Гидравлический расчет газопровода

Гидравлический расчет газопроводов производят для определения диаметров газопроводов, обеспечивающих пропуск необходимых количеств газа при допустимых перепадах давления.

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

Δр = Δр_тр + Δр_м.с.,

где Δр – потери давления в трубопроводе, Па;

Δр_тр – потери давления по длине трубопровода, Па;

Δр_м.с. – потери давления в местных сопротивлениях, Па.

Чтобы установить фактор, от которого зависит падение давления, рассмотрим основные положения динамики потока газа. При движении газа в трубе из-за проявления сил трения у стенок труб скорость потока меньше, а в центре - больше. Однако в расчетах ориентируются на среднюю скорость, м/с,

W = V / F,

где V - объемный расход газа, м³/с;

F - площадь поперечного сечения трубы, м².

В зависимости от скорости потока, диаметра труб и вязкости газа течение может быть ламинарным и турбулентным.

Режим движения газа характеризуется величиной критерия Рейнольдса:

Rе = ω ∙ D / υ,

где ω - скорость потока, м/с;

D - диаметр трубопровода, м;

υ - кинетическая вязкость, м²/с.

Интервал перехода ламинарного движения в турбулентное называется критическим и характеризуется R_е = 2000 4000. При R_e<2000 течение ламинарное, а при R_e>4000 - турбулентное.

Практически в распределительных газопроводах преобладает турбулентное движение газа. Лишь в газопроводах малого диаметра, например, во внутридомовых, при небольших расходах газ течет ламинарно.

Течение газа по подземным газопроводам считают изотермическим процессом, т.к. температура грунта вокруг газопровода за короткое время протекания газа изменяется мало.

С учетом этих положений падение давления в газопроводах за счет сил трения определяют на основании формулы Дарси-Вейсбаха:

,

где р – потери давления, Па (кгс/м²);

- коэффициент трения;

- длина трубопровода, м;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

- плотность газа, кг/м³ (0,102 кг/м³);

- средняя скорость движения газа, м/с.

Приведенная формула справедлива для несжимаемых жидкостей, протекающих с постоянной скоростью при неизменной плотности. Поэтому она применима для расчета лишь газопроводов низкого давления.

Однако в газопроводах коэффициент трения является переменной величиной, зависящей от критерия Рейнольдса и относительной шероховатости стенок трубопровода (К_э/D).

Для ламинарного режима движения при R_e 2000 коэффициент трения определяется по формуле Пуазейля:

64 / R_e.

Для критического режима при R_e = 2000 4000 - по формуле Зайченко:

.

Для турбулентного режима при R_e >4000 - по формуле Альштуля:

 

= 0,11(К_э/D+68,5/R_e)^0.25.

Подставляя указанные коэффициенты трения и заменяя размерности, после преобразований получаем следующие формулы для расчета газопроводов низкого давления:

- для ламинарного режима

;

- для критического режима

р = 0,0526 ∙ V ^{2.333 ∙} ;

- для турбулентного режима

р=7∙(К_э / d + 1922∙ / V)^{0,25 ∙}V ²∙ /(9,81 ∙ d⁵),

где V - расход газа, м³/г;

d - внутренний диаметр газопровода, м;

- длина газопровода, м;

- плотность газа, кг/м³;

- кинематическая вязкость, м²/с;

К_э - эквивалентная абсолютная шероховатость стенки трубы, см (для стальных труб К_э=0,01см).

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 определяют по формуле

(р²_н - р²_к) / L = 13,19 ∙ / (0,81 ∙ d⁵).

Подставив в эту формулу значение , после преобразований получим формулу для расчета газопроводов среднего и высокого давлений в области турбулентного режима:

р²_н - р²_к =1,45 ∙ (К_э / d + 1922 ∙ ∙ d / V)^0.25 ∙ V∙ / (9,81 ∙ d⁵),

где р_н и р_к – абсолютные давления газа в начале и конце газопровода, Па (кгс/см²);

L – длина газопровода, км.

При расчете газопроводов низкого давления, прокладываемых в условиях резко выраженного переменного рельефа местности, надо учитывать гидростатический напор, Па (кгс/м²),

р = ,

где Z – разность геометрических отметок газопровода, м;

и - плотности воздуха и газа, кг/м³ .

Знак «+» относится к более, «-» - к менее высоким отметкам местности по отношению к исходной плоскости.

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. По формуле Вейсбаха потери давления в местных сопротивлениях, Па (кгс/см²), находятся следующим образом:

р_м.с. = 0,102 ∙ ,

где - безразмерный коэффициент местного сопротивления.

Для ряда последовательно расположенных местных сопротивлений на газопроводе одного диаметра сумма их составит:

,

где - коэффициенты различных местных сопротивлений (см. табл. 1.3).

 

Таблица 1.3