Теоретическое введение

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

«ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА»

Теоретическое введение

Магистральным газопроводом (МГ) называется трубопровод, предназначенный для транспорта газа из района добычи или производства в район его потребления.

В состав МГ входят следующие основные объекты: головные сооружения, линейные сооружения, компрессорные станции, газораспределительные станции, станции подземного хранения газа.

Основными параметрами, характеризующими работу магистрального газопровода, являются расход газа и давление в МГ.

Уравнение неразрывности для МГ, в отличие от магистрального нефтепровода (2.3), записывается для массового расхода газа, который в любом сечении остается неизменным, то есть

(4.1)

где F – площадь живого сечения газопровода;

- соответственно плотность и средняя скорость движения газа в рассматриваемом сечении;

1…n – индексы соответственно 1-го и n-го произвольных сечений.

Поскольку газ является сжимаемой средой, то с удалением от компрессорной станции (и соответствующим падением давления) его плотность уменьшается. Это приводит к возрастанию скорости движения газа. Поэтому для газового потока уравнение баланса удельной энергии можно записать только в дифференциальной форме:

(4.2)

В условиях магистрального газопровода в большинстве случаев можно пренебречь силами инерции и разностью геодезических отметок .

Тогда уравнение энергии (4.2) можно переписать в виде

(4.3)

Для решения уравнения (4.3) в случае изотермического установившегося движения газа, используя уравнение состояния, уравнение неразрывности, уравнение Дарси-Вейсбаха и произведя необходимые подстановки, преобразования и выполнив операцию интегрирования дифференциального уравнения, получим уравнение

(4.4)

где P_H, P_K – соответственно абсолютное давление в начале и конце участка газопровода;

- длина линейного участка газопровода между компрессорными станциями;

Т – температура газа;

D – внутренний диаметр газопровода;

- коэффициент гидравлического сопротивления;

Z – коэффициент сжимаемости газа;

R – газовая постоянная природного газа.

В общем случае, коэффициент гидравлического сопротивления зависит от режима течения (параметра Рейнольдса) и шероховатости внутренней поверхности трубы. Шероховатость трубы для конкретного газопровода — вполне определенная величина. Значение параметра Рейнольдса определяется по формуле

(4.5)

где Q, G — соответственно объемная и массовая производительность газопровода.

Так как динамическая вязкость зависит от температуры и практически не зависит от давления, то при установившемся движении газа величина параметра Re, а следовательно, и значение коэффициента гидравлического сопротивления по длине газопровода остаются практически неизменными. Например, для газопровода диаметром D= 1,39 м при перекачке газа с относительной плотностью по воздуху Δ=0,7 значение коэффициента гидравлического сопротивления изменяется в пределах 1%.

Если известно давление в начале и конце участка газопровода, уравнение (4.5) можно решить относительно массового расхода газа:

(4.6)

В практических расчетах газопроводов используется понятие коммерческого расхода,то есть объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям (T_ст=293К, Р_ст=101325Па).

На основании уравнения состояния, а также с учетом, что коммерческий расход

(4.7)

где — плотность газа при стандартных условиях;

z_CT — коэффициент сжимаемости газа при стандартных условиях, z _CT=1;

R_ВОЗД — газовая постоянная воздуха.

С учетом (4.6 ) значение коммерческого расхода определяется из выражения

(4.8)

где К — коэффициент, зависящий от размерностей величин, входящих в выражение (4.8), и равный

(4.9)

При использовании смешанной системы единиц D (м), Т (К), Р(МПа), L (км) и Q (млн м³/сут) значение коэффициента К= 105,087.

Рассмотрим участок газопровода протяженностью с давлением в начале и конце участка соответственно равными Р_н и Р_к (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Расчетная схема газопровода

Если газопровод не имеет сбросов и подкачек, то массовый расход газа в нем неизменен. На этом основании, пренебрегая различием коэффициента сжимаемости z нa участках x и , можно записать

(4.10)

где х, Р_х — соответственно расстояние от компрессорной станции до произвольного сечения и давление в этом сечении (х < ).

Откуда следует

(4.11)

Освобождаясь от знаменателей и решая (4.11) относительно Р_x,получим формулу распределения давления по длине газопровода:

(4.12)

Зависимость (4.12) является уравнением параболы (рисунок 4.2).По мере удаления от компрессорной станции скорость падения давления возрастает. Это объясняется тем, что с понижением давления уменьшается плотность газа. В соответствии с уравнением неразрывности, при уменьшении плотности газа увеличивается скорость его движения, то есть возрастают потери давления на трение и, следовательно, возрастает гидравлический уклон. Чем больше давление газа на входе в следующую КС, тем меньше изменяется величина гидравлического уклона по длине рассматриваемого перегона, тем меньше энергозатрат требуется на восстановление давления газа от Р_к до Р_н.

Рисунок 4.2 – Распределение давления по длине газопровода

С увеличением расстояния между компрессорными станциями возрастают удельные потери давления, а значит, и потери энергии на компримирование (сжатие) газа. Следовательно, для уменьшения удельных энергозатрат на перекачку газа - одной из основных статей эксплуатационных расходов на газопроводах — целесообразно работать с высокими давлениями на входе КС. Несмотря на то, что при этом возрастает количество компрессорных станций, экономия энергозатрат будет весьма существенной.