газа, где коэффициент
гидравлического сопротивления зависит не только от числа Рей-
нольдса, но и от шероховатости внутренних стенок газопровода,
коэффициент гидравлического сопротивления можно выразить
по формуле Альтшуля:
где — абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы
газопровода.
Подставив коэффициент гидравлического сопротивления, най-
дем в пределах чисел Рейнольдса от Rej до Re2:
0,1р (/ 1,464э , ЮО \<’.25
Pi Р-2 — 2F2D J \ D Re / I- ^х-
и
Граничные числа Рейнольдса для переходной области можно
определить по формуле
Р 59,5 , 665 765 lg е
ке1 — е1,143 ’ ке2 >
где е — относительная шероховатость (е = 2k.JD). Интеграл
в правой части выражения может быть рассчитан численным
методом.
В наиболее простом случае, когда расход газа не зависит от
расстояния, что соответствует газопроводу без путевого отбора
(<2П = 0), перепад давления будет:
п , / , .с, . 100vF \0.25 QtPz
Pi Р-> — 0,1 (^1,46^э + ) 2f2D1'25 '
Эта формула пригодна для расчета газопроводов низкого
давления в переходной области течения газа для постоянного по
длине расхода.
71
При высоких линейных скоростях газа в газопроводах, соот-
ветствующих числам Рейнольдса Re2, коэффициент гидравличе-
ского сопротивления перестанет зависеть от числа Рейнольдса
или, что то же самое, от линейной скорости. Коэффициент гидрав-
лического сопротивления становится зависимым лишь от шерохо-
ватости внутренней поверхности трубы. Для этого режима коэф-
фициент X можно вынести за знак интеграла. После интегриро-
вания получим:
- А = -6^57 [«2т + <2п)3 - Сн-
если на участке газопровода нет путевого отбора газа (Qo =
= 0), получаем:
XQ?p/
Pl Рг • 2F2D '
Для расчета тупиковых участков газораспределительной сети
(<?т = 0)
Последние три формулы пригодны для гидравлического рас-
чета горизонтальных газопроводов низкого давления при турбу-
лентном режиме в зоне квадратичного закона трения. Коэффи-
циент гидравлического сопротивления в них можно определять
по формуле Шифринсона
1 = 0,111 (VD)0'25.
Все приведенные выше расчетные формулы для распредели-
тельных газопроводов низкого давления учитывают только потери
на трение на всем расчетном участке газопровода. По длине газо-
провода могут встречаться местные сопротивления: задвижки,
повороты, отводы и т. д. С учетом местных сопротивлений расчет-
ные формулы примут вид:
i
Р1 - Рг = j М<2т + <7(/ ~ Х)]4х +
о
где £ — коэффициент местного сопротивления; i — порядковый
номер местного сопротивления; у, — линейная скорость газа;
п — число местных сопротивлений.
Значения коэффициентов местных сопротивлений берут из
таблиц, составленных для соответствующих местных сопротив-
лений.
72
Вывод обобщенной расчетной формулы
При решении многих задач проектирования и эксплуатации
городских распределительных газопроводов не требуется привязка
к конкретным гидравлическим режимам. Такие задачи ставятся,
когда находят их общее решение, например технико-экономиче-
ские расчеты газораспределительных сетей.
Коэффициенты гидравлических сопротивлений можно выразить
для различных режимов одной обобщенной формулой:
где А и т — постоянные коэффициенты, зависящие от гидравли-
ческого режима течения газа.
Для непрерывного и равномерного по длине отбора газа
D QT + g(l—x)
Подставив данное значение числа Рейнольдса в вышеприведен-
ную формулу, получим
D Г QT+ <?(/ — х) |т
В формуле Дарси—Вейсбаха
, Хи2 р ,
dP = ~2~ D dx-
Гидравлический расчет распределительных газопроводов
для сосредоточенного отбора газа
Не во всех случаях газопроводы с сосредоточенными расходами
можно свести к схеме с равномерным распределением газа по
длине. Это относится к газопроводам с резко неравномерным рас-
пределением отборов газа по длине.
Рис. 2.13. Расчетная схема газопрово- QT+(l D
да низкого давления с сосредоточенным -„ п „ п, „ * ~*
отбором газа
4г
Ъ
? 3 4 п-1
Рассмотрим схему газопровода с сосредоточенными отбором
газа (рис. 2.13). По газопроводу транспортируется газ с транзит-
ным расходом (?т и путевым расходом Qn. Вдоль газопровода
произвольно распределены отборы газа различной величины qL.
Путевой расход равен сумме отборов на рассматриваемом участке:
i—n
Q.i = Е qi-
1=4
В общем случае режимы течения на каждом участке могут быть
различны, так как расходы газа на них различны. Могут разли-
чаться также и диаметры соседних участков.
Определим перепады давления на каждом участке:
на первом участке
на втором участке
__п —1 (Qt + On —<?i)2 р/2 .
Р1Х Р2х — Л2 2f?,D2 ’
на третьем участке
/ 1~2 \
( Qt Qri Е <7i j Р^з
Р2Х — Рзх =
на п-м участке
/ /1—1 \ 2
f Qt "F Qn Е <7i j P In
P(n—l)x Pa — nr-> n '
^гпип
В последнем выражении pn = рг.
Общий перепад на всей длине рассматриваемого газопровода
найдем сложением перепадов на каждом участке с учетом потерь
на местные сопротивления газопровода:
/ п—1 \ 2
‘='1 ( Qt “1“ Qn — Е <71 j Q
Р1 — Р1 = "у у1, К ~р2рр F Арм>
1 = 1
где Дрм — сумма местных сопротивлений на всем расчетном
участке.
Если транзитный расход на участке отсутствует (<2Т = 0),
а величины отборов одинаковы = q2 = = qn)> расстояния
между отборами равны между собой, газопровод на всех участках
имеет один и тот же диаметр (D { = D2 = D), то при условии
одинакового гидравлического режима на всех участках газопро-
вода
O2-mvmp7
Pi-Р^Л (Р-“ + 2*- + + • • +
лп г и
74
Гидравлический расчет газопровода низкого давления с отбо-
ром газа по пути ведется по формулам, которые учитывают не-
прерывное распределение отборов газа или распределение сосредо-
точенных отборов. Необходимо установить границу, позволяющую
выбирать определенный способ расчета. В случае произвольного
выбора формул при расчете может быть допущена числовая ошибка.
Гидравлический расчет с учетом сосредоточенных отборов яв-
ляется всегда правильным, но он оказывается более громозд-
ким по сравнению с равномерным непрерывным отбором газа.
Для обоснования выбора метода расчета (непрерывный или
сосредоточенный отбор) распределительного газопровода низкого
давления возьмем участок газопровода длиной I. На этом участке
на одинаковом расстоянии друг от друга расположены п отводов,
по которым отбирается одинаковое количество газа (qt = q2 =
= ••• = </„)•
Общее количество газа, подаваемого в начале участка, со-
ставляет (без транзитного расхода, т. е. при QT 0)
On = 4 q-> q3 H--------h qn-
Определим перепад давления на рассматриваемом участке
двумя способами: для сосредоточенного и непрерывного равно-
мерного отборов. При непрерывном отборе возьмем то же самое
количество газа Q.,. Удельный расход на единицу длины газо-
провода qa = Qti/l.
Перепад давления равен:
для сосредоточенного отбора газа
Q2~mvmpl
Pi-Р2-А " 1+т (12— + 22-4 • • • 4«2-т);-
2.П г U
для непрерывного отбора газа
A Q2n-mvmp!
Р1 Р2 3 — т урЗ-тр^+т.
Перепады давления, рассчитанные по вышеприведенным фор-
мулам, будут отличаться друг от друга на некоторую величину.
Абсолютная погрешность расчета
д AQ2~mympl r(t2-m + 22-mH---------р „2-т j
2F2~m£)l+m пз-т 3 — т
Относительная погрешность расчета перепада давления
s = Др = j____________________4--от____________.
р Pi — Р2 (3 - т) (I2-”1 + 2~-т Н-1- п2~т) '
для ламинарного режима (m = 1)
= Гн ’
75
для турбулентного режима при квадратичном законе сопротив-
ления (т = 0)
<. . 2п2 Зя +1
р ~ 1 - (« + 1) (2п + 1) — (n + 1) (2Т+Т) •
Для других режимов в формулу следует подставить соответ-
ствующие значения показателя т. Величина относительной по-
грешности может быть заранее определена, если задана точность
гидравлического расчета. Введем обозначение задаваемой отно-
сительной погрешности расчета брз и определим граничное число
отборов пг на расчетном участке соответственно для ламинарного
и турбулентного режимов в зоне квадратичного закона сопро-
тивления:
и
„___3(1 — 6р3) -|- ]/(! — 6рз) (9 — брз)
4бр3
Эти формулы дают возможность по заданной погрешности
гидравлического расчета правильно выбрать способ расчета участка
газопровода. Если действительное число отводов при соответ-
ствующем режиме оказывается большим, чем число, полученное
расчетным путем, то расчет можно вести как для равномерного
по длине отбора газа. Если же фактическое число отводов меньше
полученного по формулам, то гидравлический расчет газопровода
следует вести для сосредоточенных расходов газа.
Таким образом, выбор метода расчета определяется гранич-
ным числом отводов на расчетном участке газопровода низкого
давления.
Граничное число отводов зависит от режима течения газа и
допустимой (задается) погрешности расчета.
Если гидравлический расчет газопровода низкого давления
с сосредоточенным отбором газа ведется по формулам, учиты-
вающим непрерывное распределение отбора газа по длине, то
погрешность расчета зависит от режима течения и числа отборов
газа. Чем больше число отводов, тем меньше погрешность расчета.
Погрешность расчета для одного и того же числа отводов для
турбулентного режима при квадратичном законе сопротивления
оказывается больше, чем для ламинарного режима. Это следует
из выражения относительных погрешностей для таких режимов
течения газа.
Определение расчетных расходов для трубопроводов
с распределенным отбором
В некоторых случаях при гидравлических расчетах газопро-
водов низкого давления удобно пользоваться расчетными расхо-
дами газа.
76
Расчетным расходом газа называется такой эквивалентный рас-
ход, постоянный по всей длине газопровода, который создает
перепад давления, равный перепаду, создаваемому переменным
по длине газопровода расходом газа.
Перепад давления зависит от расчетного расхода газа
_ AQ2p-mv"‘pl
Р1 Р^ (2р2-т [yl+т
Перепад давления для непрерывного отбора газа по длине
газопровода
_ Ду'У____________(QT + Qn)3~m-QT3~m
P1 Р~ 2(3 — т) F2-mDl+ni Qn
Заменяя действительный переменный расход газа по длине
газопровода эквивалентным постоянным и приравнивая левые
и правые части, находим значение расчетного расхода:
(QT + Qn)3~w-Q3~m
Qn
1/2-m
Из этой формулы, выражающей расчетный расход газа в об-
щем виде, следует, что расчетный расход зависит от режима
течения газа в газопроводе (показатель т) и из соотношения тран-
зитного и путевого расходов газа.
Можно получить частные случаи расчетных формул для кон-
кретных режимов течения газа:
для ламинарного режима (т = 1)
Qp = Qr + 0,5Q„;
для турбулентного режима при квадратичном законе сопротив-
ления (т = 0)
QP
для турбулентного режима в случае применения закона Блазиуса
1 (QT + Qn)2,75 —Q?'75 1/1,75
2.75 ' Qn
Если газопровод имеет только путевой расход (QT = 0), то
расчетные расходы будут соответственно выражаться формулами:
для ламинарного режима
Qp = 0,5Q„;
для турбулентного режима при квадратичном законе сопротив-
ления
Qp = 0,577QtI;
77
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
Qp = 0,555<3п‘
Уравнения расчетного расхода позволяют установить, что
при различных режимах течения газа величины расчетных рас-
ходов будут существенно отличаться. Поэтому при определении
расчетных расходов следует учитывать как режим течения, так
и соотношение транзитного и путевого расходов.
Расчет распределительных газопроводов низкого давления
с сосредоточенными отборами газа
Согласно СНиП П-37—76, потери напора на трение следует
определять по формуле
Ар .= 6,451 -^р/,
где Q — расчетный расход, м3/ч; D — диаметр газопровода, см.
Коэффициент гидравлического сопротивления в зависимости
от режимов движения газа рассчитывают следующим образом:
для ламинарного режима
Re < 2000,
для критического режима
Re = 2000 - 4000,
К = 0,0025 j/Re;
для турбулентного режима
Re >4000,
Приведенные формулы используются в практике гидравличе-
ских расчетов сетей низкого давления, а также для определения
данных, по которым строят номограммы.
При расчете наружных газопроводов потери давления в мест-
ных сопротивлениях (колена, тройники, запорная арматура и
другие) допускается учитывать путем увеличения расчетной длины
газопроводов на 5—10%.
На участках небольшой протяженности со сложной конфигу-
рацией и для внутренних газопроводов расчетную длину газо-
провода следует определять по формуле
78
где /j — действительная длина газопровода; £ — сумма коэф-
фициентов местных сопротивлений участка газопровода длиной 1г;
1Э — условная эквивалентная длина прямолинейного участка
газопровода, потери давления на котором равны потерям давле-
ния в местном сопротивлении со значением коэффициента £ = 1.
Эквивалентную длину газопровода следует определять в за-
висимости от режима движения газа в газопроводе по следующим
формулам:
для ламинарного режима движения газа
= 5,5- 1О’в —;
для критического режима движения газа
для всей области турбулентного режима движения газа
Значения перепадов давления в наружных газопроводах низ-
кого давления и их распределение между уличными, дворовыми
и домовыми сетями при расчетных расходах газа задаются на
основании табл. 2.8.
Значения расчетных перепадов давления газа при проектиро-
вании газовых сетей промышленных, сельскохозяйственных и
коммунальных предприятий принимаются в зависимости от распо-
лагаемого давления в месте подключения с учетом технических
характеристик по установке газовых горелок, устройств авто-
матики безопасности и автоматики регулирования технологиче-
ского режима тепловых агрегатов.
В зависимости от принятых давлений газа перед бытовыми
газовыми приборами следует устанавливать следующие макси-
мальные давления газа в распределительных газопроводах низ-
кого давления после газораспределительных пунктов: 0,003 МПа
при номинальном давлении газа у газовых приборов 0,002 МПа
и 0,002 МПа при^номинальном давлении газа у газовых прибо-
ров 0,0013 МПа.*’
При расчетах целесообразно использовать номограммы, по-
строенные по расчетным формулам (рис. 2.14).
Порядок расчета газовой сети низкого
д а’в ления
1. Конечное давление в системе газоснабжения принимают по
техническим характеристикам газовых приборов. Задаются пере-
падом давлений в системе Др и определяют расчетные расходы
газа Qp по участкам.
2. Выбирают наиболее удаленные точки (их может быть не-
сколько) системы газоснабжения и рассчитывают 2/ для каждого
направления.
3. Поскольку набор труб для газопроводов низкого давления
ограничен, то диаметр труб по Др// и Q не выбирают, а задаются
Таблица 2.8
Перепады давления в газовых сетях
Используемый газ Суммарный перепад давления га- за от газорегуляторного пункта до наиболее удаленного прибора, Па В том числе на сеть Распределение перепада давления между дворовой и домовой сетью, Па
улич- ную дворо- вую при много- этажной за- стройке при одно- этажной за- стройке
на дворовую сеть на внутридомо- вую сеть на дворовую сеть на внутридомо- вую сеть
1800 1200 600 250 350 350 250
1. Природный чисто газовых
и нефтяных месторожде-
ний, смеси сжиженных
углеводородных газов с
воздухом и другие газы с
низшей теплотой сгорания
33 500—42 000 кДж/м3
при номинальном давле-
нии газа перед бытовыми
газовыми приборами
2000 Па
2. То же, при номинальном
давлении газа перед бы-
товыми газовыми прибо-
рами 1300 Па
3. Искусственный и смешан-
, ный с низшей теплотой
1 сгорания 14 600—
i 20 000 кДж/м3 при номи-
нальном давлении газа
перед бытовыми газовы-
ми приборами 1300 Па
1150 800 350 100
1150 800 350 100
250 200 150
250 200 150
Примечание. Расчетный перепад давления газа от ввода в здание до наибо-
лее удаленного прибора при газоснабжении углеводородными газами с низшей теплотой
сгорания 22 000 — 28 000 кДж/м1 принимается для одноэтажных зданий 200 Па, для
многоэтажных зданий 300 Па.
диаметрами участков трубопроводов на основании опыта соору-
жения и эксплуатации систем газоснабжения.
4. Учет местных сопротивлений в связи с тем, что потери на
местные сопротивления соизмеримы с гидравлическими потерями,
80
а,м3/ч
20000
цгб*3>г*^*9
351*3
325*8
1ОООО
гооо
юоо
гоо
100
20
Ю
5000
6000
3000
500
600
300
50
60
30
0,5
0,6
0,3
21,3 *2,75
0.2
0,1
6'
0,01 0,02 0,03 0.05
0,2 0,3 0.6 0,5 I 1
йр 10.Па /j
273*7
65*7
-213*6
136*6
180*6
168*6
153*6,5
152*6,5
66*6,5
60*6,5
133*6
127*1
21*6
116*6
108*6
102*3
35*6
83*3
83*3
76*3
75,5*3,75
70*3
60*3
50*3,5
57*3
60*3.5
66.5*3
62,3*3,23
38*3
33,5*3,75
26, 8 *2,75
Рис.г2.14. Номограмма для определения потерь давления в газопроводах низкого
давления
производят путем расчета потерь на каждом сопротивлении.
Вначале определяют сумму коэффициентов местных сопротив-
лений 2g, а затем находят /э для £ = 1.
5. Определяют расчетные длины участков
~Мм. с ~
где /м с — расчетная длина учета местных сопротивлений.
6. Определяют по номограммам фактические гидравлические
уклонные (Ар/1) и величины перепадов давлений для каждого
участка:
Ла' =
7. Определяют суммарные потери давления по всему направ-
лению и сравнивают их с заданными. При значительном откло-
нении от принятой величины (ошибка более 10%) изменяют
диаметры газопроводов ближе к концу основного направления.
§ 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
НАКЛОННЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Городские распределительные газопроводы не всегда являются
строго горизонтальными. Наличие разности отметок начальной и
конечной точек газопровода может оказывать заметное влияние
на величину расхода газа, особенно для газопроводов с малыми
допустимыми перепадами давления.
Плотность газа в распределительных газопроводах практиче-
ски постоянна по всей длине и не может влиять на изменение
скорости газа. Линейная скорость газа — переменная вдоль
распределительного газопровода низкого давления. Изменение
линейной скорости газа вызвано отбором газа из газопровода.
В связи с этим поток газа будет инерционным, что влияет на ве-
личину перепада давления.
В общем случае на перепад давления в’распределительном га-
зопроводе оказывают^влияние’следующие’^факторы: гидравличе-
ские потери на трение, разность отметок газопровода, силы инер-
ции потока газа и местные сопротивления в газопроводе.
Интегрируя уравнение Бернулли при р = const, найдем
перепад давления на всем участке наклонного газопровода
(рис. 2.15):
Рг I 2Г2
Pl ~ Рг = — J dp = J X pdx + pgr J d2rl +
P. 0 2rl
Рг
d(4-)«
Oi
82
После интегрирования этого уравнения и подстановки соот-*.
ветствующих пределов получим:
i
С кь2р , . . . V? — VS
Pi - р-1 = J dx (Zr2 - Zrl) “ гур 2 •
о
Окончательное выражение общего перепада давления на рас-
сматриваемом участке газопровода с учетом перепадов давления
на местных сопротивлениях будет иметь вид
При отсутствии отбора газа по длине линейные скорости в на-
чале и в конце газопровода равны между собой, т. е. = v2.
В этом случае перепад давления для наклонного газопровода
будет:
для ламинарного режима
pi - pi = —F pg (?r2 - zrl) + p ?, ;
i=l
для критического режима
о.оогбО^-’^р/ $
Pi~ Pi = 2F1I3d212 Р^ (Zr2 ~ 2rJ) Р / ।
;=1
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
0,159Ql-7Sv°-25p/ п <
Pl Pl— уг1,75д1,25 Н PS (Zr2 ' -11) Ч- Р 2 ’
для турбулентного режима при квадратическом законе сопро-
тивления
м£р1
Pi —' Pi = 2PD ~F PS(zr2 — 2ri) + P / ,
i=l
Если коэффициент гидравлического сопротивления зависит
от числа Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности
83
стенок газопровода (переходная область турбулентного режима),
то следует использовать для X обобщенную формулу
X = / (Re, k3, D).
Для тупиковых участков газопровода, в которых отсутствует
транзитный расход (QT = 0), перепад давления равен:
для ламинарного режима
16Qnvp/ . , ,
Pi - Ра = —рог- + Pg (2га - —
— ар — + р }
i=i
для критического режима
O,OOO75Qj/3v—1/:4pZ
Pi - Ра =-------^7/3-5573------F Pg 2 - 2г1) -
2 i=n 2
1=1
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
0,0577Qj,’75v°’-5p/
Pl — Pl = ------;.Г,75п1,25----Ь Pg (2г2 ~ 2г1) ~
г U
- ар -у + р 2j ц ~2~;
1=1
для турбулентного режима при квадратичном законе сопротив-
ления
Х<Э2пр/ . „I X | I V г
Pl Pi — (эръ£) “Т“ Pg (2га 2г1) ар 2 "t” Р 2 '
1=1
Когда в газопроводе нет транзитного расхода, весь газ отби-
рается по длине, и в конце газопровода расход окажется равным
нулю. Поэтому линейная скорость газа в конце газопровода при-
нята равной нулю.
Для газопроводов с транзитными и путевыми расходами рас-
четные формулы будут иметь вид:
для ламинарного режима
Pi — Рч= рп?. (Qt + 0>5Qn) + Pg (2г2 — 2п);
84
для критического режима
р.-р.= I(Q’+ Q“),0/a “ 41 +
‘=n 2
1 / \ V1 - V2 I V f -
+ pg (2r2 - zri) - ap — 2~^ + P 2j "T ’
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
0,0577v°'25pl г/~ . п 42,75 <12.751 .
Р1 ~ Р2 = 2р1.75^1.25q KQt + Qn) - От J +
«сП
I / 4 »1—I VV
+ Pg (zr2 - zri) - “P • 2 + P >, £< *2" ’
та
для турбулентного режима при квадратичном законе сопротив-
ления
Pi ~ р'- == бДр<3'п [^т + — + Р8 ^г2 - 2,1) ~
1 = /2 „
О? — t V У Vl
_ap_2__^+p2jS.
1=1
Параметры, входящие в расчетные формулы, выражены в еди-
ницах СИ,
§ 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДОМОВЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Гидравлический расчет внутренних горизонтальных газопро-
водов жилых и общественных зданий проводят по тем же форму-
лам, по которым рассчитывают распределительные газопроводы
низкого давления. Вертикальный газопровод (стояк) следует
рассматривать отдельно и перепад в нем принимать независимо
от горизонтальных газопроводов.
При эксплуатации внутридомовых распределительных газо-
проводов для нижней разводки замечалось, что на верхних эта-
жах газовые приборы работают лучше. При соответствующем
расчете и подборе размеров подводящих труб можно создать
практически одинаковые условия работы газовых приборов на
всех этажах.
Вывод расчетных формул при равномерном по длине
отборе газа
Пусть в вертикальный газопровод (рис. 2.16, а) диаметром D
и высотой Н поступает газ с объемным расходом Q (газ подается
-в вертикальный газопровод снизу).
85
Весь газ равномерно отбирается по высоте газопровода. Отбор
газа на единицу длины газопровода
Для данной расчетной схемы транзитный расход в газопро-
воде отсутствует (QT = 0).
Расход газа в любой точке газопровода
Q1 = Q-qzr-=Q-^j-zl. = Q(l
где zr — переменная координата рассматриваемой точки газо-
Рис. 2.16. Расчетная схема вертикаль-
ного газопровода:
а — с равномерным и непрерывным отбо-
ром газа; б — с сосредоточенным отбором
газа
провода.
а
И ' П
Поскольку абсолютное давление газа в вертикальном газопро-
воде изменяется незначительно (с очень малой погрешностью),
можно принять плотность газа постоянной величиной (р = const).
Линейная скорость газа по высоте газопровода вследствие его
отбора является переменной величиной.
Выразим линейную скорость газа через объемный расход:
где F — площадь поперечного сечения газопровода.
Переменная zr изменяется от 0 до Н.
Коэффициент гидравлического сопротивления выразим в об-
щем виде:
Rem
Подставив выражения линейной скорости и коэффициента
гидравлического сопротивления в уравнение Бернулли, получим
dp = ap'd +р§^г + -^г.2^д (1 --J-)2dzr = 0.
86
Число Рейнольдса выразим через объемный расход:
Re = 2£ = £.-£-( 1
V V г \ и /
Перепишем дифференциальное уравнение с учетом нового
выражения числа Рейнольдса:
dP + apt/ (4 ) + PS dzr + (1 - dzr = 0.
Проинтегрируем выражение от рг до р2 и от 0 до Н.
Линейная скорость в начальной точке равна а в конеч-
ной равна нулю:
Ра о я 0 н
+«Р )+Рг j &„+j (1 - ьу- _ о.
Pi Ui 0 0
После интегрирования и подстановки пределов получим:
^Q2-mpWvm , „ и? , л
+ №Н - “Р Т +
Формула выражает перепад давления в вертикальном газо-
проводе с равномерным отбором газа по высоте для различных
режимов течения газа:
для ламинарного режима (А =64, т = 1)
16QpHv . и v? , а
Pi - Ра = дд2 + PgH - ар + \рм;
для критического режима (А = 0,0025, т =----------
0,0015Q7'/3p/7v-V3 . „ с/? , а
Pi ~ р- -----4fi/3D2/3----Н PgH - ар + дРм!
для турбулентного режима в случае применения закона Блазиуса
(А = 0,3164, т = 0,24)
01’75oHvH,2S и2
Pi - Ра = 0,0577 (7РЛ~— + PgH - “Р + ДРм.
Г ' и '
где Арм — перепад давления от местных сопротивлений.
При малых скоростях течения газа инерционным членом
можно пренебречь. Тогда получим:
для ламинарного режима
Pi - Ра = 16дд?У- + Pg^ -I- дРм 1
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
»75по..0,25
Рг - Ра = 0,0577 ^17Pff25- + PgH Ьры.
г и ’
87
Перепад давления от местных сопротивлений определяется
по формуле
i=n 2
ApM=P^£(-^-
f=l
Для квадратичного закона сопротивления
0,11 (йэ/£))О'2'5О2рЯ . „ , А
Р1 Рг =--------6F2D--------^Ры'
Вывод расчетных формул при сосредоточенном
отборе газа
Не всегда вертикальные домовые газопроводы можно рас-
сматривать как газопроводы с непрерывным и равномерным рас-
пределением отбора газа. Для малоэтажных зданий будет допу-
щена погрешность в расчетах, и в этом случае вертикальные газо-
проводы следует рассматривать как газопроводы с сосредото-
ченным расходом газа.
Расчетная схема газопровода с сосредоточенным отбором газа
представлена на рис. 2.16, б.
Диаметр газопровода принимаем постоянным по всей высоте.
Все участки газопровода между отборами газа равны между собой
(h = Н/п, где п — число отборов, равное числу этажей). Началь-
ный участок принимаем такой же длины, как и остальные участки.
Отборы по всем этажам считаем одинаковыми. Общий расход
газа составляет:
Q = qn.
Определим перепады давлений по отдельным участкам верти-
кального газопровода:
, A (qn)2~'n vmph
Pl— Pl= 2F2-mDl+m Г P£«>
, , A (qn — q)2 т vmph . ,
Pl - 2F-2-LDl+m + Р^>
' A(qn—2q)2-mvmph ,
P2 — Pi — 2F2-mDl+,n Г
„ _n A(qn-(n-\)q\2-mvmph
+ pg/l-
Просуммируем перепады по всем участкам и получим перепад
на всем газопроводе:
Pi - р* - О2’’"1 + 22-т + 32-"‘ + • • + П2-) + pgnh.
88
Учитывая потери на местные сопротивления и проведя пре-
образования, из последнего выражения получаем:
Л - Л = <>’” + 2!-“ Н-----г
Формула получена без учета инерционности потока. Влияние
скорости можно учесть, если вычесть из правой части поправку
на скорость, которая при сосредоточенном отборе
. Q2 — q2
АРй — ®Р 2р2 *
Рассмотрим частные случаи различных режимов, для которых
расчетные формулы при сосредоточенных расходов будут иметь
вид:
для ламинарного режима
16Qvp/7
Pl Pl
+ АА
для критического режима
Л - й = (Г« + 2’« + • • + »’') + pgH + АЛ:
для турбулентного режима в случае применения закона Бла-
зиуса
O,3164Q1,75vo,25p// ... „ , п1 „ , , , , .
Р1 - А = 27-1:7551,25п2,75 • + 2 ' |!------F П ' ) + РёН + Лрм.
Перепад давления, вычисленный по формулам для сосредото-
ченного отбора, оказывается несколько больше перепада давле-
ния, вычисленного при равномерном распределении отбора.
С увеличением числа сосредоточенных отборов результаты
расчета сближаются. При неограниченном увеличении числа
отборов расчетные выражения перепадов давления совпадают.
Такие же выводы можно сделать, если проанализировать расчет
вертикальных газопроводов для других режимов течения газа.
Расчетные формулы для ламинарного режима при непрерыв-
ном и сосредоточенном отборах газа отличаются множителем,
величина которого зависит только от числа отборов.
Из сравнения расчетных формул для непрерывного и сосредо-
точенного отборов газа следует, что при расчете по формуле
для непрерывного отбора газа получается несколько занижен-
ный перепад давления.
Установим область применения расчетных формул. Ясно, что
формулы для сосредоточенного отбора газа применимы в любом
случае. Для этого надо суммировать числовой ряд с элементами
в дробной степени.
89
При расчете перепада давления в газопроводе по формулам
для непрерывного отбора газа по высоте вертикального газопро-
вода будет получаться некоторая погрешность.
Относительную погрешность определим как разность пере-
падов от преодоления гидравлического сопротивления, вычис-
ленных по формулам для сосредоточенного равномерного распре-
деленного отбора газа, отнесенную к величине перепада давления
только от трения, определенного по формуле для сосредоточенных
отборов газа.
Рис. 2.17. График погрешности при
расчете перепада давления на трение
в вертикальном распределительном га-
зопроводе для непрерывного отбора
газа:
1 — для турбулентного режима при ква-
дратичном законе трения; 2 — для лами-
нарного режима
^Расчетные формулы аналогичны полученным ранее для газо-
проводов низкого давления.
Данные расчета использованы для построения графиков на
рис. 2.17. Кривые построены для двух крайних случаев: лами-
нарного и турбулентного режимов.
Следует заметить, что если построить кривые для других
режимов, то они пройдут между линиями 1 и 2.
По числу этажей можно определить погрешность расчета по-
тери давления]на трение, а по заданной величине относительной
погрешности установить число этажей, при котором допускается
проводить расчет по формулам для непрерывного отбора газа.
Аналитическое выражение относительной погрешности пока-
зывает, что с увеличением числа этажей погрешность убывает.
Это следует также из приведенных графиков. Особенно велика
погрешность при малом числе этажей.
Погрешность расчета в данном случае относилась к перепаду
давления от гидравлического сопротивления (трения). Если от-
нести погрешность к общему перепаду давлений с учетом раз-
ности отметок и местных сопротивлений, то относительная по-
грешность будет меньше.
Истечение в газовых приборах будет зависеть от разности
давлений газа в газопроводе и воздуха вне газопровода. Давле-
ние газа так же, как и давление воздуха, зависит от изменения
высоты. Поэтому перепад давления должен зависеть от коорди-
наты рассматриваемой точки по высоте газопровода, т. е. от
этажа дома.
90
Плотность воздуха значительно больше плотности природного
газа. По высоте газопровода статическое давление воздуха умень-
шается быстрее, чем статическое давление газа. В связи с этим
возможны случаи, когда избыточное давление газа на верхних
этажах может оказаться больше, чем на нижних этажах. Такое
явление часто наблюдается при эксплуатации домовых газо-
проводов.
Расчетный перепад давления в вертикальном домовом газо-
проводе можно обосновать из физических соображений. Давление
Рис. 2.18. График изменения давления газа
атмосферного (7), избыточного (3) и в верти-
кальном газопроводе (2)
воздуха так же, как и давление газа, изменяется по высоте газо-
провода. Наилучшим условием для работы газовых приборов
на всех этажах будет такое, при котором избыточные давления
газа будут одинаковыми.
Избыточное давление на всех этажах можно обеспечить одина-
ковым, если величина изменения давления газа в газопроводе
будет равна величине изменения давления воздуха. Это эквива-
лентно условию, при котором перепад давления газа в газопроводе
равен изменению статического давления воздуха по высоте газо-
провода.
На рис. 2.18 представлен график изменения давления газа и
воздуха по высоте газопровода. Сплошными линиями показано
изменение давлений, когда избыточное давление газа увеличи-
вается по высоте. Если давление газа будет изменяться по высоте
газопровода так, как это указано пунктирной линией, то избы-
точное давление будет оставаться постоянным.
Исходя из этого, расчетный перепад давления в вертикаль-
ном газопроводе следует принимать
Pi ~ Pi = -
где pY и р2 — абсолютные давления газа в нижней и в верхней
точках газопровода; рв — плотность воздуха; g — ускорение
силы тяжести; Н — высота газопровода.
Если на всех этажах установлено одинаковое число газовых
приборов с одной и той же нагрузкой, то расчетный перепад
давления для этажей Ар3 будет одинаковым.
91
Давление газа в любой точке вертикального газопровода
Лг = Pi - pBgzr)
где Pi—давление газа в начале вертикального газопровода.
Учитывая перепад давления на трубопроводной разводке
газа, найдем давление в конце газопровода на каждом этаже:
Рэ = Р,г ~ &рэ = Pi - pBgzr - \рэ.
Избыточное давление в конце горизонтальной разводки на
каждом г-м этаже:
Рз, = Рз -РА = Р1 - PBgZr - Ьрз - (p1G - pBgZr) = Pl - P1B - Дрэ,
где индекс «в» обозначает воздух.
Из последнего выражения следует, что избыточное давление
газа на каждом этаже определяется только постоянными вели-
чинами: давлением газа и воздуха в начале газопровода и допу-
стимым перепадом давления на каждом этаже.
Таким образом, если принимать перепад давления в вертикаль-
ном газопроводе равным изменению давления воздуха по высоте
газопровода, то этим будет обеспечено одинаковое избыточное
давление в газопроводах на всех этажах, что в свою очередь обес-
печит равномерную работу всех газовых приборов.
Перепад давления, равный изменению давления воздуха по
высоте газопровода, можно принимать при использовании при-
родного газа, плотность которого значительно меньше плотности
воздуха. При одинаковой плотности газа и воздуха допустимый
перепад давления в вертикальном газопроводе следует прини-
мать большим по сравнению с изменением давления воздуха на
той же высоте газопровода.
Разность между перепадом давления газа в вертикальном газо-
проводе и изменением давления воздуха следует включать в об-
щую норму перепада давления на домовую разводку. Такой слу-
чай возможен при снабжении потребителей сжиженным газом.
В принципе гидравлический расчет газопроводов одинаков
для газов любой плотности. Все расчеты ведут по одним и тем же
формулам. Однако при различных соотношениях плотностей газа
и воздуха гидравлический расчет вертикальных домовых газо-
проводов проводят по различным допустимым перепадам давления.
Использование сжиженных газов или смеси паров сжиженных
газов с воздухом влияет на выбор допустимого перепада давле-
ния. В этом случае плотность газа больше плотности воздуха.
В связи с этим перепад давления в вертикальном газопроводе
всегда оказывается больше изменения давления газа. С этим фак-
тором связаны два обстоятельства. Во-первых, при плотности
газа, большей плотности воздуха, и направлении движения газа
снизу невозможно добиться одинакового избыточного давления
газа на всех этажах. Во-вторых, величину допустимого перепада
92
давления следует включать в общую норму перепада давления на
домовую разводку.
Практически одинаковое давление на всех этажах при плот-
ности газа, большей плотности воздуха, можно обеспечить путем
направления газа в вертикальном газопроводе сверху вниз.
Статическое давление газа от верхней точки газопровода будет
нарастать быстрее, чем статическое давление воздуха.
Давление газа в нижней точке газопровода
Р2 = Pi + QgH;
соответственно давление воздуха
Р2в=Р1в+Рв£#.
где Pj и р2 — давление газа в верхней и нижней точках газопро-
вода; р1а и р2а — давление воздуха на уровне верхней и нижней
точек газопровода.
Отсюда следует, что давление газа по сравнению с давлением
воздуха больше на величину
Ар = gH (р — рн).
Это дополнительное приращение давления газа можно компен-
сировать потерями на трение и соответствующим выбором диа-
метра вертикального газопровода. При этом условии будет обес-
печено одинаковое избыточное давление газа на всех этажах.
При расчете газопроводов низкого давления для жилых домов
допускается определять потери давления газа на местные сопро-
тивления в размере:
25% линейных потерь на газопроводах от вводов в здание до
стояка;
20% линейных потерь на стояках;
450, 200, 120 и 50% линейных потерь при длине разводки соот-
ветственно 1—2 м, 3—4 м, 5—7 м и 3—12 м на внутриквартир-
ной разводке.
Методика расчета домовых газопроводов не отличается от
методики расчета наружной сети газопроводов, при этом необ-
ходимо лишь усилить дополнительное избыточное гидростати-
ческое давление Ар.
Пример 2.12. Обосновать выбор расчетной формулы для гидравличе-
ского расчета вертикального газопровода для девятиэтажного дома. При движе-
нии газа наблюдается ламинарный режим течения.
Допустимая погрешность расчета перепада давления от трения не должна
превышать 10%.
Решение
По формуле
определяем число этажей, при котором можно проводить расчет по формулам
непрерывного отбора с погрешностью определения потерь на трение до 10%:
а = --------------------------1 =J-r— 1 = 10 — 1 =9.
ор 0,1
93
Таким образом, по формулам для непрерывного отбора газа, по которым
рассчитывают вертикальный газопровод для девятиэтажного дома, допускается
применять формулу для сосредоточенного отбора газа.
Пример 2.13. Определить расчетный перепад давления в вертикальном
газопроводе девятиэтажного дома (Н = 27 м). По газопроводу подается природ-
ный газ плотностью 0,7 кг/ма.
Решение
Поскольку плотность воздуха больше плотности газа, то перепад давления
следует принять равным изменению давления воздуха, т. е.
Др =pBgtf = 1,29-3,81-27 =342 Па.
Пример 2.14. Определить перепад давления в вертикальном газопроводе
(без учета потерь на местные сопротивления) пятиэтажного дома. Высота этажа
h = 3 м. Плотность газа р = 0,7 кг/м3.
Решение
Общая высота газопровода
Я=/и = 3-5 = 15 м.
Поскольку плотность газа меньше плотности воздуха, расчетный перепад
давления в вертикальном газопроводе можно принять равным изменению давле-
ния воздуха:
Р1—р2 =pgH = 1,29-3,81 • 15 = 194 Па.
Таким образом, перепад давления только в вертикальном газопроводе можно
принять равным 190 Па.
§ 7. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
КОЛЬЦЕВЫХ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
В кольцевых сетях участки могут иметь двух- и многосторон-
нее питание. В связи с этим у кольцевых газовых сетей расход
газа может быть множество вариантов распределения расходов,
в то время как для разветвленных сетей типа «дерева» они опре-
деляются однозначно.
Кольцевые сети являются более надежными, но менее эконо-
мичными. В случае кольцевания одним из основных принципов
будет взаимозаменяемость отдельных участков, позволяющая
передать на соседние участки нагрузку участка, вышедшего из
строя с наименьшими нарушениями режима работы сети.
При выборе диаметра газопровода изменяются перепады дав-
ления в участках газопровода, а также перераспределяются рас-
ходы газа по участкам. У разветвленных сетей при выборе диа-
метра изменяются только перепады давлений. Таким образом,
для кольцевых сетей необходимо определить неизвестные диаме-
тры, перепады давления и расходы газа по участкам, т. е. для п
участков сети имеем Зп неизвестных.
Структурно кольцевая газовая сеть состоит из трех основных
типов элементов — участков, узлов и контуров. Для участка
газопровода уравнение связи имеет вид:
94
где й[ — коэффициент пропорциональности. Для газопроводов
низкого давления принимают т = 0,25.
Для каждого узла имеем следующее уравнение, вытекающее
из I закона Кирхгофа:
£ <2, = о,
i=i
где t=l,2,..., s — индексы участков, сходящихся в данном
узле.
Для каждого контура сети выполняются уравнения II закона
Кирхгофа:
АР/ = 0,
где j = 1, 2, ..., R — индексы участков газопровода, относя-
щихся к данному контуру.
Один узел сети является базисным, чаще всего это узел под-
ключения кольцевой сети к газорегуляторному пункту. Если
в сети п участков, т узлов и k контуров, то число независимых
узлов будет т — 1, число независимых контуров k = п — т + 1.
Число уравнений участков равно п, число уравнений по I закону
Кирхгофа т—1, по II закону Кирхгофа — п — т + 1.
Таким образом, Зп неизвестных параметров сети связаны
п + т — 1 + п — m+l=2n уравнениями, т. е. система яв-
ляется неопределенной. Обычно газовые сети рассчитывают на
заданный перепад давлений. Это условие дает еще г уравнений
для узлов с заданными давлениями, т. е. концевых точек газо-
проводов.
Недостающие п — г уравнений выбирают из условий надеж-
ности и экономичности. Если не учитывать требования надеж-
ности, то при использовании только экономического критерия
выбора решения приходят к разветвленной газовой сети типа
«дерева».
В общем случае полученную систему уравнений можно решить
известными способами решения системы нелинейных уравнений.
В практике проектирования системы газоснабжения широко
применяют приближенные методы, использующие для поиска
решения итерации по расходам и контурам. Рассмотрим один
из наиболее распространенных методов, заключающийся в том,
что предварительно задаются как расчетной схемой газовой сети,
направлением движения потока газа, так и распределением по-
токов в взаимоувязанных участках газопроводов. Диаметры газо-
проводов подбирают по расчетным расходам газа и среднему
гидравлическому уклону по основному направлению для самых
отдаленных точек подачи газа. Средний гидравлический уклон
оценивается как
АР _ РГРП ~ Рг. п
I ~ I ’
95
где рГРп — Давление источника газоснабжения (на выходе ГРП);
рта— давление перед газовыми приборами, которое выбирают
по табл. 2.11; I—длина основного направления газораспреде-
лительной сети.
Основных направлений может быть несколько. Так как первое
полученное решение является сугубо приближенным, поэтому
устраняют неувязку решения (ошибку расчетов) путем введения
поправок в расчетные расходы газа по контурам. Порядок про-
ведения расчетов кольцевой газовой сети по данной методике
следующий.
1. Составляют расчетную схему газоснабжения. Если участки
газопровода между узлами имеют большую длину по сравнению
с остальными участками, то газопровод разбивают на несколько
участков, что позволит наиболее полно использовать расчетный
перепад давления и уменьшить металловложения в сеть. Опре-
деляют наиболее удаленные концевые точки и выбирают основные
направления потоков газа. Назначают направления движения
потоков по участкам газопроводов так, чтобы газ подавался по-
требителям кратчайшим путем и всегда двигался от точки питания.
2. На основании расчетной схемы и характеристики газоснаб-
жающих зон рассчитывают сосредоточенные и удельные путевые
расходы газа для всех контуров газовой сети. Участки газопро-
вода, принадлежащие двум контурам, имеют двустороннюю
подачу газа. Удельные путевые расходы обычно вычисляют по
формуле
FNQ
где F — площадь застройки; JV — плотность населения на еди-
ницу площади застройки; Q — расход газа; — длина питаю-
щего контура, равная его периметру.
3. Определяют расчетные расходы газа по участкам.
Для каждого участка может быть как транзитный <2Т, так и
путевой отбор газа Qn == ql, где q = qA + qB, если участок
принадлежит двум контурам А и В и q = qA, если участок при-
надлежит одному контуру А, I—длина участка.
Тогда
Qp = QT k 0,55Qn.
Определение расчетных расходов газа ведут от наиболее уда-
ленных концевых точек к базисному узлу газовой сети. Если
газ отбирается из узла по нескольким участкам, то расходы дан-
ных участков суммируют. Если газ подается в узел несколь-
кими участками, то транзитный расход, подаваемый в узел, рас-
пределяется между участками (обычно поровну).
4. Задаются перепадом давления от базисного узла до уда-
ленных концевых точек Др3. Потери на местных сопротивлениях
96
оцениваются примерно в 10% гидравлических потерь на трассе.
Тогда
5. Для основных направлений оценивают величину гидравли-
ческого уклона Др/I и по Qp и Др// намечают, используя номо-
граммы, диаметры участков газопроводов.
6. Определяют перепады давления по участкам газопроводов.
7. Проверяют правильность условия £Др; = 0. Если имею-
щаяся ошибка Д хотя бы в одном контуре больше 10%, то необ-
ходимо производить перераспределение расходов по этим кон-
турам путем введения поправок. Ошибку Д вычисляют по фор-
муле
S APi
0,5 | Др |
где 2]Др/ — алгебраическая сумма перепадов давлений на дан-
ном контуре; SI Ар I — абсолютная сумма перепадов давления
по контуру.
8. Проводят гидравлическую увязку решений с целью выпол-
нения II закона Кирхгофа для контуров.
9. После расчета кольцевых газопроводов проводят гидравли-
ческий расчет тупиковых газопроводов по методике, рассмотрен-
ной выше. Остановимся на одной методике получения поправок
при гидравлической увязке расчетов. Вначале записывают пере-
пады давления по соседним контурам А и В, используя для каж-
дого участка исходную формулу вида
Ар,- = Ad}-75.
Затем вводят поправочные расходы в контур A (AQ^) и в кон-
тур В (AQB) с учетом направлений потоков газа по участкам
так, чтобы EApj по контурам равнялось нулю. Тогда из системы
двух уравнений для обоих контуров можно найти необходимые
поправочные расходы AQX и AQB.
Поскольку уравнения трансцендентны, то для решения ис-
пользуют приближенный метод решения путем разложения выра-
жений типа (Qj + AQ;) в ряд Маклорена, откуда и находят ве-
личины поправок AQX и AQB. Поправочные расходы определяют
по формулам:
АР/
АРав
AQ„ =
я }
4 С. А. Бобровский
97
AQB
V. An, ^PAB
где 2JA/?.- и — неувязка перепадов давления по конту-
а в
рам А и В;
- сумма абсолютных вели-
А₽/
Q/
. ,, &Рав
каждого участка контуров Лио; -----------для участка,
QAB
чин
принадлежащего как контуру А, так и контуру В. Данные урав-
нения можно решить методом последовательных приближений.
В качестве первого приближения обычно принимают
Для гидравлической увязки используют поправку в виде
AQ AQ' + AQ",
где AQ' учитывает невязку в своем кольце; AQ" учитывает не-
вязку в соседних кольцах:
AQ” =
где индекс «с.к» относится к соседним кольцам, по количеству
которых ведется суммирование, а индекс «у.с.к» относится к участ-
кам, имеющих соседние кольца.
При использовании поправок необходимо учитывать, что
Знак выражения £Ар определяется направлением потоков
газа, знак AQ' обратен знаку Ар. Если после введения поправок
ошибка в каком-либо кольце будет более 10%, то проводят вто-
рую увязку и т. д. до тех пор, пока ошибка не будет превышать 10 %
в любом кольце.
Для решения задач перспективного планирования режимов
систем газоснабжения, оперативного управления, решения воп-
росов перераспределения потоков в аварийных ситуациях с целью
уменьшения возможного ущерба при известных параметрах
участков газовой сети (диаметрах, гидравлических сопротивле-
ниях и др.) необходимо иметь достаточно точные результаты по
потокораспределению и давлениям в узловых точках. Данная
задача сводится к отысканию п расходов Q, в участках газовой
98
сети. Для нахождения расходов Qt могут быть использованы
(т — 1) уравнений для каждого' из узлов и k уравнений для каж-
дого из контуров сети. Всего необходимо иметь (т — 1) + k --= п
уравнений для нахождения п неизвестных расходов. Уравнения
для контуров нелинейны и для s-ro контура имеют вид:
/ ft \ / ft Л2-"1 \
v л/);| v-/км.
\ /=1 /з \/=1 1 /s
В общем виде решаемая система п нелинейных уравнений
может быть представлена в следующей форме:
Zi(Qi, Q;, Q3, • <?.,) С);
/2(Q1, Q2, Q:1- • QJ К
Qi, Q3. • ••, Q,,b И).
Здесь каждое уравнение соответствует одному из контуров
сети. В него входят расходы Q, только тех участков, которые
принадлежат данному контуру s. Остальные расходы, принадле-
жащие другим контурам, а s-м уравнении приравниваются нулю.
Данная система k уравнений решается совместно с (т — 1) урав-
нений баланса для узлов. Для решения системы нелинейных
уравнений разработан ряд численных методов. Некоторые из
получивших широкое распространение в практике расчетов сетей
рассмотрим подробнее. При использовании метода Ньютона
предварительно принимаются некоторые значения величин Q,
(начальное приближение), обычно в качестве начального приб-
лижения принимаются те расходы, которые были назначены при
проектировании сети. Эти предварительные значения расходов
принимаются с соблюдением баланса расходов в узлах. Поскольку
при начальном приближении имеется неравенство
\р О,
где F (Qj) — матрица исходных уравнений; Q, — вектор началь-
ных приближений; Др — вектор невязок потерь давления по
независимым контурам или Др -- {Др;, Др, ..., Др/е|, то к пред-
варительно намеченным значениям расходов участков Q, добав-
ляют неизвестные поправки AQj и ищут решение системы в виде:
<2п = Qi F AQi•
В этом случае неизвестными являются не величины расходов,
а поправки к расходам AQ(. В матричной форме система запи-
шется в виде:
^(Qj + AQ^O.
4*
99
Разложив левую часть этого выражения в ряд Тейлора в ок-
рестности точки Qi и ограничиваясь лишь линейными членами
разложения, получим
F (Qi + AQ,) = F (QJ + AQ-/' (Q,).
В развернутом виде это уравнение имеет вид:
Л(<2ю Q2I. •••> Q„i) + [^LAQ11+^gA-AQ2l +
+ ... +^W0_AQnI]==0;
h (Qu, Qu...QJ + AQn + d-b^L aq2I +
+ •" =0;
h (Qu, Q2......QnI) + [+
+ ••• + ^W±AQflIl=0.
°4n J
Производная F' (Q,) представляет собой матрицу Якоби:
tt7 = F(Q,) =
#1 (Qi) df1 (Q,) a/t (Qi)
dQi 3Q2 ‘ ‘ dQn
dfi(Qr) d/2(Qi) #2(Qi)
dQi dQ2 ’ dQn
dfk (Qt) tfk (Qt) dfn(Qt)
dQi dQ2 dQn
Полученная система уравнений является системой линейных
уравнений относительно поправки AQr к предварительно принятым
расходам Q,. Предполагая, что матрица Якоби неособенная,
находим вектор-поправку:
AQ,
Находим в качестве следующего приближения Qu = Qi +
+ AQj, и вновь повторяем процесс до получения значения Q
с заданной точностью.
Таким образом, для получения значений Q с заданной точностью
необходимо процесс уточнения искомого вектора Q повторить
несколько раз, при этом использовать для каждого следующего
расчета значения, полученные из предыдущего расчета. В общем
виде величина искомого вектора для /i-го шага запишется
в виде
AQh^AQh.i-^^QU^QU.
100
Основным преимуществом метода Ньютона является его быст-
рая сходимость, однако для проведения расчетов требуется боль-
шой объем вычислительной работы, связанный с формированием
и обращением матриц Якоби. Для относительно простых сетей
целесообразно использовать модифицированный метод Ньютона.
Предполагая, что матрица W 1 (QJ непрерывна в окрестности
искомого решения Q, а начальное приближение вектора Q, близко
к Q, принимают
а величину поправки находят по формуле
i\Qh = ДЗЛ. , (QDHQh-i)-
Объем вычислений значительно сокращается, так как нет
необходимости каждый раз вычислять матрицу W-1.
Широко распространенный метод Лобачева—Кросса может
быть получен из метода Ньютона в результате некорректных
математических допущений, состоящих в том, что в матрице
Якоби все недиагональные элементы приравниваются нулю.
Результаты расчетов сложных трубопроводных систем показали,
что метод Лобачева—Кросса часто расходится даже при выпол-
нении правил, улучшающих сходимость метода. Он может быть
использован лишь для оценочных расчетов.
Математическую модель задачи расчета режимов газовой
сети можно также сформулировать как задачу минимизации неко-
торой выпуклой функции многих переменных.
Для исходной нелинейной системы уравнений за минимизи-
рованную функцию можно взять
U(Q) = Е
s=I
т. е. принять, что сумма невязок по всем k контурам была мини-
мальна. В этом случае построенная модель представляет собой
частный случай задачи нелинейного программирования, когда
ищется минимум выпуклой нелинейной функции многих пере-
менных, называемых целевой функцией, без ограничений на пере-
менные. Наиболее часто используемыми алгоритмами миними-
зации функций многих переменных являются метод покоорди-
натного спуска, или метод релаксации, и метод градиентного
спуска. Идея метода покоординатного спуска заложена в самом
названии метода — спуск к точке минимума функции произво-
дится поочередно по каждой координате, т. е. как бы по «сту-
пенькам», от минимума по одной координате до максимума функ-
ции по другой координате. В случае градиентного метода движения
происходит в направлении наискорейшего убывания функции.
При расчетах весьма сложных газовых сетей используются топо-
логические методы составления математической модели задачи
и далее применяются численные методы нахождения решения.
101
§ 8. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ
ГОРОДСКИХ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Для решения задач оперативного управления системами рас-
пределения газа необходимо учитывать неустановившиеся режимы
газопровода в газораспределительных сетях и в первую очередь
в газопроводах среднего давления. Газовые сети с газорегулятор-
ными пунктами представляют собой единые взаимосвязанные
объекты. Изменение режимов работы потребителей газа вызывает
изменение работы системы снабжения газом в целом. Эффектив-
ное решение задачи регулирования давления в сложных сетях
снабжения газом может быть достигнуто при умении анализи-
ровать неустановившиеся процессы в разделительных газопро-
водах высокого, среднего и низкого давления. Неустановившиеся
процессы в участках газопроводов описываются системой диф-
ференциальных уравнений в частных производных, вывод кото-
рых дается в курсе «Газовая динамика». Для дозвуковых скоро-
стей, когда можно пренебречь изменением скоростных состав-
ляющих, для анализа неустановившихся процессов в участках
газопроводов используют следующую систему уравнений:
др____д_ . }.ру2 . _др_ _ 2 д(ри)
дх ~ dt и v’ ~г' 2D ’ dt ~с дх ‘
Для упрощения решения различных краевых задач технологи-
ческих процессов распределения газа в системах газоснабжения
исходную нелинейную систему уравнений стремятся свести к экви-
валентной по тем или иным показателям линеаризованной системы
уравнений.
Для решения эксплуатационных задач с малыми перепадами
давления - на единицу длины газопровода для упрощения целе-
сообразно использовать линеаризованную систему вида относи-
тельно массового расхода М. = pvF\
_ .|Д ' (+ 2аМ); -
дх F \ dt 1 / dt F дх
Здесь Ча — коэффициент линеаризации.
Широкое распространение получил способ линеаризации квад-
ратичного числа, предложенный И. А. Чарным. Геометрический
смысл линеаризации по И. А. Чарному заключается в замене
дуги параболы Хп2/2£) в интервале изменения функции”ymln <
< v < итах отрезком прямой 2av. При этом”принимается ра-
венство площадей, ограниченных осью абсцисс и отрезком кри-
вой с одной стороны и осью абсцисс и прямой с другой стороны:
vnmx ‘шах
j 7?*“ f [-2b +2»(«-
umln “mln
dv-
102
Тогда
п Чпах + ^max^miu ' ^^min_ X , . ~ .
Za = ^D “= 3D ™х ' ^пЧпЬ
В городских газовых сетях расход газа часто меняется от
нуля до некоторой максимальной величины, при этом диапазон
изменения скорости газа в трубопроводе составит от v = 0 до у11|ах.
Следует заметить, что в некоторых случаях наблюдается также
изменение направления потоков газа. Поэтому для расчетов не-
установившихся процессов в газовых сетях целесообразно исполь-
зовать коэффициент линеаризации в виде 2а = Ащ1Пах/3£>. Иногда
для оценки 2а используют среднюю величину диапазона изме-
нения скоростей, т. е. 2а ~ A,omax/4D.
Сравнение решений линейных и нелинейных уравнений для
эксплуатационных режимов дает погрешность не более 5—6%.
Для анализа аварийных ситуаций на газопроводе необходимо
использовать нелинейные уравнения. В этом случае можно ис-
пользовать линеаризованные уравнения для отдельных малых
участков газопровода, где погрешность их использования доста-
точно мала. Это эквивалентно замене дуги параболы ломаной
линией.
Оба уравнения сводятся к одному уравнению путем дифферен-
цирования первого по х, а второго по t. Тогда получим урав-
нения вида:
д2р _ 1 cfip . 2« др
дх2 ~~ ~с2 dt2' ' ~с'г ’ ~дГ '
Для длинных трубопроводов и плавных движений газа исполь-
зуют параболическое уравнение
д2р _ 2д др
дх2 с2 dt
Для описания колебательных процессов в обвязке ГРС необхо-
димо использовать гиперболическое уравнение
д2р 1 д2р
дх2 с2 ' dt2
Для задач диспетчерских служб газопроводов целесообразно
использовать графические зависимости в том или ином виде или
упрощенную формулу для оценки происхождения неустановив-
шихся режимов. И. А. Чарный на основании решения исходных
уравнений дал оценку времени достижения величины давления до
заданной части б нового установившегося режима в виде:
. О / 2/ \2| 8
t = 2а { — 1п —ту,—.
\ лс / л- (1 — 6)
Во многих конкретных задачах целесообразно применять упро-
щенные формулы. Их получают, используя различные вариацион-
ные методы.
103
В ряде практически важных случаев расчетные формулы для
переходных процессов в газопроводах имеют вид:
р (х, t) = (А -ф- Вх 4- Ех2) ехр (-,
где величины А, В, Е, а и |3 получают, используя, например, ме-
тод Галеркина. Исходя из того, что во многих случаях переход-
ных процессов можно ограничиться простейшими зависимостями
А, В, Е, а и р можно оценить, исходя из опыта эксплуатации газо-
провода на подобных режимах.
Наиболее просто использовать графические методы анализа
переходных процессов в газовых сетях с применением заранее
рассчитанных графиков. При этом графики каждой конкретной
задачи можно применять для решения ряда аналогичных задач,
используя метод суперпозиции. Пример использования данного
подхода рассмотрим для задачи включения участка газопровода
после проведения ремонтных работ, т. е. приняв, что при t с
С 0 р (х, 0) = 0. В момент t = 0 на обоих концах трубопровода
открываются краны и давление повышается до рг при х = 0 и
до р2 ПРИ х = I. Таким образом, на каждой границе действуют по-
стоянные, но различные по величине давления. При малом вре-
мени, меньшем Ис, что обычно составляет десяток секунд, в трубо-
проводе будут только падающие волны. При времени t > //с,
что представляет основной интерес для практических задач,
применяют следующую методику расчета переходного процесса.
Определяют изменение давления р (t, х) во времени и по длине.
Расчетный график для данной задачи представлен на рис. 2.19.
Он построен на основании точного решения конкретной краевой
X сЧ
задачи в координатах 0 — для различных т = •
Здесь 0 — относительное изменение давления:
ОО — р(°> *) •
р (х, со) — р (0, х) ’
р (х, t) — изменение давления во времени в точке х; р (0, х) —
начальная величина давления в точке х; р (х, оо) — величина дав-
ления, установившегося после переходного процесса на участке
газопровода; х/1 — относительная длина газопровода; т — без-
размерное время,
с'Ч
В этом случае решение задачи сводится к следующему. Вначале
по известным параметрам газопровода находят величину т или
обобщенное время. Делят задачу на две части:
определяют р (х, i) при т с 0,05 (в этом случае действие крае-
вых условий и р2 не достигают противоположной границы и
действуют независимо);
определяют р (х, t) при т >0,05.
104
В этом случае действие давления одной границы доходит до
противоположной границы, и здесь изменяют давление на вели-
чину
Api = Pj (1 — О), Лр2 = р2 (1 ' ©),
где 0 определено для t и xll = 1.
Тогда для т с 0,05 для каждого момента по графику находят:
величину 0г для т и xll и величину 02 для т и (I — х)/1. Для дан«
ного х/1 и t получают изменение давления
Др (0j) + Др (02)
или
р (х, Z) = Pl (1 - 01) Н р.2 (1 - 02).
Здесь Др (0Х) и Др (02)—изменения давлений в расчетном сечении
от воздействия давлений рг и ра.
Для т > 0,05 действие граничного условия, находящегося на
одной границе (например рх), доходит при этом до противопо-
ложной границы и изменяет здесь давление на Др2 = рх (1 — 0).
С другой стороны, изменение давления р2 достигает х = 0 и стре-
мится повысить давление до Дрг = р2 (1 — 0). Но давление на
105
каждой границе задано и меняться не может. Поэтому согласно
теории отражения волн на противоположных концах трубопро-
вода индуцируются новые источники давления, равные по ве-
личине Др2 и Др1; но обратные по знаку. Поэтому решение основ-
ной задачи рассматривают как сумму не двух, а четырех источни-
ков давления, расположенных попарно на расстоянии I друг от
друга.
Общее решение находят путем суммирования всех воздействий,
т. е., использовав принцип суперпозиции, получают:
р (х, /) = Р1 (1 - 8Х) - \Pl (1 - +
+ р2(1 -02)-Лр2(1 -02)-
Для большей точности можно учесть третью и четвертую отра-
женные волны и далее аналогичным образом применить принцип
суперпозиции решения.
Подобную методику использования метода суперпозиции можно
распространять на трубопроводы с разными диаметрами участков
и сложными краевыми условиями.
Пример 2.15. Рассчитать переходной процесс в газопроводе диаметром
530 мм, толщиной стенки 10 мм и длиной 17 км. Начальное давление в газопро-
воде равняется нулю, т. е. рассматриваются неустановившиеся отклонения от
первоначального^стационарного'режима. В момент^времени t= 0 при х = I
давление становится равным 'р, = 6,0-105 Па, при х=0 давление р2 =
= 2,5-106 Па. Предварительно рассчитаны: аср = 5 м/с; X = 0,021, с = 300 м/с.
Найти давление в газопроводе на расстоянии 6,4 км при моментах времени 10 с
и 1,1 мин (66 с).
Решение
1. Найдем р (17, 10) при t = 10 с и х = 17 км. Определим безразмерные
величины:
х 6,4 , 1—х 17—6,4
т = -гг°’375; —г~ = —Г7“ = °’625'
Вычисляем
__ c22Dt 350-300-2-0,51• 10 n nq
"" 0,021-5 172-10« — U’UJ-
Определим, достигло ли влияние одного из краевых условий противополож-
ного конца трубопровода. По графику на рис. 2.19 находим, что при т <0,05
и х/1 = 1 величина 0= 1, т. е. взаимовлияния между концами трубопровода
нет. Тогда по графику для данных т, х/1 и (1/х) / найдем 0| =0,85 и 02 = 0,97.
Вычисляем искомое давление:
р (6,4; 10) = Pi (0 + р2 (/) = Р1 (1 - ©J + р2 (1 - 02) =
= 10в-6,0 (1 —0,85) + 10г-.2,5 (1 —0,97) =(0,90 + 0,075) 106 =0,975-Ю6 Па.
2. Для t = 66 с вычислим:
c"2Dl 300-350-2-0,51-66 „
Т ?щСр/2 0,021 -5-102-10“ °’ '
Тогда при t =-- бб с и х/1 = 1 имеем 0 = 0,77. Это означает, что наблюдается
взаимовлияние давлений на концах газопровода, т. е. давление р2 стремится по-
высить давление на противоположной границе на Ар2 = 106-2,5Д1 —0,77) =
= 0,575-105 Па, а давление Pl стремится повысить давление на другом конце
на Др2 = 105 -6 (1 — 0,77) = 1,38-10s Па, но давления Р1 и р2 заданы и меняться
106
не могут. Поэтому, используя принцип суперпозиции, принимаем, что р, и р2
не только не изменяют давления на противоположных границах на величину Др,
а вызывают там новое изменение давления, равное по величине Др, но противо-
положное по знаку (—Др1= —1,38- 10s Па; и —Др2= - 0,575-Ю3 Па). Это можно
интерпретировать как «отражение волны давления». В этом случае давление в га-
зопроводе определяется уже как сумма действия четырех воздействий, располо-
женных попарно на расстоянии I друг от друга. Таким образом,
р(х, /) ==Р1(/) + р2(0+Рз(0+Р4(0 =
-Pi(l-0i)+p2(l -O.J-AptO -0,)-Др2(1 -02).
Вычислим:
6Х при j- = 0,375, <+ = 0,43;
е2 при -*-=0,625, в2=0,65.
Тогда
р (6,4; 66) =2,5-Ю3(1 — 0,43) + 6-10s (1 —0,65) — 1,38(1 - 0,43) 10s —
— 0,575-Ю3 (1 —0,65) =(1,424 +2,1 —0,787 —0,201) 10s Па =2,536-Ю3 Па.
Большое число расчетных графиков, построенных для различ-
ных практически важных краевых задач, и методика их исполь-
зования для сложных задач с помощью принципов суперпозиции,
эквивалентности и взаймности приведены в книге А. Н. Пехо-
вича и В. М. Жидких \ По графикам для случаев использования
линеаризованных уравнений давления можно определить среднее
давление, пропускную способность газопроводов в зависимости
от времени, координаты и параметры газопровода.
При использовании аналитических методов или численных ре-
шений целесообразным является следующий подход. Он заклю-
чается в том, что при разумном упрощении исходных уравнений
неустановившегося движения газа по трубопроводам, используя
те или иные математические методы, произведя те или иные мате-
матические операции, можно привести конечные результаты к виду,
позволяющему с достаточной точностью относительно быстро
оценить ситуацию в системах газоснабжения как можно большей
размерности. Полученная модель позволяет.проводить многоре-
жимные расчеты как в области нормальных режимов эксплуатации,
так и при возникновении аварийных ситуаций, т. е. имеется воз-
можность ее использования с целью оперативного диспетчерского
управления в системах газоснабжения. С рассмотренной точки
зрения, учтя работы по линеаризации исходных уравнений дви-
жения газа, целесообразно использовать методы разделения пере-
менных Фурье и интегральных преобразований, так как при оди-
наковой точности результатов по сравнению с другими методами
они приводят к конечным результатам с меньшими экономиче-
скими затратами. Не умаляя значения конечно-разностных ме-
тодов, можно сказать, что их целесообразно использовать лишь
1 А. И. Пехович, В. М. Жидких. Расчеты теплового режима твердых тел.
Изд. 2. Л., Энергия, 1976.
107
как эталонные по сравнению с другими методами для оценки их
области применения и точности.
Из-за относительно большого машинного времени и сложности
алгоритмов для расчетов взаимосвязанных систем газоснабжения
при имеющемся парке вычислительных машин их трудно исполь-
зовать для оперативного управления системами газоснабжения.
Следует отметить, что решения, полученные с помощью инте-
гральных преобразований, плохо сходятся при больших отноше-
ниях t/l2, а решения методом разделения переменных — при ма-
лых отношениях t/l2, так что методы дополняют друг друга. При
помощи метода разделения переменных удобно решать задачи
с нулевыми краевыми и произвольным начальным условием.
Метод интегральных преобразований, наоборот, проще применять
в случае нулевого начального и произвольных граничных условий.
Система газоснабжения представляет собой единую взаимо-
связанную технологическую цепочку и включает в себя источники
питания, газопроводы распределения газа высокого, среднего и
низкого давлений, ГРС и ГРП, хранилища газа и объекты его по-
требления. Изменения в режиме работы каждого элемента системы
газоснабжения влияет на режим работы системы в целом. Для
решения задач оперативного управления сложной системой, ка-
кая представляет собой система газоснабжения, наиболее пер-
спективны методы математического моделирования. Одной из
актуальных задач анализа и оптимизации работы систем газоснаб-
жения является разработка эффективных методов расчета неуста-
новившихся режимов в газовых сетях. Большой объем задач,
большое время расчета используемых методов, нерациональность
алгоритмов расчета затрудняют анализ работы подобных систем.
Рационально использовать упрощенный метод, например сле-
дующий. Считается заданной топология сети. Каждый участок
сети между узлами описывается в виде упрощенного решения со-
ответствующей краевой задачи, с заданными или определяемыми
граничными условиями. Таким образом, узлы подразделяются
на узлы с заданными или с определяемыми величинами давлений
или расходов в узле. Граничные условия выписывают в виде огра-
ниченной ортогональной системы полиномов, например, в виде
ограниченного ряда Фурье. Используя известные законы Кирх-
гофа и решая полученную систему уравнения во временной плос-
кости, находят, учтя соответствие между зависимыми и независи-
мыми переменными, неизвестные давления или расходы в узлах.
ГЛАВА 3
ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
§ 1. ЗАДАЧИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ
СТАНЦИЙ (ГРС)
В конце магистрального газопровода или на отводе от него
в любой точке для подачи газа в газораспределительную сеть го-
рода, населенного пункта или промышленного предприятия со-
оружаются газораспределительные станции.
Газораспределительные станции предназначены для выполне-
ния следующих операций: приема газа из магистрального газо-
провода; очистки газа от механических примесей; снижения дав-
ления до заданной величины; автоматического поддержания дав-
ления на заданном уровне; распределения газа по потребителям;
измерения количества газа. Кроме того, на ГРС может осуществ-
ляться одоризация газа.
Для обеспечения надежной и бесперебойной работы оборудо-
вания и приборов ГРС, а также газовых приборов потребителей,
газ, поступающий из магистрального газопровода, проходит
через пылеуловители и фильтры, очищаясь от пыли, песка, влаги
и пр.
На ГРС предусматривается защита трубопроводов от недопу-
стимых повышений давления. С целью отключения участков газо-
провода, отдельных узлов и полностью ГРС устанавливают за-
порные устройства — задвижки и краны.
На выходе ГРС, а также между ступенями редуцирования
имеются пружинные предохранительные клапаны, которые отре-
гулированы на срабатывание при соответствующем давлении.
На газопроводах, рассчитанных на давление газа 0,05—
0,28 МПа, устанавливают специальные пружинные клапаны типа
СППК1, а на газопроводах, рассчитанных на давление газа
до 1,6 МПа, —клапаны типа ППК2.
Настройку клапана (рис. 3.1) на необходимое давление осу-
ществляют с помощью пружины. Выход газа из газопровода в слу-
чае срабатывания клапана происходит через специальные газо-
проводы (свечи), которые выведены за пределы здания и не менее
чем на 2 м выше его крыши.
Два раза в год клапаны проверяют на срабатывание путем ис-
кусственного повышения давления газа.
109
Для учета количества газа на выходе ГРС служат измеритель-
ные устройства. Наиболее широкое распространение на ГРС
получили поплавковые дифманометры-расходометры с ртутным
Рис. 3.1. Специальный
предохранительный кла-
пан СППК1:
/ — корпус клапана; 2 -
клапан; 3 — шток; 4 --
пружина; 5 — втулка для
регулирования; 6 — вы-
ходной патрубок; 7 седло
клапана; 8 — входной па-
трубок
заполнением ДП-430. Используются также
мембранные дифманометры типа ДМ и
ДМПК-ЮО. Дифманометры работают вме-
сте с сужающим устройством (диафрагмой).
Количество газа при давлении до
0,1 МПа и объемном расходе до 1000 м3/ч
можно измерять с помощью объемных счет-
чиков типа PC.
§ 2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА
Управление гидравлическим режимом
работы системы газоснабжения осущест-
вляют с помощью регулятора давления,
который поддерживает определенное дав-
ление независимо от изменений потребле-
ния газа в сети. Регулирование выпол-
няется за счет изменения степени сниже-
ния более высокого давления на входе
в регулятор на конечное более низкое.
Для решения задач регулирования необ-
ходимо измерить входную величину дав-
ления, затем сравнить измеренную вели-
чину с заданной и, наконец, воздейство-
вать на входную величину таким образом,
чтобы разность между измеренной вели-
чиной и заданной была как можно меньше.
Регулятор включает в себя измеритель,
преобразователь измеряемой величины,
выполненный в виде мембраны, усилитель
(пневматический, электрический)и испол-
нительное устройство (клапан, задвижка).
Основные параметры регуляторов давления газа,
применяемых в системах газоснабжения
Условный проход (по входному патрубку)
Оу, мм .......................................... 6—500
Давление газа, МПа:
условное ру......................................0,1; 0,25; 0,4;
0,6; 1,0; 1,6
входное (начальное) ;г,, ..................'. . 0,005—1,6
выходное (конечное) рк ........................ 0,0005—1,2
Принцип работы простейшего регулятора состоит в следующем.
При изменении выходного давления нарушается равновесие мем-
браны, которая в зависимости от изменения выходного давления
«вверх» или «вниз» от номинального (давления настройки) будет
110
перемещать шток регулирующего органа (клапана) и уменьшать
сечение клапана, если р2 > Рн<ж> или увеличивать сечение кла-
пана, если р2 < р„ом. Данный регулятор является регулятором
«после себя». Регуляторы могут различаться по работе исполни-
тельного органа: непрерывный, релейный, импульсный. При ре-
гулировании давления газа в основном используются непрерыв-
ные регуляторы. Различают законы регулирования: 1) пропорцио-
нальный, когда изменение выходной величины прямо пропорцио-
нально разности между параметром настройки выходной величины
и ее значением на выходе регулятора; 2) дифференциальный, когда
изменение выходной величины пропорционально dy (t)/dt
(где у (/) — входная величина); 3) интегральный, когда изменение
выходной величины пропорционально | у (t) dt. Наибольшее рас-
пространение получили пропорциональный закон регулирования
(статический регулятор), интегральный закон (астатический регу-
лятор) и их разновидности: пропорционально-интегральный
(изодромный регулятор или ПИ-регулятор), пропорционально-
интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор).
При регулировании давления статическим регулятором каж-
дое новое установившееся значение выходного давления зависит
от величины возмущающего воздействия.
Астатический регулятор давления поддерживает одно и то же
значение регулируемой величины при любом значении внешнего
воздействия на регулятор давления. Статические регуляторы
характеризуются неравномерностью работы, т. е. имеют остаточ-
ную погрешность между номинальной и регулируемой величинами.
В изодромном регуляторе давления заданный режим поддер-
живается с малой остаточной неравномерностью или без нее, т. е.
повышается качество регулирования.
По способу воздействия на регулирующий клапан различают
регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах пря-
мого действия регулирующий клапан перемещается усилием,
возникающим в его чувствительном элементе (мембране) без ис-
пользования энергии от постороннего источника. Такие регуляторы
не имеют усилителей, надежны в работе, сравнительно просты по
конструкции, однако менее чувствительны и менее быстродействую-
щие. В газовом хозяйстве они получили большое распростране-
ние.
В регуляторе непрямого действия разница между настройкой
и действительным значением регулирующего параметра преобра-
зовывается в пневматический, электрический и другие сигналы,
которые усиливаются и подаются на исполнительное устройство,
перемещающее исполнительный (регулирующий) орган. Как уси-
литель, так и исполнительное устройство имеют питание от по-
стороннего источника.
В качестве исполнительного устройства используются клапаны
различных конструкций и реже дроссельные заслонки, применяю-
111
щиеся лишь при небольших перепадах давления на регулирующем
органе. Клапаны бывают одно- и двухседельные (рис. 3.2).
Для тупиковых сетей широко используют односедельные кла-
паны, так как они обеспечивают надежное отключение при отсут-
ствии отбора газа. Однако одностороннее усилие, действующее
на клапан, затрудняет процесс регулирования и увеличивает влия-
ние изменения давления до регулятора на выходное давление.
Рис. 3.2. Дроссельные устройства регулято-
ров давления газа:
а — клапан жесткий односедельный; б — клапан
мягкий односедельный, выполненный из кожи или
газоустойчивой резины; в — клапан цилиндриче-
ский с окнами для прохода газа; г — клапан жест-
кий двухседельный неразрезной с направляющими
перьями; д — клапан мягкий двухседельный, сво-
бодно насаженный на шток
Рис. 3.3. Пропускные характеристики регу-
лирующих устройств:
/ и 4 — соответственно равнопроцентная и линей-
ная; 2 — шаровых регулирующих органов; 3 —
заслоночных регулирующих органов; 5 — шлан-
говых и диафрагменных регулирующих органов
Максимальный подъем затвора выбирают таким образом, чтобы
проход газа был не меньше, чем проход в седле клапана. Односе-
дельные клапаны выполняются жесткими и мягкими, при этом
используют прокладку из кожи или газостойкой резины. Для
более равномерного изменения сечения клапана применяют спе-
циальную форму клапана в виде продольных окон или круговых
отверстий.
112
Двухседельные клапаны являются разгруженными. Их при-
меняют с пробковыми и цилиндрическими затворами. В пробковом
затворе дросселирующая поверхность представляет собой поверх-
ность вращения. Отсутствие острых кромок благоприятно при те-
чении плохо очищенного газа. Двухседельные клапаны выпускают
частично разгруженными, так как для упрощения их монтажа одно
из седел изготовляют меньшего диаметра. Клапаны мало герме-
тичны, что объясняется неравномерностью износа седел, слож-
ностью притирки затвора одновременно к двум седлам, а также
неравномерностью температурного расширения затвора и седла.
Полностью закрытый двухседельный клапан допускает утечку
до 4% максимального расхода, поэтому его можно применять лишь
на тех участках газопровода, где постоянно расходуется газ.
В настоящее время применяют шаровые регулирующие устрой-
ства. Затвор представляет собой шар со сквозным отверстием,
перемещающимся относительно седел вокруг оси, перпендикуляр-
ной к оси прохода в седлах. Уплотнительный контакт бывает есте-
ственным и принудительным. Естественный контакт реализуется
за счет упругих свойств седла и давления среды, прижимающей
затвор-шар к седлу. В случае принудительного контакта исполь-
зуются упругие элементы.
Шаровые регулирующие устройства, полнопроходные или ссу-
женным проходом, имеют большие диапазоны регулирования.
Все регулирующие устройства аттестуют по расходной характе-
ристике. Номинальная величина расхода газа при максимальном
перемещении затвора (при максимальной площади прохода)
называется условной пропускной способностью. Ее значения вне-
сены в технический паспорт регулятора. Зависимость изменения
пропускной способности Q, отнесенной к условной пропускной
способности клапана Qy, от перемещения затвора s называют про-
пускной характеристикой регулирующего устройства (рис. 3.3).
Пропускные характеристики могут быть линейными или нели-
нейными. Среди нелинейных выделяют равнопроцентную характе-
ристику, когда приращение пропускной способности по ходу про-
порционально ее текущему значению. Зависимости заслоночных и
шаровых регулирующих органов — нелинейные. Своеобразную
характеристику имеют шланговые и диафрагменные регулирующие
устройства.
Перестановку клапана осуществляют с помощью привода. При
передвижении штока, соединенного с приводом, происходит из-
менение проходного сечения. В регуляторах давления газа широко
применяют пневматические мембранные приводы. Для настройки
привода используют пружины или груз.
Чаще всего применяют регулирующие клапаны с линейной
(сплошные профилированные плунжеры) и параболической (ци-
линдрические пустотелые плунжеры с продольными окнами)
характеристиками.
В основном используют клапаны трех типов:
ИЗ
чугунные на условное давление 1,6 МПа и рабочую темпера-
туру до 200° С с плунжером из нержавеющей стали (нж) или
бронзы (бр) — это МРК4нж, МРК4бр, 25Н30нж и 25Н32нж;
стальные на условное давление 4 и 6,4 МПа из углеродистой
стали (К, КР, 25с48нж, 25с50нж) или из нержавеющей стали
(КЯ и КРЯ), выпускаемые для максимальных рабочих температур
до 200° С (К-и КЯ), до 300° С (25с48нж и 25с50нж) и до 450° С
(МРКР и МРКРЯ);
стальные на условное давление 10 МПа из углеродистой стали
(МРК и МРКР) или из нержавеющей стали (КРКЯ и МРКРЯ)
для максимальных температур рабочей среды до 200° С (МРК и
МРКЯ) и до 450° С (МРКР и МРКРЯ).
Ведомственная маркировка (например, КР-50-64ВЗ или
МРКЯ-70-Ю0-ВО) расшифровывается следующим образом: буквы
в начале шифра означают тип клапана, а в конце — направление
его действия (ВО — воздух открывает, ВЗ — воздух закрывает, в за-
висимости оттого открывается или закрывается клапан при повыше-
нии давления командного воздуха или газов). Первое число шифра
означает условный проход клапана, второе — условное давление.
При малых значениях расхода применяют односедельные ре-
гулирующие стальные клапаны типа ПРК, которые представляют
собой дроссельные исполнительные механизмы с пневматическим
мембранным приводом. Регулировочная их характеристика —
линейная.
§ 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА
Для поддержания давления на заданном уровне на ГРС уста-
навливают автоматические регуляторы. По способу действия они
делятся на регуляторы прямого и непрямого действия.
Регуляторы состоят из регулирующего клапана, чувствитель-
ного и управляющего элементов.
Конструкция регуляторов давления газа должна отвечать сле-
дующим требованиям:
колебание регулируемого выходного давления газа (после
регулятора) не должно превышать ± К) % без перенастройки при
изменении расхода газа на всем диапазоне регулирования и коле-
бании входного давления (до регулятора) на -25%.
минимальный регулируемый расход газа для односедельных
клапанов должен быть не более 2% и для двухседельных клапанов
не более 4% максимального расхода;
относительная нерегулируемая утечка газа через закрытые
затворы двухседельных клапанов допускается не более 0,1%
номинального расхода, для односедельного клапана она не до-
пускается;
регуляторы давления должны поставляться со сменными пру-
жинами или грузами, обеспечивающими настройку выходного
114
Таблица 3.1
Краткая техническая характеристика регуляторов и редукторов
Наименование Марка или обозначение Регулируемое давление, МПа Габаритные размеры, мм Масса, кг
начальное конечное
Регулятор давления уни-
версальный с регуля-
тором управления КН2
или К.В2:
©у = 50 мм РДУК2Н-50/35 До 0,6 0,0005—0,06 230X410X300 45
РДУК2В-50/35 » 1,2 0,06—0,6 230X410X300 45
Dy = 100 мм РДУК2Н-100/50 » 1,2 0,0005—0,06 350X560X450 80
РДУК2В-100/50 » 1,2 0,06—0,6 350X560X450 80
РДУК2Н-100/7Г) » 1,2 0,0005—0,06 350X560X450 80
РДУК2В-100/70 » 1,2 0,06—0,6 350Х 560X450 80
©v = 200 мм РДУК2Н-200/105 » 0,6 0,0005—0,06 600 X 650 X 690 300
РДУК2В-200/105 » 1,2 0,06—0,6 600X650X690 300
РДУК2Н-200 140 » 1,2 0,0005—0,06 600X650X690 300
РДУК2В-200/140 » 1,2 0,06—0,6 600 X 650;- 690 300
Регулятор давления «пос-
ле себя» (высокого дав-
ления):
©У = 25 мм Р Д-25-64 До 5,5 0,25—2,5 200 X 170X340 28
©у = 40 мм Р Д-40-64 » 5,5 0,25—2,5 340 X 235 X 428 54
©У = 50 мм Р Д-50-64 » 5,5 0,25—2,5 260X410X435 106
©У = 80 мм Р Д-80-64 » 5,5 0,25—2,5 345X410X490 135
©У = 100 мм РД-100-64 » 5,5 0,25—2,5 389X480X590 215
©У = 150 мм РД-150-64 » 5,5 0,25—2,5 485X480X680 300
©у = 200 мм Р Д-200-64 » 5,5 0,25—2,5 595X480X790 436
Продолжение табл. 3.1
Наименование
Регулятор низкого давле-
ния для сетевого (с)
и сжиженного (ж) газа:
Dy = 32 мм
Dy = 50 мм
Регулятор для одно- и
двухбаллонных уста-
новок, Dy = 8 мм
Регулятор давления для
сжиженного газа с за-
порным клапаном КБ-1
(КБ-2)
Редуктор газобаллонный
Редуктор газобаллонный
для пропана и бутана
Редуктор кислородный
То же, однокамерный
Редуктор ацетиленовый
однокамерный
Марка или обозначение Регулируемое давление, МПа Габаритные размеры, мм Масса, кг
начальное конечное
РД-32Мс-10 До 0,3 0,0009—0,002 345 X 235 X 286 8
РД-32МС-6 0,3—0,6 0,0009—0,002 345X235X286 8
РД-32Мж-4 0,6—1,0 0,002—0,0035 345X235X286 8
РД-32Мж-6 1,0—1,6 0,002—0,0035 525X580X395 20
РД-50Мс-25 0,01—0,1 0,0009—0,002 525 X 580 X 395 20
РД-50Мс-20 0,1—0,3 0,0009—0,002 525X580X395 20
РД-50Мс-15 0,3—0,6 0,0009—0,002 525X580X395 20
РД-50Мж-11 0,6—1,0 0,002—0,0035 525X580X395 20
РД-50Мж-8 1,0—1,6 0,002—0,0035 525X580X395 20
РДГ-8 0,05—1,6 0,002—0,0035 158X98X60 0,75
«Балтика-1» До 1,6 0,003 100Х 100X80 0,32
РГБ-1 0,05—1,6 0,003 102X90X83 0,33
РДГ-7 До 1,6 0,002—0,0025 149X94X60 0,35
РДГ-6 » 1,6 0,002—0,0025 155X90X65 0,35
РД-1БМ » 2,5 0,01—0,15 125X145X220 1,90
РР-53БМ 15,0 0,1—1,5 205Х 130Х 125 1,45
ДРП-1-65 15,0 0,1—1,5 205Х 165Х 160 2,4
ДАП-1-65 По ТУ 0,05—1,1 260X165X 160 3,1
давления в пределах заданного диапазона, и по требованию за-
казчика со сменными клапанами и седлами, допускающими из-
менение настройки регулятора по пропускной способности в пре-
делах заданного диапазона.
Основной регулятор давления следует выбирать по максималь-
ному расчетному расходу газа потребителями и требуемому пере-
паду давления при редуцировании. Пропускную способность ре-
гулятора давления следует принимать на 15—20% больше макси-
мального расчетного расхода газа.
Технические характеристики некоторых регуляторов давления
даны в табл. 3.1.
На ГРС широко применяют пневматические изодромные регу-
ляторы 04-МСТМ-410 и пропорциональные регуляторы типа РД
в комплекте с мембранными регулирующими клапанами.
Пневматические регуляторы типа РД просты по конструкции,
надежны в работе, устойчивы против внутреннего обмерзания и
засорения сопла. Пропорциональный закон регулирования в при-
боре достигается за счет пропорционального перемещения за-
слонки относительно сопла.
Схема пневматического регулятора представлена на рис. 3.4.
Работа регулятора основана на использовании деформации одно-
витковой пружины, которая при раскручивании воздействует на
пневматическую систему. Манометрическая пружина 3 является
чувствительным элементом измерительного устройства. В регуля-
торе имеются также механизм ручного датчика 4 и механизм
пневматического преобразования. Работа регулятора протекает
следующим образом. Увеличение или уменьшение регулируемого
давления вызывает перемещение вправо или влево свободного
конца манометрической пружины, что приводит к перемещению
заслонки 5 относительно сопла 6. При этом заслонка поворачи-
вается вокруг передвижной оси 7 и прижимается к соплу 6 при
помощи пружины. К соплу 6 подводится сухой очищенный воздух
или газ давлением 0,12—0,14 МПа после редуктора (редуктор и
фильтр поставляются комплектно с регулятором). Расход воздуха
(газа) на один регулятор составляет 0,5—0,7 м3/ч. Давление воз-
духа (газа), поступающего к регулирующему клапану, увеличи-
вается при закрытии заслонки и уменьшается при открытии ее.
Датчиком 4 устанавливается то давление, которое должен поддер-
живать регулятор.
Диапазон регулирования (пропорциональности) устанавли-
вается путем изменения положения оси 7 в прорези платы 8, на
которой также закреплено сопло. При перемещении оси вверх чув-
ствительность регулятора повышается, при движении оси вниз
чувствительность уменьшается (предел пропорциональности уве-
личивается).
Для пневматических регуляторов типа РД предел пропорцио-
нальности составляет 3—5%. Давление воздуха (газа) перед соп-
лом и выходное давление контролируются двумя манометрами.
117
Поскольку регулятор выпускается бесшкальным, то для удобства
его настройки на ГРС обычно устанавливают вблизи регулятора
манометр, по которому контролируют величину регулируемого
давления. Регулятор может быть настроен как на прямое, так и
на обратное действие. На рис. 3.4 изображена принципиальная
схема регулятора, работающего на режиме прямого действия
(повышение давления газа вызывает увеличение давления после
Рис. 3.4. Пневматический регулятор давления типа РД:
/ — дроссель; 2 — подвижный упор; 3 — манометрическая пружина; 4 — датчик; <5 -
заслонка; 6 — сопло; 7 — ось; 8 — плата
регулятора). Перестройка регулятора достигается за счет пере-
становки на правую сторону сопла, передвижной оси и пружины.
В этом случае увеличение давления газа до регулятора вызовет
уменьшение давления после него.
На ГРС регулятор устанавливают в помещениях с положитель-
ной температурой. При наличии хорошо осушенного газа можно
устанавливать регуляторы при отрицательной температуре окру-
жающей среды.
В качестве исполнительных механизмов в комплекте пневмати-
ческих регуляторов на ГРС применяют регулирующие клапаны
с мембранным приводом (рис. 3.5). При изменении сечения про-
ходного отверстия клапана меняются величина гидравлического
сопротивления и давление на выходе клапана. Перестановка кла-
пана из одного положения в другое достигается за счет действия
командного газа на мембрану. При увеличении давления газа,
действующего на мембрану сверху, пружина мембранного привода
сжимается, и шток регулирующего клапана опускается. При
118
при подаче командного
Рис. 3.5. Стальной регулиру-
ющий клапан с мембранным
приводом
уменьшении давления газа шток регулирующего клапана подни-
мается. Полное перемещение штока регулирующего клапана из
одного крайнего положения в другое происходит при изменении
давления в надмембранном пространстве от 0,015 до 0,095 МПа
с отклонением ±0,005 МПа. Регулирующие клапаны изготовляют
двух типов: ВО — воздух открывает, при подаче воздуха в мем-
бранно-исполнительный механизм (МИМ) регулирующий клапан
открывается; ВЗ — воздух закрывает,
воздуха в МИМ регулирующий клапан
закрывается. На ГРС применяют регу-
лирующие клапаны типа К, 25с48нж
и 25с50нж, а также клапаны типов ПРК
и УКС, используемые в основном в схе-
мах автоматического управления ГРС.
Мембранный привод регулирующего
клапана состоит из верхней 11 и ниж-
ней 12 крышек, между которыми плотно
зажимается болтами резиновая мемб-
рана. Под мембраной расположен ме-
таллический диск 10, связанный со што-
кам 8|и прижимаемый к мембране при
помощи пружины 9. Натяжение пру-
жины регулируется при помощи втулки
7, ввернутой в корпус исполнительного
механизма. Усилие от резьбовой втулки
на регулировочную пружину 9 переда-
ется через подшипник 14 и опорное коль-
цо 13. Шток привода и шток регулиру-
ющего клапана соединены между собой
резьбовой втулкой 5. Корпус исполни-
тельного механизма крепится к верхней
крышке 20 корпуса регулирующего кла-
пана болтами 4. Верхняя 20 и нижняя 22
крышки регулирующего клапана кре-
пятся к корпусу 1 болтами 23 и 3.
В верхней крышке имеется сальнико-
вое хозяйство, состоящее из грунд-
буксы 16, втулки 18, накидной гайки 15
и сальника 17. Сальниковое устройство обеспечивает гермети-
чность регулирующего клапана и снижает трение при пере-
мещении штока. Внутрь сальника при помощи лубрикатора 19
периодически подается смазка для предупреждения высыхания
сальниковой набивки. В нижней крышке 22 имеется сливное от-
верстие с пробкой 24. Для наблюдения за положением клапана
на штоке укреплен указатель 6. В корпусе регулирующего клапана
установлены седла 2 и золотники 21.
Применяемые на ГРС регуляторы типов 04-МСТМ-410 и РД
в комплекте с мембранным регулирующим клапаном не обеспечи-
119
вают необходимой надежности работы. Регуляторы не приспособ-
лены к длительной работе без частых осмотров и подстроек.
Основные недостатки мембранных регулирующих клапанов:
неустойчивая работа при больших регулирующих перепадах
давления;
недостаточная герметичность перекрытия проходного сечения
при закрытом состоянии клапана;
малая динамическая устойчивость и подверженность вибра-
циям, которые приводят к поломкам подвижных частей клапана;
высокий уровень шума, превышающий допустимую норму.
В институте ВНИИГаз разработаны регуляторы прямого дей-
ствия типа РД. Регуляторы пригодны для одноступенчатого ре-
дуцирования с подогревом газа в теплообменниках.
Устройство регулятора представлено на рис. 3.6. Регулятор
состоит из двух основных частей: дроссельного устройства (ре-
гулирующего клапана) и мембранного привода. Мембранный при-
вод состоит из резиновой мембраны 5 с двумя дисками 7. Мембрана
жестко соединена штоком 3 с клапаном 9. Мембрана разделяет
мембранный привод на две камеры — надмембранную и подмем-
бранную. В надмембранную камеру подводится газ с постоянным
заданным давлением, подмембранная камера сообщена с трубо-
проводом выходной стороны регулятора. Газ отбирается из трубо-
провода со стороны высокого давления, которое снижается при
помощи редуктора до заданной величины.
Дроссельное устройство регулятора, разгруженное высоким
давлением, состоит из корпуса 1, седла 8 и клапана 9. Последний
снабжен резиновым уплотнителем, обеспечивающим герметичное
перекрытие проходного сечения клапана в случае прекращения
расхода газа при работе регулятора. В дроссельном устройстве
газ проходит через кольцевой зазор, образующийся между седлом 8
и клапаном 9. Корпус мембранного привода 4 и нижняя крышка
регулятора крепятся к корпусу 1 при помощи шпилек с гайками.
Процесс регулирования давления протекает следующим обра-
зом. При повышении или понижении регулируемого давления на-
рушается равновесие сил на мембране, которая будет переме-
щаться, изменяя положение клапана до тех пор, пока не наступит
равновесие сил, действующих на мембрану снизу и сверху. Та-
ким образом, в зависимостиот положения клапана будет изме-
няться количество протекающего через регулятор газа, благодаря
чему и поддерживается заданное давление на выходе. Чтобы полу-
чить на выходе регулятора иное давление, необходимо установить
соответствующее постоянное давление в надмембранной камере
(камере задания).
Регуляторы типа РД монтируют мембранным приводом вверх
(рис. 3.7) между двумя отключающими кранами или задвижками 1.
Расстояние между регулятором и входным краном должно быть
не менее пяти диаметров, а между регулятором и выходным кра-
ном — не менее десяти диаметров трубы.
120
Рис. 3.6. Регулятор давления прямого действия типа РД:
1 — корпус регулятора; 2 — втулка; 3 — шток; 4 — корпус мембранного привода;
5 — мембрана; 6 — крышка привода; 7 — диск; 8 — седло; 9 — клапан; 10 — уплотни-
тель; 11 — крышка корпуса регулятора
Рис. 3.7. Схема установки регу-
лятора типа РД
3
Давление задания регулятора 6 поддерживается редуктором 3.
Газ к редуктору подводится от входного трубопровода.^Давление
после редуктора контролируется манометром 4, который установ-
лен на крышке мембранного привода.
Выходное давление после регулятора контролируется мано-
метром 5, установленным на импульсном трубопроводе. Газ по-
ступает в редуктор, предварительно пройдя осушитель 2. Регуля-
тор типа РД работает бесперебойно в течение 3—6 месяцев без на-
блюдения и ухода.
Регулятор РДО-1, конструкция которого разработана СКВ
«Газприборавтоматика», предназначен для автоматического регу-
лирования давления газа и автоматической отсечки газа на входе
в регулятор в случае повышения регулируемого давления сверх
допустимого.
В схемах двухступенчатого редуцирования при малых колеба-
ниях расхода на ГРС устанавливают постоянные дроссели. На
второй ступени редуцирования могут быть установлены дроссель-
ные камеры, конструкцию которых разработал ВНИИГаз. Дрос-
сельные камеры облегчают работу регулирующих клапанов первой
ступени и значительно снижают уровень шума на ГРС.
§ 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Гидравлические расчеты необходимы для выбора регулирующих
устройств по пропускной способности, определения рабочих
параметров и перепада давления, выбора режима работы и др.
Регулирующее устройство представляет собой переменное ги-
дравлическое сопротивление в гидравлической цепи. Закономер-
ности изменения этого сопротивления, осуществляемые в соответ-
ствии с изменениями управляющего сигнала, вызывают целе-
направленное изменение расхода газа.
При анализе процессов в регулирующих устройствах исполь-
зуют одномерную модель течения газа, широко распространенную
в технических расчетах. Переход к средним по сечению значе-
ниям переменных величин существенно упрощает расчет, выде-
ляет главнейшие черты процесса и обеспечивает качественный
анализ.
В качестве исходного уравнения используется обобщенное
уравнение Бернулли:
цс dp + vdv + ~ = О,
где цс — удельный объем среды; dp — перепад давления на
элементарном участке dx; v — скорость движущейся среды;
X — коэффициент гидравлического сопротивления.
Учитывая уравнение неразрывности-^-F = М = const,
122
где F — площадь конусного сечения капель; М — расход среды,
получим:
dp dv2 . 1 Al2 . dx „
ЧГ + + Т 'А ~D~ =
Интегрируем это уравнение в пределах от входного до выход-
ного сечений регулирующего устройства:
J VC 1 J 2y2 2 A2 J F D
Pl Vi c др x.
Интеграл J X = £ называется коэффициентом регули-
Xi
рующего устройства. Он отнесен к площади проходного сечения
регулирующего устройства. В конечном виде имеем:
Рг Ог
г dp . г dv2 . 1 М2
J J
Pl о, с др
или
Р1 — Pi
Рс
vl — Pl
2^с
-4-м2-4~=о.
2 р2
ДР
Член £1__Д
2и2
весьма мал, при равенстве размеров входного и
выходного патрубков он равен нулю. Тогда, заменяя vc = 1/р
и выражая р в г/см3, р в МПа, М в кг/ч, F в см'2, получим расчет-
ную формулу:
М = 3200 |/р (Р1 - р2) .
Коэффициент £ зависит от геометрии проходной части и ре-
жима течения. Для квадратичного режима течения £ не зависит
от Re и обозначается как £ кп.
Величина 5,04Fflp/^£кв называется коэффициентом пропускной
способности и обозначается Kv. Расчетная формула имеет вид:
М = 3200 Кп V'kpp.
Значения Kv некоторых регуляторов даны в табл. 3.2 и 3.3:
Если выразить расход в м3/ч, то расчетная формула примет вид.
В настоящее время имеется большое число расчетных формул,
полученных на основе данной зависимости. Изменение плотности
газа в процессе дросселирования учитывается подстановкой усред-
ненной плотности рср вместо р. В зависимости от того, как опреде-
ляется рср, приходят к следующим формулам:
123
Таблица 3.2
Характеристика регуляторов низкого давления
Тип регулятора Давление р.101, Па Ко
на входе на выходе
АРДГ-40 60—1600 0,8—10 41
АРДГ-50 60—1600 0,8—10 50
АРДГ-70 60—1600 0,8—10 79
АРДГ-80 60—1600 0,8—10 98
АРДГ-1007 60—1600 0,8—10 175
АРДГ-125 60—1600 0,8—10 260
АРДГ-150 60—1600 0,8—10 350
АРДГ-200 60—1600 0,8—10 650
АРДГ-250 60—1600 0,8—10 1000
АРДГТ-40 60—1600 0,8—2 41
АРДГТ-50 60—1600 0,8—2 50
АРДГТ-70 60—1600 0,8—2 79
АРДГТ-80 60—1600 0,8—2 98
АРДГТ-100 60—1600 0,8—2 175
АРД ГТ-150 60—1600 0,8—2 350
РДС-80 До 1200 0,5—600 36
РДС-100 » 1200 0,5—600 50
РДС-150 » 1200 0,5—600 130
РДС-200 » 1200 0,5—600 250
РДС-300 » 1200 0,5—600 600
РДУК-2-50/35 » 1200 0,5—600 27
РДУ К-2-100/50 » 1200 0,5—600 44
РДУ К-2-100/70 » 1200 0,5—600 108
РДУ К-2-200/105 » 1200 0,5—600 200
РДУ К-2-200/140 » 1200 0,5—600 300
РД-20-5 » 1000 1—2,5 0,52
РД-25-5 » 1000 1—2,5 0,52
Р Д-25-6,5 » 1000 1—2,5 0,9
РД-32-5 » 1000 1—2,5 0,52
РД-32-6,5 » 1000 1—2,5 0,9
РД-32-9,5 » 1000 1—2,5 1,9
Р Д-50-13 » 300 1—2,5 3,7
Р Д-50-19 » 300 1—2,5 7,9
РД-50-25 » 300 1—2,5 13,7
РД-32М-10 5—300 0,9—3,5 1,4
РД-32М-6 3000—1000 0,9—3,5 0,8
РД-32М-4 1000—1600 0,9—3,5 0,52
РД-50М-25 5—100 0,9—2,5 11
РД-50М-20 100—300 0,9—2,5 9
РД-50М-15 300—600 0,9—2,5 5,8
РД-50М-11 600—1000 0,9—2,5 3,3
РД-50М-8 1000—1600 0,9—2,5 1,7
1) рср принимается равной плотности газа при давлении рг
и температуре 7\, или рср = f (р1; Л). Индекс «1» относится к
входу регулятора, индекс «2» — к выходу регулятора:
М = 5250Ло У Р1р0-;
124
Таблица 3.3
Значения коэффициента пропускной способности Kv регулирующих клапанов
Диаметр условного прохода(или Регулирующие клапаны
25с48нж, 25с50нж 25ч30нж, 25ч32нж К, КЯ, КР, МРК. КРЯ МКРЧ ПРК УКС, УКН, ПКН, ПКС, ПОУ
диаметр сед- ла) Dy, мм Условное давление р у, МПа
6,4 1,6 4,0; 6,4; 10,0 1,6 6,4 6,4; 16,0; 32,0
6 0,5 0,1; 0,16; 0,25
9 2 — — — 1,0
15 4 3,5 5 8 — 0,4; 0,64; 1,0
20 6,3 6,5 8 11 —
25 10 10 14 14 — 1,6; 2,5
40 25 26 32 41 — —
50 40 40 50 50 — —
70 78 78 80 79 —
80 100 100 100 98 —
100 160 160 210 175 —
125 250 250 245 —
150 400 360 425 350 —,
200 630 640 — —
250 — 1000 — — — —
2) Pcp^fipt, Л),
М = 5250Ао У (Pi-Р^РгРо -
3) рср = /(^±^, 7\),
М = 3710/Q, У ;
4) Pep = / (Pi> ТО с учетом поправки на изменение плотности
в процессе дросселирования:
Мг = 5250Ао (1 - 0,46 У (Р1~уР1р0 .
Анализ результатов исследования данных формул показывает,
что их можно применять лишь для конкретных типов регулирую-
щих устройств. Например, для двухседельных регулирующих
устройств хорошую точность дает зависимость рср=/ (—р2 , Л) ,
а для односедельных угловых с цилиндрическими патрубками —
зависимость рср — f (р2, Ту). Для заслонок рассмотренные фор-
мулы дают существенное завышение расхода. Чтобы получить
универсальную зависимость, необходимо учесть процесс дроссе-
лирования газа в регуляторе.
125
Рассмотрим, как влияет сжимаемость газа на полученные ре-
зультаты. Считаем, что процесс в регулирующем устройстве про-
исходит без подвода тепла, т. е. процесс адиабатический. Тогда
справедливо равенство
1гК dT
‘2g " /с - 1 ’
где Т — температура; k — отношение теплоемкости при постоян-
ном давлении ср к теплоемкости при постоянном объеме cv; R —
газовая постоянная. Уравнение состояния идеального газа:
Тогда получим:
dv'1
TZT d
отсюда
+-Аг'?" и 4 - Д с =- о
°- f«₽
Решаем уравнение относительно Л1:
Jv-T^T
У Р2 С
Из данного уравнения следует, что вычислить расход газа
через коэффициент пропускной способности регулирующего уст-
ройства и параметры регулируемой среды на входе и выходе ре-
гулирующего устройства можно лишь в том случае, если известен
процесс дросселирования. Введение коэффициента Kv не опреде-
ляет однозначного расхода газа через него.
Поэтому пользуются более сложными уравнениями, учитываю-
щими процессы сжатия и расширения в регуляторе, или вводят
соответствующие поправочные коэффициенты. Процесс дроссели-
рования в регулирующем устройстве можно рассматривать как
состоящий из трех стадий — сжатия, расширения и стабилизации
потока. При регулировании расход возрастает до тех пор, пока
течение не станет критическим. Отношение давления (критического)
в сжатом сечении рг к входному давлению можно оценить как
В вышерассмотренных формулах имеются два допущения:
в значении усредненной плотности и в величине перепада давле-
ния, обеспечивающего критический расход газа. Для предотвра-
щения возможных ошибок предлагается ввести в формулу эмпири-
ческий коэффициент С/, определяемый экспериментально и назы-
126
ваемый коэффициентом критического расхода. Тогда расчетная
формула для критического расхода примет вид:
УИкр 32ООС7КаР1 У
С достаточной точностью можно принять С/ 0,8 [/ £к„
Таблица 3,4
Значения функции а в зависимости от (3
р а Р а
0,05 0,068 0,55 0,710
0,10 0,137 0,60 0,760
0,15 0,205 0,65 0,805
0,20 0,274 0,70 0,845
0,25 0,342 0,75 0,880
0,30 0,441 0,80 0,915
0,35 0,477 0,85 0,945
0,40 0,540 0,90 0,970
0,45 0,000 0,95 0,990
0,50 0,655 1,00 1,000
Если записать зависимость для докритических режимов в виде
М = аМкр, то универсальное уравнение расхода газа через ре-
гулирующее устройство
М^ЗЖС^.ар.у
Коэффициент а рассматривается как зависимость вида
Если учесть, что Cf 0,8 |/ gKI1, то
а - /(1-5 У^У =
" '-koPl '
Значения функции а при различных значениях 0 даны
в табл. 3.4.
На рис. 3.8 даны сравнительные данные различных формул.
Из графика видно, что для универсальной зависимости для зна-
чений Cf = 0,95 формула с рс|) = f (R2, 7\) дает достаточно точ-
ные результаты, формула с рср = / Р1 + р--, Тг} близка к значе-
ниям Cj =- 0,8, а для Cf < 0,7 формулы без поправок на а дают
значительное завышение расхода и в этом диапазоне необходимо
использовать универсальные зависимости.
127
Регулирующие органы выбирают в зависимости от давления
и расхода газа, используя рассчитанные значения Кв из приведен-
ных формул, из которых видно, что для расчета Кв необходимо
значение точного расхода газа, плотности газа, давление перед
клапаном и после него. Если расход задается объемный вм3/ч,
Рис. 3.8. График сравнительных дан-
ных, рассчитанных по различным фор-
мулам расхода газа через регулятор:
1 — по формуле с рСр — f (pit Ti); 3 — по
формуле с рср = / ^P1 + Р1 , Г,) ; 2, 4,
5 — по формуле с поправкой на а для С|=
= 0,95 (2), для Ct ~ 0,8 (4) и для Cf =
= 0,6 (5)
а плотность в кг/м3, то существующими методиками Ка рекомен-
дуется определять по формулам
Л'а =------- Q при р2 > 0,5/h
5140Z 1/ P1
г Р(Н 1
и
= ояппо ПрИ Р*
2800/?! |< 1 /QqT J
По вычисленному коэффициенту производительности Кв для
максимального расхода по табл. 3.3 находят ближайший услов-
ный диаметр выбранного типа регулирующего клапана.
Если регулирующий клапан должен работать в условиях значи-
тельного изменения расходов, что коэффициент Кв оценивается
также и для минимальной нагрузки.
§ 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И КОМПОНОВКА ГРС
Газораспределительные станции могут быть рассчитаны для
снабжения одного или нескольких потребителей. В настоящее
время их сооружают как по типовым проектам Гипрогаза, так и по
индивидуальным проектам. Технические характеристики ГРС
даны в табл. 3.5.
Типовой проект ТР-884 представляет собой проект автоматизи-
рованной ГРС с домовым обслуживанием производительностью
до 100 000 и до 170 000 м/3ч (при давлении газа на входе 1,0 МПа)
соответственно с одним и с двумя потребителями. Проект содержит
128
Таблица 3.5
Технические характеристики ГРС, ГРП и ГРУ
Наименование Шифр Давление, МПа Производи- тельность, тыс. м3/ч
на входе иа выходе
Промысловая газо- регулирующая стан- ция (ПГРС) Типовой проект ТР-515 6,4 5,5 150—1000
ГРС с очисткой га- за на входе в масля- ных пылеуловителях Типовой проект ТР-596 5,5 0,3-1,2 5—300
ГРС с очисткой га- за после первой сту- пени редуцирования Типовой проект ТР-606 5,5 0,3—1,2 5—300
ГРС с очисткой га- за в висциповых пы- леуловителях Типовой проект ТР-645 5,5 0,3 —1,2 0,01 15
То же Типовой проект ТР-646 5,5 0,3 — 1,2 5—300
Контрольно-регу- ляторный пункт Типовой проект ТР-787 5,5 0,3-1,2 0,12—40
Промысловая газо- регулирующая стан- ция (ПГРС) Типовой проект 4-02-179/66 (ТР-894) 6,4 5,5 450—2200
Автоматизирован- ная ГРС магистраль- ных газопроводов без подогрева газа Типовой проект 4-02-357/66 (ТР-884) До 5,5 0,3—1,2 100 (при од- ном потре- бителе), 170 (при двух потребите- лях)
Автоматизирован- ная ГРС. магистраль- ных газопроводов без подогрева газа Типовой проект 4-02-442/66 (ТР-885) До 5,5 0,3—1,2 50
То же Типовой проект 4-02-450/66 (ТР-886) До 5,5 0,3—1,2 0,17-40
» Типовой проект 4024-2-8/72 (ТР-934) 1,0—5,5 0,3—1,2 10—150
Пункт редуцирова- ния газа в блочном ис- полнении для вспомо- гательных служб ком- прессорных станций магистральных газо- проводов Типовой проект 402-2-19 (ТР-1167) 1,0—5,5 0,3—1,2 20
Опытная блочная ГРС — До 5,5 0,3—1,2 150—250
То же — 1,0—5,5 0,3-1,2 350—500
5 С. Л. Бобровский
129
Продолжение табл. 3.5
Наименование Шифр Давление, МПа Производи- тельность, тыс. ма/ч
на входе на выходе
Автоматическая га- зораспределительная АГРС-1 1,0— 5,5 0,002— 0,005 1,о
станция магистраль- ных газопроводов А ГРС-1/3
То же 1,0—5,5 0,3—1,0 1,2
» АГРС-.З 1,2-5,5 0,3—1,2 2,75—11,2
» АГРС-10 1,2—5,5 0,3—1,2 11 — 13
» АГРС-50 1,0—5,5 0,3—1,2 50
Автоматический ре- РП-2 1,2—5,5 0,01—0,03 0,01
дуцнрующий пункт 0,5—5,5
То же РП-10 0,01—0,03 0,02
)) РП-100 1,2-5,5 0,01—0,03 0,1
Газорегуляторные пункты с электронны- ми регуляторами для Типовой проект 905-1/70 0,15—0,6 0,05—0,2 7—250
промышленных пред- приятий и электро- станций, не допускаю- щих перерыва в газо- снабжении
То же, но с пневма- тическими регулято- рами давления Типовой проект 905-2/70 0,2—1,2 0,05—0,6 0,5—230
Газорегуляторные пункты шкафного ти- па для снижения дав- Типовой проект 4-905-2 0,1—0,6 0,0005— 0,06 2,0
ления газа
Шкафная газоре- ШРУ-2с 0,1—0,6 0,01—0,11 1,0
гуляторная установка
То же ШРУ-Зс 0,1—0,6 0,01—0,11 0,24
» ШРУ-2Н 0,1—0,6 0,002— 0,0035 0,6
» ШРУ-ЗН 0,1—0,6 0,002— 0,0035 0,11
набор отдельных узлов ГРС, из которых можно скомпоновать ГРС
производительностью 20 000—200 000 м3/ч и более при входных
давлениях осушенного газа 0,8—6,4 МПа. Для неосушенного газа
по этому проекту можно сооружать ГРС при давлениях газа на
входе до 2,0 МПа. При давлениях на входе свыше 2,0 МПа и про-
изводительности более 50 000 м3/ч такие ГРС можно применять
только'с дополнительным подогревом регулирующих клапанов.
По типовому проекту ТР-884 можно строить большое число ГРС
как с одним, так и с двумя потребителями и с различной компонов-
кой технологического оборудования.
Схема ГРС для двух потребителей, выполненная по типовому
проекту ТР-884, представлена на рис. 3.9. Работа ГРС по данной
130
Рис. 3.9. Типовая схема ГРС на два потребителя по типовому проекту ТР-884:
а — блок дистанционного управления краном; б — гидроприставка; в — газовый фильтр- г — приборные фильтр и редуктор; д — переход-
ник; 1 — манометр показывающий ОБМГН-160; 2, 3, 4 — манометры показывающие ОБм-160; 5 — И-образный манометр ПР-620; 6,7 —
манометры электроконтактные ЭКМ; 8,9 — термометры технические ртутные; 10, 11 — Диафрагмы камерные ДКН-25; 10а, 10&, //а, 11^ —
диафрагмы поплавковые ДП-430; 12, 13 — регуляторы давления РД или МСТМ-410 в комплекте с фильтрами и редукторами; /2а, 12&, 12й,
13а, 13^, 13в — клапаны, регулирующие ВО типа К; 14 — редуктор кислородный; 15 — регулятор низкого давления РД-32 или РД-20;
16 — разделительный сосуд; 17 — разделительный сосуд с автоматическим запорным клапаном; 18, 19, 20 — изолирующие фланцы. Распо-
ложение контрольно-измерительных приборов по схеме: / — в помещении регулирования и на месте отбора показаний; II — в помещении
расходомеров; III — на щите сигнализации ГРС; IV — на щите в помещении операт°Ра
схеме сводится к следующему. Газ из входного газопровода по-
ступает в блок отключающих устройств и направляется на очистку
в масляные пылеуловители или висциновые фильтры. После
очистки газ поступает в блок редуцирования одного и другого по-
требителей, где происходят снижение давления до заданных
величин и автоматическое поддержание давления на этом уровне.
Затем газ направляется в выходные газопроводы потребителей,
на каждом из которых измеряются'расходДаза и'Дго одоризация.
Рис. 3.10. Схема с подогревом газа по типовому проекту ТР-885 (пояснение пози-
ций см. подрисуночную подпись к рис. 3.9)
Технологической схемой предусматривается возможность не-
продолжительного снабжения газом потребителей по обводным
линиям, минуя ГРС. Эта вынужденная мера вызывается авариями
на ГРС или ремонтными работами. При этом дросселирование газа
осуществляется при помощи кранов вручную.
Для защиты потребителей от недопустимого повышения дав-
ления на выходных газопроводах ГРС установлены пружинные
клапаны.
Типовой проект ТР-885 представляет собой автоматизирован-
ные ГРС с домовым обслуживанием с подогревом газа; производи-
тельность их до 50 000 м3/ч (при давлении газа на выходе 1,0 МПа).
Такие ГРС можно применять при поступлении неосушенного
газа давлением более 2,0 МПа. Для борьбы с гидратообразованием
предусмотрен подогрев газа в теплообменниках. На этой ГРС
(рис. 3.10) газ после очистки проходит через теплообменник спе-
циальной конструкции и затем направляется в блок редуциро-
вания.
На рис. 3.11 показана схема ГРС по типовому проекту ТР-886.
132
Газораспределительные станции размещаются вне границы
перспективной застройки города, населенного пункта или промыш-
ленного предприятия. Расстояние от ГРС до населенного пункта
должно быть не менее 300 м (при давлении газа в сети 2,5 МПа).
Регуляторы давления и контрольно-измерительные приборы
размещаются в помещениях, остальное оборудование — на от-
крытых площадках.
Рис. 3.11. Схема ГРС по типовому проекту ТР-886 (пояснение позиций см. под-
рисуночную подпись к рис. 3.9)
При редуцировании газа по одной нитке газопровода преду-
сматривается вторая резервная нитка. При редуцировании газа
по двум ниткам газопровода предусматривается третья резервная
нитка.
При редуцировании газа регулирующими клапанами по не-
скольким ниткам газопровода резервной нитки не предусматри-
вается. Максимальная пропускная способность одной нитки газо-
провода должна быть не более 90% величины минимального по*
требления газа.
133
При редуцировании газа в две ступени расстояние между кла-
панами принимается не менее 10 диаметров большого клапана.
Диаметр трубопровода между клапанами выбирают из условия,
что линейная скорость газа не должна превышать 30 м/с при мак-
симальном его расходе.
На входе и выходе регулирующих ниток газопровода устанав-
ливают запорную арматуру.
Рис. 3.12. Схема ГРС в блочно-комплектном исполнении
При установке очистных устройств вне помещения площаДку
ГРС ограждают забором. Вытяжную свечу устанавливают вне
площадки на расстоянии 10 м от блока отключающих устройств.
Условный диаметр свечи должен быть не менее 20 мм.
Расстояния между трубопроводами на ГРС должны быть не
менее 500 мм между выступающими частями для трубопроводов
диаметром более 400 мм и не. менее 400 мм для трубопроводов
диаметром менее 400 мм.
Блок отключающих устройств должен быть расположен на
расстоянии не менее 10 м от здания ГРС или от установки масля-
ной очистки. Установку масляной очистки располагают на рас-
стоянии не менее 10 м от здания ГРС и от блока отключающих
устройств.
В помещении ГРС следует предусматривать основной проход
шириной не менее 1 м.
Расстояние между аппаратами, наполненными маслом, прини-
мается равным их наружным диаметрам, но не менее 2 м, для сухих
аппаратов — не менее 1 м.
Температура в отапливаемых помещениях ГРС, работающих
без обслуживающего персонала, поддерживается не ниже +5° С.
В настоящее время при средней величине потребления газа
широко применяют автоматизированные ГРС с блочно-комплект-
ном исполнении на 100 000—150 000 м3/ч газа.
134
Рис. 3.13. Технологическая схема ' автоматизированной ГРС в блочно-комплектном исполнении для двух
потребителей:
1 — блок отключающих устройств в комплекте с расходомерной ниткой и свечой; 2 — блок очистки в комплекте с входной
ниткой: 3 •— блок редуцирования первого потребителя; 4 — блок редуцирования второго потребителя; 5 — строительный
блок: 6 —- одоризационная Установка
Газораспределительная станция состоит из технологических
и строительных блоков заводского изготовления (рис. 3.12), что
обуславливает высокий уровень индустриального строительства.
В качестве пылеочистителей используют мультициклонные пыле-
уловители с высокой степенью очистки газа. Газораспределитель-
ная станция оснащена регуляторами прямого действия с преде-
лами регулирования 1 —100 и более, а также блоками отключения,
очистки, подогрева, редуцирования и пылеуловителей.
Предусмотрен выпуск ГРС шести типоразмеров, из них три для
одного потребителя и три — для двух потребителей.
Габаритные размеры блоков: ширина и длина не более 3350 мм,
высота до 2800 мм.
Технологическая схема автоматизированной ГРС представлена
на рис. 3.13. Газ из блока подключения поступает в установку
очистки, затем на редуцирование и после этого — в газораспреде-
лительные нитки. Газ одорируется и далее поступает в газопровод
потребителя. При возможном обмерзании отключающих и регули-
рующих устройств на входе предусмотрен подогрев газа. Регулиро-
вание давления газа и автоматическое его поддержание при из-
менении потребления газа в широком диапазоне обеспечивается
системами КИП и автоматики.
Здания ГРС монтируют из строительных блоков, для фунда-
мента используют щебеночную подготовку под опорные плиты,
стены и покрытия изготовляют из панелей со стальным каркасом.
На ГРС устанавливают промежуточный диспетчерский пункт.
Для редуцирования газа при газоснабжении сравнительно
небольших потребителей газа используют автоматические газо-
распределительные станции (АГРС) в шкафном исполнении, пол-
ностью изготовляемые в заводских условиях. Ряд типоразмеров
АГРС выпускают с комплектными заготовками блоков оборудо-
вания, опорных конструкций, систем отключения, вентиляции,
КИП и автоматики. Используются два вида обслуживания ГРС:
1) вахтовые (ГРС с расходом газа более 250 000 м3/ч и ГРС, снаб-
жающие предприятия, где газ — сырье); 2) безвахтовые—домо-
вое и кустовое обслуживание (ГРС с расходом газа менее
250 000 ма/ч). Домовое обслуживание предусматривает установку
световых и звуковых сигнализаторов на квартире оператора,
после срабатывания которых оператор должен явиться на ГРС
и устранить неполадки. При кустовом обслуживании несколько
операторов обслуживают пять и более близлежащих ГРС.
§ 6. ОЧИСТКА И ОДОРИЗАЦИЯ ГАЗА
Очистка газа от пыли предусматривается на входе в ГРС и
должна обеспечивать улавливание твердых частиц размером от
10 мкм и более.
На ГРС можно устанавливать масляные, висциновые и цик-
лонные пылеуловители и сухие фильтры.
136
Очистка газа в масляных пылеуловителях происходит за счет
уменьшения скорости потока и контакта его с соляровым маслом.
На ГРС устанавливают пылеуловители внутренним диаметром
1000, 1200, 1400 и 1600 мм.
Рис. 3.14. Масляный пылеуловитель:
А — нижняя, промывочная секция (камера); Б
средняя, осадочная камера; В верхняя, отбой-
ная камера; I и 7 — люки; 2 — уровнемер; 3 --
козырек; 4 и 9 — патрубки; 5 и io --- перегород-
ки; 6 — контактные трубки; 8 — скрубберная на-
садка; 11 — дренажная трубка; 12 и 13 — трубы
Рис. 3.15, Схема установки для очистки газа
в масляных пылеуловителях:
1 - масляный пылеуловитель; 2 — аккумулятор
масла; 3 — отстойник масла; 4 -- короб для сбора
грязного масла; 5 — емкость для чистого масла;
6 — насос
Пылеуловитель представляет собой цилиндрический сосуд
высокого давления, внутреннюю полость которого можно разде-
лить на три секции (рис. 3.14): нижнюю промывочную, в которой
все время поддерживается установленный уровень масла; среднюю
осадительную, где газ освобождается от взвешенных частиц масла;
137
верхнюю отбойную, в которой происходит окончательная очистка
газа от уносимых частиц масла. Нижняя секция снабжена контакт-
ными трубками, имеющими внизу продольные прорези — щели для
создания завихрения потока. В отбойной секции имеется скруббер-
ная насадка, состоящая из швеллерных или жалюзийных секций
с волнообразными профилями.
Процесс очистки газа в пылеуловителе происходит следующим
образом. Поступающий в пылеуловитель через патрубок газ уда-
ряется о козырек и соприкасается с поверхностью масла, после
чего с большой скоростью устремляется по контактным трубкам,
захватывая с собой частицы масла. В осадительной камере (от
одной перегородки до другой) скорость потока газа резко сни-
жается, в результате чего происходит осаждение механических
частиц и частиц жидкости (размером’0,25 мм и более). Осажден-
ные частицы по дренажным трубкам стекают в нижнюю секцию
аппарата. После осадительной камеры газ, освобожденный от
более крупных частиц, поступает в отбойную секцию, где проис-
ходит окончательная его очистка. Осевший на отбойной секции
шлам стекает также по дренажным трубкам в нижнюю камеру.
Очищенный газ через выходной патрубок поступает на редуциро-
вание.
Загрязненное масло периодически удаляется продувкой через
трубу 13 в отстойник масла. Полная очистка пылеуловителя от
загрязнений производится через люки 1 и 7. Чистое масло подается
для пополнения через трубу из аккумулятора масла. Уровень
масла контролируется уровнемером. Для нормальной работы пыле-
уловителя уровень масла должен поддерживаться на 25—50 мм
ниже концов контактных трубок.
Установка масляных пылеуловителей (рис. 3.15) включает
в себя масляные пылеуловители, отстойники масла, аккумулятор
масла, короб для сбора грязного масла, емкости для чистого масла
и насос.
Объем масла для заполнения одного пылеуловителя состав-
ляет 0,87 м3 при его диаметре 1000 мм и 2,65 м3 при диаметре
1600 мм. Расход масла допускается 25 г на 1000 м3 газа.
Пропускная способность масляного пылеуловителя может быть
определена по формуле ВНИИгаза (в м3/сут)
Q = 9,35-Ю6
где D — внутренний диаметр пылеуловителя; р — рабочее дав-
ление газа в пылеуловителе; Т — температура газа в пылеулови-
теле; рж и р,. — плотность смачиваемой жидкости и газа.
Висциновые фильтры устанавливают на ГРС небольшой про-
изводительности (до 50 000 м3/ч). Их можно размещать в помеще-
нии или на открытой площадке. Нормы расхода висцинового масла
5 г на 1000 м3 газа. Висциновые фильтры рекомендуется применять
при очистке газа с небольшой запыленностью.
138
В висциновых фильтрах (рис. 3.16) газ проходит слой насадки
из колец Рашига, которые помещаются россыпью между двумя
металлическими сетками. Поверхность колец покрывается лип-
кой пленкой, на которой оседают и задерживаются мелкие механи-
ческие примеси. Для более тонкой очистки применяют двухрядное
расположение очистных устройств в висциновом фильтре. Висци-
новые фильтры изготовляют диаметром 500, 600, 800 и 1000 мм.
Рис. 3.16. Висциновый фильтр с двумя насадками:
1 — корпус; 2 — кольца Рашига; 3 - сетка; 4 заглушка
Расчет пропускной способности висциновых фильтров проводят
по допускаемой скорости газа (не более 2 м/с на полное сечение
фильтра). Ввиду относительно малой активности поверхности вис-
циновых фильтров необходимо довольно часто восстанавливать
в них масляную пленку. О загрязненности насадок судят по пере-
паду давления газа на висциновых фильтрах. Процесс восстанов-
ления работоспособности фильтров довольно трудоемкий, требует
применения пара и органических растворителей, громоздкого
оборудования (ванны, стеллажи и др.) и выполняется вручную.
При проведении работ по регенерации активной пленки висцино-
вого фильтра последний отключают запорными кранами от газо-
провода и выпускают газ из отключенного участка. Затем откры-
вают люки на корпусе фильтра и извлекают загрязненную насадку.
139
Обычно в качестве растворителя используется керосин, которым
промывают насадку. После промывки насадку опускают в висци-
новое масло. Затем ее извлекают из масла, выдерживают на стел-
лажах и погружают в фильтр.
Для обнаружения утечек газа и наличия его в воздухе вводят
сильно пахнущие вещества — одоранты. В качестве одоранта в на-
стоящее время используют вещества, обладающие резким не-
приятным запахом (табл. 3.6.)
Таблица 3.G
Физико-химические данные некоторых одорантов
Одоранты
Показатели этилмеркаптан тетрагидротиофен
Цвет Прозрачная бесцветная Бесцветная жид-
жидкость (допускает- КОСТЬ
ся зеленоватый отте-
нок)
Запах Скупсоподобный (может Напоминает запах
напоминать запах гни- коксового газа
лой капусты)
Молекулярная масса, т'м-1 02 88
Содержание серы, 51,4 36,4
Температура кипения при атмо- 37 121
сферном давлении, °C
Относительная плотность 0,83 1,0
Упругость паров, мм рт. ст.:
при 10е С 291 8,5
при 20" С 440 14,5
Температура замерзания, °C — 148 -96
Кинематическая вязкость при — 1,042
20" С, см2/с
Норма одоризации, г на 1000 м3 16 16
Одоризация газа производится на выходном трубопроводе из
ГРС. Газ, поступающий бытовым потребителям, должен быть одо-
ризирован. Газ, поступающий на промышленные предприятия,
может не подвергаться одоризации.
Сигнальная норма концентрации газа в помещении должна со-
ставлять 1/5 нижнего предела взрываемости. Минимальное коли-
чество одоранта в газе должно быть таким, чтобы при сигнальной
концентрации газа в помещении ощущался запах одоранта. Из
этих условий рассчитана норма расхода одоранта. Для этилмер-
каптана она составляет 16 г на 1000 м;| газа.
Одоризацию следует проводить путем автоматического ввода
одоранта, количество которого пропорционально расходу газа.
На рис. 3.17 представлена схема полуавтоматической одориза-
ционной установки. Она обеспечивает пропорциональную подачу
одоранта.
140
Работа установки происходит следующим образом. На пути
газового потока в газопроводе установлена диафрагма 9, на ко-
торой создается определенный перепад давления Др в зависимости
от расхода газа. Газ с давлением рА до диафрагмы поступает в ба-
чок с одорантом и создает давление на столб одоранта, равное
Pi — Hopg.
Из бачка одорант по трубопроводу через фильтр и калиброван-
ное сопло впрыскивается в газопровод за диафрагмой с давле-
нием р2- Давление, при кото-
ром осуществляется выход
одоранта из сопла, будет
равно ftpg + Др. Составля-
ющая hpg, т. е. давление
столба жидкости при данной
конструкции установки, все-
гда будет постоянным, а пе-
репад давления Др — пере-
менным. Поскольку перепад
давления изменяется в зави-
симости от количества газа,
проходящего через диаф-
рагму, то этим и будет дости-
Рис. 3.17. Схема полуавтоматической одо-
ризации установки:
/ — калиброванное сопло; 2 — фильтр; 3 —
бачок; 4 - - уровнемер; 5 — предохранитель-
ный клапан; 6 — манометр; 7 — редуктор1,8 —
емкость для одоранта; 9 — диафрагма; 10 —
задвижка
гаться пропорциональность
расхода одоранта и газа.
Расход одоранта контро-
лируется визуально по уро-
внемеру 4. Заполнение бач-
ка одорантом производится
передавливанием из емко-
сти 8. Редуктор 7 служит для создания в емкости необходимого
давления, которое контролируется манометром 6, на емкости уста-
новлен предохранительный клапан 5. Для прочистки сопло откло-
няется с помощью задвижек 10.
§ 7. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ГРС
Газораспределительные станции предназначены для приема
газа высокого давления из магистральных газопроводов, а также
для снижения и поддержания давления на заданном уровне.
Снижение давления газа на ГРС приводит к значительному
охлаждению газа, особенно при больших перепадах давления.
Охлаждение газа является причиной образования гидратов и
обмерзания регулирующих клапанов, запорной арматуры, кон-
трольно-измерительных приборов и трубопроводов. Гидратообра-
зование и обмерзание коммуникаций значительно усложняют
условия эксплуатации ГРС, приводят к перебоям в снабжении га-
зом потребителей, нарушают нормальную работу контрольно-
141
измерительных приборов и исключают возможность полной их
автоматизации.
При проектировании и эксплуатации ГРС для выявления усло-
вий гидратообразования и обмерзания оборудования необходимо
знать температуру газа после регулирующего клапана. Рассмо-
трим изменение температуры газа при дросселировании его на
регулирующем клапане.
На основании первого начала термодинамики имеем:
8q* -|- 8q** == di — vc dp,
где 6q* — количество тепла внешнего теплообмена (при 8q* = О
количеством тепла пренебрегаем вследствие малости поверхности
теплообмена); bq** — количество тепла внутреннего теплообмена;
di — изменение этнальпии газа,
diср dt — CpDj dp-,
ср — теплоемкость газа при постоянном давлении; О, — коэффи-
циент Джоуля—Томсона.
Удельная потенциальная работа vcdp идет на повышение кине-
тической энергии газа и на преодоление сил трения в регулирую-
щем клапане.
Если'принять, что работа, переданная телам внешней системы
и затраченная на изменение положения газа по высоте, равна нулю,
будем иметь:
—vcdp — d (-у-) + б/**,
где v — линейная скорость газа; б/** — работа, затраченная на
преодоление сил трения.
Имеем условие:
б,?** = б/**.
После преобразования уравнения первого начала с учетом при-
веденных соотношений получим:
ср dt - cpDi dp 4- d = 0.
Теплоемкость газа и коэффициент Джоуля—Томсона зависят
от давления и температуры.
Для упрощения задачи эти величины примем постоянными и
равными средним значениям для рассматриваемого процесса.
Как следует из дифференциального уравнения, температура
газа зависит от перепада давления, коэффициента Джоуля—Том-
сона и изменения линейной скорости газа.
Изменение температуры на элементарном участке процесса
142
После интегрирования от состояния рг и до состояния /2,
р2 и vt получим температуру газа после регулирующего клапана:
1 £|2 __ у2
/2 = ti D{ (pi р2) - a •
Ср £>
При малых изменениях линейной скорости газа влиянием ско-
рости по сравнению с эффектом дросселирования можно пренебречь:
t2 & tx - Di (pt, - р2).
Для исключения возможности образования гидратов при по-
нижении температуры газ необходимо подогреть. При использо-
вании специальных теплообменников в качестве теплоносителя
применяют горячую воду. Обычно считается, что гидраты не будут
образовываться, если влагосодержание насыщенного газа при дрос-
селировании не опустится ниже влагосодержания газа, поступаю-
щего на ГРС. Фактическую температуру подогрева принимают
несколько больше полученной из расчета.
Необходимость отопления самого помещения ГРС определяется
в зависимости от климатических условий, влажности транспор-
тируемого газа и конструкции применяемого оборудования и кон-
трольно-измерительных приборов.
В помещениях газорегуляторных пунктов следует предусма-
тривать водяное или паровое отопление как от централизованного
источника тепла, так и от индивидуальной отопительной уста-
новки.
Максимальная температура на поверхности нагревательных
приборов не должна превышать 95° С, а температура в помещении
при этом — 30° С.
Отопительная установка при устройстве в ГРС местного водя-
ного отопления должна размещаться в изолированном, имеющем
самостоятельный выход помещении, отделенном от технологи-
ческого, а также от других помещений ГРС глухими газонепрони-
цаемыми и противопожарными стенами с пределом огнестойкости
не менее 2,5 ч.
Допускается электрообогрев помещения ГРС или отдельного
оборудования при наличии лимитов на электроэнергию и условии
выполнения устройств отопления во взрывозащищенном исполне-
нии. Температура нагрева наружных поверхностей оболочек элек-
трооборудования не должна превышать 115° С. Температура отап-
ливаемых помещений газорегуляторных пунктов должна быть не
менее 5° С.
Пример 3.1. Определить температуру газа (метана) на выходе из ГРС,
если температура газа до регулирующего клапана была tt = 0° С, абсолютное
давление р, = 4 МПа, абсолютное давление после клапана рг = 1 МПа, линей-
ная скорость газа до клапана Vj = 30 м/с.
Решение
Для метана средняя величина теплоемкости при постоянном давлении может
быть принята ср = 2300 Дж/(кг-°С). Коэффициент Джоуля—Томсона О,- =
= 4° К/МПа.
143
Если диаметры трубопроводов до и после регулирующего клапана равны
между собой, то можно считать, что скорость газа после клапана приближенно
составляет
= и, —— = 30-4 = 120 м/с.
Р-2
Температура газа после регулирующего клапана
1 т/2__,
t-z — Л ~ (Pi Р-i) ~ ‘ л “ ~
j ОЛ2_зп2
- о - 4 (4,0 - 1,0)-----1 = —14,9 °C.
а’4jUu
Из приведенного расчета следует, что температура газа в рассмотренном
случае снижается главным образом под влиянием эффекта Джоуля—Томсона.
§ 8. ГАЗОРЕГУЛЯТОРНЫЕ ПУНКТЫ (ГРП)
Газорегуляторные пункты предназначены для снижения дав-
ления и автоматического поддержания его на заданном уровне.
Они сооружаются в городах, населенных пунктах, а также на
промышленных и коммунально-бытовых предприятиях. Газорегу-
ляторные пункты связывают сеть высокого или среднего давления
с сетью низкого давления. Их устанавливают также для снижения
давления с высокого до среднего.
Газорегуляторные пункты включают в себя следующее обору-
дование: регулятор давления газа, фильтр для очистки газа от
g Рис. 3.18. Технологическая схема га-
_____________________j / зорегуляторного пункта:
/ ( | 7 I — входной газопровод; 2, 6 и 9 —• за-
\ I ГЛ П . I / движки; 3 — фильтр; 4 — прсдохранитсль-
‘ ный клапан; 5 — регулятор давления;
/ О, / \ ! 7 -- выходной газопровод; 3 — обходной
Z 'J / 5 6 газопровод
пыли, предохранительный клапан, прекращающий подачу газа
при повышении давления сверх заданного, запорные краны или
задвижки, обходной газопровод и контрольно-измерительные
приборы. Схема ГРП представлена на рис. 3.18. Газ, поступающий
на ГРП, проходит через фильтр, где очищается от механических
примесей. Затем проходит через предохранительный клапан и
регулятор давления, где происходит дросселирование его до за-
данного давления.
Предохранительный клапан автоматически перекрывает трубо-
провод в случае повышения выходного давления сверх заданного,
что может быть вызвано неисправностью регулятора давления.
Давление газа до регулирующего клапана и после него изме-
ряется показывающими или регистрирующими манометрами.
Некоторые ГРП промышленных и коммунальных потребителей
оборудуются приборами для измерения количества газа: диа-
фрагмами и дифференциальными манометрами или ротационными
счетчиками.
144
При аварийном включении регулятора давления подача газа
производится через обходной газопровод. Давление газа регули-
руется вручную с помощью задвижек.
Газорегуляторные пункты размещаются в специальных на-
земных или подземных помещениях. Наибольшее распространение
получили наземные ГРП. Принципиальная схема типового ГРП
показана на рис. 3.19. Комплектовка и техническая характе-
ристика основного оборудования ГРП даны в табл. 3.7.
Рис. 3.19. Принципиальная схема типового ГРП:
/ — сбросное устройство; 2, 10, 12 — сальниковые муфтовые краны диаметром 20 и 25 мм»
J - измерительная диафрагма; 4 - предохранительный клапан П КН-100 (ПКВ-100);
5 — регулятор давления РДУК2-100; 6, 11 — краны со смазкой условным диаметром
100 и 80 мм; 7 — задвижка клиновая диаметром 80 мм на давление 1.6 МПа; 8 - мано-
метр; 9 — трехходовые краны; 13 — сварной волосяной фильтр диаметром 100 мм на
давление 1,2 МПа; 14 - термометр; 15 — диафманометры; 16 — щит ГРП
Газорегуляторные пункты подают газ в газопроводы низкого
давления отдельных районов города или поселка. Местные пункты
называются газорегуляторными установками (ГРУ) и служат для
подачи газа промышленным и коммунальным предприятиям.
Для очистки газа от механических примесей на ГРП и ГРУ
устанавливают волосяные фильтры, а в блоках регулирования —
волосяные и сетчатые угловые фильтры. Все фильтры хорошо очи-
щают газ, просты по конструкции и удобны в эксплуатации.
145
Таблица 3.7
Комплектовка и техническая характеристика основного оборудования ГРП
Регуляторы
давления с Предохрани- Фильтры
пилотом гельиые волосяные г- Дифманометры
К ИЛИ лапаны (сварные) га
Номинальная Прибор для КН2- 00 с. X £
пропускная 5 5 £
способность
ГРП, м3 ч газа о * S S S S S га О ДО X -
О) >00 200 О о о О ро
tf ДУК ДсС К II--а 1 к В-: Н •& га ТС-7 о СП 7 ST xS га Ю
О. О. е. С" ч д 50
500—5300 Дифманометр 1 1 - 1 1 — 1 3 1
Счетчик 1 1 — 1 1 § О 2
1 000—11 600 Дифманометр 2 — — 2 — — 2 2 — = р к v С 2 4 2
Счетчик 2 2 — 2 2 со 3 2
750—14 000 Дифманометр — 1 — — 1 — .— 1 1 — 1 3 1
1 520—28 000 Без прибора — 1 — 1 — — 1 — Я ?С О 2 1
Дифманометр — 2 — — 2 — — 2 2 — S о Г> 2 5 2
Без прибора — 2 — — 2 — — 2 — £ 1=1 ю о к “ 3 2
3 800—39 000 Дифманометр — — 1 — — 1 — 1 1 — 2 0 0 5 X О Е О О 1 3 1
Без прибора — — 1 — — 1 1 о 6 3 2 1
7 800—78 000 Дифманометр — — 2 — — 2 — 2 2 — ® _ о И ® R 2 5 2
Без прибора — — 2 — 2 2 Оч л 1 5 s £ 3 2
1 250—19 300 Дифманометр 1 1 — 1 1 — 1 1 2 — - s 5 1 я £ ~ я 5 2 5 2
Без прибора 1 1 1 1 1 1 н R гс 3 3
4 300—44 300 Дифманометр 1 — 1 1 — 1 1 1 2 — 2 g О ® § Ж ГС 2 5 2
Без прибора 1 — 1 1 — 1 1 1 — ® ГС И Р 3 2
4 550—53 000 Дифманометп Без прибора — 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 2 5 оз < S 5=ч g -л о ш>> У 2 5 3 2 2
2 300 Дифманометр 1 1 — 1 — — 1 1 — гс F-> ГЕ 1 3 1
4 400 » — 2 — 1 1 1 О У0- s 1 3 1
8 700 » — 1 1 — 1 — — 1 — 1 — р» 1 3 1
Промышленностью выпускаются волосяные фильтры с литым
чугунным корпусом, которые компонуются с регулятором давле-
ния соответствующего размера. Чугунные фильтры не всегда обес-
печивают пропускную способность устанавливаемых в комплекте
с ними регуляторов давления типа РДУК-2.
Фильтрующим элементом фильтра является кассета, которая
представляет собой кольцо, обтянутое с обеих сторон металличе-
Рис. 3.21. Угловой сетчатый
s
Рис. 3.20. Сварной волосяной фильтр:
/ и 4 • входной и выходной патрубки; 2 ..
крышка фильтра; .7 фильтрующая кассета с
металлической сеткой it набивкой (конский по-
лос или капроновая нить); 5 .- заглушка для
удаления пыли из сборника; 6’ - отбойный
лист
фильтр:
I - крышка фильтра; 2 — корпус
фильтра; 7 и 7 - выходной и входной
фланцы; 4 и 6 -- штуцеры для подклю-
чения манометров; 5 — стакан с филь-
трующей металлической сеткой
ской сеткой. Внутренняя полость кассеты заполнена фильтрую-
щим материалом, в котором задерживаются мелкие частицы пыли
(крупные частицы осаждаются перед кассетой).
Разработана конструкция волосяных фильтров с условным
диаметром 50, 100 и 200 мм, рассчитанных на рабочее давление 0,6
и 1,2 МПа. Пропускная способность фильтров приведена в соответ-
ствие с пропускной способностью газорегулятора.
Фильтр (рис. 3.20) состоит из сварного стального корпуса,
внутри которого имеется кассета с металлической сеткой и филь-
трующим материалом. На входе газа перед кассетой установлен
отбойный лист для защиты фильтрующего элемента кассеты от
повреждения крупными частицами. Сверху корпус закрывается
плоской крышкой для фильтров Dy -- 50 мм или эллиптической
для фильтров, у которых условный диаметр равен 100 и 200 мм.
В нижней части фильтра имеется сборник для крупных частиц,
которые удаляются через патрубок с заглушкой.
Фильтры больших размеров имеют значительную массу. По-
этому они оборудованы опорами. Фильтры с условным диаметром
50 мм опор не имеют. Для волосяных сварных фильтров установ-
лен перепад давления газа, равный 10 000 Па. Фильтрующую
кассету рекомендуется очищать, когда перепад давления газа
достигает 5000-6000 Па.
147
Фильтр следует выбирать из условия, что перепад давления
газа на чистой кассете не должен превышать 3000 Па.
Общий перепад давления газа в фильтре определяется суммой
перепадов давлений на кассете и в корпусе фильтра. Для задан-
ного расхода общий перепад давления на фильтре можно опреде-
лить по графикам.
Для установки на проектируемом ГРП может быть выбран чу-
гунный или сварной фильтр в зависимости от пропускной способ-
ности и допустимого перепада давления.
Таблица 3.8
Краткая техническая характеристика газовых фильтров
Наиме- нование мм Ру. МПа Максимальная пропускная спо- собность (в ма/ч) при ру, МПа Габаритные размеры, мм Масса (в кг) при давле- нии, МПа
до 0,6 до 1,2 длина шири- на вы- сота ДО 0.6 ДО 1.2
Волося- 80 1,2 1 570 280 300 315 45
ной чу- 100 1.2 — 2 190 280 300 339 — 53
гунный 150 1.2 — 4 910 280 390 375 — 71
200 1,2 — 8 830 280 500 470 — 105
300 1,2 — 18 820 320 670 610 — 164
Волося- 50 0,6; 6 400 9 120 550 435 532 66 95
ной 1,2 (550) (460)
сварной 100 0,6; 15 000 19 300 700 535 1100 125 175
1,2 (840) (580)
200 0,6; 36 350 43 750 970 860 1200 310 456
1,2 (1075) (880)
Сети;)- 15 1,6 1,5-2,5 — 110 60 84 — (0,9)
тый 25 1,6 300 — 160 190 115 — (5,7)
40 1,6 200 — 200 245 145 —• (6,8)
Примечая и я. 1. Применение чугунных фильтров (из-за недостаточной их
производительности) с РДУК не рекомендуется.
2. Размеры, приведенные в скобках, относятся к фильтрам на Ру до 1,2 и до 1,6 МПа.
3. Масса, ширина и высота фильтров, выпускаемых различными предприятиями,
могут несколько отличаться от приведенных.
Основной недостаток волосяных фильтров — сравнительно
быстрая их загрязняемость и в связи с этим резкое увеличение
сопротивления.
Для очистки газа на ГРУ и в шкафных ГРП применяют угловые
сетчатые фильтры (рис. 3.21).
Фильтр состоит из чугунного корпуса с фланцевым или муфто-
вым соединением. Фильтрующим элементом является стакан,
обтянутый металлической сеткой. Сетка имеет размеры ячеек
0,4—0,5 мм и выполнена из проволоки диаметром 0,25 мм. Стакан
148
устанавливают в корпусе и закрывают чугунной крышкой с резь-
бовым соединением.
Допустимый перепад давления газа на сетке фильтра не дол-
жен превышать 0,002 МПа. Общие потери складываются из пере-
пада давления на корпусе (30—40%), в стакане (50—60%) и на
фильтрующей сетке (1—2%).
Степень загрязнения фильтра определяется по перепаду дав-
ления. При возрастании перепада открывается крышка, стакан
с сеткой вынимают, промывают или заменяют новым. Краткая
техническая характеристика
фильтров дана в табл. 3.8.
Для автоматического регу-
лирования давления на ГРП
в настоящее время использу-
ются универсальные регуля-
торы давления типа РДУК,
предназначенные для сниже-
ния давления с высокого на
среднее и низкое и со сред-
Рис. 3.22. Схема универсального регуля-
тора давления типа РДУК:
1 . входной трубопровод; 2 импульсная
линия входного давления; 3 -- импульсная
линия от головки пилота в подмембранное
пространство регулятора давления; 4 — пилот;
5 — импульсная линия подмембранное прост-
ранство регулятора — выходной газопровод;
6 — мембрана пилота; 7 — регулирующая
пружина пилота; 8 — корпус клапана; 9 —
выходной газопровод; 10 -- импульсная линия
пилот — выходной газопровод; 11 — импуль-
сная линия подмембран ное пространство кла-
пана — выходной газопровод; 12 — мембран-
ная коробка; 13 — мембрана клапана; 14 —
колонка штока клапана; 15 — тарелка клапана
него на низкое.
Универсальный регулятор
(рис. 3.22) состоит из чугун-
ного литого корпуса, мем-
бранной коробки и регуля-
тора управления (пилота).
Если газ в газопровод не
подается, регулирующий кла-
пан находится в закрытом
положении и клапан регуля-
тора (пилота) открывается под
действием регулировочной
пружины.
При подаче газа на вход регулятора газ поступает в регулятор
управления по импульсной трубке 2 и трубке 3 в подкамерную по-
лость клапана. Далее газ проходит по трубке 10 в выходной газо-
провод.
Мембрана под давлением газа поднимается, и клапан регуля-
тора открывается. Через открытое седло клапана газ поступает
в выходной газопровод. Давление газа в выходном газопроводе
по импульсным трубкам 5 и 11 передается в надмембранное про-
странство регулятора и в надмембранное пространство регулирую-
щего клапана. В зависимости от настройки устанавливается равно-
весие мембран.
Газ в подмембранное пространство поступает через дрос-
сель. Из трубки 10 в выходной газопровод газ выходит через
дроссель, что создает избыток давления в подмембранном
пространстве по сравнению с давлением в надмембранном про-
странстве.
149
При увеличении отбора газа потребителями давление на вы-
ходе регулятора будет снижаться. Клапан пилота откроется еще
больше, давление в подмембранном пространстве увеличится,
и крышка поднимется. Таким образом, давление в выходном газо-
проводе восстановится.
При перепаде давления на регулирующем клапане, равном
0,1 МПа, и плотности газа, равной 0,73 кг/м3, производительность
регуляторов составляет (в м3/ч):
РДУ К-2-50 .........................................' 920
РДУК-2-100:
с клапаном Dy --- 50 мм.......................... 1 430
с клапаном Dv - 70 мм............................. 3 430
РДУК-200 с клапаном 140 мм......................... И 780
Для защиты выходных газопроводов от превышения установ-
ленного давления на ГРП устанавливают предохранительные за-
порные клапаны и сбросные устройства.
Предохранительные, клапаны устанавливают в двух модифи-
кациях: высокого и низкого давления. При отклонении давления
от заданного чувствительная мембрана приводит в действие си-
стему грузов, и тарелка клапана перекрывает поступление газа.
В качестве предохранительных (сбросных) устройств применяют
жидкостные затворы и пружинные клапаны более высоких дав-
лений.
Основные параметры предохранительно-запорных клапанов
(отсечных), устанавливаемых для автоматического отключения
потока газа при повышении или понижении его давления против
установленных пределов, приведены ниже. Нормы герметичности
клапана должны соответствовать 1 классу по ГОСТ 9544—75.
Основные параметры предохранительно-запорных клапанов
Диаметр условного прохода (по вхо дному патруб-
ку) Dy, мм .............................. 25—500
Давление газа, МПа:
условное .............................0,25; 0,6; 1,0;
1,6; 2,5
рабочее р.,............................0,05; 0,1; 0,3;
0,6; 1,2
Точность срабатывания предохранительных запорных клапанов
(ПЗК), в том числе встроенных в регулятор давления, составляет
— 5% заданных величин контролируемого давления.
Предохранительно-запорные клапаны поставляются со смен-
ными пружинами или грузами, обеспечивающими настройку ве-
личины давления импульса в пределах заданного диапазона. По
требованию заказчиков предохранительно-запорные клапаны мо-
гут поставляться с электромагнитом или воздушной головкой.
Предохранительные сбросные клапаны изготовляют на давле-
ния срабатывания в пределах: от 0,001 до 0,005 МПа для низкого
150
давления и от 0,005 до 0,125 МПа для среднего давления. Причем
относительная нерегулируемая протечка не допускается.
Основные параметры предохранительных сбросных клапанов
Диаметр условного прохода D,,, мм ............ 6—150
Убавление, МПА:
условное /к....................................0,25; 0,4; 0,6;
1,0; 1,6; 2,5
рабочее р„ . . ............................. 0,001 —0,005;
0,03—0.08;
0,08-0,13;
0,6; 1,0 1,6
Для предела срабатывания свыше 0,125 МПа применяют пру-
жинные предохранительные клапаны общего назначения или из-
готовленные по специальному заказу. Предохранительные сброс-
ные клапаны должны обеспечить начало открытия при повышении
установленного максимального давления не более чем на 5% и
полное открытие при превышении этого давления не более чем
на 15%.
Предохранительные клапаны следует предусматривать перед
регуляторами давления, а сбросные предохранительные устрой-
ства — за регуляторами давления после расходомеров.
В качестве предохранительных сбросных устройств следует
предусматривать предохранительные клапаны или гидравлические
предохранители.
Необходимая пропускная способность предохранительного
клапана (ПСК) в ГРП и ГРУ должна определяться:
при наличии перед регуляторами давления предохранительных
запорных клапанов (ПЗК) по формуле
ср — 2D,
где ср — пропускная способность клапана, кг/ч; D — диаметр
седла наибольшего из клапанов регуляторов давления газа, мм;
если перед регуляторами давления ПЗК не устанавливается —
не менее пропускной способности наибольшего из клапанов регу-
ляторов'давления за вычетом величин минимального потребления
газа;
если перед регулятором давления ПЗК не устанавливается
(но у потребителей предусматривается регулирующее устрой-
ство)— не менее* 10% пропускной способности наибольшего из
клапанов регуляторов системы регулирования ГРП.
§ !). УЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ГАЗА 1
Расход газа на ГРС является основным параметром, точность
и надежность измерения которого определяет многие производные,
технические и экономические характеристики их работ. Точные
измерения расхода газа лежат в основе системы учета и планиро-
вания поставок газа.
* Написан с участием ипж. В. М. Михайлова.
151
Выбор контрольно-измерительных приборов необходимо про-
водить в соответствии со следующими основными положениями:
параметры, наблюдение за которыми необходимо для правиль-
ного ведения установленных режимов эксплуатации, должны кон-
тролироваться при помощи показывающих приборов;
параметры, изменение которых может привести к аварийному
состоянию оборудования, должны контролироваться при помощи
самопишущих приборов;
параметры, учет которых необходим для анализа работы обо-
рудования и хозяйственных расчетов, должны контролироваться
при помощи самопишущих или интегрирующих приборов.
В Советском Союзе и за рубежом разработаны и выпускаются
расходомеры для газа различных типов.
По принципу контактирования с рабочей средой различают
контактные и неконтактные методы измерения пропускной способ-
ности газопровода или расхода газа. К первым относятся расходо-
меры переменного перепада давления, использующиё сужающие
устройства разнообразного типа, расходомеры постоянного пере-
пада давления (ротамеры, поршневые, поплавковые), турбинные
и гидродинамические расходомеры, использующие метод контроль-
ных меток и др. Ко вторым относятся расходомеры на электро-
магнитном, ультразвуковом и других принципах действия, осно-
ванные на ядерно-магнитном резонансе и др. Расходомеры на не-
контактном принципе для чистого газа имеют большую погреш-
ность, чем контактные, из-за электрохимических процессов, раз-
личных помех, непостоянства напряжения питания и т. д. Од-
нако для сильно загрязненного газа неконтактный метод измере-
ния расхода более перспективен по сравнению с контактным.
В промышленности широко применяют расходомеры перемен-
ного перепада давления. Метод измерения расхода основан на
том, что при установке в газопроводе сужающего устройства про-
исходит частичный переход потенциальной энергии давления
в кинетическую энергию скорости. При этом статическое давление
в суженном месте меньше давления перед местом сужения. Перепад
давления на сужающем устройстве Ар зависит от расхода газа и
пропорционален его квадрату, т. е.
Q = С /Др ,
где С — постоянный коэффициент для данного расходомера.
Расчет сужающих устройств производится в соответствии
с «Правилами 28—64 измерения расхода жидкостей, газов и паров
стандартными диафрагмами и соплами» ГК стандартов, мер и из-
мерительных приборов СССР. Расход газа (в м3/ч) рекомендуется
рассчитывать по формуле
Q = 2,109ead21/^-,
4 г риТг
152
где е — поправочный множитель на расширение газа; а — коэф-
фициент расхода; d — диаметр отверстия диафрагмы; Др — наи-
больший перепад давления в диафрагме, соответствующий верх-
нему пределу измерений манометра; р — абсолютное давление
газа перед диафрагмой; р„ — плотность сухого газа; Т — темпера-
тура газа перед диафрагмой; z — коэффициент сжимаемости газа.
К стандартным сужающим устройствам относятся нормальная
диафрагма, нормальное сопло и труба (сопло) Вентури.
Рис. 3.23. Характер потока и распреде-
ление статического давления при уста-
новке в трубопроводе диафрагмы:
pt — давление газа перед диафрагмой;
р2 — давление газа после диафрагмы, / —
сечение потока в месте, где действие суже-
ния еще не сказывается; // — сечение по-
тока в месте наибольшего сужения; 1 и
2 отверстия для отбора статического
давления
Рис. 3.24. Диафрагма (стрелкой указа-
но направление потока
В промышленности широкое распространение получили пло-
ские и камерные диафрагмы. Нормальная диафрагма представляет
собой тонкий диск, имеющий отверстие, концентричное оси трубо-
провода, с острой прямоугольной кромкой со стороны входа по-
тока (рис. 3.23). Давление у плоской диафрагмы отбирают с по-
мощью отдельных сверлений. Для усреднения давлений исполь-
зуют несколько отверстий, распределенных равномерно по ок-
ружности диафрагмы в плоскостях отбора. Со стороны входа по-
тока газа отверстие диафрагмы имеет цилиндрическую форму,
а со стороны выхода — коническую (рис. 3.24). Кромка отверстия
диафрагмы со стороны входа потока должна быть острой. В ка-
мерных диафрагмах давление отбирают из камер, соединенных
с трубой кольцевыми щелями. Преимущество камерных диа-
фрагм — более точный отбор давления и менее жесткие требова-
153
ния к длине прямолинейных участков трубопроводов до и после
диафрагмы. Недостаток камерных диафрагм — необходимость спе-
циальных уплотнительных устройств для герметизации камер.
Конструкция и способ крепления диафрагм должны обеспечивать
возможность их периодического осмотра и проверки. Поскольку
действительный расход определяется по перепаду давления рас-
четным путем, то необходимо определять давление и температуру
газа перед диафрагмой. Избыточное давление измеряют непосред-
ственно у входного торца диафрагмы через отдельное цилиндриче-
ское отверстие, при этом это отверстие не должно быть использо-
вано для измерения перепада давления. Точность замера зависит
от правильной установки диафрагмы в трубопроводе. Измеритель-
ный участок должен быть прямым и цилиндрическим с круглым
сечением. Действительный диаметр трубопровода в месте установки
диафрагмы определяется как среднеарифметическое измерений
на участке перед диафрагмой в двух поперечных сечениях непо-
средственно перед диафрагмой и на расстоянии 2D (где D — диа-
метр газопровода) от нее, при этом измерения проводятся в че-
тырех диаметрально противоположных направлениях. Длина
прямого участка составляет не менее 50. Не допускается устанав-
ливать диафрагмы непосредственно у местных сопротивлений
(задвижки, колена, угольники и др.). Регулировочные задвижки
и краны рекомендуется устанавливать после диафрагмы. При
установке их перед диафрагмой должно соблюдаться расстояние
не менее ЮОО. Рабочая температура измеряется перед диафрагмой.
Гильза с датчиком должна входить внутрь трубопровода на глу-
бину примерно 0,50. Наименьшее расстояние до нее должно со-
ставлять не менее 5£).
Для уменьшения прямых участков после местных сопротивле-
ний устанавливают струевыпрямители пластинчатого или труб-
чатого вида. Выбор диафрагмы сводится к расчету перепада дав-
лений Др и модуля т = (dJD'f. С увеличением Др уменьшается
ее модуль т. При уменьшении модуля повышается точность из-
менений, расширяется область измерений без поправки на число
Рейнольдса, сокращается необходимая длина прямых участков
газопровода и снижаются требования к установке диафрагмы.
Модуль диафрагмы т колеблется от 0,05 до 0,7, перепад давления
выбирают таким, чтобы модуль был близок к 0,2.
Верхний предел измерений по расходу выбирают по наиболь-
шему измеряемому ~расходу, нижний предел должен составлять
30% от верхнего. Расширение предела измерения достигается пу-
тем установки диафрагмы на нескольких параллельных газопро-
водах. Перепад давления, создаваемый на диафрагме, передается
к дифманометру-расходомеру посредством импульсных линий
с внутренним диаметром не менее 8 мм, для уменьшения запазды-
вания рекомендуется применять трубки с внутренним диаметром
не менее 12 мм. Дифманометр должен быть расположен выше су-
жающего устройства, чтобы в него не попадала содержащаяся
154
в виде капель и пара вода. При его установке ниже сужающего
устройства необходимо использовать дренажные устройства
(рис. 3.25).
Обе соединительные трубки должны находиться в одинаковых
температурных условиях и должны быть изолированы от воздей-
ствия внешних источников тепла или холода. Перепад давления
на диафрагме замеряется дифференциальными манометрами-рас-
ходомерами. Существуют дифманометры трех типов: жидкостные,
колокольные и пружинные.
Рис. 3.25. Схема соединительных
линий при измерении расхода
газа:
а — дифраномстр-расходомер рас-
положен выше диафрагмы; б ди-
фр а но метр-расходомер расположен
ниже диафрагмы; / - диафрагма;
2 -- вентиль; .4 - продувочный вен-
тиль; 4 — днфрапометр-раеходомер;
.5 — отстойный сосуд
В основу жидкостных дифманометров положен принцип сооб-
щающихся сосудов, заполненных жидкостью, при этом относи-
тельное положение уровней жидкости в сосудах пропорционально
перепаду давления.
Колокольные дифманометры основаны на силовом воздействии
перепада давления на колокол, плавающий в жидкости: при из-
менении перепада давления изменяется относительное перемеще-
ние колокола.
В пружинных дифманометрах перепад давления воздействует
на манометрический упругий элемент, деформация которого про-
порциональна перепаду давления.
В газовой промышленности чаще всего используются поплав-
ковые, сильфонные и мембранные манометры. Поплавковый диф-
манометр типа ДП состоит из двух частей: измерительной системы,
состоящей из поплавкового устройства, использующего принцип
действия обычных U-образных манометров, и механизма для пере-
дачи перемещения поплавка на измерительный прибор.
Расходомеры типа ДП выпускаются на перепады давления 0,63;
0,001; 0,0016; 0,0025; 0,04; 0,063; 0,1 и 0,16 МПа. Рабочее давление
до 16 МПа, класс точности— 1,5. Они снабжены самопишущими
устройствами с приводом диафрагмы от часового механизма и
устройством для измерения и записи давления. Исправность ра-
155
боты дифманометра проверяют по рабочей точке путем сравнения
показаний с контрольным U-образным манометром и по перепаду
давлений по всей шкале диафрагмы на отключенном приборе.
Мембранные дифманометры типа ДМ работают в комплексе
с автоматическими приборами дифференциально-трансформатор-
ной схемы типа ДС1 или ЭПИД для преобразования величины
измеряемой разности давления в электрический сигнал с целью
Рис. 3.26. Принципиальная схема системы централизованного контроля расхода
газа:
} газопровод; 2 замерная диафрагма; J - термобаллон термометра; 4 — датчик
давления .контролирующий давление на входе.ГРС' 5 — вторичный прибор, регистри-
рующий давление газа; 6 - вторичный прибор, ре .гистрирующий расход и температуру
газа; 7 датчик температуры; Л - дифранометры-расхо д м ру, 9— интегратор' 10--
датчик давления
передачи на вторичный прибор ДС1 или ЭПИД. Принцип действия
сильфонного блока дифманометра основан на зависимости между
измеряемым перепадом давления и упругой деформацией винто-
вых цилиндрических пружин, сильфонов и торсинной трубки.
Каждому номинальному перепаду давления соответствует опреде-
ленный блок пружин. Коррекция по температуре и давлению осу-
ществляется с помощью термосистемы и пружинного манометра.
Принципиальная схема системы контроля за расходом газа дана
на рис. 3.26.
В случаях пульсирующего потока газа необходимо добиваться
уменьшения дополнительной погрешности при помощи специаль-
ных фильтров-успокоителей. Пульсация сглаживается тем силь-
нее, чем больше объем системы (включая объем фильтра) между
источником пульсаций и сужающим устройством и чем больше
падение давления на этом участке, соответствующее среднему рас-
ходу. Для больших диаметров газопроводов и больших расходов
газа целесообразно использовать парциальный метод измерения
расхода. Он основан на измерении расхода определенной части
основного потока, отведенной в обводную трубу. Между расходом
газа по основной трубе Q и расходом газа по обводной трубе q
существует устойчивая функциональная зависимость Q = f (q)-
Зная расход q по обводной трубе с достаточной точностью и ис-
156
пользуя зависимость Q = f (g), определяют суммарный расход
газа. Погрешность измерения расхода парциальным методом скла-
дывается из погрешностей калибровочной зависимости Q = f (<7)
и измерения расхода газа по обводной трубе. Преимуществом
парциального метода является возможность измерения больших
расходов газа в трубопроводах больших диаметров. Для расчета
малых расходов газа применяют объемные счетчики на давление
до 0,003 МПа и пропускной способностью 2,5—6 м3/ч. Для расчета
больших расходов газа применяют промышленные ротационные
счетчики на давление до 0,1 МПа и пропускной способностью
40— ЮОО’м’/ч.
ГЛАВА 4
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
§ 1. СТРУКТУРА ГОРОДСКИХ ГАЗОВЫХ СЕТЕЙ
Все газопроводы, входящие в газораспределительную сеть,
условно разделяются на магистральные (транзитные) и распреде-
лительные. Магистральные газопроводы предназначены для пере-
дачи газа из одного района города в другой. Распределительные
газопроводы служат для подачи газа непосредственно потреби-
телям (рис. 4.1).
К внутреннему газовому оборудованию жилых домов и про-
мышленных предприятий относятся внутридомовые и промышлен-
ные газопроводы, газовые приборы и установки для сжигания
газа.
Газораспределительная сеть города может иметь газопроводы
различного давления. В зависимости от этого могут быть следую-
щие системы (рис. 4.2):
1) одноступенчатая система, при которой распределение газа
и подача его потребителям осуществляются по газопроводам
только одного давления;
2) двухступенчатая система, при которой подача газа в раз-
личные районы города осуществляется по газопроводам высо-
кого (до 0,6 МПа) или среднего давления, а распределение по
потребителям — по газопроводам низкого, среднего или высо-
кого (до 0,6 МПа) давления;
3) трехступенчатая система, в которой используются газопро-
воды высокого (до 0,6 МПа), среднего и низкого давлений;
4) многоступенчатая система, при которой следует преду-
сматривать газопроводы высокого (до 1,2 МПа и до 0,6 МПа),
среднего и низкого давлений.
Связь между газопроводами различных давлений должна пре-
дусматриваться только через газорегуляторные пункты (ГРП)
или газорегуляторные установки (ГРУ).
Систему газоснабжения выбирают с учетом источников, объема
и назначения газоснабжения, размера и планировки города,
а также с учетом экономики.
Выбор системы газоснабжения производят с учетом того, что
чем больше давление газа в газопроводе, тем меньше его диаметр
158
и стоимость (при этом должна учитываться сложность прокладки
газопровода). С увеличением числа ступеней возрастает число
ГРП, но уменьшается диаметр последующих ступеней давления.
Для поселков и небольших городов с населением до 30 000—50 000
жителей рекомендуются одноступенчатые системы газоснабжения.
Для временной застройки возможен вариант сети с установкой
квартирных или домовых регуляторов давления.
Рис. 4.1. Виды газопроводов и газовых сетей:
а — одиночный газопровод с сосредоточенной нагрузкой; б - разветвлен пая тупиковая
есть с сосредоточенными нагрузками; в одиночный газопровод с равномерно расправ -
ленной нагрузкой; г - разветвленная есть с равно распределенной нагрузкой; д оди -
ночный газопровод с комбинированной погрузкой; е - разветвленная сеть с комбиниро-
ванной нагрузкой; ж, з кольцевая есть среднего или высокого давления и слотм-
ная кольцевая сеть низкого давления
Для городов с населением 50 000—250 000 жителей рекомен-
дуются двуступенчатые системы газоснабжения. Давление в пер-
вой ступени 0,3—0,6 МПа.
159
При застройке крупными кварталами целесообразно приме-
нять двухступенчатую схему со шкафными регуляторными пунк-
тами.
Трехступенчатую схему применяют при повышенных требо-
ваниях к надежности, при большой территории зоны газоснаб-
жения и неудобной планировке города и при наличии предприя-
тий, требующих газ высокого давления. Для городов с населе-
Рис. 4.2. Системы газоснабжения населенных мест:
а — одноступенчатая; б — двухступенчатая; в — трехступеичатая
нием более 250000 жителей рекомендуется трехступенчатая си-
стема газоснабжения. Вокруг города целесообразно прокладывать
магистральный газопровод высокого давления для подачи газа
в отдельные районы.
При наличии газгольдерной станции давление в кольце со-
ставляет 1,2 МПа, при отсутствии газгольдеров и плотной за-
стройки оно равно 0,6 МПа.
Вопрос о целесообразном применении закольцованных и раз-
ветвленных сетей и их рациональном соотношении является одним
из наиболее важных при проектировании. Более экономичны, но
менее надежны тупиковые газопроводы. Местные условия газо-
снабжающей зоны в некоторой степени влияют на выбор рацио-
нальной структуры газовой сети. Однако в большинстве случаев
система газоснабжения состоит из совокупности закольцованных
газовых магистралей и тупиковых разветвленных сетей, отхо-
дящих от магистралей. Кольцо главных магистралей тем меньше,
чем более ответственные потребители газа подключены к сети и
чем больше удельные нагрузки сети. Подобная схема является
достаточно гибкой в управлении, имеет возможность обеспечи-
вать при необходимости существенные перетоки газа из одних
газоснабжающих зон в другие, выравнивать режимы работы сети
микрорайона, иметь высокую надежность работы всей газовой
сети.
160
Трассирование газораспределительных сетей
и расстановка арматуры
Для прокладки городского газопровода необходимо иметь
следующие исходные данные:
1) генеральную схему системы газоснабжения;
2) планы проездов с подземными сооружениями;
3) геолого-литологический разрез на глубину 3 м или
отдельные колонки буровых скважин вдоль предполагаемой
трассы;
4) данные о коррозионной активности грунтов на глубине за-
ложения газопровода.
На стадии проектного задания определяют давление, расход,
диаметр газопроводов и т. д. На основании генеральной схемы
(проектного задания) выполняют схему прокладки газопровода
в масштабе 1 : 1000 или 1 : 2000. На схеме указывают проекти-
руемые газопроводы, их диаметры, давления, ответвления от
газопроводов и вводы к потребителям, а также отмечают уста-
навливаемые отключающие устройства.
На основании схемы прокладки газопровода разрабатывают
чертеж трассы газопроводов, ответвлений от них и вводов.
По трассе выбирают постоянные сооружения для привязки
газопровода. Перед нанесением трассы газопровода на план
проводят ее обследование.
При выборе места положения газопровода учитывают харак-
тер проезда и застройки, число вводов, конструкцию дорожного
покрытия, наличие трамвайных путей и подземных сооружений,
удобство эксплуатации газопровода и др.
После трассировки газопровода составляют его продольный
профиль, на который наносят подземные сооружения, пересе-
каемые газопроводом, их отметки поверхности земли, колонки
буровых скважин с характеристикой грунта, уровень грунтовых
вод и характеристику коррозионности грунтов. На шкале профиля
указывают длину газопровода, уклон, отметку верха трубы и
глубину заложения.
Отключающие устройства на газопроводах высокого давления
устанавливают в соответствии с конструктивной схемой газоснаб-
жения города, на пересечении газопроводом железнодорожных
путей и на переходах через реки, на ответвлениях к ГРП и по-
требителям газа, на вводах газопровода на территорию домовла-
дения или предприятия.
На газопроводах низкого давления отключающую арматуру
устанавливают в соответствии с конструктивной схемой сетей
низкого давления, на выходе от регуляторных пунктов, на рас-
пределительных газопроводах для отключения отдельных райо-
нов сети и на вводах к потребителям.
Сборники конденсата размещают на газопроводах влажного
газа в пониженных точках профиля.
6 С. А. Бобровский
161
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................................................... . 3
Глава 1. Общие понятия о газораспределительных сетях. Свойства газов 7
§ 1. Общие понятия о газораспределительных сетях и хранилищах
газов ............................................................. 7
§ 2. Физические и термодинамические свойства газов............... 13
§ 3. Методы анализа многокомпонентных газовых смесей .... 32
Г лава 2. Гидравлический расчет газораспределительных сетей.......... 37
§ 1. Потребители газа. Режим потребления газа.................... 37
§ 2. Расчетные расходы газа ..................................... 42
§ 3. Гидравлический расчет газопроводов среднего и высокого дав-
ления ............................................................ 51
§ 4. Гидравлический расчет распределительных газопроводов низ-
кого давления..................................................... 68
§ 5. Гидравлический расчет наклонных распределительных газо-
проводов ......................................................... 82
§ 6. Гидравлический расчет вертикальных домовых газопроводов 85
§ 7. Гидравлический расчет кольцевых газораспределительных
сетей ....................................................... 94
§ 8. Неустановившиеся режимы городских газораспределительных
сетей ........................................................... 102
Глава 3. Газораспределительные станции ........................... 109
§ 1. Задачи газораспределительных станций (ГРС)................. 109
§ 2. Регулирование давления газа ................................ ПО
§ 3. Конструктивные особенности регуляторов давления газа ... 114
§ 4. Гидравлические расчеты регулирующих устройств ............. 122
§ 5. Технологические схемы и компоновка ГРС..................... 128
§ 6. Очистка и одоризация газа.................................. 136
§ 7. Температурный режим ГРС ................................... 141
§ 8. Газорегуляторные пункты (ГРП) ............................. 144
§ 9. Учет количества газа ...................................... 151
Глава 4. Вопросы проектирования и эксплуатации систем газоснабжения 158
§ 1. Структура городских газовых сетей.......................... 158
§ 2. Трубы и основная арматура для газовых сетей................ 165
§ 3. Эксплуатация систем газоснабжения.......................... 192
§ 4. Надежность работы систем газоснабжения..................... 198
411
Глава 5. Хранилища газа ........................................... 207
§ 1. Методы компенсации сезонных, суточных и часовых потреблений
газа .......................................................... 207
§ 2. Определение объема хранилищ газа.......................... 209
§3. Аккумулирующая способность магистрального газопровода 211
§ 4. Подземные хранилища газа ................................. 214
§ 5. Технико-экономические показатели хранилищ газа..... 219
Глава 6. Общие сведения о сжиженных углеводородных газах..... 224
§ 1. Источники и технологические схемы получения сжиженных
углеводородных газов .......................................... 225
§ 2. Физико-химические и термодинамические свойства сжиженных
углеводородных газов .......................................... 231
§ 3. Теплопередача при хранении и транспорте сжиженных углево-
дородных газов ................................................ 246
§ 4. Испарение, кипение и конденсация сжиженных углеводород-
ных газов ................................................... 255
§ 5. Требования, предъявляемые к сжиженным углеводородным
газам, применяемым в качестве топлива.......................... 264
Глава 7. Транспорт сжиженных углеводородных газов ................. 267
§ 1. Перевозка сжиженных углеводородных газов в железнодорож-
ных цистернах ................................................. 268
§ 2. Перевозка сжиженных углеводородных газов в автоцистернах 274
§ 3. Баллоны для сжиженных углеводородных газов............... 277
§ 4. Перевозка сжиженных углеводородных газов танкерами . . . 283
§ 5. Перевозка сжиженных углеводородных газов авиатранспортом 285
§ 6. Особенности перевозки сжиженного метана................... 286
§ 7. Технологическая схема трубопроводного транспорта сжижен-
ных углеводородных газов................................. 287
§ 8. Гидравлический расчет трубопроводов сжиженных углеводо-
родных газов .................................................. 290
Глава 8. Хранение сжиженных углеводородных газов ................. 298
§ 1. Общие вопросы хранения сжиженных углеводородных газов 298
§ 2. Емкости для хранения сжиженных углеводородных газов . . . 301
§ 3. Степень заполнения емкости сжиженным углеводородным газом 319
§ 4. Изотермическое хранение сжиженных углеводородных газов 323
§ 5. Теплоизоляционные материалы и их свойства ................ 333
§ 6. Измерение тепловых потоков хранилищ сжиженных углеводо-
родных газов................................................... 338
Глава 9. Кустовые базы и газонаполнительные станции .... .... 345
§ 1. Методы перемещения сжиженных углеводородных газов . . . 345
§ 2. Процессы слива-налива сжиженных углеводородных газов. . . . 352
§ 3. Компоновка и основное оборудование кустовых баз и газона-
полнительных станций .......................................... 356
§ 4. Раздаточные блоки и колонки .............................. 368
412
Глава 10. Резервуарные и баллонные установки газоснабжения . . . 374
§ 1. Регазификация сжиженных углеводородных газов.............. 374
§ 2. Конструктивные особенности испарителей сжиженных угле-
водородных газов .............................................. 387
§ 3. Резервуарные и баллонные установки с естественным и искус-
ственным испарением ........................................... 393
§ 4. Использование газовоздушных смесей для газоснабжения . . . 399
Список литературы ................................................. 404
Приложение......................................................... 405
Предметный указатель .............................................. 406
СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ БОБРОВСКИЙ.
ЕВГЕНИЙ ИЛЬИЧ ЯКОВЛЕВ
ГАЗОВЫЕ СЕТИ И ГАЗОХРАНИЛИЩА
Редактор издательства К. П. Святитская
Переплет художника О. С. Белова
Художественный редактор В. В. Шутько
Технический редактор О. Ю. Трепенок
Корректор Е. С. Глуховская
ИБ № 3123
Сдано в набор 21.11.79. Подписано в печать 27.02.80. Т-04879.
Формат 60x 90* l/ie- Бумага типографская № 2.
Гарнитура «.Литературная». Печать высокая- Усл. печ. л. 26,0.
Уч.-изд. л- 26,39. Тираж 4700 экз. Заказ 1584/7646-8. Цена 1 р. 20 к.
Издательство «Недра», 103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19
Ленинградская типография № 6 Ленинградского
производственного объединения «Техническая книга»
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
ио делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
1 93144, г. Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10.
Уважаемый товарищ!
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА»
ГОТОВИТ К ПЕЧАТИ НОВЫЕ КНИГИ
Александров А. В. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЕДИНОЙ
СИСТЕМОЙ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ. 25 л., 1 р. 60 к.
В книге кратко даны основы теории и методологии управления большими
системами энергетики и особенности Единой автоматизированной системы газо-
снабжения (ЕАСГ) как объекта управления. Приведены основные положения
по проектированию, внедрению и эксплуатации АСУ-газ, которые охватывают
все подразделения, т. е. добычу газа, транспорт по магистральным газопроводам,
производственные объединения, отраслевую автоматизированную систему управ-
ления газовой промышленностью (ОАСУГазпром) и автоматизированную систему
диспетчерского управления ЕСГ. Рассмотрена методика определения экономи-
ческой эффективности АСУ-газ.
Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников, заня-
тых проектированием и эксплуатацией автоматизированных систем управления
газовой промышленности.
Веревкин С. И., Ржавский Е. Л., Фокин М. Н. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖ-
НОСТИ РЕЗЕРВУАРОВ, ГАЗГОЛЬДЕРОВ И ИХ ОБОРУДОВАНИЯ. 20л.,
1 р. 30 к.
В книге рассмотрены условия, обеспечивающие надежность стальных резер-
вуаров, газгольдеров и их оборудования. На основе строительных норм и правил
показано, каким образом должно быть обеспечено высокое качество, надежность
и долговечность сооружений. Особое внимание уделено методам пооперационного
контроля качества сооружений резервуаров и газгольдеров новых типов и боль-
ших вместимостей (до 100 тыс. м3). Рассмотрены также условия обеспечения
высокого качества сооружений в северных и труднодоступных районах.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся
проектированием, монтажом, эксплуатацией и ремонтом стальных резервуаров
и газгольдеров для нефти и газа.
Грозное Г. А., Вашуркин Ю. Б. СТРОИТЕЛЬСТВО НЕФТЕБАЗ И АВТО-
ЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ. 25 л., 1 р. 70 к.
В книге освещены вопросы технологии строительного производства и мон-
тажа оборудования на объектах нефтеснабжения. Приведен материал по плани-
рованию и проектированию капитального строительства. Дана исполнительная
документация на закопченное строительство. Освещены вопросы приемки и сдачи
объектов и сооружений в эксплуатацию.
Книга предназначена для работников не<|)тебаз и нефтесбытовых управлений,
занимающихся вопросами капитального строительства.
Халушаков 3. Б., Пинский В. М. АВТОЗАПРАВОЧНЫЕ СТАНЦИИ. 25 л.,
1 р. 60 к.
В книге рассмотрены вопросы проектирования, эксплуатации и ремонта
автозаправочных станций, приведены новые образцы топливораздаточного обо-
рудования, правила по технике безопасности и пожарной безопасности на АЗС.
Описаны устройства и работа топливо- и маслораздаточных колонок, а также
приборов и стендов, применяемых для контроля параметров колонок и измерения
нефтепродуктов. Указаны основные возможные неисправности колонок и способы
их устранения. Рассмотрены мероприятия по борьбе с потерями нефтепродуктов
и предотвращению загрязнения окружающей природной среды.
Книга предназначена для работников автозаправочных станций, нефтебаз,
пефтесбытовых управлений, цехов по ремонту топливораздаточного оборудования.
Она может быть также полезна специалистам сельского хозяйства, различных
ведомств, автомобилистам.
Интересующие Вас книги Вы можете приобрести в местных
книжных магазинах, распространяющих научно-техническую ли-
тературу или заказать через отдел «Книга—почтой» магазинов
«Недра»:
№ 17 — 199178, Ленинград, В. О., Средний проспект, 61;
№ 59 — 127412, Москва, Коровинское шоссе, 20.
Издательство «Недр а»