4. Гидравлический расчет трубопроводов

Внутризаводские газопроводы, как правило, являются тупиковыми газо­проводами различных давлений. Такие газопроводы имеют сравнительно мало ответвлений к потребителям. Газопроводы с небольшим числом ответвлений к отдель­ным потребителям (цехам) с заданными расходами газа при гидравличе­ских расчетах разбивают на ряд расчетных участков с постоянным расходом газа, каждый из кото­рых рассчитывают самостоятельно. Газопроводы, питаю­щие про­мышленные предприятия, могут быть газопрово­дами среднего и высокого давле­ний. На тер­ритории предприятий могут быть газопроводы различных давлений в зависимости от схемы газоснабжения цехов. Цехи и котельные являются сосредо­точенными потребителями газа. Цель расчета газопрово­дов - определение диа­метров газопроводов при заданных объемах транспортируемого газа и обеспече­ние нормаль­ной работы газорегуляторных установок. Перепады давлений от точки присоединения к промышленному газопро­воду до регуляторной установки предприятия могут быть различными. При расчетах газопроводов низкого давле­ния учиты­вают потери давления в межцеховых и внутрицеховых газо­проводах.

Расчет внутреннего диаметра и толщины стенок трубопровода проводится отдельно для каждого участка газопровода по максимальному расходу и давле­нию газа.

Расчетный внутренний диаметр газопровода определяется по эмпирической формуле:

, мм,

где v – объемный расход газа на участке газопровода, м³/ч;

L – длина рассчитываемого участка газопровода, м, определяемая по плану предприятия;

р – потери давления на рассчитываемом участке газопровода, Па.

Потери давления на участке газопровода на этом этапе расчета принима­ются в процентах от давления в начале газопровода.

МПа,

МПа,

где р_К – давление в конце газопровода, Па.

Для участка №1

Для участка №2

Для участка №3

Для участка №4

Давление в конце газопровода определяется паспортными данными уста­новленного технологического оборудования.

Минимальная толщина стенки газопровода по условию прочности может быть рассчитана по формуле:

, м,

Для участка №1

, мм

Для участка №2

,мм

Для участка №3

, мм

Для участка №4

, мм

где р – расчетное давление в газопроводе;

_В = 32010⁶ Па – предел прочности для материала трубы, изготовленной из стали Ст. 3 ГОСТ 380-71;

n = 10 – коэффициент запаса прочности;

р_МАХ – максимально возможное давление в газопроводе, Па.

Максимально возможное давление в газопроводе на этом этапе расчета принимается в соответствии с верхними пределами давления по СНиП 11-37-76 в зависимости от типа газопровода: для газопровода высокого давления р_Н = 0,3  1,2 МПа (3  12 кгс/см²); для газопровода среднего давления р_Н = 0,05  0,3 МПа (0,5  3 кгс/см²); для газопровода низкого давления р_Н  0,005 МПа (0,5 кгс/см²)

По рассчитанным внутреннему диаметру газопровода d^/ и минимальной толщине стенки s_MIN по сортаменту [2] выбираем близкие по размерам электро­сварную прямошовную стальную трубу по ГОСТ 10704-91 (2002) и ГОСТ 10705-80 (2001), бесшовную горячедеформированную стальную трубу по ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8731-74 или водогазопроводную неоцинкованную обыкновенную и лег­кую трубу по ГОСТ 3262-75 (1994).

Трубы выбираются стальные водогазопроводные легкие (по ГОСТ 3262-75)

На первом участке труба 80 3,5.F=0.005027 м²

На втором участке труба 80 3,5.F=0.005027 м²

На третьем участке труба 80 3,5.F=0.005027 м²

На четвертом участке труба 50 3. F=0.001963 м²

При движении газа по трубопроводам происходит постепенное сниже­ние первоначального давления за счет преодоления сил трения и местных сопротив­лений.

Потери давления по длине газопровода зависят от режима течения газа, который в свою очередь, определяется скоростью течения газа по газопроводу.

Скорость движения потока газа определяется по приведенному расходу газа к давлению:

, м/с,

На участке №1

, м/с

На участках №2

, м/с

На участках №3

, м/с

На участках №4

, м/с

где v - объемный расход газа на участке газопровода, м³/с;

F - площадь попереч­ного сечения трубы, м²;

В зависимости от скорости потока, диаметра трубы и вязко­сти, газа тече­ние его может быть ламинарным, т. е. упорядочен­ным в виде движущихся один относительно другого слоев, и тур­булентным, когда в потоке газа возникают за­вихрения и слои перемешиваются между собой. Режим движения газа характери­зуется величиной критерия Рейнольдса.

,

Для участка №1

Для участка №2

Для участка №3

Для участка №4

где  - скорость потока, м/с;

d – внутренний диаметр газопровода, м;

 - кинематическая вязкость, м²/с.

Кинематическая вязкость газа определяется формулой:

для 0,5 МПа

_,

Для 0,1 МПа

,

где =7.84*10^-6 - динамическая вязкость газа, Нс/м², определяемая по таблице 7 при­ложения;

 - плотность газа, кг/м³, определяемая по таблице 7 приложения;

Для турбулентного режима движения газа коэффи­циент трения рассчитыва­ется по формуле Альтшуля:

,

Для участка №1

Для участка №2

Для участка №3

Для участка №4

где k_Э – эквивалентная шероховатость внутренней поверхности газопро­вода, м, определяемая по таблице 8 приложения.

При гидравлическом расчете газопроводов среднего и высо­кого давлений, в которых перепады давления значительны, изме­нение плотности и скорости дви­жения газа необходимо учитывать. Поэтому потери давления на преодоление сил трения в таких газо­проводах определяются по формуле:

, Па² ,

На участке №1

, Па² ,

На участке №2

, Па² ,

На участке №3

, Па² ,

На участке №4

, Па² ,

где р_Н и р_К – начальное и конечное давление на рассчитываемом участке га­зопровода, Па;

 - коэффициент потерь давления по длине газопровода, зависящий от ре­жима движения газа;

v – объемный расход газа на рассчитываемом участке газопровода, м³/с;

d – диаметр рассчитываемого участка газопровода, м;

 - плотность газа, кг/м³, определяемая по таблице 7 приложения.

р_Н = 1,01310⁵ Па – давление газа при нормальных условиях;

Т_Н = 273 К – температура газа при нормальных условиях;

Т – текущая температура газа, К;

L – длина рассчитываемого участка газопровода, м, определяемая по плану предприятия.

По результатам вычисления рассчитываем начальное давление в газопро­воде высокого и среднего давления.

, Па,

Для участка №1

, Па,

Для участка №2

, Па,

Для участка №3

, Па,

Для участка №4

, Па,

Потери давления на трение в газопроводах высокого и среднего давления

, Па

На участке №1

, Па

На участке №2

, Па

На участке №3

, Па

На участке №4

, Па

Потери давления в местных сопротивлениях вызываются изме­нениями ве­личин и направлений скоростей движения газа в местах переходов газопровода с одного диаметра на другой, в запорной арматуре, отводах, тройниках и т. п.

Потери давления в местных сопротивлениях вычисляются по формуле Вейсбаха.

, Па,

где  - безразмерный коэффициент потерь давления в местном сопротивле­нии, определяемый по таблицам 9 – 13 приложения в зависимости от вида сопро­тивления;

Потери давления в ряде последовательно расположенных местных сопротив­лений на газопроводе одного диаметра определяются по формуле:

, Па,

На участке №1

, Па,

На участке №2

, Па,

На участке №3

, Па,

На участке №4

, Па

где ₁ - _n - коэффициенты потерь давления в различных местных сопротив­лениях.

Потери давления в местных сопротивлениях могут быт выражены, через не­которую эквивалентную длину прямого участка газопровода, потери по длине в которой такие же, как в местных сопротивлениях.

, Па

На участке №1

, Па

На участке №2

, Па

На участке №3

, Па

На участке №4

, Па

где р_ТР – потери давления газа за счет гидравлического трения о стенки трубопровода, Па;

р_М.С – потери давления газа в местных сопротивлениях, Па.

Таблица 4.2 - Результаты гидравлического расчета газопроводов

№ рас­четного участка	v, м^3/с	L, м	ds, мм	рТР, Па	рМ.С, Па	р = рТР + рМ
1	0.047	4550	80х3,5	78200	16230	94430
2	0.046	4030	80х3,5	65500	9049	65500
3	0.041	200	80х3,5	19600	6914	19600
4	0.014	200	50х3	16900	969	16900