Расчет кольцевых сетей газоснабжения

Расчет кольцевых сетей газоснабжения отличается от расчета тупиковых сетей тем, что на первом этапе гидравлического расчета производят предварительное распределение потоков газа с соблюдением первого закона Кирхгофа (алгебраическая сумма входящих в узел расходов газа равна алгебраической сумме выходящих из узла расходов) и заканчивается подбором диаметров газопроводов для всех участков газопровода. После подбора диаметров второй закон Кирхгофа (алгебраическая сумма потерь давления на участках с движением газа по направлению часовой стрелки равна алгебраической сумме потерь давления газа против часовой стрелки) обычно не выполняется. Это происходит ввиду вводимых ограничений:

· Ограничения минимального диаметра газопровода

· Прогнозируемый рост нагрузок (учет перспективы застройки)

· Требования надежности сети газоснабжения

· Дискретность диаметров трубопроводов по ГОСТ

Учитывая это, вторым этапом расчета всегда является задача определения истинного потокораспределения.

Гидравлический расчет кольцевых сетей газоснабжения включает в себя:

е) Трассировку сети – определение способа прокладки газопровода, нанесение сети на генплан территории, определение геометрических параметров сети (длины участков, углы поворота, ответвления, отметки высот)

ж) Предварительное распределение потоков газа (определение узловых и путевых расходов газа для каждого участка газораспределительной сети)

з) Увязку колец сети газораспределения путем введения поправочных расходов и изменением диаметров газопроводов

и) Окончательное определение диаметров газопроводов

к) Определение давления в узловых точках и оформление результатов расчета

Основные зависимости, используемые для гидравлического расчета приняты из СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных сетей из металлических и полимерных труб». Методика расчета взята из учебника Ионина А.А. «Газоснабжение».

V. Составление схемы газоснабжения с нанесением длин участков и узловых точек

Рис. 1. Пример кольцевой схемы газоснабжения	Рис. 2. Пример расчетной схемы кольцевой сети

VI. Предварительное распределение потоков газа

1) Определение удельных путевых расходов для всех участков сети

а) Разбиваем всю сеть на зоны, которые питаются от определенных контуров (на рисунке 1: I, II, III, IV, A, B, C)

б) Рассчитываем максимальные часовые расходы газа для каждой зоны, перемножая площадь зоны, плотность населения и удельный расход газа на одного человека (см. лекцию 7)

в) Определяем суммарную длину каждого питающего контура

г) Определяем удельные расходы газа для всех контуров, разделив максимальный часовой расход газа на суммарную длину питающего контура (аналогично с тупиковой сетью, только в случае кольцевой сети контур замкнутый и на него распределяется расход газа зоны, которую он окружает, а у тупиковых газопроводов расход нескольких зон равномерно распределен по всей длине сети газоснабжения)

Все расчеты сводим в таблицу (пример из учебника Ионина):

2) Задаем начальное распределение потоков газа в сети

На схеме сети наносим направления потоков газа. В нашем случае ГРП находится в центре района, поэтому находим точки, наиболее удаленные от ГРП по движению газопроводов и принимаем их за точки схода потоков газа. В нашем случае, это точки 3, 7, 15.

3) Принимаем, что сосредоточенных расходов сеть не имеет. То есть принимаем, что весь расход газа идет по участку до конечной точки, а не разделяем его как в случае с тупиковой сетью. При этом получится, что у нас будут большие путевые расходы газа, чем при подобном расчете тупиковой сети, это обеспечит резерв пропускной способности и позволит использовать газопроводы для бесперебойной подачи в случае аварии. Впоследствии при подборе диаметров и потоков газа мы с заданной погрешностью определим эти параметры.

Вычисляем путевые расходы газа для всех участков сети по формуле: , где

- длина участка, ограниченного точками i, j

- удельный путевой расход газа для контура или контуров, включающих данный участок. То есть, если участок 10-11 относится и к контуру II, и к контуру III, то удельный путевой расход для этого участка будет равен сумме удельных путевых расходов для контуров II и III.

- расход газа, проходящий транзитом через данный участок, например для участка 8-13 этот расход будет равен сумме путевых расходов участков, следующим за ним по направлению движения газа: 4-8, 7-8, , причем для участка 4-8 в свою очередь транзитный расход равен путевому расходу на участке 3-4, .

Таким образом, путевой расход газа на участке 7-8 равен:

4) Потери на местные сопротивления, как и для тупиковой сети, принимаем равными 10% линейных. Тогда допустимые потери на трение ΔP_уд, [Па/м] равны:

Удельные потери должны быть определены для разных направлений, рассмотрим основные:

· 12-11-10-6-2-1: L=850

· 12-13-8-4-3: L=1060

· 12-11-15-16-18: L=895

· 12-11-10-14: L=600

Очевидно, что для одного и того же участка 12-11 получилось 3 разных значения , поэтому чтобы удовлетворить самому длинному направлению 12-11-15-16-18 мы принимаем , а для остальных вариантов мы корректируем значения с учетом, что на начальном участке они уже известны. То есть, удельные потери для остальных участков возрастут. Следующими участками для определения будут 12-13, 11-10 и 11-15 и так далее…

5) Производим гидравлическую увязку колец.

а) Подбираем диаметры участков трубопроводов аналогично пунктам 8-10 алгоритма расчета тупиковой сети газораспределения (см. лекцию 10)

б) На схеме системы обозначены кольца I II III и IV. Направление движения газа за положительное принимается по часовой стрелке:

Следовательно, если направление газа против часовой стрелки, то потери давления на участке берутся с отрицательным знаком.

в) Высчитываем потери давления на участках по формулам а) и б) пункта 9 из алгоритма расчета тупиковой сети (см. лекцию 10).

· Для сетей низкого давления определяем потери давления на участках и берем их с учетом направления движения газа

· Для сетей высокого и среднего давления определяем квадратичные потери давления , и также берем их с учетом направления движения газа

г) Определяем невязку колец по формулам:

· Для сетей низкого давления

· Для сетей высокого и среднего давления

где и - геометрические суммы потерь давления на участках колец (с учетом знака, обусловленного направлением движения) для низкого и высокого, среднего давления соответственно;

В случае, если ошибка оказывается меньше 10% (иногда 5%), сеть считается гидравлически увязанной.

д) Определяем первые поправочные круговые расходы ΔQ_i для всех колец по формулам:

· Для сетей низкого давления

· Для сетей высокого и среднего давления

где - расходы газа на участках.

е) Вводим поправочные расходы газа для колец путем суммирования ΔQ_i и расходов газа на участках .

ж) Обращаем внимание на то, что у нас изменились расходы, возможно изменение знака, что говорит об обратном направлении движения газа на участке.

з) Для новых значений расходов снова подбираем диаметры и повторяем последовательность а)-е) данного пункта до того момента, пока не получим ошибку расчета менее заданного значения (10% или 5%)

и) Оформляем результаты расчета в табличном виде:

VII. Рассчитываем тупиковые участки газораспределительной сети (вводы в кварталы). Принцип расчета тупиковых газопроводов подробно описан в лекции 10.

Оформляем результаты расчета в табличном виде:

Вопросы для самопроверки

24. Особенности расчета кольцевых сетей, два закона Кирхгофа

25. Порядок гидравлического расчета кольцевых сетей

26. Определение путевых расходов, правило знаков

27. Определение удельных потерь давления, их корректировка для других направлений

28. Определение невязки колец, решение проблемы

29. Расчет тупиковых трубопроводов

Б2Л12 СГРГП

Лекция 12

Повышение надежности сети путем взаимного
резервирования участков.

Основной задачей, решаем при распределении потоков в сети, является определение главных направлений движения газа и установление связей между этими потоками.

Задача повышения надежности газораспределительной сети решается следующими способами:

· По главным контурам направляются транзитные потоки, по второстепенным – не направляются

· Головные участки, примыкающие к точке питания должны быть взаимозаменяемыми, а их расчетные потоки примерно одинаковыми

· Точки питания главных контуров (расположение ГРП) выбирают так, чтобы потоки газа двигались к потребителям кратчайшим путем, а точки их встречи располагались диаметрально противоположно точкам питания

· Целесообразно, чтобы один из контуров объединял точки питания ее от ГРП

· Основные направления движения транзитных расходов должны пролегать в зонах наибольшего потребления газа

Обычно при расчете кольцевой газовой сети низкого давления не определяют пропускной резерв трубопроводов ее участков. Предварительно подобранные диаметры участков кольцевой сети могут сильно отличаться друг от друга, в таком случае кольцо перестает быть резервированным элементом системы, так как малые диаметры не смогут пропустить необходимые потоки при аварийных ситуациях.

В предыдущей лекции была разработана схема с минимальными диаметрами, подходящими для пропуска расчетного максимального расхода газа. Теперь ставится задача модернизация разработанной схемы для повышения ее надежности с минимальными дополнительными затратами.

Рис. 1. Пример кольцевой схемы газоснабжения	Рис. 2. Пример расчетной схемы кольцевой сети

Этапы расчета сети с использование взаимного резервирования участков:

1. Выделяем в данной сети два основных контура: контур III (12-13-8-7-6-10-11-12) и контур I (12-11-15-16-13-12). Третий контур подсоединен к точке питания и несет основную нагрузку, так как питает контур IV. Контур I также подсоединен к точке питания, но несет меньшую нагрузку.

2. Соответственно выбранным главным контурам выбираем главные направления: 12-11-10-6-2-3 и 12-13-8-4-3. Желательно, чтобы их нагрузки были приблизительно одинаковыми. Это можно выполнить путем смещения точек встречи потоков 3 и 7 в сторону верхнего направления. Для кольца I главные направления: 12-11-15-16-8 и 12-13-16-8. Последний участок 16-18 относим к направлению 12-13-16-18, так как оно менее нагружено.

Несмотря на то, что в предыдущей лекции при предварительном распределении потоков учитывались главные направления, взаимозаменяемости в кольцах достичь не удалось. Если отключить участок 12-13, то сеть окажется в аварийном режиме, и у многих потребителей давление газа значительно упадет, что приведет к срабатыванию аварийного отключения подачи газа к горелкам настенных котлов, и при отсутствии обслуживающего персонала возможна разморозка системы отопления.

3. Выделенные кольца следует расположить по рангу в ряд. Для оценки значимости кольца целесообразно использовать его материальную характеристику (длины и диаметры участков указаны в лекции 11):

M^I = 219•50+219•390+108•305+219•250+114•450=235350

M^III = 219•250+219•305+108•290+219•50+219•200+219•300+75,5•150=284640

В результате получим ранжированный ряд колец: M^III, M^I

4. Основной принцип резервирования сети состоит в проектировании кольца с постоянным диаметром. Если это не удается, то проектируют кольцо из двух ближайших по ГОСТ диаметров трубы. Определим осредненный диаметр газопроводов кольца по формуле:

Где α – коэффициент, учитывающий увеличение материальной характеристики кольца с постоянным диаметром, обычно α<1,1.

Первоначально считают диаметр кольца первого ранга. Полученный диаметр будет заключаться между двумя значениями из ГОСТ: большим и меньшим (d_б > d_ср > d_м)

219x6 > 184 > 159x4

Участки 12-13, 12-11 и 11-10 оставим диаметром 219х6 как основные, участки 13-8 и 10-6 также оставим диаметром 219х6, та как они транспортируют газ в район IV кольца.

Участки 8-7 и 6-7 примем диаметром 159х4. Рассчитаем снова материальную характеристику кольца:

M^III = 219•250+219•305+159•290+219•50+219•200+219•300+159•150=311955

Дополнительная стоимость трубопроводов увеличит надежность газоснабжения.

5. Далее рассматриваем кольцо следующего ранга – кольцо I:

M^I =235350

219x6 > 163 > 159x4

Ближайшие диаметры получились такие же, как и для кольца III, теперь при выборе диаметров участков учитываем, что для участков газопровода, входящих в оба кольца уже приняты диаметры для кольца высшего ранга.

Участки 12-13 и 12-11 диаметром 219х6 (для кольца III).

Участок 11-15 сохраняем диаметром 219х6, так как он транспортирует газ для кольца II. Участки 13-16 и 15-16 принимаем диаметром 159х4.

Пересчитаем материальную характеристику кольца:

M^I = 219•50+219•390+159•305+219•250+159•450=247755

6. Также принимаем во внимание, что в кольце II на участке 10-14 потери 757Па, а на участке 15-14 – 738Па. Для резервирования потока при аварии в начале одного из участков суммарные потери будут выше нормы, следовательно, заменяем диаметры газопроводов на 76х3.

7. Для новых диаметров сети решаем задачу потокораспределения аналогично пункту 5) алгоритма расчета кольцевой сети в лекции 11. Результаты расчета сводим в таблицу:

В итоге подобного расчета мы заметно улучшили структуру газораспределительной сети и повысили ее надежность путем дополнительных капиталовложений. В нашем случае материальная характеристика сети на 7,7% превышает материальную характеристику изначально рассчитанной сети. Однако практика показывает, что дополнительные вложения окупаются за счет увеличения надежности сети. Вдобавок, для главных колец мы использовали всего 2 типоразмера диаметра трубы, чем повысили унифицированность узлов сети, а значит снизили время ее монтажа.