Проектирование распределительных систем газоснабжения является одной из составляющих деятельности инженера-энергетика. Рост потребления газа в городах и масштабность распределительных систем ставят перед инженером новые задачи, связанные с развитием и реконструкцией сетей, повышением надежности газоснабжения, поиску экономичных вариантов транспортировки газа.

Кольцевые сети обладают повышенной надежностью и применяются для снабжения наиболее ответственных потребителей. Газовые сети высокого (среднего) давления являются верхним иерархическим уровнем городской системы газоснабжения. Для средних и больших городов их проектируют кольцевыми, и только для малых городов они могут выполняться в виде разветвленных тупиковых сетей.

Газовые сети состоят из участков, по которым движется газ, и узлов, в которых соединяются участки и к которым присоединяют ответвления к потребителям. Геометрические фигуры, состоящие из ребер и вершин (когда каждому ребру соответствуют две вершины, являющиеся концами этих ребер) называются графами. Цепочка последовательно соединенных ребер, в которой каждую вершину (узел) при движении по направлению потока проходят один размазывается путем. Путь, у которого начальная и конечная вершины совпадают, образуют контур или цикл.

Тупиковая разветвленная газовая сеть представляет собой дерево. Кольцевая сеть представляет собой граф, состоящий только из циклов и не имеющих тупиковых ответвлений. Большинство газовых сетей представляет собой смешанный граф, состоящий из замкнутых контуров и тупиковых ответвлений. Кольцевую сеть можно трансформировать в дерево (разветвленную сеть) путем исключения из каждого цикла замыкающего участка - этот прием используется в гидравлических расчетах колец. Обычно для сетей задано начальное давление Р_n у точки питания и P_k у потребителя.

Задача гидравлического расчета разветвленной сети, у которой транзитные расходы определены однозначно (следовательно, известны расчетные расходы для всех участков), заключается в нахождении диаметра трубопровода на участке d_i и потерь давления на участке ДР_i.

При расчете кольцевой сети можно наметить бесчисленное множество вариантов потокораспределения, т.к. ветви кольцевой сети включены параллельно, поэтому, в общем случае у кольцевой сети неизвестными будут диаметры d_i на участках, перепады давления на них ДР_i и расчетные расходы Q_i . Поиск неизвестных проводят на основании решения системы уравнений, составленных на основании двух законов Кирхгофа для кольцевых сетей.

1. Расчет кольцевого газопровода низкого давления

Несмотря на то, что при предварительном распределении потоков учитывались главные направления и были выделены два главных кольца, взаимозаменяемости в кольцевой сети осуществить не удалось.

Действительно, нет ни одного кольца, диаметры которого мало отличались бы друг от друга. Поэтому эти кольца нельзя рассматривать как резервированные элементы. Действительно, если, например, отключить участок 8-5, то вся система будет находиться в аварийном режиме, и у многих потребителей давление газа значительно упадет и они, практически, останутся без газа. Для повышения надежности скорректируем диаметры выбранных основных колец III и I. За принцип корректировки примем примерное сохранение постоянной материальной характеристики кольца. Это естественно, так как речь идет лишь о изменении структуры кольца по диаметрам, без изменения ее геометрии и нагрузки. Учитывая то, что кольцо, рассчитанное по среднему гидравлическому уклону с уменьшающимися диаметрами по мере уменьшения нагрузки, характеризуется меньшей величиной материальной характеристики М, чем кольцо с постоянным диаметром, при определении диаметра кольца материальную характеристику кольца несколько увеличиваем. Проведем усреднение диаметров колец.

Кольцо III.

?L₃=1200 м

Такого диаметра по используемому в проекте сортаменту нет. Поэтому кольцо конструируем из двух ближних диаметров по сортаменту: 219x6 и 159x4. Участки 9-5, 9-13, как основные, примыкающие к точке питания кольца 9, оставим диаметром 219x6. Участок 13-14 и 5-6 также оставим диаметром 219x6, так как они транспортируют газ в ответвления. Участки 6-10 и 14-10 примем диаметром 159x4. Тогда

Материальная характеристика превышает М, полученную в результате расчета в первом этапе на 16,5%. Дополнительная стоимость повысит надежность газоснабжения. Соответственно средний диаметр кольца III будет равен dcp=204мм.

Кольцо I.

d_ср=321700/2000=163,7 мм.

Проектируем также кольцо из ближних двух диаметров: участки 13-12 и 13-14 диаметром 219x6, эти диаметры изменять нельзя, так как они были приняты в кольце высшего ранга - III; участок 13-12 сохраняем диаметром 219x6, так как этот участок транспортирует газ в зону кольца II; участки 12-16, 16-17, 14-18 и 18-17 принимаем диаметром 159x4. Материальная характеристика равна M--354000. Она превышает принятую ранее на 8,12 %. Соответствующий средний диаметр будет dcp~177 мм. Оставляем принятые диаметры.

Кольцо II.

d_ср= 221200/1200=168,5 мм.

Проектируем также кольцо из ближних двух диаметров: участки 9-5 и 9-13 диаметром 219x6, эти диаметры изменять нельзя, так как они были приняты в кольце высшего ранга - III; участки 5-4 и 13-12 также принимаем диаметром 219х 6 мм. Участки 4-8 и 12-8 принимаем диаметром 159x4 мм. М=244800, она превышает выбранную ранее на 21%.

Соответствующий средний диаметр будет dcp~204 мм. Оставляем принятые диаметры.

В результате расчета ошибка в кольцах не превысила 12%, (т. е. максимальную по СНиПу), поэтому производим гидравлическую увязку колец.

3. Гидравлическая увязка колец

Производим гидравлическую увязку колец. Сначала рассчитаем первые поправочные круговые расходы ДQм_k для всех колец, по формуле:

Рассчитаем по формуле поправки ДQ"_k, учитывающие ошибки в соседних кольцах, и полные круговые расходы ДQ_k,

где Дp_ij/Q_ij - относительная потеря давления на общих с соседними кольцами участках

ДQм_j - первая поправка соседнего кольца

Вводим поправочные расходы во все кольца, определяем новые расчетные расходы для всех участков и новые значения потерь давления. Все расчеты сводим в табл. 9. Проведенные расчеты показывают высокую точность увязки колец.

Процент ошибки составил:

д₁=6,17%; д₂=7,82%; д₃=-5,44%;

Вводим поправочные расходы и производим перерасчет. В результате одной итерации все кольца были увязаны с ошибкой менее 12%. Таким образом, задача потокораспределения при новых диаметрах колец решена.

Проверим полноту использования расчетного перепада давления в сети. Направления: 9-5-4-8, ДР=580,8 Па; 9-13-12-8, ДР=660 Па; 9-5-6-10, ДР=678 Па; 9-13-12-16-17, ДР=981,5 Па; 9-13-14-18-17, ДР=989,3 Па.

В итоге второго этапа расчета можно отметить, что, используя методику ранжировки колец, по значимости и усредняя их диаметры, можно существенно улучшить структуру кольцевой сети и повысить надежность газоснабжения. Но для повышения надежности необходимы дополнительные металловложения. В изложенном примере материальная характеристика разработанного варианта превышает на 15 % материальную характеристику сети, полученную в первом этапе расчета, структура сети которого характеризовалась меньшей надежностью. Однако, теория и практика показывают, что расходы на повышение надежности всегда окупаются за счет снижения ущерба от ненадежности систем. Поэтому следует рекомендовать для использования второй, более надежный вариант.

4. Расчет тупиковых ответвлений

Рассчитаем надежность кольцевой газовой сети среднего города с численностью населения в 80 тыс. чел. и годовым потреблением газа 70 млн. м ³. Бытовое, коммунально-бытовое потребление газа и расход на отопление зданий составляют 43300 м ³/ч. Промышленность потребляет 12000 м ³/ч. Суммарный расход газа городом 55300 м ³/ч. Схема сети высокого давления показана на рис. 5. Главные магистрали сети закольцованы. Сеть состоит из двух колец и ответвлений. Закольцовка основных потребителей обеспечивает их резервирование и повышает надежность газоснабжения.

Рисунок 2 Схема газоснабжения города

Газоснабжение жилых микрорайонов (МР) осуществляется через ГРС и сети низкого давления. Сети низкого давления кольцевые. Каждый микрорайон имеет несколько точек питания, которые по низкой ступени давления объединены газопроводом таких диаметров, при которых возможно резервирование ГРП. К сетям высокого давления присоединены сетевые ГРП, районные котельные (РК), крупные коммунальные и промышленные предприятия (ПП). Сеть секционирована задвижками.

Расходы газа различными потребителями приведены в табл. 10

Таблица 10

Проведем расчет надежности городской газовой сети, показанной на рис.2. В расчетах примем следующие численные значения расчетных параметров:

1/(1*год) t=10лет

1/(1*год)

проставлены длины участков; рассчитан параметр потока отказа для каждого участка щ_i=0,0025*L_i. При расчете величин щ_i/?щ_i сумма взята для всех 75 аварийных ситуаций, возникающих при отказах как участков, так и задвижек. Недоподача газа отключаемым в j-той аварийной ситуации потребителям определялась по схеме (см. рис. 2). Для каждого отказа участка по схеме устанавливалось число задвижек, которые необходимо перекрыть при ремонте отказавшего участка. Этим определялись отключенные от сети газопроводы и все присоединенные к ним потребители.

Таблица 11.

Результаты расчетов при всех аварийных ситуациях, связанных с отказами участков газопроводов.

Результаты расчетов, связанных с отказами задвижек, приведены в табл. 12. Так как параметр потока отказов для всех задвижек принят одинаковый 1/(км*год), то нет необходимости вводить величину щ_з в таблицу. Сумма параметров потока отказов для всех задвижек составит

Общая сумма будет (сумма для щ участков взята из табл. 11). На эту сумму и надо делить величину и для каждой аварийной ситуации. Для всех аварийных ситуаций, связанных с отказами задвижек, это отношение будет одинаковым и равным. Недоподачу газа в аварийных ситуациях при отказах задвижек определяем по схеме аналогично тому, как это делалось при отказах участков.

Определим показатель надежности по данным табл. 11 и 12. Суммирующий член в уравнении для rchc, напишем раздельно для аварийных ситуаций, связанных с отказами участков газопроводов, и для аварийных ситуаций, возникающих в результате отказов задвижек. Первая часть суммы дана итогом в последней графе табл. 12, а вторая определяется произведением общей суммы отношений ДQ_j/Q₀. По табл. 12 на постоянное значение отношения щ_з к ?щ_i. Таким образом, уравнение для определения показателя надежности запишем следующим образом:

Подставив в уравнение численные значения параметров, получим:

Т.к. рассчитанная величина оказалась больше 0,99 - расчет считаем законченным.

Список литературы