Деталі та алгоритм розрахунку кільцевих газових мереж низького і середнього тиску

Кільцеві газові мережі – це система замкнутих газопроводів, які утворюють кільця (контури). Основна перевага таких газових мереж - підвищена надійність газопостачання. Аварія на будь-якій ділянці не спричинює припинення газопостачання інших споживачів. Недоліком таких систем є більша протяжність газових мереж і, як наслідок, більші капітальні вкладення в будівництво.

Методика розрахунку: ДБН В.2.5-20 "Газопостачання"

Зміст

1. Особливості гідравлічного розрахунку газових мереж кільцевої структури
2. Мета
3. Вихідні дані для розрахунку
4. Набір стандартних діаметрів трубопроводів
5. Методика розрахунку витрат газу газової мережі низького тиску
6. Алгоритм розрахунку

Особливості гідравлічного розрахунку газових мереж кільцевої структури

Зовнішні мережі низького тиску (вуличні, внутрішньоквартальні, дворові газопроводи) - це складна система газопроводів, яка подає газ численним споживачам, наприклад, житловим будинкам. Витрати газу споживачами приблизно однакові, споживачі розміщені на приблизно однакових відстанях. При виконанні зазначених трьох умов для розрахунку газових мереж низького тиску може бути використана модель газопроводу з рівномірним і безперервним відбором газу по довжині.

В кільцевих газових мережах об‘єктивно діють закони Кірхгофа. Стосовно кільцевих газових мереж вони формулюються таким чином:

Перший закон: алгебраїчна сума витрат газу в кожному вузлі газової мережі дорівнює нулю.

Другий закон: алгебраїчна сума втрат тиску в кожному кільці газової мережі дорівнює нулю.

В практиці проектування систем газопостачання найбільшого поширення набув наближений метод розрахунку кільцевих мереж низького тиску - метод ітерації по витратах газу на ділянках контурів.

Мета

Мета розрахунку полягає у визначенні діаметрів ділянок мережі, при яких максимально використовується заданий перепад тиску і виконуються закони Кірхгофа із необхідною точністю.

Вихідні дані для розрахунку

• конфігурація газової мережі
• масиви довжин ділянок газової мережі l, м
• масиви розрахункових витрат газу ділянок газової мережі Q, кг/м³
• допустимі витрати тиску у мережі ΔPдоп, Па
• тиск газу на початку газової мережі Pп, Па
• фізичні властивості газу: густина ρн, кг/м³ і кінематична в'язкість νн, м²/c за нормальних умов
• похибка Кірхгофа εk, %
• коефіцієнт перевантаження мережі kп
• абсолютна еквівалентна шорсткість внутрішньої поверхні труб ke, см

Набір стандартних діаметрів трубопроводів

Методика розрахунку витрат газу газової мережі низького тиску

Для всіх ділянок газової мережі обчислюємо шляхові, транзитні та розрахункові витрати газу. Шляхова витрата газу – витрата, яка відбирається розміщеними по довжині газопроводу шляховими споживачами газу.

1. Шляхову витрату газу знаходимо за формулою

де q - питома шляхова витрата газу для ділянки мережі;
L - геометрична довжина ділянки газопроводу.

Транзитна витрата газу – це витрата газу, яка не використовується на даному газопроводі, а проходить по ньому транзитом для використання на далі розміщених (за рухом газу) ділянках газової мережі.

2. Транзитну витрату газу для кожної ділянки газової мережі знаходимо за формулою

n - кількість ділянок по даному напрямку руху газу, початок яких збігається з кінцем ділянки, для якої обчислюється транзитна витрата газу.

Розрахункова витрата газу на ділянці газопроводу – це така еквівалентна, постійна по довжині трубопроводу витрата, яка спричинює втрати тиску газу, що дорівнюють втратам тиску для дійсної, змінної за величиною витрати газу.

3. Розрахункову витрату газу для ділянки газової мережі знаходимо за формулою

Алгоритм розрахунку

Вводимо комплекс вхідних даних, що включає фізичні властивості газу, необхідну точність розрахунку, допустиму швидкість руху газу, допустимий перепад тиску газу в газовій мережі.

Позначаємо кількість контурів у газовій мережі nk. Номер контуру позначаємо індексом k (k = 1,...,nk), номер ділянки у контурі в довільному порядку позначаємо індексом i (i = 1,...,nдк). Таким чином, довільна ділянка одержує подвійний індекс: перша цифра показує номер контуру, друга – номер ділянки у контурі. Для розпізнавання структури газової мережі для кожної ділянки вводимо третій індекс j, який показує номер контуру, з яким межує i-а ділянка k-ого контуру. Для ділянок, які не межують з іншими контурами, приймаємо j = 0. Також вводимо індекс x для позначення номеру основного напряму руху газу.

Вводимо масиви даних по витраті газу і довжинах всіх ділянок газової мережі.

4. Для кожного основного напрямку руху газу обчислюємо середній гідравлічний нахил за формулою

Lox - розрахункова довжина x-го основного напрямку руху газу, м.

Для кожної ділянки газової мережі визначається необхідний внутрішній діаметр труби методом послідовних наближень, для першого наближення прий-маємо мінімальне значення стандартного діаметра труби Dk,i = Dmin.

5. Для кожної ділянки газової мережі знаходимо число Рейнольдса за формулою

Qk,i - розрахункова витрата газу для k-го кільця i-тої ділянки, м³/год;
Dk,i - внутрішній діаметр газопроводу для k-го кільця i-тої ділянки, cм.

Залежно від режиму руху газу, який характеризується величиною числа Рейнольда, вибираємо відповідну формулу для розрахунку гідравлічного нахилу для кожної ділянки газової мережі:

6. для Rek,i < 2000

7. для 2000 < Rek,i <= 4000

8. при турбулентному режимі Rek,i > 4000

ke - абсолютна еквівалентна шорсткість внутрішньої поверхні труби;
νн - кінематична в‘язкість газу за нормальних умов, м²/c;
ρн - густина газу за нормальних умов, кг/м³.

У формулах (6) – (8) числові коефіцієнти враховують додаткові втрати тиску в місцевих опорах газових мереж.

9. Порівнюємо розрахований гідравлічний нахил Ik,i з максимально допустимим Icpx. Якщо виконується умова

то з сортаменту труб приймаємо наступний більший діаметр трубопроводу і розрахунок повторюємо до тих пір, поки умова не виконається.

Мета даного циклу розрахунків – визначити діаметри ділянок мережі, для яких фактичний гідравлічний нахил є найближче меншим за середнє значення по мережі. Далі розрахунок гідравлічного нахилу на ділянках проводять іден-тично описаними вище формулами (5) – (8).

10. Після виконання умови (9) обчислюємо перепад тиску для кожної ділянки газової мережі

lk,i - довжина i-тої ділянки k-го кільця, м.

Для виконання гідравлічної ув‘язки кілець витраті газу на дільниці Qk,i і втратам тиску від тертя ΔPk,i присвоюємо знак “плюс”, якщо рух газу на ділянці відбувається за годинниковою стрілкою, і знак “мінус”, якщо газ на ділянці рухається проти стрілки годинника.

11. Далі виконується гідравлічна ув‘язка кілець. Для кожного контуру знаходимо суму втрат тиску з врахуванням знаків і за абсолютною величиною

13. Для всіх контурів газової мережі обчислюємо значення похибки Δkk,i, величина якої показує ступінь виконання другого закону Кірхгофа

Якщо хоча би для одного контуру похибка Δkk,i перевищує задану точність розрахунку εk, то необхідно виконати гідравлічну ув‘язку шляхом введення поправочних витрат газу.

14. Гідравлічна ув‘язка реалізується таким чином. Для всіх ділянок знаходимо відношення втрат тиску до витрати газу, а потім обчислюємо суму цих відношень для кожного контуру

15. Для всіх контурів визначаємо поправочну витрату газу, що враховує нев‘язку у своєму контурі

де 1,75 – числовий коефіцієнт для випадку роботи газових мереж низького тис-ку у зоні гідравлічно гладких труб турбулентного режиму.

16. Знаходимо поправочну витрату, що враховує нев‘язку у сусідніх контурах

де Q'с.к – поправочні витрати газу для всіх контурів, що межують з даним;
(ΔР/Q)д.с.к – відношення параметрів для відповідних ділянок, спільних для даного і сусідніх контурів.

17. Обчислюємо загальні поправочні витрати газу для всіх контурів газової мережі

18. Для кожної ділянки газової мережі обчислюємо уточнені витрати газу за формулою

Уточнені витрати газу підставляються у формулу (5) і розрахунок повторюється до тих пір, поки похибка Кірхгофа Δkk,i для всіх контурів не стане меншою від заданої точності розрахунку εk.