с 01.01.2007 по настоящее время
Белгород, Россия
Губкин, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.02.2000 Машиностроение и машиноведение
ВАК 05.17.00 Химическая технология
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ТБК 5435 Газоснабжение
Статья посвящена разработке программного комплекса расчета для проектирования сетей газораспределения. Актуальность проблемы характеризуется тенденцией повышения уровня газификации городов и сельских населенных пунктов Российской Федерации. Строительство современных систем газоснабжения уже на этапе проектирования требует больших затрат инженерно-технических работников, связанных с разработкой и проектированием сетей газораспределения. Для автоматизации процесса проектирования систем газораспределения и газопотребления широкое применение получили системы автоматизированного проектирования. Разработан программный комплекс расчета TGV-GAS, предназначенный для выполнения гидравлического расчета и определения требуемого диаметра трубопровода. Рассмотрены теоретические аспекты гидравлического расчета газопроводов низкого, среднего и высокого давлений. Программа основана на уравнении Дарси-Вейсбаха, уравнении неразрывности и уравнении состояния. Для написания программы использовался язык программирования Java. Меню программы содержит 3 подменю: параметры газа, гидравлический расчет и расчет скорости газа. Программа учитывает химический состав транспортируемого газа и позволяет проектировать системы газоснабжения природного газа, биогаза и других видов газообразного топлива.
Газоснабжение, системы газораспределения, биогаз, программа расчета, газопроводы, диаметр
Введение. В настоящее время приоритетной задачей компании «Газпром», озвученной президентом Российской Федерации В.В. Путиным, является повышение уровня газификации регионов страны. На 1 января 2019 года средний показатель газификации РФ составляет 68,6 %, в том числе 71,3 % – в городе и 59,4 % – в сельской местности [1]. Системы газоснабжения и газораспределения включают наружные газопроводы высокого, среднего и низкого давлений, обеспечивающие подачу газа от газораспределительных станций до пунктов редуцирования газа и газопроводов-вводов потребителей [2, 3]. Основными направлениями развития системы газоснабжения России является модернизация существующих систем газораспределения и использование альтернативных источников энергии (сжиженного природного газа, компримированного природного газа и сжиженного углеводородного газа) [4…6]. Одним из перспективных направлений развития систем газоснабжения, получившим широкое применение в странах Европейского Союза, является получение и распределение биогаза [7…10].
Основной задачей при проектировании сетей газораспределения является определение диаметра трубопроводов, при этом необходимо провести большой перечень расчетов. Для проектирования и строительства сложных сетей газораспределения применяют системы автоматизированного проектирования (САПР) [11, 12]. Автоматизация проектирования позволяет добиться повышения производительности труда инженерно-технических работников, связанных с разработкой и проектированием сетей и оборудования систем газоснабжения. Существующие программно-расчетные комплексы предназначены для проектирования и расчета сетей трубопроводов для распределения и подачи природного газа, имеющего постоянный состав согласно ГОСТ 5542-2014 [13…16]. Однако имеются работы, в которых рассматривается автоматизация проектирования систем газоснабжения с использованием сжиженного углеводородного газа [17].
При использовании в системах газоснабжения биогаза, имеющего переменный состав и состоящего на 40-70% из метана, появляется необходимость в разработке программного продукта для расчета трубопроводов газообразного топлива различного состава.
Методология. Для разработки и написания программного комплекса расчета будем использовать язык программирования Java, который отличается высокой скоростью работы, уровнем надежности и защиты.
Для расчета диаметра газопровода будем использовать уравнения гидродинамики: уравнение Дарси, уравнения состояния среды и неразрывности потока газа.
Основная часть. Расчет трубопроводов сетей газораспределения основан на определении параметров потока газа: давлении P, плотности ρ и скорости w.
Для описания движения потока газа используется уравнение Дарси-Вейсбаха, которое определяет потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений на участке газопровода длиной dx [18]:
, (1)
где λ – коэффициент трения, зависит от режима движения газа;
d – внутренний диаметр, м;
w – скорость движения газа, м/с;
ρ – плотность газа, кг/м3.
Для определения плотности газа, при изменении давления используют уравнение состояния:
,(2)
где R – газовая постоянная;
T – абсолютная температура, К.
Расход газа определяется уравнением неразрывности:
(3)
где М – массовый расход, кг/с;
F – площадь сечения газопровода, м2;
Q0 – объемный расход, приведенный к нормальным условиям, м3/с.
Потери давления газа в газопроводах высокого и среднего давления определяются с учетом сжимаемости газа:
(4)
Для газопроводов низкого давления потери давления определяются как для несжимаемой жидкости:
. (5)
Коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от режима движения газа:
– для ламинарного режима Re ≤ 2000
; (6)
– для критического режима 2000 < Re ≤ 4000
; (7)
– для турбулентного режима Re > 4000
(8)
где n – абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, м.
Эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы зависит от материала трубопроводов: для стальных труб – 0,01; для полиэтиленовых труб – 0,002. Потери давления в местных сопротивлениях (отводы, тройники, запорная арматура) учитываются путем увеличения расчетной длины газопроводов на 5…10 %.
При расчете надземных и внутренних газопроводов необходимо учитывать степень шума, создаваемого движением газа. Поэтому скорости движения газа должны быть не более: 7 м/с для газопроводов низкого давления; 15 м/с для газопроводов среднего давления; 25 м/с для газопроводов высокого давления.
Предварительный диаметр газопровода dp можно определить по формуле в соответствии с СП.42-101-2003:
,(9)
где A, B, m, m1 – коэффициенты, зависящие от категории давления сети и материала трубопровода; Q0 – расход газа на расчетном участке сети при нормальных условиях, м3/ч; 
– удельные потери давления (Па/м – для газопроводов низкого давления; МПа/м – для газопроводов среднего и высокого давлений).
На основе уравнений 1-9 разработан программный комплекс расчета диаметра газопровода для подачи газа различного состава. Алгоритм программы представлен на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма работы программы TGV-GAS
Так как режим движения газа по трубопроводу зависит от физико-химических свойств газа, то начальным этапом расчета в разработанной программе является определение параметров газа (рис. 2). Исходными данными расчета является выбор типа газового топлива и его компонентный состав (% по объему). Определяемыми параметрами являются: динамическая вязкость, плотность при стандартных условиях, низшая теплота сгорания, высшая теплота сгорания, число Воббе.
Рис. 2. Пример работы программы TGV-GAS: расчет параметров газа
Вторым этапом расчета газопровода сети является гидравлический расчет. Порядок гидравлического расчета следующий (рис. 3).
Во вкладке «Гидравлический расчет» на подменю «Категория сети» необходимо выбрать категорию давления сети, а в подменю «Материал газопровода» – материал участка рассчитываемого газопровода. Затем в поле «Допустимые потери давления в сети» необходимо указать соответствующее значение или оставить по умолчанию рекомендуемое значение. В поле «Расход газа при нормальных условиях» необходимо указать расход газа на рассчитываемом участке при температуре 0 °С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст., а в поле «Длина газопровода» – длина рассчитываемого участка. Для выполнения гидравлического расчета необходимо нажать кнопку «Рассчитать».
Рис. 3. Пример работы программы TGV-GAS: гидравлический расчет
Результатом гидравлического расчета является расчетное значение внутреннего диаметра трубопровода. Стандартный диаметр газопровода определяется из стандартного ряда трубопроводов: ближайший больший для стальных газопроводов и ближайший меньший для полиэтиленовых.
В нижней половине окна также будут выведены расчетные значения скорости газа, число Рейнольдса, удельные потери давления и действительное падение давления на участке газопровода. Следует учитывать, что полученные значения учитывают 10% удлинение газопровода как запас на местные сопротивления.
Третьим этапом расчета газопровода является уточнение диаметра с учетом скорости газа. Для изменения автоматически подобранного диаметра необходимо перейти на вкладку программы «Расчет скорости газа» и вручную ввести требуемый диаметр. После нажатия кнопки «Расчет» произойдет перерасчет скорости газа и потерь давления. Если скорость газа окажется выше допустимой скорости в соответствии с СП 42-101-2003, то полученное значение выделится красным цветом. Тогда необходимо увеличить диаметр и произвести перерасчет.
На разработанной программе был произведен расчет участка газовой сети длиной 500 м с расходом газа 550 м3/ч для двух видов газа: природного и биогаза (рис. 3). В результате расчета был определен стандартный диаметр трубопровода. Для полиэтиленового газопровода, транспортирующего природный газ, стандартный диаметр составил 140 мм, для газопровода, транспортирующего биогаз – 160 мм. Это объясняется составом газа и соответственно разной плотностью, что влияет на режим движения потока и потери давления.
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 3. Расчет в программе TGV-GAS:
а – расчет трубопровода природного газа; б – расчет трубопровода биогаза
Выводы. Разработана программа TGV-GAS, позволяющая на основании известных исходных данных произвести гидравлический расчет и определить необходимый диаметр трубопровода для двух материалов: стали и полиэтилена. Меню программы содержит 3 подменю: параметры газа, гидравлический расчет и расчет скорости газа. Программа учитывает химический состав транспортируемого по трубопроводу газа и может применяться для проектирования сетей газораспределения природного газа, биогаза и других альтернативных газов.
1. В «Газпроме» назвали число приоритетных регионов РФ для усиленной газификации [Электронный ресурс]. URL: https://riafan.ru/1161972-v-gazprome-nazvali-chislo-prioritetnykh-regionov-rf-dlya-usilennoi-gazifikacii (дата обращения: 23.03.2019).
2. Ионин А.А., Жила В.А., Артихович В.В., Пшоник М.Г. Газоснабжение: учебник для студентов вузов по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». М.: Изд-во АСВ, 2012. 472 с.
3. Nasr G.G., Connor N.E. Natural Gas Engineering and Safety Challenges // London. 2014. 418 p.
4. Газификация [Электронный ресурс]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification/ (дата обращения: 24.12.2018).
5. Медведева О.Н., Фролов В.О. Определение основных параметров хладоносителя и природного газа в цикле производства СПГ // Вестник СГТУ. Саратов: СГТУ. 2013. № 2 (70). вып. 1. С. 116-121.
6. Осипова Н. Н. Оптимизация параметров групповых подземных резервуарных установок сжиженного углеводородного газа // Вестник гражданских инженеров. Санкт-Петербург: СПБГАСУ, 2012. С. 190-197.
7. Fubara T., Cecelja F., Yang A. Techno-economic assessment of natural gas displacement potential of biomethane: A case study on domestic energy supply in the UK // Chemical Engineering Research and Design. 2016. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cherd.2017.12.022.
8. Cucchiella F., D’Adamo I., Gastaldi M., Miliacca M.A profitability analysis of small-scale plants for biomethane injection into the gas grid UK // Journal of Cleaner Production. 2018. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.02.243.
9. Wu B., Zhang X., Di Bao, Xu Y., Zhang S., Deng L. Biomethane production system: Energetic analysis of various scenarios. Bioresour Technol. 2016. №206. Pp. 155-163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.01.086.
10. Rotunno P., Lanzini A., Leone P. Energy and economic analysis of water-scrubbed biogas upgrading to biomethane for grid injection and transportation application // Renewable Energy. 2016. DOI:https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.10.062.
11. Котов В.В., Пронин С.Р. К вопросу об автоматизированном проектировании систем газоснабжении // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: сб. материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции. 2018. С. 667.
12. Herran-Gonzalez A, De La Cruz J.M., De Andres-Toro B. Risco-Martin J.L. Modeling and simulation of a gas distribution pipeline network // Applied Mathematical Modelling. 2009. № 33. Pp. 1584-1600.
13. Расчет гидравлических потерь газопровода (расчет диаметра). Сайт компании «Proekt-gaz» [Электронный ресурс]. URL: http://proekt-gaz.ru/load/2.
14. Васильева Е.Е., Шерстнев В.С. Разработка программного обеспечения для подготовки картографических планшетов аварийно-диспетчерской службы газораспределительного предприятия // Современные проблемы науки и образования. 2014. №3. С. 37-43.
15. Суслов Д.Ю., Выродов Г.К. Газодинамический расчет газовых сетей низкого давления с применением САПР // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №10. С. 114-119.
16. Эффективные решения для проектирования и эксплуатации инженерных сетей на базе геоинформационных технологий [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://megasmeta.kz/wp-content/uploads/2017/12/ZULU-GAZ8.0.pdf (дата обращения: 27.03.2019).
17. Никишкин С.И., Котов В.В. Автоматизация проектирования газобаллонных источников питания систем газоснабжения // Мониторинг. Наука и технологии. 2018. №2 (35). С. 69-72.
18. Борисов С.Н., Даточный В.В. Гидравлические расчеты газопроводов. М.: Недра. 1972. 108 с.
