Регулирование давления газа в городских сетях

                                   ЛЕКЦИЯ  8

        РЕГУЛИРОВАНИЕ  ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ГОРОДСКИХ  СЕТЯХ 

1. Принципы действия регуляторов  давления.

2. Краткая характеристика регуляторов  давления (самостоятельно).

3. Расчёт пропускной способности  регуляторов давления.

 

        1. Принципы  действия регуляторов давления

 

        Регуляторы  давления предназначены для автоматического  поддержания постоянного давления  в точке отбора импульса независимо  от интенсивности потребления  газа. При регулировании давления  происходит снижение начального, более высокого давления на конечное, более низкое.

        Схема автоматического  регулятора показана на рис. 8.1.

Давление до регулятора газа – р1, после регулятора – р2, приток газа – МП, сток газа – МС.  Регулятор после себя, регулируемый параметр давления р2.

При установившемся режиме системы количество газа в газовой сети (массовый расход):   M = const;  приток газа равен стоку MП = MС;  регулируемый параметр – давление газа р2 = const и сумме всех сил, действующих в регуляторе (см. рис. 8.2) равна нулю, т. е.:

                              ,                                          (8.1.1)

Перестановочная сила NПЕР – усилие, воспринимаемое мембраной от давления газа р2, передаваемого по импульсной трубке 3, присоединяемой к газовой сети 4, определяется по формуле

                              ,                                                          (8.1.2)

где fМ – активная поверхность мембраны.

      Сила давления  на клапан определяется по формуле

                               ,                                                         (8.1.3)

где fl – площадь седла клапана.

        Таким образом, от величины давления р2 зависит перестановочная сила NПЕР и сила давления на клапан (дроссель) NКЛ.

        При резком  увеличении потребления газа  в сети

                                             >                                                           (8.1.4)

давление газа в сети уменьшится, а перестановочная сила и сила давления на клапан увеличатся

                                           >                                                       (8.1.5)

                                            >

       Для стабилизации  процесса, т.е. превращения его в  затухающий процесс, в регулятор  вводят стабилизирующие устройства, в частности, жесткую обратную связь. Такое регулирование называется статическим. В статическом регуляторе усилие, развиваемое пружиной, пропорционально ее деформации. Когда клапан находится в верхнем положении (закрыт) МП = 0, пружина приобетает наибольшую степень сжатия, и значение р2 становится максимальным р2 = рМАХ.

 

 

                Рис.1. Схема астатического регулятора  давления

                          1 – регулирующий (дроссельный орган); 2 – мембранно-грузовой привод;

                          3 – импульсная трубка;  4 –  газовая сеть.

 

 

 

 

Рис. 2. Схема сил

 

 

 

 

            Рис.3. Схема статического регулятора  давления

                    1 – регулирующий (дроссельный орган);  2 – мембранно-пружинный привод;

                    3 – импульсная трубка;  4 –  газовая сеть.

 

При полностью открытом клапане МП = ММАКС значение р2 = рMIN.

 

3. Расчет пропускной  способности регуляторов давления

 

        Поток газа  при движении через дроссельный  орган преодолевает гидравлическое сопротивление, в результате чего уменьшается его статическое давление, а в регуляторе давления имеет место давление р = р1 – р2.

        Если относительный  перепад давления  £ 0,080, то сжимаемостью газов можно пренебречь. Если > 0,08, следует учитывать сжимаемость газа.

       1.Модель  гидравлического сопротивления  ( £ 0,080).

        Перепад давления определяется по формуле Вейсбаха

                                                                                                  (8.3.1)

где:    - коэффициент местного сопротивления;

           w – скорость газа в присоединительном патрубке, м/с;

           r - плотность газа, кг/м3.

        Отсюда определим  скорость движения газа, т. к. по  уравнению неразрывности (сплошности), объемный расход газа определяется по формуле:

                                                                                                    (8.3.2)

                                                                                                          (8.3.3)

где   - площадь сечения присоединительных патрубков регулирующих орга

               нов (или площадь условного прохода), м2.

Отсюда объемный расход определим по формуле

                                                                                       (8.3.4)

        Для большинства  открытых клапанов  = 2 – 7, зависящий от вида патрубков принимается по таблицам.

        Скорость газа может быть также определена по формуле

                                                                                          (8.3.5)

где  - коэффициент скорости.

                2.Модель дросселирования    ( > 0,080).

        Учитывается  изменение плотности и отклонение  от идеального газа.

Объемный расход газа при нормальных условиях определяется по формуле:

                                                                                         (8.3.6)

где   w - скорость истечения природного газа, м/с;

         f - площадь проходного сечения патрубка, м2;

и - плотности газа при условиях истечения природного газа при нормаль

              ных условиях.

        Скорость адиабатного  истечения газа определяется  по формуле

                                                                     (8.3.7)

где     k – показатель адиабаты;

    и - давление газа до и после регулятора, МПа;

          - плотность газа до регулятора, кг/м3;

            - коэффициент скорости.

                                                                                                    (8.3.8)

где - коэффициент сопротивления клапана.

        Отношение  площадей клапана и патрубка

                                                                                                   (8.3.9)

Следовательно, площадь f, определяется по формуле

                                                                                                (8.3.10)

Подставив в уравнение (8.3.1) уравнения (8.3.2), (8.3.3) и (8.3.4), получаем

                                                         (8.3.11)

 

 

 

Учитывая перепад давления

                                                                                                    (8.3.12)

и отношение плотностей при адиабатном процессе

                                                                                                   (8.3.13)

а уравнение состояния идеального газа

                                                                                                   (8.3.14)

или

                                                                                               (8.3.15)

где  = 1 – коэффициент сжимаемости при нормальных условиях.

        Преобразуем  формулу (8.3.5) следующим образом:

                                                                                      (8.3.16)

где  - коэффициент пересчета;

       - коэффициент пропускной способности;

        - коэффициент, определяемый по формуле:

                                                                             (8.3.17)

или по номограмме (см. рис. )

 

             

 

 

 

 

              Рис. 1. Зависимость коэффициента  от отношения давлений

                          и показателя адиабаты k.

 

            Коэффициент пропускной способности  определяется по формуле

                                                                                                   (8.3.18)

При измерении Q [м3/ч], FY [см2], DP = 0,0981 МПа (для воды)      r = 1000 кг/м3

                                                                                                (8.3.19)

Коэффициент пересчета A = 5260 при P0 = 101300 Па, T0 = 273 К.

Расчетная зависимость примет вид

                                                                                (8.3.20)

По формуле (8.3.13) выполняют расчеты регуляторов давления, принимая значения по таблице в зависимости от типа регулятора и коэффициента по номограмме.

        При критическом  или большом перепаде давления  пропускную способность определяют по формуле (8.3.13).

        Если перепад  давления меньше или равен критическому, т.е.: £ , то подставляют критический перепад давлений, т.к. сверхзвуковая скорость при дросселировании не возможна, и следовательно, критический перепад давлений определяется по формуле

                                          =                                           (8.3.21)

Для природного газа k = 1,3 и критическое отношение давлений

                                                                                                    (8.3.22)

Регулятор давления следует подбирать на расчетную пропускную способность, определяемую по формуле

                                                                                      (8.3.23)

где QMAX – максимальная пропускная способность.

        Расчетный  перепад давления определяют  по формуле

                                                                                         (8.3.24)

где  - минимальное давление газа перед регуляторной станцией;

           - регулируемое давление газа после регулятора;

   - суммарные потери давления газа после газорегуляторной станции,

                исключая потери в регуляторе давления.

        Если известны  пропускная способность регулятора  при работе на газе определенного состава и при известных начальном и конечном давлении (табличные данные), то можно определить его производительность при использовании другого газа и работе на другом режиме.

        Формулы пересчета  имеют вид

- при докритическом режиме:  

                                        >                                                          (8.3.25)

                                                                                              (8.3.26)

- при критическом режиме при £ 0,50,                                                 (8.3.27)

                                                                                     (8.3.28)