Obliczenia hydrauliczne gazociągu: metody i sposoby obliczeń + przykład obliczenia

Aby zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie systemu gazowego, należy go zaprojektować i obliczyć. Ważne jest, aby bezbłędnie dobrać rury dla przewodów wszystkich typów ciśnień, zapewniających stabilne dostarczanie gazu do urządzeń.

Aby dobór rur, armatury i urządzeń był jak najdokładniejszy, wykonuje się obliczenia hydrauliczne rurociągu. Jak to zrobić? Przyznajcie Państwo, że nie są zbyt obeznani w tej kwestii, więc zastanówmy się razem.

Proponujemy zapoznać się ze starannie dobraną i dokładnie opracowaną informacją o wariantach wykonywania obliczeń hydraulicznych dla systemów gazociągów. Wykorzystanie przedstawionych przez nas danych zapewni dostarczanie do urządzeń błękitnego paliwa z wymaganymi parametrami ciśnienia. Starannie zweryfikowane dane opierają się na przepisach dokumentacji normatywnej.

W artykule bardzo szczegółowo opisano zasady i schematy wykonywania obliczeń. Podano przykład wykonania obliczeń. Jako pomocne informacyjne uzupełnienie wykorzystano załączniki graficzne i instrukcje wideo.

Specyfika obliczeń hydraulicznych

Każde wykonywane obliczenia hydrauliczne to określenie parametrów przyszłego gazociągu. Ta procedura jest obowiązkowa i stanowi jeden z najważniejszych etapów przygotowania do budowy. Od poprawności obliczeń zależy, czy gazociąg będzie działał w optymalnym trybie.

Przy każdym obliczeniu hydraulicznym określa się:

• niezbędnej średnicy rur, które zapewnią efektywny i stabilny transport wymaganej ilości gazu;
• czy straty ciśnienia przy przemieszczaniu wymaganej objętości błękitnego paliwa w rurach o danej średnicy będą akceptowalne.

Straty ciśnienia występują, ponieważ w każdym gazociągu istnieje opór hydrauliczny. Przy nieprawidłowym obliczeniu może to doprowadzić do tego, że odbiorcom zabraknie gazu do normalnej pracy we wszystkich trybach lub w momentach maksymalnego zużycia.

Ta tabela jest wynikiem obliczeń hydraulicznych przeprowadzonych z uwzględnieniem zadanych wartości. Do wykonania obliczeń konieczne będzie wprowadzenie konkretnych wskaźników do kolumn.

Taka operacja to ustandaryzowana przez państwo procedura, która jest wykonywana zgodnie ze wzorami, wymaganiami określonymi w SP 42-101–2003.

Obliczenia musi przeprowadzić deweloper. Za podstawę przyjmuje się dane warunków technicznych rurociągu, które można uzyskać w swojej gazowni miejskiej.

Gazociągi wymagające wykonania obliczeń

Państwo wymaga, aby obliczenia hydrauliczne były wykonywane dla wszystkich typów rurociągów należących do systemu zaopatrzenia w gaz. Ponieważ procesy zachodzące podczas przemieszczania się gazu są zawsze takie same.

Do wymienionych gazociągów należą następujące rodzaje:

• niskiego ciśnienia;
• średniego, wysokiego ciśnienia.

Pierwsze są przeznaczone do transportu paliwa do obiektów mieszkalnych, wszelkiego rodzaju budynków użyteczności publicznej, zakładów bytowych. Przy czym w prywatnych, wielorodzinnych domach, domach jednorodzinnych ciśnienie gazu nie powinno przekraczać 3 kPa, w zakładach bytowych (nieprodukcyjnych) wskaźnik ten jest wyższy i osiąga 5 kPa.

Drugi typ rurociągów jest przeznaczony do zasilania sieci, wszelkiego rodzaju, niskiego, średniego ciśnienia przez stacje regulacji gazu, a także do dostarczania gazu do poszczególnych odbiorców.

Mogą to być przedsiębiorstwa przemysłowe, rolnicze, różne komunalne, a nawet wolnostojące lub dobudowane do przemysłowych budynki. Ale w dwóch ostatnich przypadkach będą istotne ograniczenia co do ciśnienia.

Wymienione powyżej rodzaje gazociągów specjaliści umownie dzielą na następujące kategorie:

• wewnątrzbudynkowe, wewnątrzhalowe, czyli transportujące niebieskie paliwo wewnątrz jakiegoś budynku i dostarczające je do poszczególnych agregatów, urządzeń;
• odgałęzienia abonenckie, wykorzystywane do dostarczania gazu od jakiejś sieci dystrybucyjnej do wszystkich istniejących odbiorców;
• dystrybucyjne, wykorzystywane do zaopatrywania w gaz określonych terytoriów, na przykład miast, ich poszczególnych dzielnic, zakładów przemysłowych. Ich konfiguracja jest różna i zależy od cech planowania. Ciśnienie wewnątrz sieci może być dowolne przewidziane — niskie, średnie, wysokie.

Ponadto obliczenia hydrauliczne wykonuje się dla sieci gazowych o różnej liczbie stopni ciśnienia, których jest wiele odmian.

Tak, w celu zaspokojenia potrzeb mogą być stosowane sieci dwustopniowe, pracujące z gazem transportowanym pod niskim, wysokim ciśnieniem lub niskim, średnim. A także zastosowanie znalazły sieci trójstopniowe i różne wielostopniowe. To znaczy wszystko zależy tylko od dostępności odbiorców.

Opór hydrauliczny to główna przyczyna konieczności wykonania tego rodzaju obliczeń. Ponadto zależy on również od materiału rury.

Mimo dużego zróżnicowania wariantów gazociągów, obliczenia hydrauliczne są w każdym przypadku podobne. Ponieważ do produkcji używa się elementów konstrukcyjnych z podobnych materiałów, a wewnątrz rur zachodzą te same procesy.

Opór hydrauliczny i jego rola

Jak wskazano powyżej, podstawą do przeprowadzenia obliczeń jest obecność oporu hydraulicznego w każdym gazociągu.

Działa on na całą konstrukcję rurociągu, a także na poszczególne jej części, węzły – trójniki, miejsca znacznego zmniejszenia średnicy rur, armaturę odcinającą, różne zawory. Prowadzi to do utraty ciśnienia przez transportowany gaz.

Opór hydrauliczny zawsze stanowi sumę:

• oporu liniowego, czyli działającego na całej długości konstrukcji;
• oporów miejscowych, działających przy każdej składowej części konstrukcji, gdzie następuje zmiana prędkości transportu gazu.

Wymienione parametry stale i znacząco wpływają na charakterystyki robocze każdego gazociągu. Dlatego w wyniku nieprawidłowych obliczeń wystąpią dodatkowe i poważne straty finansowe z powodu konieczności przerobienia projektu.

Zasady wykonywania obliczeń

Wyżej wskazano, że procedurę każdego obliczenia hydraulicznego reguluje profilowy Zbiór przepisów o numerze 42-101–2003.

Dokument świadczy, że głównym sposobem wykonania obliczeń jest użycie do tego celu komputera ze specjalnymi programami, pozwalającymi obliczyć planowaną stratę ciśnienia między odcinkami przyszłego gazociągu lub wymaganą średnicę rur.

Każde obliczenie hydrauliczne wykonuje się po utworzeniu schematu obliczeniowego, obejmującego podstawowe wskaźniki. Ponadto użytkownik wprowadza znane dane do odpowiednich pól.

Jeśli nie ma takich programów lub osoba uważa, że ich użycie jest niecelowe, można zastosować inne metody dozwolone przez Zbiór przepisów.

Do których należą:

• obliczenia według wzorów podanych w Zbiorze przepisów – to najtrudniejszy sposób obliczeń;
• obliczenia za pomocą tzw. nomogramów – to prostszy wariant niż używanie wzorów, ponieważ nie trzeba będzie przeprowadzać żadnych obliczeń, bo niezbędne dane są podane w specjalnej tabeli i zamieszczone w Zbiorze przepisów, i wystarczy je dobrać.

Każda z metod obliczeń prowadzi do tych samych wyników. Dlatego nowo zbudowany gazociąg będzie w stanie zapewnić terminowe, nieprzerwane dostarczanie planowanej ilości paliwa nawet w godzinach jego maksymalnego wykorzystania.

Wariant obliczeń za pomocą komputera

Wykonanie obliczeń przy użyciu komputera jest najmniej pracochłonne – wszystko, co jest wymagane od człowieka, to wstawienie odpowiednich danych do właściwych pól.

Dlatego obliczenia hydrauliczne wykonuje się w kilka minut, przy czym do tej operacji nie będzie potrzebny duży zasób wiedzy, który jest niezbędny przy stosowaniu wzorów.

Aby poprawnie go wykonać, należy pobrać z warunków technicznych następujące dane:

• gęstość gazu;
• współczynnik lepkości kinetycznej;
• temperaturę gazu w swoim regionie.

Niezbędne warunki techniczne uzyskuje się w zakładzie gazowniczym miejscowości, w której będzie budowany gazociąg. Właściwie od uzyskania tego dokumentu rozpoczyna się projektowanie każdego rurociągu, ponieważ zawiera on wszystkie podstawowe wymagania dotyczące jego konstrukcji.

Korzystanie z programów specjalistycznych jest najprostszym sposobem obliczeń hydraulicznych, eliminującym konieczność szukania i studiowania wzorów do przeprowadzania obliczeń.

Następnie inwestor musi poznać zużycie gazu dla każdego urządzenia, które planuje podłączyć do gazociągu. Na przykład, jeśli paliwo będzie transportowane do domu prywatnego, to najczęściej używa się tam kuchenek do gotowania, wszelkiego rodzaju kotłów grzewczych, a w ich dokumentacji technicznej zawsze podane są potrzebne liczby.

Ponadto, trzeba znać liczbę palników w każdej kuchence, która będzie podłączona do rury.

W następnym etapie zbierania niezbędnych danych wybiera się informacje o spadku ciśnienia w miejscach instalacji różnych urządzeń – może to być licznik, zawór odcinający, zawór termiczny, filtr, inne elementy.

W tym przypadku potrzebne liczby łatwo znaleźć – są one zawarte w specjalnej tabeli dołączonej do dokumentacji każdego wyrobu. Projektant powinien zwrócić uwagę na to, że należy podać spadek ciśnienia przy maksymalnym zużyciu gazu.

Ze specjalnej tabeli dołączonej do dokumentacji urządzeń można uzyskać informacje o stracie ciśnienia przy podłączaniu urządzeń do sieci.

W następnym etapie zaleca się sprawdzenie, jakie będzie ciśnienie błękitnego paliwa w punkcie przyłączenia. Takie informacje mogą zawierać warunki techniczne lokalnego zakładu gazowniczego, wcześniej opracowany schemat przyszłego gazociągu.

Jeśli sieć będzie składać się z kilku odcinków, należy je ponumerować i podać rzeczywistą długość. Ponadto, dla każdego odcinka należy osobno opisać wszystkie zmienne parametry – ogólne zużycie każdego urządzenia, które będzie używane, spadek ciśnienia, inne wartości.

Obowiązkowo potrzebny będzie współczynnik jednoczesności. Uwzględnia on możliwość wspólnej pracy wszystkich odbiorników gazu podłączonych do sieci. Na przykład całego sprzętu grzewczego znajdującego się w budynku wielorodzinnym lub domu jednorodzinnym.

Takie dane są wykorzystywane przez program wykonujący obliczenia hydrauliczne do określenia maksymalnego obciążenia na dowolnym odcinku lub całym gazociągu.

Dla każdego oddzielnego mieszkania lub domu nie ma potrzeby obliczania tego współczynnika, ponieważ jego wartości są znane i podane w poniższej tabeli:

Tabela z współczynnikami jednoczesności, dane z której są używane w każdym rodzaju obliczeń. Wystarczy wybrać kolumnę odpowiadającą konkretnemu urządzeniu domowemu i pobrać potrzebną liczbę.

Jeżeli na jakimś obiekcie planowane jest użycie więcej niż dwóch kotłów grzewczych, pieców, pojemnościowych podgrzewaczy wody, to wskaźnik jednoczesności zawsze będzie wynosił 0,85. Należy to wskazać w odpowiedniej kolumnie używanej do obliczeń w programie.

Następnie należy podać średnicę rur, a także będą potrzebne współczynniki ich chropowatości, które będą używane przy budowie rurociągu. Te wartości są standardowe i można je łatwo znaleźć w Zbiorze przepisów.

Wpływ materiału rur na obliczenia

Do budowy gazociągów można używać rur wykonanych tylko z określonych materiałów: stali, polietylenu. W niektórych przypadkach stosuje się wyroby miedziane. Wkrótce będą masowo używane konstrukcje metalowo-plastikowe.

Każda rura ma chropowatość, co prowadzi do oporu liniowego, który wpływa na proces przemieszczania gazu. Co więcej, wskaźnik ten jest znacznie wyższy w przypadku wyrobów stalowych niż plastikowych.

Obecnie potrzebne informacje można uzyskać tylko dla rur stalowych i polietylenowych. W rezultacie projektowanie i obliczenia hydrauliczne można wykonywać tylko z uwzględnieniem ich charakterystyk, czego wymaga odpowiedni Zbiór przepisów. Ponadto w dokumencie podane są dane niezbędne do obliczeń.

Współczynnik chropowatości jest zawsze przyjmowany jako następujące wartości:

• dla wszystkich rur polietylenowych, niezależnie od tego, czy są nowe, czy nie — 0,007 cm;
• dla już używanych wyrobów stalowych — 0,1 cm;
• dla nowych konstrukcji stalowych — 0,01 cm.

Dla jakichkolwiek innych rodzajów rur wskaźnik ten nie jest podany w Zbiorze przepisów. Dlatego nie warto ich używać do budowy nowego gazociągu, ponieważ specjaliści z gazowni mogą wymagać wprowadzenia poprawek. A to znów dodatkowe koszty.

Obliczenia przepływu na ograniczonym odcinku

Jeżeli gazociąg składa się z oddzielnych odcinków, to obliczenie całkowitego przepływu na każdym z nich będzie trzeba wykonać osobno. Ale to nie jest trudne, ponieważ do obliczeń potrzebne będą już znane liczby.

Określanie danych za pomocą programu

Znając początkowe wskaźniki, mając dostęp do tabeli jednoczesności i do kart technicznych kuchenek i kotłów, można przystąpić do obliczeń.

W tym celu wykonuje się następujące czynności (przykład podano dla gazociągu wewnątrzdomowego niskiego ciśnienia):

1. Liczbę kotłów mnoży się przez wydajność każdego z nich.
2. Otrzymaną wartość mnoży się przez skorygowany za pomocą specjalnej tabeli współczynnik jednoczesności dla tego rodzaju odbiorców.
3. Liczba płyt przeznaczonych do gotowania jest mnożona przez wydajność każdej z nich.
4. Wartość uzyskana po poprzedniej operacji jest mnożona przez współczynnik jednoczesności, zaczerpnięty ze specjalnej tabeli.
5. Uzyskane sumy dla kotłów i płyt są sumowane.

Podobne manipulacje przeprowadza się dla wszystkich odcinków gazociągu. Uzyskane dane wprowadza się do odpowiednich pól programu, za pomocą którego wykonywane są obliczenia. Całą resztę elektronika robi sama.

Obliczenia z wykorzystaniem wzorów

Ten rodzaj obliczeń hydraulicznych jest podobny do opisanego powyżej, czyli będą potrzebne te same dane, ale procedura będzie dłuższa. Ponieważ wszystko trzeba będzie wykonać ręcznie, ponadto projektant będzie musiał przeprowadzić szereg operacji pośrednich, aby wykorzystać uzyskane wartości do ostatecznego obliczenia.

A także trzeba będzie poświęcić sporo czasu na zrozumienie wielu pojęć i zagadnień, z którymi człowiek nie spotyka się podczas korzystania ze specjalnego programu. O słuszności powyższego można się przekonać, zapoznając się z wzorami, które będą używane.

Obliczenia za pomocą wzorów są skomplikowane, dlatego nie są dostępne dla wszystkich. Na obrazku przedstawiono wzory do obliczania spadku ciśnienia w sieci wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia oraz współczynnik tarcia hydraulicznego.

W stosowaniu wzorów, podobnie jak w przypadku obliczeń hydraulicznych z użyciem specjalnego programu, istnieją cechy szczególne dla gazociągów niskiego, średniego i oczywiście wysokiego ciśnienia. I warto o tym pamiętać, ponieważ błąd grozi, i to zawsze, znacznymi kosztami finansowymi.

Obliczenia za pomocą nomogramów

Każdy specjalny nomogram to tabela, w której podano szereg wartości, po przeanalizowaniu których można uzyskać potrzebne wskaźniki bez wykonywania obliczeń. W przypadku obliczeń hydraulicznych — średnicę rury i grubość jej ścianek.

Nomogramy do obliczeń są prostym sposobem uzyskania potrzebnych informacji. Wystarczy sięgnąć do wierszy odpowiadających zadanym charakterystykom sieci.

Istnieją oddzielne nomogramy dla wyrobów polietylenowych i stalowych. Przy ich obliczaniu wykorzystano standardowe dane, na przykład chropowatość wewnętrznych ścianek. Dlatego o poprawność informacji można się nie martwić.

Przykład wykonania obliczeń

Podano przykład wykonania obliczeń hydraulicznych za pomocą programu dla gazociągów niskiego ciśnienia. W przedstawionej tabeli kolorem żółtym zaznaczono wszystkie dane, które projektant musi wprowadzić samodzielnie.

Są one wymienione w punkcie dotyczącym komputerowych obliczeń hydraulicznych, podanym powyżej. Są to temperatura gazu, współczynnik lepkości kinematycznej, gęstość.

W tym przypadku przeprowadza się obliczenia dla kotłów i płyt, dlatego konieczne jest podanie dokładnej liczby palników, która może wynosić 2 lub 4. Dokładność jest ważna, ponieważ program automatycznie wybierze współczynnik jednoczesności.

Na obrazku kolumnami zaznaczonymi na żółto są te, do których projektant musi sam wprowadzić wartości. Poniżej podano wzór do obliczania przepływu na odcinku.

Warto zwrócić uwagę na numerację odcinków — nie wymyśla się jej samodzielnie, lecz bierze z wcześniej sporządzonego schematu, gdzie podane są podobne liczby.

Następnie podaje się rzeczywistą długość gazociągu oraz tzw. długość obliczeniową, która jest większa. Dzieje się tak dlatego, że na wszystkich odcinkach, gdzie występują opory lokalne, należy zwiększyć długość o 5-10%. Robi się to, aby wykluczyć niedostateczne ciśnienie gazu u odbiorców. Program samodzielnie przeprowadza obliczenia.

Całkowite zużycie w metrach sześciennych, dla którego przewidziano osobną kolumnę, na każdym odcinku oblicza się z góry. Jeśli dom jest wielomieszkaniowy, należy podać liczbę mieszkań, zaczynając od maksymalnej wartości, jak widać w odpowiedniej kolumnie.

Obowiązkowo do tabeli wprowadza się wszystkie elementy gazociągu, przy przejściu przez które tracone jest ciśnienie. W przykładzie podano zawór termozamykający, odcinający i licznik. Wartość straty w każdym przypadku pochodziła z paszportu urządzenia.

Za pomocą jednego programu można wykonywać obliczenia dla wszystkich rodzajów gazociągów. Na obrazku obliczenia dla sieci średniego ciśnienia.

Wewnętrzną średnicę rury podaje się zgodnie z zakresem zadań, jeśli miejskie gazownictwo ma jakieś wymagania, lub z wcześniej sporządzonego schematu. W tym przypadku na większości odcinków jest ona określona jako 5 cm, ponieważ większa część gazociągu biegnie wzdłuż elewacji, a lokalne gazownictwo wymaga, aby średnica była nie mniejsza.

Nawet pobieżne zapoznanie się z podanym przykładem wykonania obliczeń hydraulicznych pozwala łatwo zauważyć, że oprócz wartości wprowadzonych przez człowieka występuje wiele innych. Jest to wszystko wynik działania programu, ponieważ po wprowadzeniu liczb do określonych kolumn zaznaczonych na żółto, dla człowieka praca nad obliczeniami jest zakończona.

Czyli samo obliczenie odbywa się dość szybko, po czym z uzyskanymi danymi można udać się do miejskiego gazownictwa w swoim mieście w celu uzgodnienia.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Ten film pozwala zrozumieć, od czego zaczynają się obliczenia hydrauliczne, skąd projektanci biorą potrzebne dane:

W następnym filmie podano przykład jednego z rodzajów obliczeń komputerowych:

Następnie można zapoznać się z przykładem obliczeń z użyciem programu komputerowego:

Aby wykonać obliczenia hydrauliczne za pomocą komputera, jak pozwala na to profilowy Zbiór Zasad, wystarczy poświęcić nieco czasu na zapoznanie się z programem i zebranie potrzebnych danych.

Nie ma to jednak praktycznego znaczenia, ponieważ opracowanie projektu jest procedurą znacznie bardziej obszerną i obejmuje wiele innych kwestii. W związku z tym większość obywateli będzie musiała zwrócić się o pomoc do specjalistów.

Powstały pytania, znaleziono niedociągnięcia lub możesz uzupełnić nasz materiał cennymi informacjami? Prosimy o pozostawienie swoich komentarzy, zadawanie pytań i dzielenie się doświadczeniem w bloku poniżej.