Гидравлический расчет газопровода: методы вычислений и пример расчета

• Эффективность отопительной системы вовсе не гарантируют качественные трубы и высокопроизводительный теплогенератор.
• Наличие ошибок, допущенных при монтаже, может свести на нет работу котла, работающего на полную мощность: либо в помещениях будет холодно, либо затраты на энергоносители будут неоправданно высокими.
• Поэтому важно начинать с разработки проекта, одним из важнейших разделов которого является гидравлический расчет системы отопления.

Теплоноситель циркулирует по системе под давлением, которое не является постоянной величиной. Оно снижается из-за наличия сил трения воды о стенки труб, сопротивления на трубной арматуре и фитингах. Домовладелец также вносит свою лепту, корректируя распределение тепла по отдельным помещениям.

1. Чтобы избежать разбалансировки отопительной системы, необходимо создать условия, при которых к каждому радиатору поступает столько теплоносителя, сколько необходимо для поддержания заданной температуры и восполнения неизбежных теплопотерь.
2. Главной целью гидравлического расчета является приведение в соответствие расчетных расходов по сети с фактическими или эксплуатационными.
3. На данном этапе проектирования определяются:

• диаметр труб и их пропускная способность;
• местные потери давления по отдельным участкам системы отопления;
• требования гидравлической увязки;
• потери давления по всей системе (общие);
• оптимальный расход теплоносителя.

Для производства гидравлического расчета необходимо проделать некую подготовку:

1. Собрать исходные данные и систематизировать их.
2. Выбрать методику расчета.

Первым делом проектировщик изучает теплотехнические параметры объекта и выполняет теплотехнический расчет. В итоге у него появляется информация о количестве тепла, необходимом для каждого помещения. После этого выбираются отопительные приборы и источник тепла.

Схематичное изображение отопительной системы в частном доме

На стадии разработки принимается решение о типе отопительной системы и особенностях ее балансировки, подбираются трубы и арматура. По окончании составляется аксонометрическая схема разводки, разрабатываются планы помещений с указанием:

• мощности радиаторов;
• расхода теплоносителя;
• расстановки теплового оборудования и пр.

Все участки системы, узловые точки маркируются, подсчитывается и наносится на чертеж длина колец.

Расчет диаметра труб

• для двухтрубной системы – разность между tr (горячим теплоносителем) и to (охлажденным – обраткой);
• для однотрубной – расход теплоносителя G, кг/ч.

Кроме того, в расчете должна учитываться скорость движения рабочей жидкости (теплоносителя) – V . Ее оптимальная величина находится в диапазоне 0,3-0,7 м/с. Скорость обратно пропорциональна внутреннему диаметру трубы.

• При скорости движения воды, равной 0,6 м/с в системе появляется характерный шум, если же она менее 0,2 м/с, появляется риск возникновения воздушных пробок.
• Для расчетов потребуется еще одна скоростная характеристика – скорость теплопотока. Она обозначается буквой Q, измеряется в ваттах и выражается в количестве тепла, переданного в единицу времени
• Q (Вт) = W (Дж)/t (с)

Кроме вышеперечисленных исходных данных для расчета потребуются параметры отопительной системы – длина каждого участка с указанием приборов, подключенных к нему. Эти данные для удобства можно свести в таблицу, пример которой приведен ниже.

Таблица параметров участков

Обозначение участка	Длина участка в метрах	Количество приборов а участке, шт.
1-2	1,8	1
2-3	3,0	1
3-4	2,8	2
4-5	2,9	2

Расчет диаметров труб достаточно сложный, поэтому проще воспользоваться справочными таблицами. Их можно найти на сайтах производителей труб, в СНиП или специальной литературе.

Монтажники при подборе диаметра труб пользуются правилом, выведенным на основании анализа большого числа отопительных систем. Правда, это касается только небольших частных домов и квартир.

Практически все отопительные котлы оборудованы патрубками подачи и обратки ¾ и ½ дюйма. Такой трубой и выполняется разводка до первого разветвления.

Далее на каждом участке размер трубы уменьшают на один шаг.

Такой подход не оправдывает себя, если в доме имеется два или более этажей. В этом случае приходится производит полноценный расчет и обращаться к таблицам.

Вычисление местных сопротивлений

Местные сопротивления возникают в трубе и арматуре. На величину данных показателей влияют:

• шероховатость внутренней поверхности трубы;
• наличие мест расширения или сужения внутреннего диаметра трубопровода;
• повороты;
• протяженность;
• наличие тройников, шаровых кранов, приборов балансировки и их количество.

Сопротивление рассчитывается для каждого участка, который характеризуется постоянным диаметром и неизменным расходом теплоносителя (в соответствии с тепловым балансом помещения).

Исходные данные для расчета:

• длина расчетного участка – l, м;
• диаметр трубы – d, мм;
• заданная скорость теплоносителя – u, мм;
• характеристики регулирующей арматуры, предоставляемые производителем;
• коэффициент трения (зависит от материала трубы), λ;
• потери на трение – ∆Pl, Па;
• плотность теплоносителя (расчетная) – ρ = 971,8 кг/м3;
• толщина стенки трубы – dн х δ, мм;
• эквивалентная шероховатость трубы – kэ, мм.

Гидравлическое сопротивление – ∆P на участке сети рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха.

Символ ξ в формуле означает коэффициент местного сопротивления.

Гидравлическая увязка

Балансировка перепадов давления в отопительной системе выполняется посредством регулирующей и запорной арматуры.

• проектной нагрузки (массового расхода теплоносителя);
• данных производителей труб по динамическому сопротивлению;
• количества местных сопротивлений на рассматриваемом участке;
• технических характеристик арматуры.

Установочные характеристики – перепад давления, крепление, пропускная способность – задаются для каждого клапана. По ним определяют коэффициенты затекания теплоносителя в каждый стояк, а затем – в каждый прибор.

1. Потери давления прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя и измеряются в кг/ч, где
2. S – произведение динамического удельного давления, выраженного в Па/(кг/ч), и приведенного коэффициента для местных сопротивлений участка (ξпр).
3. Приведенный коэффициент ξпр является суммой всех местных сопротивлений системы.

Определение потерь

Гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца представляет собой сумму потерь его составляющих элементов:

• первичного контура – ∆Plk;
• местных систем – ∆Plм;
• генератора тепла – ∆Pтг;
• теплообменника ∆Pто.

Сумма всех этих величин и дает полное гидравлическое сопротивление системы ∆Pсо.

Гидравлический расчет системы отопления – пример расчета

В качестве примера рассмотрим двухтрубную гравитационную систему отопления.

Исходные данные для расчета:

• расчетная тепловая нагрузка системы – Qзд. = 133 кВт;
• параметры системы – tг = 750С, tо = 600С;
• расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м3/ч;
• присоединение отопительной системы к котлам производится через гидравлический разделитель горизонтального типа;
• автоматика каждого из котлов в течение всего года поддерживает постоянную температуру теплоносителя на выходе – tг = 800С;
• автоматический регулятор перепада давления устанавливается на вводе каждого распределителя;
• система отопления от распределителей смонтирована из металлопластиковых труб, а теплоснабжение распределителей производится посредством стальных труб (водогазопроводных).

Диаметры участков трубопроводов подобраны с использованием номограммы для заданной скорости теплоносителя 0,4-0,5 м/с.

На участке 1 установлен клапан dу 65. Его сопротивление согласно информации производителя составляет 800 Па.

На участке 1а установлен фильтр диаметром 65 мм и с пропускной способностью 55 м3/ч. Сопротивление этого элемента составит:

0,1 х (G/kv) х 2 = 0,1 х (7581/55) х 2 = 1900 Па.

• Варианты двухтрубной отопительной системы
• Сопротивление трехходового клапана dу = 40 мм и kv = 25 м3/ч составит 9200 Па.
• Суммарные потери давления в системе снабжения теплом распределителей будут равняться 21514 Па или приблизительно 21,5 кПа.

Аналогичным образом производится расчет остальных частей системы теплоснабжения распределителей. При расчете системы отопления от распределителя выбирается основное циркуляционное кольцо через наиболее нагруженное отопительное устройство. Гидравлический расчет производится с использованием 1-го направления.

Видео на тему

Источник:

Самостоятельный гидравлический расчет трубопровода

Постановка задачи

Гидравлический расчёт при разработке проекта трубопровода направлен на определение диаметра трубы и падения напора потока носителя.

Данный вид расчёта проводится с учетом характеристик конструкционного материала, используемого при изготовлении магистрали, вида и количества элементов, составляющих систему трубопроводов(прямые участки, соединения, переходы, отводы и т. д.), производительности,физических и химических свойств рабочей среды.

• минимальное соотношением периметра к площади сечения, т.е. при равной способности, обеспечивать расход носителя, затраты на изолирующие и защитные материалы при изготовлении труб с сечением в виде круга, будут минимальными;
• круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды сточки зрения гидродинамики, достигается минимальное трение носителя о стенки трубы;
• форма сечения в виде круга максимально устойчива к воздействию внешних и внутренних напряжений;
• процесс изготовления труб круглой формы относительно простой и доступный.

Подбор труб по диаметру и материалу проводится на основании заданных конструктивных требований к конкретному технологическому процессу. В настоящее время элементы трубопровода стандартизированы и унифицированы по диаметру. Определяющим параметром при выборе диаметра трубы является допустимое рабочее давление, при котором будет эксплуатироваться данный трубопровод.

Основными параметрами, характеризующими трубопровод являются:

• условный (номинальный) диаметр – DN;
• давление номинальное – PN;
• рабочее допустимое (избыточное) давление;
• материал трубопровода, линейное расширение, тепловое линейное расширение;
• физико-химические свойства рабочей среды;
• комплектация трубопроводной системы (отводы, соединения, элементы компенсации расширения и т.д.);
• изоляционные материалы трубопровода.

Условный диаметр (проход) трубопровода (DN) – это условная  безразмерная величина, характеризующая проходную способность трубы, приблизительно равная ее внутреннему диаметру. Данный параметр учитывается при осуществлении подгонки сопутствующих изделий трубопровода (трубы, отводы, фитинги и др.).

1. Условный диаметр может иметь значения от 3 до 4000 и обозначается: DN 80.
2. Условный проход по числовому определению примерно соответствует реальному диаметру определенных отрезков трубопровода.
3. Численно он выбран таким образом, что пропускная способность трубы повышается на 60-100% при переходе от предыдущего условного прохода к последующему.

Номинальный диаметр выбирается по значению внутреннего диаметра трубопровода. Это то значение, которое наиболее близко к реальному диаметру непосредственно трубы.

Давление номинальное (PN) – это безразмерная величина, характеризующая максимальное давление рабочего носителя в трубе заданного диаметра, при котором осуществима длительная эксплуатация трубопровода при температуре 20°C.

Значения номинального давления были установлены на основании продолжительной практики и опыта эксплуатации: от 1 до 6300.

Номинальное давление для трубопровода с заданными характеристиками определяется по ближайшему к реально создаваемому в нем давлению. При этом,вся трубопроводная арматура для данной магистрали должна соответствовать тому же давлению. Расчет толщины стенок трубы проводится с учетом значения номинального давления.

Основные положения гидравлического расчета

Рабочий носитель (жидкость, газ, пар), переносимый проектируемым трубопроводом, в силу своих особых физико-химических свойств определяет характер течения среды в данном трубопроводе. Одним из основных показателей характеризующих рабочий носитель, является динамическая вязкость, характеризуемая коэффициентом динамической вязкости – μ.

Инженер-физик Осборн Рейнольдс (Ирландия), занимавшийся изучением течения различных сред, в 1880 году провел серию испытаний,  по результату которых было выведено понятие критерия Рейнолдса (Re) – безразмерной величины, описывающей характер потока жидкости в трубе. Расчет данного критерия проводится по формуле:

Критерий Рейнольдса (Re) дает понятие о соотношении сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Значение критерия характеризует изменение соотношения указанных сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока носителя в трубопроводе. Принято выделять следующие режимы потока жидкого носителя в трубе в зависимости от значения данного критерия:

Источник:

Гидравлический расчет трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов

Опубликовано 08 Апр 2014Рубрика: Теплотехника | 60 комментариев

… — является очень непростой и громоздкой задачей. Сегодня в век компьютеров решать ее стало существенно легче при использовании специального программного обеспечения. Но хорошие специальные программы дорого стоят и есть они, как правило, только у специалистов-гидравликов.

В этой статье мы рассмотрим гидравлический расчет трубопроводов на примере расчета в Excel горизонтального участка трубопровода постоянного диаметра по двум методикам и сравним полученные результаты.

Для «неспециалистов» применение представленной ниже программы позволит решить несложные «житейские» и производственные задачи.

Для специалистов применение этих расчетов возможно в качестве проверочных или для выполнения быстрых простых оценок.

Как правило, гидравлический расчет трубопроводов включает в себя решение двух задач:

1. При проектировочном расчете требуется по известному расходу жидкости найти потери давления на рассматриваемом участке трубопровода. (Потери давления – это разность давлений между точкой входа и точкой выхода.)

2. При проверочном расчете (при аудите действующих систем) требуется по известному перепаду давления (разность показаний манометров на входе в трубопровод и на выходе) рассчитать расход жидкости, проходящей через трубопровод.

Приступаем к решению первой задачи. Решить вторую задачу вы сможете легко сами, используя сервис программы MS Excel «Подбор параметра». О том, как использовать этот сервис, подробно описано во второй половине статьи «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!».

Предложенные далее расчеты в Excel, можно выполнить также в программе OOo Calc из свободно распространяемого пакета Open Office.

Правила цветового форматирования ячеек листа Excel, которые применены в статьях этого блога, детально описаны на странице«О блоге».

Расчет в Excel трубопроводов по формулам теоретической гидравлики

Рассмотрим порядок и формулы расчета в Excel на примере прямого горизонтального трубопровода длиной 100 метров из трубы ø108 мм с толщиной стенки 4 мм.

Исходные данные:

• 1. Расход воды через трубопровод G в т/час вводим
• в ячейку D4: 45,000
• 2. Температуру воды на входе в расчетный участок трубопровода  tвхв °C заносим
• в ячейку D5: 95,0
• 3. Температуру воды на выходе из расчетного участка трубопровода  tвыхв °C записываем
• в ячейку D6: 70,0
• 4. Внутренний диаметр трубопровода  dв мм вписываем
• в ячейку D7: 100,0
• 5. Длину трубопровода  Lв м записываем
• в ячейку D8: 100,000
• 6. Эквивалентную шероховатость внутренних поверхностей труб  ∆ в мм вносим
• в ячейку D9:  1,000
• Выбранное значение эквивалентной шероховатости соответствует стальным старым заржавевшим трубам, находящимся в эксплуатации много лет.

Эквивалентные шероховатости для других типов и состояний труб приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel«gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls», ссылка на скачивание которого дана в конце статьи.

1. 7. Сумму коэффициентов местных сопротивлений  Σ(ξ) вписываем
2. в ячейку D10: 1,89
3. Мы рассматриваем пример, в котором местные сопротивления присутствуют в виде стыковых сварных швов (9 труб, 8 стыков).

Для ряда основных типов местных сопротивлений данные и формулы расчета представлены на листах «Расчет коэффициентов» и «Справка» файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

Результаты расчетов:

• 8.Среднюю температуру воды tср в °C вычисляем
• в ячейке D12: =(D5+D6)/2 =82,5
• tср=(tвх+tвых)/2
• 9.Кинематический коэффициент вязкости воды n в cм2/с при температуреtср рассчитываем
• в ячейке D13: =0,0178/(1+0,0337*D12+0,000221*D12^2) =0,003368
• n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2)
• 10.Среднюю плотность воды ρ в т/м3 при температуреtср вычисляем
• в ячейке D14: =(-0,003*D12^2-0,1511*D12+1003,1)/1000 =0,970
• ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000
• 11.Расход воды через трубопровод G’ в л/мин пересчитываем
• в ячейке D15: =D4/D14/60*1000 =773,024
• G’=G*1000/(ρ*60)
• Этот параметр пересчитан нами в других единицах измерения для облегчения восприятия величины расхода.
• 12.Скорость воды в трубопроводе vв м/с вычисляем
• в ячейке D16: =4*D4/D14/ПИ()/(D7/1000)^2/3600 =1,640
• v=4*G/(ρ*π*(d/1000)2*3600)

К ячейкеD16 применено условное форматирование. Если значение скорости не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки становится красным, а шрифт белым.

Предельные скорости движения воды приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

1. 13.Число Рейнольдса Reопределяем
2. в ячейке D17: =D16*D7/D13*10 =487001,4
3. Re=v*d*10/n
4. 14.Коэффициент гидравлического трения λрассчитываем
5. в ячейке D18: =ЕСЛИ(D17

Методы гидравлического расчета газопроводов

При проектировании трубопроводов выбор размеров труб осуществляется на основании гидравлического расчета, определяющего внутренний диаметр труб для пропуска необходимого количества газа при допустимых потерях давления или, наоборот, потери давления при транспорте необходимого количества газа по срубам заданного диаметра.

Сопротивление движению газа в трубопроводах слагается из линейных сопротивлений трения и местных сопротивлений: сопротивления трения «работают» на всей протяженности трубопроводов, а местные создаются только в пунктах изменения скоростей и направления движения газа (углы, тройники и т.д.). Подробный гидравлический расчет газопроводов осуществляется по формулам, приведенным в СП 42-101-2003, в которых учтены как режим движения газа, так и коэффициенты гидравлического сопротивления газопроводов. Здесь приводится сокращенный вариант.

• Для расчетов внутреннего диаметра газопровода следует воспользоваться формулой:
• dp = (626Аρ0Q0/ΔPуд)1/m1 (5.1)
• где dp — расчетный диаметр, см; А, т, т1 — коэффициенты, зависящие от категории сети (по давлению) и материала газопровода; Q0 — расчетный расход газа, м3/ч, при нормальных условиях; йРуд — удельные потери давления (Па/м для сетей низкого давления
• ΔPуд = ΔPдоп /1,1L (5.2)

Здесь АРдоп — допустимые потери давления (Па); L — расстояние до самой удаленной точки, м. Коэффициенты А, т, т1 определяются по приведенной ниже таблице.

Внутренний диаметр газопровода принимается из стандартного ряда внутренних диаметров трубопроводов: ближайший больший — для стальных газопроводов и ближайший меньший — для полиэтиленовых.

Расчетные суммарные потери давления газа в газопроводах низкого давления (от источника газоснабжения до наиболее удаленного прибора) принимаются не более 1,80 кПа (в том числе в распределительных газопроводах — 1,20 кПа), в газопроводах-вводах и внутренних газопроводах — 0,60 кПа.

Для расчета падения давления необходимо определить такие параметры, как число Рейнольдса, зависящее от характера движения газа, и коэффициент гидравлического трения А. Число Рейнольдса — безразмерное соотношение, отражающее, в каком режиме движется жидкость или газ: ламинарном или турбулентном.

Переход от ламинарного к турбулентному режиму происходит по достижении так называемого критического числа Рейнольдса ReKp. При Re < ReKp течение происходит в ламинарном режиме, при Re > ReKp — возможно возникновение турбулентности. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения.

Число Рейнольдса как критерий перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения и обратно относительно хорошо действуетдля напорных потоков.

При переходе к безнапорным потокам переходная зона между ламинарным и турбулентным режимами возрастает, и использование числа Рейнольдса как критерия не всегда правомерно.

Таблица 5.1. Значения коэффициентов в зависимости от материала газопровода

Материал	А	m	ml
Сталь	0,022	5
Полиэтилен	0,3164 (9nv)0'25 = 0,0446, у — кинематическая вязкость газа при нормальных условиях, м2/с	1,75	4,75

Число Рейнольдса — это отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости. Также его можно рассматривать как отношение кинетической энергии жидкости к потерям энергии на характерной длине. Число Рейнольдса применительно к углеводородным газам определяется по следующему соотношению:

Re = Q/9πdπν (5.3)

где Q — расход газа, м3/ч, при нормальных условиях; d — внутренний диаметр газопровода, см; v — коэффициент кинематической вязкости газа при нормальных условиях, м2/с (см. табл. 2.3). Диаметр газопровода d должен отвечать условию

(n/d) < 23 (5.4)

где n — эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимаемая равной:

• для новых стальных—0,01 см;
• для бывших в эксплуатации стальных—0,1 см;
• для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации — 0,0007см.

1. Коэффициент гидравлического трения А определяется в зависимости от режима движения
2. газа по газопроводу, характеризуемого числом Рейнольдса. Для ламинарного режима движения газа (Re < 2000):
3. А = 64/Re (5.5)
4. Для критического режима движения газа (Re = 2000-4000):
5. А = 0,0025 Re0333 (5.6)
6. Если значение числа Рейнольдса превышает 4000 (Re > 4000), возможны следующие ситуации. Для гидравлически гладкой стенки при соотношении 4000 < Re < 100000:
7. А = 0,3164/25 Re025 (5.7)
8. При значении Re > 100000:
9. А = 1/(1,82lgRe — 1,64)2 (5.8)
10. Для шероховатых стенок при Re > 4000:
11. А = 0,11[(n/d) + (68/Re)]02 (5.9)
12. После определения вышеперечисленных параметров падение давления для сетей низкого давления вычисляется по формуле
13. Pн – Pк = 626,1λQ2ρ0l/d5 (5.10)
14. где Рн — абсолютное давление в начале газопровода, Па; Рк — абсолютное давление в конце газопровода, Па; А — коэффициент гидравлического трения; l — расчетная длина газопровода постоянного диаметра, м; d — внутренний диаметр газопровода, см; р0 — плотность газа при нормальных условиях, кг/м3; Q — расход газа, м3/ч, при нормальных условиях;

Расход газа на участках распределительных наружных газопроводов низкого давления, имеющих путевые расходы газа, следует определять как сумму транзитного и 0,5 путевого расходов газа на данном участке. Падение давления в местных сопротивлениях (колена, тройники, запорная арматура и др.) учитываются путем увеличения фактической длины газопровода на 5-10%.

• Для наружных надземных и внутренних газопроводов расчетная длина газопроводов определяется по формуле
• l = l1 + (d/100λ)Σξ ( (5.11)
• где l1 — действительная длина газопровода, м; Σξ — сумма коэффициентов местных сопротивлений участка газопровода; d — внутренний диаметр газопровода, см; λ — коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от режима течения и гидравлической гладкости стенок газопровода.

Местные гидравлические сопротивления в газопроводах и вызываемые ими потери давления возникают при изменении направления движения газа, а также в местах разделения и слияния потоков.

Источники местных сопротивлений — переходы с одного размера газопровода на другой, колена, отводы, тройники, крестовины, компенсаторы, запорная, регулирующая и предохранительная арматура, конденсатосборники, гидравлические затворы и другие устройства, приводящие к сжатию, расширению и изгибу потоков газа.

Падение давления в местных сопротивлениях, перечисленных выше, допускается учитывать путем увеличения расчетной длины газопровода на 5-10%. Расчетная длина наружных надземных и внутренних газопроводов

1. l = l1 + Σξlэ (5.12)
2. где l1 — действительная длина газопровода, м; — сумма коэффициентов местных сопро
3. тивлений участка газопровода длиной l1; 1э — условная эквивалентная длина прямолинейного участка газопровода, м, потери давления на котором равны потерям давления в местном сопротивлении со значением коэффициента £ = 1.
4. Эквивалентная длина газопровода в зависимости от режима движения газа в газопроводе:
5. — для ламинарного режима движения
6. lэ = 5,5•10-6Q/v (5.13)
7. — для критического режима движения газа
8. lэ = 12,15d1,333v0,333/Q0,333 (5.14)
9. — для всей области турбулентного режима движения газа
10. lэ = d/[11(kэ /d + 1922vd/Q)0,25] (5.15)

Таблица 5.2. Коэффициенты местных сопротивлений f при турбулентном движении газа (Re > 3500)

Вид местного сопротивления	Значение	Вид местного сопротивления	Значение
Отводы:	Сборники конденсата	0,5-2,0
гнутые плавные	0,20-0,15	Гидравлические затворы	1,5-3,0
сварные сегментные	0,25-0,20	Внезапное расширение трубопроводов	0,60-0,25
Кран пробочный	3,0-2,0	Внезапное сужение трубопроводов	0,4
Задвижки:	Плавное расширение трубопроводов (диффузоры)	0,25-0,80
параллельная	0,25-0,50	Плавное сужение трубопроводов (конфу- зоры)	0,25-0,30
с симметричным сужением стенки	1,30-1,50	Тройники
Компенсаторы:	потоков слияния	1,7
волнистые	1,7-2,3	разделения потоков	1,0
лирообразные	1,7-2,4
П-образные	2,1-2,7

При расчете внутренних газопроводов низкого давления для жилых домов допустимые потери давления газа на местные сопротивления, % от линейных потерь:

• на газопроводах от вводов в здание до стояка — 25; на стояках — 20; на внутриквартирной разводке — 450 (при длине разводки 1-2 м), 300 (3-4 м), 120 (5-7 м) и 50 (8-12 м). Приближенные значения коэффициента £ для наиболее распространенных видов местных сопротивлений приведены в табл. 5.2.

Падение давления в трубопроводах жидкой фазы СУГ определяется по формуле:

H = 50λV2ρ/d (5.16)

где А — коэффициент гидравлического трения (определяется по формуле 5.7); V — средняя скорость движения сжиженных газов, м/с.

• С учетом противокавитационного запаса средние скорости движения жидкой фазы принимаются: во всасывающих трубопроводах — не более 1,2 м/с; в напорных трубопроводах — не более 3 м/с.
• При расчете газопроводов низкого давления учитывается гидростатический напор Нд, даПа, определяемый по формуле
• Hg = ±lgh(ρa – ρ0) (5.17)
• где g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; h — разность абсолютных отметок начальных и конечных участков газопровода, м; ра — плотность воздуха, кг/м3, при температуре 0°С и давлении 0,10132 МПа; р0 — плотность газа при нормальных условиях кг/м3.
• При выполнении гидравлического расчета надземных и внутренних газопроводов с учетом степени шума, создаваемого движением газа, следует принимать скорости движения газа не более 7 м/с для газопроводов низкого давления, 15 м/с для газопроводов среднего давления, 25 м/с для газопроводов высокого давления.

Расчет простых и сложных газопроводов — PDF Free Download

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Директор ИГНД А.К. Мазуров 010 г. Н.В.

Чухарева Расчет простых и сложных газопроводов Методические указания к выполнению практических работ по курсу «Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции» для студентов IV курса, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело», специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Издательство Национального исследовательского Томского политехнического университета 1

2 УДК 61.48(075.8) ББК 1.6я7 Ч-96 Чухарева Н.В. Ч-96 Расчет простых и сложных газопроводов.

Методические указания к выполнению практических работ по курсу «Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции» для студентов IV курса, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело», специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» / Н.В. Чухарева.

Томск: Изд-во Томского политехнического университета, с. УДК 61.48(075.8) ББК 1.6я7 Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры транспорта и хранения нефти и газа ИГНД «05» марта 010 г. Зав. кафедрой ТХНГ кандидат технических наук Председатель учебно-методической комиссии А.В. Рудаченко В.М.

Передерин Рецензент К.т.н., инженер ПО магистральных газопроводов ООО «Газпром трансгаз Томск» г. Томска А.В. Герасимов Чухарева Н.В., 010 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 010 Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 010

3 СОДЕРЖАНИЕ 1. Технологические расчеты газопроводов Гидравлический расчет простых газопроводов Определение коэффициента гидравлического сопротивления Задания для самостоятельной работы… 8

4 1. Технологические расчёты газопроводов При движении реального газа по трубопроводу происходит значительное падение давления по длине в результате преодоления гидравлических сопротивлений. Газ сжимаемая система. При движении газа по трубопроводу величина плотности газа будет монотонно убывать от начального участка к конечному, так как ρ = f (P).

С учётом закон на сохранения массы транспортируемой системы (r u = const) линейная скорость течения такой системы будет монотонно возрастать от начального участка к конечному. Пример. Массовый расход (G) транспортируемого газа по трубопроводу (d = 100, δ =10 мм) составляет 180 кг/с.

Найти скорости течения газа в начале (u 1 ) и в конце (u ) участка газопровода, если известно, что плотность газа в начале участка равна 45 кг/м, а в конце 5 кг/ м. Решение. 1.

Находим скорость течения газа в начальном участке газопровода (u 1 ): G Q = = v S, м / с — объемный расход; (1) r d S = p, м / с — площадь сечения; () 4 Q 4 G v = = = 4,9 м / с 1 S r1 p d 45,14 1,0 = — скорость газа в начальном участке. (). Находим скорость течения газа в начальном участке газопровода (u ): 4 G v = = 8,8 м/ с r p d 5,14 1,0 = — скорость газа в начальном участке.

(4) То есть скорость течения газа к концу участка газопровода увеличивается ç = 1, 8 в 1,8 раза по сравнению со скоростью в его начале. æ 8,8 ö è 4,9 ø 1.1. Гидравлический расчет простых газопроводов Установившееся изотермическое (Т=const) движение газа в газопроводе описывается системой трех уравнений: Уравнение Бернулли, закон сохранения энергии: 4

5 dp u du dx u + + dz + l = 0. (5) g rг g d g Уравнение состояния: P =r г R г T z, (6) где R г = R/M. Закон сохранения массы, выражающийся в постоянстве массового расхода: G = r г u s = const. (7) При этом следует помнить, что изотермический процесс описывается уравнением Бойля-Мариотта: Р/r = const. (8) Для расчета массового расхода газа по трубопроводу основной является формула.

P1 — P l 16 G L =. (9) 5 z Rг T p d Или где p d G = 4 ( P1 — P ) d кг с l z R г 5, T L /.

(10) В системе СИ размерности используемых величин следующие: G массовый расход газа, кг/с; d — внутренний диаметр газопровода, м; P 1,P давление в начале и конце газопровода, соответственно, Па; l — коэффициент гидравлического сопротивления; R г — газовая постоянная, Дж/(кг*К); R универсальная газовая постоянная, равная 814 Дж/(кмоль*К); T абсолютная температура газа, К; L длина газопровода, м; u — линейная скорость газа, м/с; r г плотность газа, кг/м. По уравнению состояния для газа и воздуха имеем: R г Rв r = г r или Rв rв Rв R г = =, (11) в rг r r = r г /r в относительная плотность газа по воздуху. Объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям: G G Vг = =, (1) r r r су в

6 где где r су плотность газа при с.у. Подставив значения R г и G, получим: k o в V г p 1 = 4 r = k R в. o ( P — P ) 1 d 5 l z r T L, (1) При стандартных условиях (t = 0 С, Р = 760 мм рт. ст.) плотность воздуха r В = 1,05 кг/м R0 814, Дж и RB = = = 87, k 0 =, ,96 8,96 кг K И соответственно: V — ( P1 — P ) =,87 10 r l r z T. (14) L При нормальных условиях (t = 0 С, Р = 760 мм рт.

ст.) плотность воздуха r В = 1,9 кг/м и R B = 87 Дж/кг К, k 0 =, Определение коэффициента гидравлического сопротивления Значение коэффициента гидравлического сопротивления l рассчитывается в зависимости от режима движения газа и шероховатости труб по тем же формулам, что и для нефтепровода.

Для гидравлических гладких труб l не зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы и рассчитывается по формуле: 0, æ158 ö 0,1844 l = 0,067 ç =. (15) Re 0, è ø Re При квадратичном режиме течения l не зависит от Re, и является функцией относительной шероховатости: где æ D ö l = 0,067 ç. (16) è d ø По универсальной формуле ВНИИ газа: æ158 D ö l = 0,067 ç + è Re d ø.

(17) Значение числа Re для смеси газов: u C d rc Re C =, mc (18) m С вязкость смеси газов; 6 0, 0,

7 r С плотность смеси газов в условиях трубопровода, кг/м. P 0 1 r = СР Т С r 0, (19) Р0 ТСР z где r о плотность смеси газов при Н.У., кг/м ; Р ср и Р о соответственно среднее давление в трубопроводе и барометрическое, Па; Т СР и Т о соответственно средняя температура перекачки и температура абсолютного нуля (7.15 К).

æ ö ç Р Р СР = Р1 +. (0) è Р1 + Р ø При технических расчетах l (с учетом местных сопротивлений) можно принимать: l=(1,0-1,05) l ТР. (1) Обычно течение газа происходит при высоких скоростях, когда сопротивление определяется только шероховатостью труб (квадратичная зона).

Так как шероховатость не зависит от диаметра трубопровода, можно считать, что l зависит только от диаметра газопровода. Одной из формул для оценки величины l, как функции диаметра (l = (d), получившей широкое распространение, является формула Веймаута: l=0,009407/ d. () Формула Веймаута (6.

159) может использоваться при ориентировочных расчетах диаметра и пропускной способности простого газопровода. В этом случае расчетные формулы имеют вид: 16 é G z R ù Г T L d = ê ú, () ë 65 ( P1 — P ) û G = d 8 65 ( P1 z R — P ). (4) T L Г Из формулы (6.

151) можно получить выражение для определения длины L, диаметра d и конечного давления Р при известном начальном Р 1 : l r z T VГ L 10 P = P1 -, 5,87 d 4 Па. (5) 7

8 1.. Задания для самостоятельной работы Типовая задача 1 Пример. Известно отношение давлений (Р 1 /Р ) 1,4 в сечениях 1 и газопровода постоянного диаметра. Течение изотермическое, известна скорость газа (v 1 ) 0 м/с. Найти v. Решение.

Учитывая закон сохранения массы транспортируемой системы (r u = const) и уравнение состояния P =r г R г T z, P 1 /P = r 1 /r, ρ 1 /ρ = υ /υ 1,υ =1,5 м/c. P1 r1 r 1 u1 P =, а также =, таким образом 1 u = u1 = 1,4 0 = 8 м / с. P r r u P Задание. Известно отношение давлений Р 1 /Р в сечениях 1 и газопровода постоянного диаметра.

Течение изотермическое, известна скорость газа v 1, м/с. Найти v. Исходные данные представлены в табл. 1. 8

9 Исходные данные к задаче 1 Таблица 1 Параметр Варианты Р 1 /Р 4,5 4,,8, 1,9,4 1,5,5,8 4,4 5 5,5 V 1, м/с Параметр Варианты Р 1 /Р 7 6 6,5 6, 4,5, 7, 8 7,7 7,5 1,8, 5, 7,1 6,8 V 1, м/с

10 Типовая задача Пример. Определить массовый и объемный расходы для газопровода длиной 100 км, с наружным диаметром 70 мм и толщиной стенок 10 мм. Абсолютное давление в начале газопровода р н = 5 МПа, в конце р к = 1,1 МПа. Плотность газа при стандартных условиях ρ г = 0,8 кг/м, газовая постоянная R = 8,1 Дж/(моль К).

Коэффициент динамической вязкости μ = Па с, коэффициент сжимаемости z = 0,9. Температура грунта на глубине заложения газопровода 5 о С. Эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб Δ = 0, мм. Решение. 1. Задаваясь квадратичным законом получаем æ 0, 10 ö 0,067 ç — l = = 0, è ø. В соответствии с расчетное значение принимают λ = 0,0157.

По находим массовый расход для газопровода: ( 5-1,1 ),14 0, ,75 G м = = 855, кг / с. 4 0,0157 0,9 8, Оцениваем объемный расход газопровода: Задание. Определить массовый суточный расход газа, который можно передать по газопроводу, уложенному из труб диаметром d мм, на расстояние L км.

Абсолютное давление газа на выкиде компрессорной станции P 1 МПа, в конце участка P МПа, плотность газа r г при атмосферном давлении (0,1 МПа) и температуре перекачки 0 С. Газ считать совершенным, течение изотермическим. Исходные данные в табл.. Указание. Для расчета коэффициента гидравлического сопротивления вспользоваться формулой Веймаута.

Перевод внесистемных единиц в единицы СИ Единицы давления 1 кгс/см 98066,5 Па 1 ат (атмосфера техническая)»0,1 МПа 1 атм (атмосфера физическая ) 101,5 кпа 1 мм рт.ст. 1, Па 1 мм вод.ст. 9,80665 Па Единицы динамической вязкости 1 Пауз 0,1 Па * с 0, 1 10

11 Исходные данные к задаче Таблица Параметры Варианты Диаметр газопровода, мм Длина газопровода, км Р 1, МПа 6,5 5, 6,6 5,6 8,0 7,5 7,0 7, 6,8 5,0 Р, МПа 4,7,4 5,5 4,5 6,8 5,0 4,6 5,,8, ρ г, кг/м 0,86 0,80 0,74 0,88 0,9 0,68 0,78 0,6 0,70 0,7 Варианты Параметры Диаметр газопровода, мм Длина газопровода, км Р 1, МПа 0,6 0,8 6,6 6,8 7 7, 7, 7,4 0,5 7,5 Р, МПа 0,1 0,15 1 1,5 1, 1,8 1,4 0, 1, ρ г, кг/м 0,75 0,8 1, 1,0 0,9 0,88 1, 1,1 1,5 1,6 Параметры Варианты Диаметр газопровода, мм Длина газопровода, км Р 1, МПа 0,9 7,0 6,6 0,75 0,5 6,4 5,5 0,8 7, 5, Р, МПа 0,4,4 1,5 0,15 0,1 1, 1,8 0,5 1,6 1, ρ г, кг/м 0,8 1, 0,88 0,9 0,74 1,6 1, 1, 1,6 0,86 11

12 Ответы к типовой задаче 1 вар V, м/с Ответы к типовой задаче вар λ Gм, кг/с Q, млн м/сут 1 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,016409,7171 6, , , , , , , , , , , , , , , , , ,61 160, , ,4614 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,010971, , , , , , , , , ,5187 9, , ,544617, , , , , , , , , , , , , , , ,

13 Учебное издание ЧУХАРЕВА Наталья Вячеславовна РАСЧЕТ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ Методические указания к выполнению практических работ по курсу «Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции» для студентов IV курса, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело», специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Научный редактор кандидат технических наук, доцент А.В. Рудаченко Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать Xerox. Усл. печ. л Уч.-изд. л Заказ ХХХ. Тираж ХХХ экз. Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001: , г. Томск, пр. Ленина, 0. Тел. / факс: 8(8)