from 01.01.2007 until now
Belgorod, Russian Federation
Gubkin, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
05.02.2000
05.17.00
69
67.53
08.06.01
5435
Stat'ya posvyaschena razrabotke programmnogo kompleksa rascheta dlya proektirovaniya setey gazoraspredeleniya. Aktual'nost' problemy harakterizuetsya tendenciey povysheniya urovnya gazifikacii gorodov i sel'skih naselennyh punktov Rossiyskoy Federacii. Stroitel'stvo sovremennyh sistem gazosnabzheniya uzhe na etape proektirovaniya trebuet bol'shih zatrat inzhenerno-tehnicheskih rabotnikov, svyazannyh s razrabotkoy i proektirovaniem setey gazoraspredeleniya. Dlya avtomatizacii processa proektirovaniya sistem gazoraspredeleniya i gazopotrebleniya shirokoe primenenie poluchili sistemy avtomatizirovannogo proektirovaniya. Razrabotan programmnyy kompleks rascheta TGV-GAS, prednaznachennyy dlya vypolneniya gidravlicheskogo rascheta i opredeleniya trebuemogo diametra truboprovoda. Rassmotreny teoreticheskie aspekty gidravlicheskogo rascheta gazoprovodov nizkogo, srednego i vysokogo davleniy. Programma osnovana na uravnenii Darsi-Veysbaha, uravnenii nerazryvnosti i uravnenii sostoyaniya. Dlya napisaniya programmy ispol'zovalsya yazyk programmirovaniya Java. Menyu programmy soderzhit 3 podmenyu: parametry gaza, gidravlicheskiy raschet i raschet skorosti gaza. Programma uchityvaet himicheskiy sostav transportiruemogo gaza i pozvolyaet proektirovat' sistemy gazosnabzheniya prirodnogo gaza, biogaza i drugih vidov gazoobraznogo topliva.
Gazosnabzhenie, sistemy gazoraspredeleniya, biogaz, programma rascheta, gazoprovody, diametr
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. In "Gazprom" called the number of priority regions of the Russian Federation for enhanced gasification [V «Gazprome» nazvali chislo prioritetnyh regionov RF dlya usilennoj gazifikacii]. URL: https://riafan.ru/1161972-v-gazprome-nazvali-chislo-prioritetnykh-regionov-rf-dlya-usilennoi-gazifikacii (accessed 23.03.2019). (rus)
2. Ionin A.A., Zhila V.A., Artihovich V.V., Pshonik M.G. Gas supply [Gazosnabzhenie]: uchebnik dlya studentov vuzov po special'nosti «Teplogazosnabzhenie i ventilyaciya» M.: ASV, 2012, 472 p. (rus)
3. Nasr G.G., Connor N.E. Natural Gas Engineering and Safety Challenges. London. 2014, 418 p.
4. Gasification [Gazifikaciya]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification/ (accessed 24.12.2018). (rus)
5. Medvedeva O.N., Frolov V.O. Determination of the main parameters of the coolant and natural gas in the LNG production cycle [Opredelenie osnovnyh parametrov hladonositelya i prirodnogo gaza v cikle proizvodstva SPG]. Vestnik SGTU. Saratov: SGTU, 2013. No. 2 (70). Issue 1. Pp. 116-121. (rus)
6. Osipova N.N. Optimization of parameters of group underground reservoir installations of liquefied petroleum gas [Optimizaciya parametrov gruppovyh podzemnyh rezervuarnyh ustanovok szhizhennogo uglevodorodnogo gaza]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov. St. Petersburg: SPBGASU, 2012, pp. 190-197. (rus)
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. 206:155-163. 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. Kotov V.V., Pronin S.R. On the issue of automated design of gas supply systems [K voprosu ob avtomatizirovannom proektirovanii sistem gazosnabzhenii]. Vooruzhenie. Tekhnologiya. Bezopasnost'. Upravlenie: sb. materialov VIII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. 2018. 667 p. (rus)
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. No. 33. Pp. 1584-1600.
13. Calculation of the hydraulic losses of the pipeline (diameter calculation) [Raschet gidravlicheskih poter' gazoprovoda (raschet diametra)]. Sajt kompanii «Proekt-gaz». URL: http://proekt-gaz.ru/load/2. (rus)
14. Vasilyeva E.E., Sherstnev V.S. Development of software for the preparation of cartographic tablets of the emergency dispatching service of a gas distribution company [Razrabotka programmnogo obespecheniya dlya podgotovki kartograficheskih planshetov avarijno-dispetcherskoj sluzhby gazoraspredelitel'nogo predpriyatiya]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. No. 3. Pp. 37-43. (rus)
15. Suslov D.Yu., Vyrodov G.K. Gas-dynamic calculation of low pressure gas networks using CAD systems [Gazodinamicheskij raschet gazovyh setej nizkogo davleniya s primeneniem SAPR]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 10. Pp. 114-119. (rus)
16. Effective solutions for the design and operation of engineering networks based on geo-information technologies [Ehffektivnye resheniya dlya proektirovaniya i ehkspluatacii inzhenernyh setej na baze geoinformacionnyh tekhnologij]. URL: http://megasmeta.kz/wp-content/uploads/2017/12/ZULU-GAZ8.0.pdf (accessed 03.27.2019) (rus)
17. Nikishkin S.I., Kotov V.V. Automation of the design of gas ballooning power sources of gas supply systems [Avtomatizaciya proektirovaniya gazoballonnyh istochnikov pitaniya sistem gazosnabzheniya]. Monitoring. Nauka i tekhnologii. 2018. No. 2(35). Pp. 69-72. (rus)
18. Borisov S.N., Datochny V.V. Hydraulic calculations of gas pipelines [Gidravlicheskie raschety gazoprovodov]. M.: Nedra. 1972, 108 p. (rus)
