конспект лекций. Конспект лекций по газу оригинал. Конспект лекций для студентов специальности 130501 Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ
 Скачать 4.98 Mb.
|
|
2.7. Гидравлический расчет вертикальных домовых газопроводов. Гидравлический расчет внутренних горизонтальных газопроводов жилых и общественных зданий проводят по тем же формулам, по которым рассчитывают распределительные газопроводы низкого давления. Вертикальный газопровод (стояк) следует рассматривать отдельно и перепад в нем принимать независимо от горизонтальных газопроводов. При расчете вертикальных газопроводов необходимо учитывать гидростатическое давление воздуха (атмосферное). Для вертикального участка газопровода статическое давление воздуха больше статического давления газа на величину  . Тогда суммарный перепад давления на участке вертикального газопровода состоит из потерь на трение  , на местных сопротивлениях  и учета гидростатического давления газа. При эксплуатации внутридомовых распределительных газопроводов для нижней разводки замечалось, что на верхних этажах газовые приборы работают лучше. При соответствующем расчете и подборе размеров подводящих труб можно создать практически одинаковые условия работы газовых приборов на всех этажах. Рис. 2.20. Расчетная схема вертикального газопровода 2.7.1. Вывод расчетных формул при равномерном по длине отборе газа Пусть в вертикальный газопровод (рис. 2.20, а)диаметром D и высотой Н поступает газ с расходом М (газ подается в вертикальный газопровод снизу). Весь газ равномерно отбирается по высоте газопровода. Отбор газа на единицу длины газопровода m=М/Н. Для данной расчетной схемы транзитный расход в газопроводе отсутствует (МТ=0). Расход газа в любой точке газопровода  ,где hr - переменная координата рассматриваемой точки газопровода, изменяется от 0 до Н. Поскольку абсолютное давление газа в вертикальном газопроводе изменяется незначительно, можно принять плотность газа постоянной величиной (  ). Линейная скорость газа по высоте газопровода вследствие его отбора является переменной величиной. Выразим линейную скорость газа через объемный расход:  ,где F - площадь поперечного сечения газопровода. Коэффициент гидравлического сопротивления выразим в общем виде:  .Подставив выражения линейной скорости и коэффициента гидравлического сопротивления в уравнение Бернулли, получим с учетом гидравлического давления воздуха:  .Число Рейнольдса выразим через объемный расход:  .Перепишем дифференциальное уравнение с учетом нового выражения числа Рейнольдса:  .После интегрирования и подстановки переделов получим  .Формула выражает перепад давления в вертикальном газопроводе с равномерным отбором газа по высоте для различных режимов течения газа: для ламинарного режима (А=64,  =1) ;для критического режима (А=0,0025, =-1/3) ;Для турбулентного режима в случае применения закона Блазиуса (А=0,3164, =0,25) ,где - перепад давления от местных сопротивлений; для квадратичного закона распределения  .2.7.2. Вывод расчетных формул при сосредоточенном отборе газа Не всегда вертикальные домовые газопроводы можно рассматривать как газопроводы с непрерывным и равномерным распределением отбора газа. Для малоэтажных зданий будет допущена погрешность в расчетах, и в этом случае вертикальные газопроводы следует рассматривать как газопроводы с сосредоточенным расходом газа. Расчетная схема газопровода с сосредоточенным отбором газа представлена на рис. 2.20,б. Диаметр газопровода принимаем постоянным по всей высоте. Все участки газопровода между отборами газа равны между собой (h=Н/n, где n - число отборов, равное числу этажей). Начальный участок принимаем такой же длины, как и остальные участки. Отборы по всем этажам считаем одинаковыми. Общий расход газа составляем М = mh. Определим перепады давления по отдельным участкам вертикального газопровода:   ………………………………  Просуммируем перепады по всем участкам и получим перепад на всем газопроводе:  Проведя преобразования, из последнего выражения получаем  Формула получена без учета инерционности потока. Влияние скорости можно учесть, если вычесть из правой части поправку на скорость u, которая при сосредоточенном отборе  . Рассмотрим частные случаи различных режимов, для которых расчетные формулы при сосредоточенных расходах будут иметь вид: для ламинарного режима  для критического режима  для турбулентного режима в случае применения закона Блазиуса   Рис. 2.21. График погрешности при расчете перепада давления на трение в вертикальном распределительном газопроводе для непрерывного отбора газа. Перепад давления, вычисленный по формулам для сосредоточенного отбора, оказывается несколько больше перепада давления, вычисленного при равномерном распределении отбора. С увеличением числа сосредоточенных отборов результаты расчета сближаются. При неограниченном увеличении числа отборов расчетные выражения перепадов давления совпадают. При расчете перепада давления в газопроводе по формулам для непрерывного отбора газа по высоте вертикального газопровода будет получаться некоторая погрешность. Относительную погрешность  определим как разность перепадов давления от преодоления гидравлического сопротивления, вычисленных по формулам для сосредоточенного и равномерного распределенного отбора газа, отнесенную к перепаду давления только от трении, определенного по формуле для сосредоточенных отбором газа. Данные расчета использованы для построения графиков на рис. 2.21. Кривые построены для двух крайних случаев: ламинарного 2и турбулентного 1 режимов. Следует заметить, что если построить кривые для других режимов, то они пройдут между линиями 1и 2. По числу этажей n можно определить погрешность расчета потери давления на трение , а по заданной относительной погрешности установить число этажей, при котором допускается проводить расчет по формулам для непрерывного отбора газа. Аналитическое выражение относительной погрешности показывает, что с увеличением числа этажей погрешность убывает. Это следует также из приведенных графиков. Особенно велика погрешность при малом числе этажей. Погрешность расчета в данном случае относилась к перепаду • давления от гидравлического сопротивления (трения). Если отнести погрешность к общему перепаду давлений с учетом разности отметок и местных сопротивлений, то относительная погрешность будет меньше. Истечение в газовых приборах будет зависеть от разности давлений газа в газопроводе и воздуха вне газопровода. Давление газа так же, как и давление воздуха, зависит от изменения высоты. Поэтому перепад давления должен зависеть от координаты рассматриваемой точки по высоте газопровода, т. е. от этажа дома.Плотность воздуха значительно больше плотности природного газа. По высоте газопровода статическое давление воздуха уменьшается быстрее, чем статическое давление газа. В связи с этим возможны случаи, когда избыточное давление газа на верхних этажах может оказаться больше, чем на нижних этажах. Такое явление часто наблюдается при эксплуатации домовых газопроводов. Расчетный перепад давления в вертикальном домовом газопроводе можно обосновать из физических соображений. Давление воздуха так же, как и давление газа, изменяется по высоте газопровода. Наилучшим условием для работы газовых приборов на всех этажах будет такое, при котором избыточное давление газа будет одинаковым. Избыточное давление на всех этажах можно обеспечить одинаковым, если изменение давления газа в газопроводе будет равно изменению давления воздуха. Это эквивалентно условию, при котором перепад давления газа в газопроводе равен изменению статического давления воздуха по высоте газопровода. Пример 2.12. Обосновать выбор расчетной формулы для гидравлического расчета вертикального газопровода для девятиэтажного дома. При движении газа наблюдается ламинарный режим течения. Допустимая погрешность расчета перепада давления от трения не должна превышать 10%. Решение По формуле  определяем число этажей, при котором можно проводить расчет по формулам непрерывного отбора с погрешностью определения потерь на трение до 10%:  .Таким образом, по формулам для непрерывного отбора газа, по которым рассчитывают вертикальный газопровод для девятиэтажного дома, допускается применять формулу для сосредоточенного отбора газа. Пример 2.13. Определить расчетный перепад давления в вертикальном газопроводе девятиэтажного дома (Н=27 м). По газопроводу подается природный газ плотностью 0,7 кг/м3. Решение Поскольку плотность воздуха больше плотности газа, то перепад давления следует принять равным изменению давления воздуха, т. е.  Па.Пример 2.14. Определить перепад давлении в вертикальном газопроводе (без учета потерь па местные сопротивления) пятиэтажного дома. Высота этажа h= 3 м. Плотность газа  =0,7 кг/м3. Решение Общая высота газопровода  м. Поскольку плотность газа меньше плотности воздуха, расчетный перепад давления в вертикальном газопроводе можно принять равным изменению давления воздуха:  Па. Таким образом, перепад давления только в вертикальном газопроводе можно принять равным 190 Па. 2.8. Методы расчета тупиковой газораспределительной сети Расчет газораспределительной сети сводится к расчету диаметров участков сети и давлений в узловых точках. При расчете диаметров определяющей операцией является распределение расчетного перепада давления по участкам сети. Выбор расчетного перепада на участке при зафиксированном расходе газа однозначно определяет диаметр участка газовой сети. В мировой практике различают три метода распределения расчетного перепада давления по участкам тупиков газораспределительной сети: старый (или традиционный) метод; метод оптимальных диаметров; комбинированный метод. 2.8.1.Традиционный (старый) метод расчета тупиковой сети Метод основан на принципе равномерного расчетного перепада давления по участкам сети. Указанный принцип заключается в том, что при расчете диаметров участков сети используются соотношения - для высокого (среднего) давления:  ;-для низкого давления  ,где  - расчетная длина приоритетного направления, состоящего из N участков:  - расчетная длина i-го участка (в соответствии со СНиП 2.04.08-87* падение давления в местных сопротивлениях (колена, тройники, запорная арматура и др.) допускается учитывать путем увеличения фактический длины участков газопровода  фi на 5...10%)Тогда расчетный перепад на i-ом участке определится из соотношения  или  .Дальнейшая процедура расчета состоит в проведении последовательных операций определения теоретического диаметра участка, выбора ближайшего стандартного диаметра, расчета перепада давления на каждом участке с учетом реального внутреннего диаметра трубы, оценке суммарного перепада давления и последующей, при необходимости, корректировке диаметра одного из участков с целью приведения суммарного перепада давления в соответствие с допускаемым расчетным перепадом. С учетом указанной процедуры и остаточного давления в узлах переходят к расчету диаметров вспомогательных направлений. Для упрощения ручных расчетов широко используются номограммы (рис.2.19 и 2.22). 2.8.2. Некоторые неопределенности при расчете тупиковой сети по традиционному методу При первом же знакомстве с традиционным методом расчета возникает ВОПРОС 1: Почему принято условие постоянства удельного перепада давления А= Сonst? В ответ можно лишь предположить, что это была одна из самых простых возможностей избежать неопределенности при определении, диаметров участков сети. Ведь условие А=Сonst однозначно распределяет суммарный допустимый перепад давления между участками сети. При этом не может быть никакой речи об оптимальности распределения этого перепада давления с точки зрения например, минимальных затрат на строительство сети. Рассмотрим порядок расчета. 1. При заданных начальном и конечном давлениях (или суммарном перепаде давления) для главного направления определяется суммарная расчетная длина направления, а затем значение Адля выбранного направления. Напрашивается ВОПРОС 2: Какое из направлений считать главным? Каков критерий выбора (протяженность, загруженность по расходу)?  Рис. 2.22. Номограмма для определения потерь давления в газопроводах высокого и среднего давления. Природный газ  0,73кг/м3,  м2/с (при 0оС и 101,3 кПа). Рис. 2.21. Распределение расчетного перепада давления при традиционном методе расчета. 2. По известной теперь величине А и расходу газа с помощью номограммы определяются расчетные значения диаметров для всех участков заданного направления. 3. Назначаются стандартные диаметры на участках направления. Возникает ВОПРОС 3: Как, основываясь на теоретическом расчетном диаметре, выбрать стандартный диаметр (округлить в большую сторону, округлить в меньшую сторону, принять ближайшее стандартное значение диаметра)? По известному расходу и выбранному стандартному диаметру с помощью номограммы определяется фактическое значение А. По фактическому значению А и расчетной длине участка определяется перепад давления на участке сети. С учетом потерь давления на участках направления определяются давления в узлах и конечное давление. Проверяется степень отличия расчетного конечного давления от заданного. В случае большой разницы возникает ВОПРОС 4: На каком из участков следует изменять диаметр, чтобы расчетное конечное давление соответствовало заданному? Каков критерий выбора? Переходят к расчету ответвлений, взяв за начальное давление давление в узле ответвления. Практические выводы, которые необходимо учитывать при традиционном методе решения: 1. Если, после выбора стандартных диаметров, конечное давление в конце расчетного направления оказалось существенно больше минимально допустимого, то можно уменьшить диаметры на начальном участках рассматриваемого направления. 2. Если же, после выбора стандартных диаметров, конечное давление в конце расчетного направления оказалось меньше минимально допустимого, то следует увеличивать диаметры на участках, расположенных ближе к концу рассматриваемого направления. |