Калькулятор позволяет определить скорость природного газа в трубе согласно ГОСТ Р 55472-2019 «Системы газораспределительные. Сети газораспределения природного газа. Часть 0. Общие положения».
Общие данные.
При расчете пропускной способности надземных газопроводов учитывают максимально допустимый уровень шума, создаваемого движением газа, по ГОСТ 12.1.003-2014 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности».
Скорость движения газа рассчитывается по формуле п.7.1.6. ГОСТ Р 55472-2019 «Системы газораспределительные. Сети газораспределения природного газа. Часть 0. Общие положения». Формула учитывает коэффициент сжимаемости газа, температуру и давление газа. Формула составлена на базе уравнения идеального газа.
Коэффициент сжимаемости в случае необходимости определяется в соответствии с:
- ГОСТ 30319.2-2015 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Вычисление физических свойств на основе данных о плотности при стандартных условиях и содержании азота и диоксида углерода»;
- ГОСТ 30319.3-2015 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Вычисление физических свойств на основе данных о компонентном составе».
При этом следует учесть, что для газопроводов с давление газа до 1,2 МПа коэффициент сжимаемости лежит в пределах от 0,98÷1,0, поэтому в методике гидравлического расчета он не учитывается. В данном расчете по умолчанию принят коэффициент равный Z=1. Калькулятор позволяется менять значение коэффициента.
ГОСТ Р 55472-2019 предусматривает расчет абсолютного давления газа по формуле: Pa=Pи+0.1012. Калькулятор рассчитывает абсолютное давление газа по классической формуле: Pa=Pи+0.101325.
Действующими НТД (ГОСТ Р 55472-2019, СП 42-101-2003) скорость движения газа рекомендуется принимать для газопроводов:
-
- низкого давления — не более 7 м/с;
- среднего давления — не более 15 м/с;
- высокого давления — не более 25 м/с.
Заданные скорости газа в трубе не являются основным критериям для выбора диаметра газопровода. Диаметры газопроводов определяются в ходе полного гидравлического расчета систем газораспределения и газопотребления.
Примечание.
В комментарии приветствуются пожелания, замечания и рекомендации по улучшению программы.
Поделиться ссылкой:
Б.К. Ковалев, заместитель директора по НИОКР
В последнее время все чаще приходится сталкиваться с примерами, когда оформление заказов на промышленное газовое оборудование ведут менеджеры, не имеющие достаточного опыта и технических знаний в отношении предмета закупок. Иногда результатом становится не вполне корректная заявка или принципиально неверный подбор заказываемого оборудования. Одной из наиболее распространенных ошибок является выбор номинальных сечений входного и выходного трубопроводов газораспределительной станции, сориентированный только на номинальные значения давления газа в трубопроводе без учета скорости потока газа. Цель данной статьи – выдача рекомендаций по определению пропускной способности трубопроводов ГРС, позволяющих при выборе типоразмера газораспределительной станции проводить предварительную оценку ее производительности для конкретных значений рабочих давлений и номинальных диаметров входного и выходного трубопроводов.
При выборе необходимых типоразмеров оборудования ГРС одним из основных критериев является производительность, которая в значительной мере зависит от пропускной способности входного и выходного трубопроводов.
Пропускная способность трубопроводов газораспределительной станции рассчитывается с учетом требований нормативных документов, ограничивающих максимально допустимую скорость потока газа в трубопроводе величиной 25м/с. В свою очередь, скорость потока газа зависит главным образом от давления газа и площади сечения трубопровода, а также от сжимаемости газа и его температуры.
Пропускную способность трубопровода можно рассчитать из классической формулы скорости движения газа в газопроводе (Справочник по проектированию магистральных газопроводов под редакцией А.К. Дерцакяна, 1977):
где W— скорость движения газа в газопроводе, м/сек;
Q — расход газа через данное сечение (при 20°С и 760 мм рт. ст.), м3/ч;
z — коэффициент сжимаемости (для идеального газа z = 1);
T = (273 + t °C) — температура газа, °К;
D — внутренний диаметр трубопровода, см;
p = (Pраб + 1,033) — абсолютное давление газа, кгс/см2 (атм);
В системе СИ (1 кгс/см2 = 0,098 МПа; 1 мм = 0,1 см) указанная формула примет следующий вид:
где D — внутренний диаметр трубопровода, мм;
p = (Pраб + 0,1012) — абсолютное давление газа, МПа.
Отсюда следует, что пропускная способность трубопровода Qmax, соответствующая максимальной скорости потока газа w = 25м/сек, определяется по формуле:
Для предварительных расчетов можно принять z = 1; T = 20?С = 293 ?К и с достаточной степенью достоверности вести вычисления по упрощенной формуле:
Значения пропускной способности трубопроводов с наиболее распространенными в ГРС условными диаметрами при различных величинах давления газа приведены в таблице 1.
| Рраб.(МПа) | Пропускная способность трубопровода (м?/ч), при wгаза=25 м/с; z = 1; T= 20?С = 293?К |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DN 50 | DN 80 | DN 100 | DN 150 | DN 200 | DN 300 | DN 400 | DN 500 | |
|
0,3 |
670 |
1715 |
2680 |
6030 |
10720 |
24120 |
42880 |
67000 |
|
0,6 |
1170 |
3000 |
4690 |
10550 |
18760 |
42210 |
75040 |
117000 |
|
1,2 |
2175 |
5570 |
8710 |
19595 |
34840 |
78390 |
139360 |
217500 |
|
1,6 |
2845 |
7290 |
11390 |
25625 |
45560 |
102510 |
182240 |
284500 |
|
2,5 |
4355 |
11145 |
17420 |
39195 |
69680 |
156780 |
278720 |
435500 |
|
3,5 |
6030 |
15435 |
24120 |
54270 |
96480 |
217080 |
385920 |
603000 |
|
5,5 |
9380 |
24010 |
37520 |
84420 |
150080 |
337680 |
600320 |
938000 |
|
7,5 |
12730 |
32585 |
50920 |
114570 |
203680 |
458280 |
814720 |
1273000 |
|
10,0 |
16915 |
43305 |
67670 |
152255 |
270680 |
609030 |
108720 |
1691500 |
Примечание: для предварительной оценки пропускной способности трубопроводов, внутренние диаметры труб приняты равными их условным величинам (DN 50; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500).
Примеры пользования таблицей:
1. Определить пропускную способность ГРС с DNвх=100мм, DNвых=150мм, при PNвх=2,5 – 5,5 МПа и PNвых=1,2 МПа.
Из таблицы 1 находим, что пропускная способность выходного трубопровода DN=150мм при PN=1,2 МПа составит 19595 м3/ч, в то же время входной трубопровод DN=100мм при PN=5,5 МПа сможет пропустить 37520 м3/ч, а при PN=2,5 МПа — только 17420 м3/ч. Таким образом, данная ГРС при PNвх=2,5 – 5,5 МПа и PNвых=1,2 МПа сможет максимально пропустить от 17420 до 19595 м3/ч. Примечание: более точные значения Qmax можно получить из формулы (3).
2. Определить диаметр выходного трубопровода ГРС, производительностью 5000 м3/ч при Pвх=3,5 МПа для выходных давлений Pвых1=1,2 МПа и Pвых2=0,3 МПа.
Из таблицы 1 находим, что пропускную способность 5000м3/час при Pвых=1,2 МПа обеспечит трубопровод DN=80мм, а при Pвых=0,3 МПа — только DN=150мм. При этом на входе ГРС достаточно иметь трубопровод DN=50мм.
|
р3 = 840 9,8 ( |
105 |
−3 |
− |
0,012 |
( 0,0268 |
43,62 |
+ 2,93 ) = 65300 Па |
||
|
840 9 |
,8 |
( 7,85 10−3 )2 2 9,8 |
0,1 |
||||||
Давление насыщенного пара равно 2 кПа. Так как 65,3 >> 2, то сифон будет работать.
При решении задач на расчет газопроводов нужно учитывать, что плотность совершенного10 газа зависит от давления и температуры: ρ=p / RT
Это уравнение состояния газа (уравнение Клайперона). Здесь R – газовая постоянная, равная для воздуха 287дж/кг°К.
В разных сечениях трубопроводной системы давление может отличаться на десятки атмосфер. Это приводит к существенному различию плотностей в сечениях газового потока и, как следствие, к различию объёмных расходов.
При движении газа в сечениях потока сохраняется массовый расход!
Qm = ρ1 ϑ1 ω1=ρ2 ϑ2 ω2=……=ρi ϑi ωi=const (49)
Как известно, капельная жидкость в сечении обладает потенциальной
и кинетической энергией.
Газы обладают потенциальной, кинетической и внутренней энергией.
Внутренняя энергия газа зависит от температуры и вида процесса, по которому измененяется его состояние.
Если при движении газа по трубам вследствие теплообмена с окружающей средой температура по длине не изменяется, то имеет место изотермический процесс (T=const). При этом внутренняя энергия в сечениях трубопровода остается постоянной. Уравнение Бернулли при изотермическом течении газа имеет такой же вид, как и для несжимаемой жидкости, за исключением того, что в сечениях потока разная плотность:
|
p |
α ϑ |
2 |
p |
2 |
α ϑ |
2 |
||||||
|
z + |
1 |
+ |
1 1 |
= z |
2 |
+ |
+ |
2 2 |
+ h |
. (50) |
||
|
1 |
ρ1 |
g |
2g |
ρ2 g |
2g |
1−2 |
||||||
10 Газ называется совершенным, если его давление, плотность и абсолютная температура удовлетворяют уравнению Клапейрона и удельную внутреннюю энергию газа можно опре-
делить в виде: U=cv T
-83-
Основные задачи при расчете газопроводов
1.Определить расход газа, если известны давления в начале и конце газопровода.
2.Определить давление в сечении газопровода, если известен расход газа
идавление в каком –нибудь другом сечении.
3.Определить диаметр газопровода, если известны давления в начале и конце газопровода и расход.
Для решения этих задач получим зависимость между массовым расходом газа и давлениями в сечениях 1-1 и 2-2 (Рис. 22 ).
5.7.1. ВЫВОД РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ
При движении газа в трубопроводе постоянного диаметра одновременно изменяются давление, плотность и скорость движения. Так, давление уменьшается из-за необходимости совершать работу по преодолению силы трения, плотность также уменьшается (при изотермическом течении она пропорциональна давлению). Средняя скорость движения газа увеличивается по ходу его движения, так как массовый расход остается постоянным, а плотность падает. Таким образом, использовать в явном виде уравнение Бернулли (50) для расчета нельзя.
Применим уравнение (50) к элементу газопровода длиной dl, на котором можно считать постоянными скорость и плотность газа.
1 dl 2
р
p+dp
|
1 |
2 |
|
|
Рис. 22 |
L |
|
|
Схема к выводу расчетных зависимостей при движении газа |
||
|
Уравнение Бернулли для выделенного элемента: |
||
|
р/ρg = (p+dp)/ρg + dhдл |
(51) |
-84-
|
−dp = ρ g dh = ρ λ |
dl |
ϑ2 |
|
|
дл |
d |
2 |
|
Потери на трение определяются по тем же формулам, что и для несжимаемой жидкости. Коэффициент трения λ=f(Re, э/d).
Докажем, что при изотермическом течении, когда постоянна вязкость, по длине трубы число Re не изменяется.
Re = ϑ ηd ρ = π4 Qd ηρ = π4 dQmη = const
Следовательно, коэффициент трения также постоянен по длине трубопровода.
Выразим в уравнении (51) скорость и плотность через параметры в начальном сечении и массовый расход.
ρ ϑ2=ρ Qm2/ ρss2 = Qm2/ s2 = Qm2 p1/ ρ1 p s2.
Здесь учтено, что по уравнению состояния
|
−dp = ρ λ |
dl |
ϑ2 |
= λ |
dl |
|||
|
d |
2 |
d |
|||||
p/ ρ = p1/ ρ1 =RT=const.
Qm2 p1
2 ρ1 p s2
Разделяем переменные, учитываем, что s =π d2/4, интегрируем и получаем следующие расчетные формулы:
Определение давления при известном расходе
|
2 |
2 |
L |
Q |
2 |
p |
16 |
||||||
|
p |
− p |
2 |
= λ |
m |
1 |
; |
(52) |
|||||
|
1 |
d 5 |
ρ1 π 2 |
||||||||||
|
Определение массового расхода при известных давлениях р1 и р2 |
|
Qm = |
( p 2 |
− |
p 2 |
) ρ |
1 |
π 2 |
d 5 |
||
|
1 |
2 |
; |
(53) |
||||||
|
L λ p1 16 |
|||||||||
|
Коэффициент трения определяется по тем же формулам, что и для нью- |
|||||||||
|
тоновской жидкости: |
|||||||||
|
λ=64/Re |
— ламинарный режим |
||||||||
|
λ=0,11(68/Re+ |
э/d)0,25 |
— турбулентный режим |
Так как коэффициент трения λ зависит от числа Rе и, следовательно, от расхода, при определении массового расхода по формуле (53) сначала нужно
-85-
задаться величиной λ (например, λ=0,02), определить расход в первом приближении, и затем уточнить значение λ и Qm. Как это делается, проиллюстрировано на примере расчета.
5.7.2. ПРИМЕР РАСЧЕТА
Воздух при t=2°C движется по трубопроводу диаметром d=0,1м и длиной 15км. Давление в начале трубопровода 4,41Мпа, а в конце 0,29 Мпа. Определить массовый расход. Трубопровод изготовлен из новых стальных сварных труб.
Решение задачи.
Используем формулу (53).
Здесь неизвестны плотность газа в начале трубопровода ρ1 и коэффициент трения.
• Определяем плотность газа в начале трубопровода.
ρ1 =р1/RT =4,41 106/287/275=56,6кг/м3.
Здесь R=287 – газовая постоянная для воздуха, T=273+2=275 –абсолютная температура.
• Предполагаем турбулентный режим движения, задаемся величиной λ =0,02 и вычисляем в первом приближении массовый расход:
|
Qm = |
( 4,412 −0,292 )1012 56,6 π 2 0,15 |
=1,04кг / с; |
|
15000 0,02 4,41 106 16 |
• Определяем число Re и режим движения газа.
|
Re = |
ϑ d ρ |
= |
4 Q ρ = |
4 Qm |
= |
4 1,04 |
= 7,5 105 ; |
|
|
η |
π 0,1 17,6 10−6 |
|||||||
|
π d η π d η |
Коэффициент динамической вязкости определяем с помощью Приложе-
ния 3.
При р=98кПа и t=2°C — ν=13,9 10-6м2/с, плотность ρ=1,27кг/м3, следовательно:
η = ν ρ = 13,9 10-6 1,27 = 17,6 10-6 Па с.
-86-
• Уточняем значение коэффициента трения. При турбулентном режиме:
λ=0,11(68/Re+ э/d)0,25 = 0,11(68/7,5 105 +0,1 10-3/0,1)0,25 = 0.0199=0,02.
Для новых стальных сварных труб э =0,1мм.
Таким образом, значение коэффициента трения практически не изменилось и массовый расход газа определен правильно.
5.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ И РАСХОДА ПРИ ИСТЕЧЕНИИ
ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ
На практике жидкость может вытекать из ёмкостей через отверстия и насадки различных типов.
|
рм |
|||
|
Q |
H1 |
||
|
отверстие |
|||
|
d1 |
|||
|
избыточное |
Насадки |
применяются |
|
|
для увеличения расхода |
|||
|
давление газа |
|||
|
жидкости! |
|||
|
рх =? |
|||
|
H2 |
|
внешний цилин- |
d2 |
сжатое сечение струи |
|
|
дрический |
наса- |
||
|
док |
d2 |
область, заполненная |
|
|
вращающимися вихрями |
Рис.23 Схема истечения через отверстие и насадок
Боковые частицы (пунктирные стрелки) по инерции движутся горизонтально и сжимаот ядро струи. На некотором расстоянии от входа в отверстие
|
(насадок) получается сжатое сечение. |
|
|
sс / s = ε — коэффициент сжатия. |
ε = 0,64 при Re > 104. |
-87-
В сжатом сечение струи в насадке давление меньше, чем атмосферное рат. Жидкость движется в сторону большего давления. Частицы жидкости с малой скоростью (у стенки) поворачивают обратно. Образуются вихри.
При уменьшении давления в сжатом сечении увеличивается скорость движения, следовательно, и расход. Если бы не было насадка (отверстие), давление в струе равно атмосферному, скорость меньше и расход меньше.
Основы теории процесса истечения
При решении задач на истечение жидкости применяются следующие за-
коны:
• закон сохранения расхода: Q = сonst в любом сечении потока.
Для схемы Рис.23 расход через отверстие равен расходу через насадок и равен тому расходу, который поступает в бак.
•закон сохранения энергии: разность потенциальных энергий на входе и выходе из отверстия (насадка) превращается с некоторыми потерями в кинетическую энергию вытекающей струи жидкости.
Потенциальная энергия жидкости равна m g z +m p/ρ. Поскольку высота отверстия (насадка) незначительна, z≈const и разность потенциальных энергий на входе и выходе из отверстия (насадка) равна:
Eпот = m pвх/ρ — m pвых/ρ = m ( pвх – рвых)/ρ
Кинетическая энергия струи равна mϑ2/2. Закон сохранения энергии:
ϕ m ( pвх – рвых)/ρ = mϑ2/2.
Здесь ϕ< 1 – «к.п.д.» процесса, он учитывает, что не вся потенциальная энергия превращается в кинетическую, часть её расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений и переходит в тепло.
|
ϑ =ϕ |
2( рвх − рвых ) |
(54) |
|
|
ρ |
|||
Формула (54) определяет скорость в сжатом сечении струи для отверстия и выходную скорость для насадка.
При истечении через отверстие имееют место потери на входе, а при истечении через насадок – те же потери на входе плюс потери на вихреобразование внутри насадка.
-88-
Калькулятор газа – это простой и удобный инструмент для расчетов параметров рабочей
среды трубопровода. Калькулятор газа разработан специально для специалистов
проектных учреждений, технологов, конструкторов. С помощью нашего калькулятора
вы можете рассчитать любые параметры рабочей среды (объем жидкой фракции, объем
газообразной фракции масса). Вы можете рассчитать физические параметры таких газов
как кислород (O2) , азот (N2), аргон (Ar), гелий (), углекислота (CO2), водород (H2), метан
(CH4), ацетилен (C2H2), пропан (C3H8).
1) Выберите газ
Температура кипения
X
°C
2) В одном из полей укажите исходное значение
и нажмите «Считать»
Газ в кубических метрах
Жидкость в литрах
Масса в килограммах
«Н.м.куб при t = 150 C, Р = 1 бар»
Калькулятор газа
Калькулятор давления
Массовый расход объемного потока
Объемный расход потока
Конвертер физических и математических величин
Калькулятор коэффициента пропускной способности Cv
Классификация оборудования по уровню опасности
|
Расчет скорости газа в газопроводе
|
|
