ХАРАКТЕРНЫЕ КРИВЫЕ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НОМОГРАММЫ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ГАЗОПРОВОДОВ

ХАРАКТЕРНЫЕ КРИВЫЕ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НОМОГРАММЫ СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ГАЗОПРОВОДОВ

Научная статья

Новопашина Н.А.¹, Филатова Е.Б.², Баландина О.А.^{3, *}

² ORCID: 0000-0001-5498-5595;

³ ORCID: 0000-0002-2044-8545;

^{1, 2, 3} Самарский государственный технический университет, Самара, Россия

* Корреспондирующий автор (balandinaolya88[at]rambler.ru)

Аннотация

Получена зависимость фактической и нормальной скорости транспорта газа по трубопроводу в результате совместного решения уравнения состояния и уравнения неразрывности потока. Выполнены расчеты по определению фактических скоростей газа среднего и высокого давления первой и второй категории в зависимости от рекомендованных скоростей, приведенных к нормальным условиям [1] и давления газа.

Представлен графический материал, позволяющий по-новому рассмотреть использование расчетных номограмм низкого и среднего (высокого) давления. Для гидравлического расчета газа среднего давления номограмму предлагается разделить на три характерные области в зависимости от давления газа для чего на номограмму среднего (высокого) давления нанесены три кривые, обозначающие границы раздела рассматриваемых областей. Результаты исследования могут быть применены при решении инженерных задач, связанных с гидравлическими расчетами газопроводов среднего давления при реконструкции существующих газовых сетей или при подключении новых потребителей.

Ключевые слова: нормальная скорость газа, фактическая скорость газа, пограничная скорость, давление, номограмма, точка излома.

CHARACTERISTIC CURVES LIMITING THE SCOPE OF APPLICATION OF THE MEAN PRESSURE NOMOGRAM FOR CALCULATING GAS PIPELINES

Research article

Novopashina N.A.¹, Filatova E.B.², Balandina O.A.^{3, *}

² ORCID: 0000-0001-5498-5595;

³ ORCID: 0000-0002-2044-8545;

^{1, 2, 3} Samara State Technical University, Samara, Russia

* Corresponding author (balandinaolya88@rambler.ru)

Abstract

The dependence of the actual and normal speed of gas transport through the pipeline is obtained as a result of the joint solution of the equation of state and the equation of continuity of the flow. Calculations were performed to determine the actual velocities of medium and high pressure gas of the first and second categories depending on the recommended velocities reduced to normal conditions [1] and gas pressure.

The article presents the graphic material, which allows for considering the use of calculated nomograms of low and medium (high) pressure in a new way. For the hydraulic calculation of medium-pressure gas, the nomogram is proposed to be divided into three characteristic regions depending on the gas pressure, for which three curves are plotted on the medium (high) pressure nomogram, indicating the boundaries of the areas under consideration. The results of the study can be applied when solving engineering problems related to hydraulic calculations of gas pipelines of various pressures during the reconstruction of existing gas networks or when working with new consumers.

Keywords: normal gas velocity, actual gas velocity, boundary velocity, pressure, nomogram, breakpoint.

Введение

Распределительные подземные, надземные и внутренние газовые сети снабжают населенные пункты и отдельных потребителей газом низкого, среднего и высокого давления I и II категории (до 1,2 МПа), температура которых на протяжении некоторого отрезка времени  изменяется незначительно, поэтому с достаточной степенью точности можем считать, что процесс изотермический. При проектировании этих сетей производится гидравлический расчет газопроводов по номограммам, выполненным для стандартного газа при нормальных условиях, для низкого и среднего (высокого) давления [2, С. 113, 116], [3, С. 84], [4].

 Как известно, в надземных и внутренних трубопроводах рекомендуется принимать скорости газа, приведенные к нормальным условиям (далее нормальные скорости) низкого давления не более 7 м/с, газа среднего давления не более 15 м/с и газа высокого давления не более 25 м/с, с учетом степени шума, создаваемого движением газа [1].

Для подземных стальных газопроводов таких данных нет. Однако необходимо учитывать, что шум, создаваемый турбулентным течением газа вдоль шероховатых стенок газопроводов и через различные местные сопротивления, вызывает колебания стенок трубы, которые передают так называемый структурный шум на наружные и внутренние газопроводы [5], [6]. Поэтому считаем, что скорости газа в подземных распределительных газопроводах не должны существенно превышать нормальные скорости газа для надземных и внутренних газопроводов.

Основные результаты

В основу рассуждений было положено два основных уравнения, это уравнение состояния и уравнение неразрывности потока. Для учета отклонений реальных газов от идеальных в уравнение состояния вводится коэффициент сжимаемости газов , величина которого, рассчитанная по рекомендациям разных исследователей [7, С. 7], [8, С. 37], [9], составляет от 0,98 до 0,9981, поэтому для условий данного исследования его можно не учитывать.

Решая совместно уравнение состояния и уравнение неразрывности потока, получим расчетную формулу для определения фактической скорости (далее скорость) любого газа в зависимости от давления [10], [11]:

(1)

где  w₀– скорость газа при нормальных условиях, м/с;  P – абсолютное фактическое давление газа, МПа;  P₀– абсолютное давление газа при нормальных условиях, МПа,  P₀  =0.101325 М Па.

По этой формуле произвели расчет фактических скоростей газа при разных значениях его давлений. По результатам расчета построили график, приведенный на рисунке 1.

Для газа низкого давления (P_изб < 5000 Па) максимальной фактической скоростью газа w_факт можно считать рекомендованную скорость при нормальных условиях  [1]. Полагаем, что для газа среднего и высокого давления ( P_изб > 5001 Па) фактическая скорость тоже должна быть с учетом степени шума не более 7 м/с.

Скорости газа высокого давления при нормальной скорости 25 м/с удовлетворяют этому условию (см. рисунок 1, а, кривая 2), а скорости газа среднего давления при нормальной скорости 15 м/с, рассчитанные по формуле 1, во всем диапазоне давлений изменяются от 3,79 до 14,29 м/с (см. рисунок 1, а и рисунок 2, кривая 3). Причем максимальная скорость соответствует давлению газа 5001 Па, что противоречит выше сказанному.

Рассмотрим изменение скоростей газа среднего давления более подробно. Условно разделим полученную кривую 3 (см. рисунок 2) на два участка:  и . На участке  скорость газа находится в пределах от 3,79 до 7 м/с, на участке  скорость газа изменяется от 7 до 14,29 м/с.

Рис. 1 – Скорости газа в зависимости от давления:

а) фактические скорости газа при различных давлениях в сети; б) зависимость давления в точке излома графика скоростей от плотности природного газа при нормальных условиях; 1 ‒ фактическая пограничная скорость газа; 2 – фактическая скорость газа при избыточном давлении 0,3–1,2 МПа; 3 ‒ фактическая скорость газа при избыточном давлении 0,005–0,3 МПа; 4, 5 – изменение нормальных скоростей газа в точке излома в зависимости от давления

Рис. 2 – Фрагмент графика скорости газа в зависимости от давления:

Считаем, что для предотвращения шума, нормальная скорость газа среднего давления во всем диапазоне давлений, не может быть постоянной, а должна уменьшаться от 15 до 7 м/с. При этом условии фактическая скорость газа не будет превышать 7 м/с [1].

В качестве примера приведем результаты расчета взаимозависимости нормальной и фактической скоростей стандартного газа среднего давления при ограничении нормальной ( м/с) и фактической скорости газа (  м/с) (Таблица 1).

Таблица 1 – Зависимость скорости стандартного газа от давления

Давление , МПа	0,106	0,146	0,186	0,217	0,226	0,266	0,306	0,326	0,366	0,401
Фактическая скорость , м/с	7,00	7,00	7,00	7,00	6,72	5,71	4,96	4,66	4,15	3,79
Нормальная скорость , м/с	7,30	10,10	12,90	15,00	15,00	15,00	15,00	15,00	15,00	15,00

По результатам расчета при абсолютном давлении газа от 0,217 до 0,401 МПа его скорость составляет  м/с (см. таблицу 1). В этом случае нормальная скорость газа м/с. Таким образом, в интервале абсолютных давлений газа от 0,217 до 0,106 МПа фактическая скорость газа будет находиться в допустимых пределах только при условии снижения нормальной скорости газа с 15 до 7,3 м/с.

На основании вышеизложенного получена кривая изменения нормальной скорости газа  (Рисунок 1, а и Рисунок 2), где точка  является точкой излома графика нормальных скоростей и соответствует абсолютному давлению газа 0,217 МПа.

По результатам расчета нормальной скорости газа среднего давления (Таблица 1) при условии поддержания фактической скорости не более 7 м/с была построена кривая  (см. рисунок 2). Как видно из графика, кривая , рассчитанная для  м/с, и предложенная нами кривая  изменяющейся нормальной скорости,при которой фактическая скорость газа не более 7 м/с имеют точку пересечения , которой соответствует абсолютное давление газа 0,148 МПа и скорость  м/с.

В связи с тем, что допустимая скорость газа, приведенная к нормальным условиям плавно изменяется от 15 до 7 м/с (Рисунок 2, кривая ), предлагаем для гидравлического расчета газопроводов среднего давления, область давлений 0,106 0,217 МПа разделить условно на 2 части. Для абсолютных давлений газа 0,106 0,148 МПа расчеты вести по номограмме среднего давления в области до граничной кривой  м/с, для давлений газа 0,148 0,217 МПа – в области до кривой  м/с.

Для давлений газа 0,217 0,401 расчеты вести по номограмме среднего давления в области до кривой  м/с.

В результате таких рассуждений, кривая  (Рисунок 1, Рисунок 2) из условия поддержания фактической скорости не выше 7 м/с трансформируется в кривую .

По этим данным был произведен расчет пропускной способности для разных диаметров газопроводов и максимального абсолютного давления стандартного газа в сети среднего давления (0,401 МПа). По результатам расчета нанесены кривые 1, 2 и 3 (см. рисунок 3), разделяющие номограмму среднего (высокого) давления на области, ограничивающие ее применение для гидравлического расчета газопроводов.

В связи с отличием компонентного состава и характеристик природных газов от аналогичных параметров стандартного газа, возникает необходимость определения расчетным путем точек излома графика скоростей для газов различных месторождений. Авторами было рассмотрено 13 месторождений природного газа (см. таблицу 2).

 

 

Рис. 3 – Номограмма для определения потерь давления в газопроводах среднего (до 0,3 МПа) и высокого давления (до 1,2 МПа) для природного газа  кг/м³,  м²/с (при 0°С и 0,1013 МПа):

1‒ кривая, ограничивающая область абсолютных давлений газа до 0,148 МПа; 2 ‒ кривая, ограничивающая область абсолютных давлений газа от 0,148 до 0,217 МПа; 3 – кривая, ограничивающая область абсолютных давлений газа от 0,217 до 0,401 Мпа

Таблица 2 – Давление в точке излома графика скоростей природных газов

№ п/п	Месторождение	Плотность газа , кг/м3	Нормальная скорость газа , м/с	Фактическая скорость газа , м/с	Абсолютное давление газа , МПа
Чисто газовые месторождения
1	Уренгойское	0,723	15	7	0,219
2	Стандартный газ	0,730	15	7	0,217
3	Карадагское	0,755	15	7	0,210
4	Оренбургское	0,765	15	7	0,207
5	Шебелинское	0,782	15	7	0,203
6	Ленинградское	0,813	15	7	0,195
7	Верхняя Омра	0,830	15	7	0,190
8	Майкопское	0,856	15	7	0,185
9	Вуктыльское	0,866	15	7	0,183
10	Пролетарское	0,875	15	7	0,181
11	Уренгойское (Юра)	0,882	15	7	0,179
Нефтегазовые месторождения
12	Ромашкинское	1,060	15	7	0,156
13	Туймазинское	1,060	15	7	0,156

По результатам расчета был построен график зависимости давления в точке излома от плотности газа при нормальных условиях (см. рисунок 1, б). Как видно из графика, плотность рассматриваемых природных газов чисто газовых месторождений находится в пределах 0,723 0,882 кг/м³ с соответствующими давлениями от 0,219 до 0,179 МПа. Если провести линию 5 от точки , соответствующей минимальному абсолютному давлению 0,179 МПа до давления 0,106 МПа и скорости 7 м/с, то получим точку пересечения с линией фактической скорости газа среднего давления (точка ), соответствующую давлению 0,142 МПа и скорости 10,70 м/с (Рисунок 1, а и Рисунок 2). Параметры в точке  отличаются от параметров, полученных в точке  для стандартного газа в пределах 5%.

В связи с этим, разделение области давлений 0,106 0,217 МПа для газов плотностью до 0,9 кг/м³ с точностью 5% рекомендуем принять в точке  с абсолютным давлением 0,148 МПа и нормальной скоростью  м/с.

Выводы

В ходе проведенного исследования получены следующие результаты:

1. Было предложено несколько ключевых точек, разделяющих кривую фактических скоростей газа среднего давления на три участка:

• для абсолютных давлений газа 0,4 0,217 МПа максимальную нормальную скорость принимать 15 м/с;
• для абсолютных давлений газа 0,217 0,148 МПа максимальную нормальную скорость принимать 10,2 м/с;
• для абсолютных давлений газа 0,148 0,106 МПа максимальную нормальную скорость принимать 7 м/с.

2. На номограмму среднего (высокого) давления нанесены три кривые, ограничивающие области ее применения в соответствии с пунктом 1.
3. Использование номограмм для гидравлического расчета газопроводов с природными газами чисто газовых месторождений, плотность которых находится в пределах 0,723 0,882 кг/м³, в соответствии с пунктом 1 позволяют получить результаты с точностью 5%, что допустимо для технических расчетов.

Результаты исследования могут быть применены при решении инженерных задач, связанных с гидравлическими расчетами газопроводов среднего давления при реконструкции существующих газовых сетей или при подключении новых потребителей.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 Список литературы / References

1. СП 42-101-2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб / А.Л. Шурайц, В.С. Волков, В.Е. Удовенко и др. – М.: ГУП ЦПП, 2003. – 68 с.
2. Скафтымов, Н.А. Основы газоснабжения / Н.А. Скафтымов. – Л: Недра, 1975. – 343 с.
3. Стаскевич, Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. – Л: Недра, 1990. – 762 с.
4. Борисов, С.Н. Гидравлические расчеты газопроводов / С.Н. Борисов, В.В. Даточный. – М: Недра, 1972. – 109 с.
5. Cui G. Data-driven computation of natural gas pipeline network hydraulics / G. Cui et al. // Results in Control and Optimization. – 2020. – Vol. 1. – P. 100004.
6. Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс] // URL: http://www.ngpedia.ru/id335152phtml(дата обращения: 27.09. 2021).
7. ГОСТ 30319.1-2015 Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения (Переиздание). – М.: Стандартинформ, 2016. – 10 с.
8. СТО Газпром газораспределение 12.2.2-1-2013 Диспетчерское управление. Процесс работы с данными. Определение пропускной способности, расчет свободных мощностей газопроводов. – СПб: ОАО «Газпром газораспределение», 2013. – 83 с.
9. Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов / А.Н. Козаченко. – М.: Нефть и газ, 1999. – 463 с.
10. Новопашина, Н.А. Использование номограмм для гидравлического расчета газопроводов / Н.А. Новопашина, Е.Б. Филатова, О.А. Баландина // Международный научно-исследовательский журнал. –№1 (115). – Часть 1. – 2022. –С. 55-61. DOI: 10.23670/IRJ.2022.115.1.010.
11. Новопашина, Н.А. Проблемы, возникающие при гидравлическом расчете газовых сетей / Н.А. Новопашина // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство и строительные технологии. – 2021. – С. 763–767.

Список литературы на английском языке / References in English

1. SP 42–101–2003 Obshchiye polozheniya po proyektirovaniyu i stroitel’stvu gazoraspredelitel’nykh sistem iz metallicheskikh i polietilenovykh trub [General provisions for the design and construction of gas distribution systems made of metal and polyethylene pipes] / A.L. Shurayts, V.S. Volkov, V.Ye. Udovenko and others. ‒ Moscow: GUP TsPP. ‒ 2003. 68 p. [in Russian]
2. Skaftimov, N.А. Osnovy gazosnabzheniya [Gas supply fundamentals] / N.A. Skaftmov. – L: Nedra, 1975. – 343 p. [in Russian]
3. Staskevich, N.L. Spravochnik po gazosnabzheniyu i ispol'zovaniyu gaza [Handbook on gas supply and gas use]/ L. Staskevich, G.N. Severinets, D.YA. Vigdorchik. – L: Nedra, 1990. – 762 p. [in Russian]
4. Borisov, S.N. Gidravlicheskiye raschety gazoprovodov [Hydraulic calculations of gas pipelines] / S.N. Borisov, V. Datochnyy. – M: Nedra, 1972. – 109 p. [in Russian]
5. Cui G. Data-driven computation of natural gas pipeline network hydraulics / G. Cui et al. // Results in Control and Optimization. – 2020. – Vol. 1. – P. 100004.
6. Bol'shaya entsiklopediya nefti i gaza [Big encyclopedia of oil and gas]. [Electronic resource] – URL: http://www.ngpedia.ru/id335152p1.html (assessed: 27.09. 2021) [in Russian]
7. GOST 30319.1-2015 Gaz prirodnyj. Metody rascheta fizicheskih svojstv. Obshchie polozheniya (Pereizdanie) [Natural gas. Methods for calculating physical properties. General Provisions (Reprints)] / Moscow: Standartinform. ‒ 2016. 68 p. [in Russian]
8. STO Gazprom gazoraspredelenie 12.2.2-1-2013 Dispetcherskoe upravlenie. Process raboty s dannymi. Opredelenie propusknoj sposobnosti, raschet svobodnyh moshchnostej gazoprovodov [Dispatch management. The process of working with data. Determination of throughput, calculation of free capacities of gas pipelines] / St. Petersburg: OAO «Gazprom gazoraspredelenie» ‒ 2013. 83 p. [in Russian]
9. Kozachenko, A.N. Ekspluataciya kompressornyh stancij magistral'nyh gazoprovodov [Operation of compressor stations of main gas pipelines]/ A.N. Kozachenko. – M.: Neft' i gaz, 1999. – 463 p. [in Russian]
10. Novopashina, N.A. Ispol'zovanie nomogramm dlja gidravlicheskogo rascheta gazoprovodov [Using nomograms for hydraulic calculation of gas pipelines] / N.A. Novopashina, E.B. Filatova, O.A. Balandina // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Scientific Research Journal]. – №1 (115). – Vol. 1. – 2022. – Рр. 55-61. DOI: 10.23670/IRJ.2022.115.1.010 [in Russian]
11. Novopashina, N.A. Problemy, voznikayushchiye pri gidravlicheskom raschete gazovykh setey [Problems arising in the hydraulic calculation of gas networks]/ N.A. Novopashina // Traditsii i innovatsii v stroitel'stve i arkhitekture. Stroitel'stvo i stroitel'nyye tekhnologii [Traditions and innovations in construction and architecture. Construction and building technologies.]. – 2021. – P. 763–767. [in Russian]