КРАТКИЙ АНАЛИЗ СТАНОВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ГАЗОВЫХ СЕТЕЙ
КРАТКИЙ АНАЛИЗ СТАНОВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ГАЗОВЫХ СЕТЕЙ
Аннотация
Данная работа посвящена анализу существующих методик гидравлического расчета газопроводов и применяемого инструментария. Использование общих уравнений газовой динамики трактуется с учетом эксплуатационной специфики газораспределительных сетей, включая надежную и бесперебойную подачу газа всем потребителям, а также минимизации затрат на аварийно-восстановительные работы. В основу исследования вопросов движения газа по трубопроводным системам и специфики формирования газотранспортной сети легли научные труды С.Н. Борисова, В.В. Даточного, Н.А. Скафтымова, А.А. Ионина, Н.Л. Стаскевича, И.Я. Фурмана и В.А. Смирнова. Проведенный анализ показал необходимость в корректировке методов расчета и актуализации графических материалов, используемых при расчете.
1. Введение
На сегодняшний день Россия – самая газифицированная страна в мире и это с учетом таких территорий как Сибирь с ее вечной мерзлотой, удаленный Север, Дальний Восток. Уровень газификации РФ к началу 2023 года достиг 75%. А в связи со сложившейся политико-экономической ситуацией в мире и высвобождением ресурсов для внутреннего использования эта цифра стремительно растет. В рамках государственной Программы газификации населения к 2030 году она достигнет более 83%. С увеличением протяженности газовых сетей и ростом потребления газа вопрос надежности систем встает как никогда остро. Большинство аварийных инцидентов и минимизацию их последствий можно предусмотреть и спрогнозировать еще на стадии проектирования сетей газораспределения. Выявление достоинств и недостатков основных закономерностей и принципов проектирования систем газоснабжения – тема актуальная и современная, так как в настоящее время существует несколько расчетных методик, дающих различные результаты.
2. Методы и принципы исследования
Для строительства магистральных, районных, уличных, внутриквартальных и внутренних газовых сетей требуется определять диаметры и сопротивление сетей с целью обеспечения бесперебойного снабжения потребителей газом.
Методику расчета разрабатывал целый ряд ученых, таких как С.Н. Борисов, Н.А. Скафтымов, А.А. Ионин, Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец и другие, предлагающие формулы для определения потерь давления с параметрами, имеющими размерности в различных системах единиц (в системе Си и в технической системе). Однако все они для своих выводов использовали три основных уравнения гидравлики , после совместного решения которых, и ряда преобразований, получены две основные формулы для определения сопротивления газопроводов среднего (высокого) (1) и газопроводов низкого давления (2) .
где ,
и
– соответственно атмосферное и абсолютное давление в начале и в конце газопровода, МПа;
– расход газа при нормальных условиях, м3/ч;
– плотность газа при нормальных условиях, кг/м3;
и
–температура газа фактическая и при нормальных условиях, К;
– расчетная длина газопровода постоянного диаметра d, м;
– коэффициент сжимаемости, учитывающий отклонение в поведении природных газов от законов идеальных газов.
Газ, при транспорте газа по газопроводам любого диаметра и длины принимает температуру окружающей среды, которая на протяжении некоторого отрезка времени является величиной постоянной. В связи с этим можно считать, что транспорт газа является процессом изотермическим. Коэффициент сжимаемости
учитывается только при давлении газа более 1,2 МПа . После корректировки формулы (1) и (2) принимают вид :
При изучении влияния режимов течения газа и качества внутренней поверхности газопроводов на гидравлическое сопротивление газовой сети много вопросов возникло при определении коэффициента гидравлического трения .
Сначала И. Никурадзе и Л. Прандтль считали, что этот коэффициент λ можно определить по величине абсолютной средней шероховатости труб . Однако, последующие исследования показали, что значение
изменяется еще в зависимости от характера движения газа.
Анализ, проведенный С.Н. Борисовым и В.В. Даточным, показал хорошую сходимость для гидравлически гладких стенок труб, хотя в областях больших и малых значений Рейнольдса и для шероховатых стенок расхождение результатов, полученных по этим формулам значительное. Окончательный выбор был отдан формуле К.Ф. Коулбрука (5) как теоретически обоснованной.
Дальнейшая работа в этом направлении велась в рамках уточнения формулы К.Ф. Коулбрука. В итоге ряда преобразований и обработки результатов опытов И.Г. Блазиусом, Р.М. Зайченко, П.К. Конаковым и А.Д. Альтшулем были получены достаточно простые формулы для определения с высокой степенью точности:
- при ≤ 2000:
- при 2000 < ≤ 4000:
- при 4000 < ≤ 100000:
- при > 100000:
- для гидравлически шероховатых стенок при > 4000:
В 1959 году С.Н. Борисов разработал номограммы сетчатого типа для подбора диаметров газопроводов низкого давления и номограммы (см. рис. 1) «с контактом касания, состоящие из двух шкал и семейства дуг» , составленные по методу Джемс-Леви-Немцовой-Нартовой , .
Позднее для гидравлического расчета газопроводов среднего и высокого давлений были составлены номограммы сетчатого типа (см. рис. 2), использование которых из-за простоты оказалось предпочтительнее номограмм «с касанием».
При использовании номограммы сетчатого типа рекомендуется принимать скорости газа, приведенные к нормальным условиям, не более 15 м/с . Сотрудниками СамГТУ было предложено принять ступенчатое изменение этой скорости в зависимости от давления газа и, в соответствии с этим, ограничить области использования данной номограммы . Аналогичные корректировки были проведены и для номограмм, используемых при расчете газопроводов низкого давления с учетом максимальной скорости газа 7 м/с .
Рисунок 1 - Номограмма для определения потерь давления в газопроводах среднего и высокого давления (С.Н. Борисов)
Рисунок 2 - Номограмма для определения потерь давления в газопроводах среднего и высокого давления (Н.А. Скафтымов)
Так, в соответствии с первым условием, алгебраическая сумма расходов в любом узле сети равна нулю:
Согласно второму условию требуется, чтобы алгебраическая сумма потерь напора в любом замкнутом контуре сети равнялась нулю:
На практике, после определения диаметров газопроводов, в связи наложением ограничений по их выбору, второе условие для некоторых колец не выполняется и требуется пересчет сети для определения истинного потокораспределения.
В МИСИ им. В.В. Куйбышева была разработана методика определения оптимальной пропускной способности и радиуса действия одного ГРП с точки зрения количества потребителей, удельного расхода газа на одного человека, допустимого падения давления в сети и стоимости одного ГРП , и, как следствие, определение количества равно-нагруженных ГРП. Позднее А.А. Ионин ввел параметр капитальных вложений в строительство и расходы на эксплуатацию и доказал, что наиболее экономичной является тупиковая сеть.
Однако, в случае аварии на одном участке тупиковой сети, все потребители, присоединенные после этого участка, не получат газ. Аккумулирующая способность газовых сетей, независимо от давления в них, крайне мала и не может быть резервом газа для потребителей. Таким образом, появляется еще одна характеристика сети, это надежность бесперебойной подачи газа потребителям.
Работы по ликвидации аварии на сетях среднего и высокого давлений даже при снижении давления в газопроводе до минимума не позволят доставить газ до некоторых ГРП, а, следовательно, все потребители, питающиеся от этих ГРП не получат газ. Может возникнуть коллапс. Повторный пуск газа к потребителям – процесс длительный и затратный. Поэтому сети среднего и высокого давлений делают в основном кольцевыми для обеспечения надежности. В сетях низкого давления ситуация аналогичная, хотя и менее дорогостоящая. На основании выше изложенного, как правило, выполняют смешанную схему подачи газа с давлением до 1,2 МПа к потребителям, включающую в себя кольцевые сети и отдельные тупиковые участки, тем самым повышая надежность работы сети.
Разработанную МИСИ методику расчета тупиковых и кольцевых газовыхсетей разные ученые дорабатывали, вносили некоторые дополнения и изменения. Принципиально методика расчета состояла в определении путевых и расчетных расходов газа по отдельным участкам и в назначении диаметров газопроводов на всех участках газовой сети при допустимых потерях давления. А.А. Ионин предложил этот способ считать первым этапом расчета кольцевых сетей низкого давления. В качестве второго этапа он рекомендует модернизировать разработанную сеть для повышения ее надежности. Для этого он применяет метод ранжирования колец, определяя их материальную характеристику и осредненный диаметр
по формулам (12), (13).
Изначально определяются диаметры участков кольца первого ранга, принимая большие и меньшие значения ближайших типоразмеров по отношению к осредненному диаметру. Для колец второго ранга диаметры подбирают исходя из полного использования допустимого падения давления в сети, при этом не изменяя диаметры смежных участков с кольцом первого ранга.
В результате на концевых участках сети (в точках встречи газовых потоков) диаметры могут получиться сколько угодно малыми, и в случае аварийной ситуации эти участки не смогут обеспечить пропуск газа на последующие участки из-за малой пропускной способности. В этом случае будет нарушен основной принцип надежности газовой сети.
3. Заключение
В настоящее время по формулам для гидравлического расчета газопроводов разработаны алгоритмы, и составлены программы расчета, обеспечивающие практически мгновенный подбор диаметров и определение сопротивлений участков газовых сетей. Основной недостаток всех имеющихся разработок – они не рассматривают сети как единое целое, вследствие чего требуется внесение правок с последующей увязкой и проверкой полноты использования расчетных перепадов напора в сети.
Кроме того, применяемые номограммы и таблицы не учитывают изменение скоростей газа в зависимости от изменения давления и, как следствие, плотностей природного газа различных составов. Данные изменения особо явно сказываются на транспорте газа в сетях среднего (высокого) давления. Поэтому автором предложены кривые, наносимые на существующие номограммы и ограничивающие области их применения в зависимости от рекомендуемых скоростей газа для трубопроводов различного давления .
Для гидравлического расчета сетей среднего (высокого) давления на номограмму необходимо дополнительно нанести кривые, ограничивающие область ее применения в зависимости от абсолютного давления газа .
По скорректированным автором номограммам был произведен гидравлический расчет реконструируемого тупикового газопровода среднего давления поселка Мехзавод города Самары. Это привело к увеличению диаметра сети на концевых точках трассы и его уменьшению в районе точки подключения, при этом средний диаметр сети остался неизменным. Таким образом, материальные затраты на строительство сети были уменьшены на 12% и появился резерв по пропускной способности реконструируемого участка. Что, в свою очередь, дает возможность подключения новых абонентов без существенных потерь давления в сети.
В связи с вышеизложенным необходимо внести корректировку в методику гидравлического расчета газовых сетей, на что и будут направлены дальнейшие изыскания автора.