Б.К. Ковалев, заместитель директора по НИОКР
В последнее время все чаще приходится сталкиваться с примерами, когда оформление заказов на промышленное газовое оборудование ведут менеджеры, не имеющие достаточного опыта и технических знаний в отношении предмета закупок. Иногда результатом становится не вполне корректная заявка или принципиально неверный подбор заказываемого оборудования. Одной из наиболее распространенных ошибок является выбор номинальных сечений входного и выходного трубопроводов газораспределительной станции, сориентированный только на номинальные значения давления газа в трубопроводе без учета скорости потока газа. Цель данной статьи – выдача рекомендаций по определению пропускной способности трубопроводов ГРС, позволяющих при выборе типоразмера газораспределительной станции проводить предварительную оценку ее производительности для конкретных значений рабочих давлений и номинальных диаметров входного и выходного трубопроводов.
При выборе необходимых типоразмеров оборудования ГРС одним из основных критериев является производительность, которая в значительной мере зависит от пропускной способности входного и выходного трубопроводов.
Пропускная способность трубопроводов газораспределительной станции рассчитывается с учетом требований нормативных документов, ограничивающих максимально допустимую скорость потока газа в трубопроводе величиной 25м/с. В свою очередь, скорость потока газа зависит главным образом от давления газа и площади сечения трубопровода, а также от сжимаемости газа и его температуры.
Пропускную способность трубопровода можно рассчитать из классической формулы скорости движения газа в газопроводе (Справочник по проектированию магистральных газопроводов под редакцией А.К. Дерцакяна, 1977):
где W– скорость движения газа в газопроводе, м/сек;
Q – расход газа через данное сечение (при 20°С и 760 мм рт. ст.), м 3 /ч;
z – коэффициент сжимаемости (для идеального газа z = 1);
T = (273 + t °C) – температура газа, °К;
D – внутренний диаметр трубопровода, см;
p = (Pраб + 1,033) – абсолютное давление газа, кгс/см 2 (атм);
В системе СИ (1 кгс/см 2 = 0,098 МПа; 1 мм = 0,1 см) указанная формула примет следующий вид:
где D – внутренний диаметр трубопровода, мм;
p = (Pраб + 0,1012) – абсолютное давление газа, МПа.
Отсюда следует, что пропускная способность трубопровода Qmax, соответствующая максимальной скорости потока газа w = 25м/сек, определяется по формуле:
Для предварительных расчетов можно принять z = 1; T = 20?С = 293 ?К и с достаточной степенью достоверности вести вычисления по упрощенной формуле:
Значения пропускной способности трубопроводов с наиболее распространенными в ГРС условными диаметрами при различных величинах давления газа приведены в таблице 1.
Особенностью работы МГ является сжимаемость транспортируемой среды. Перемещение газа по трубопроводу связано с преодолением сил трения, что приводит к снижению его давления. При снижение давления плотность газа уменьшается и при постоянном массовом расходе это приводит к увеличению объемной производительности и скорости течения газа.
Газ после компримирования имеет температуру, значительно превышающую температуру грунта и перемещение его по трубопроводу сопровождается снижением температуры, что вызывает повышение плотности, Давление газа на участке между КС снижается в 1,45-1,50 раза. Температура при этом максимально может измениться от 325 К до 273 К, то есть менее чем в 1,2 раза. Таким образом, объемная производительность газа в участке, а, следовательно, и скорость его течения возрастет более чем в 1,45: 1,2 = 1,2 раза. Возрастание скорости течения газа сопровождается увеличением потерь давления на преодоление сил трения и переходом части потенциальной энергии в кинетическую. Отсюда можно сделать вывод о том, что при движении газа по участку между КС потери давления на единице длинны трубопровода возрастают и линия изменения давления газа по длине участка не будет прямой.
Скорость распространения звука в МГ составляет величину порядка 450 м/с.
При отключении и подключении КС или потребителя в газопроводе возникает нестационарный режим течения газа. Продолжительность нестационарного режима определяется временем перехода МГ от одного стационарного состояния к другому и связана со скоростью распространения волн изменения давления по длине газопровода. Волны изменения давления перемещаются со скоростью распространения звука в газе, которая составляет порядка 450 м/с. Так при длине газопровода 100 км время прохождения волны составит порядка 4 мин. Так как время нестабильной работы МГ значительно меньше времени стабильной работы, то при проектировании и эксплуатации газопроводов их рассчитывают как условно стационарные.
Для вывода уравнения пропускной способности МГ можно воспользоваться двумя уравнениями: уравнением движения газа и уравнением неразрывности.
Уравнение неразрывности для постоянного массового расхода 
, (1.23) в дифференциальной форме 
. Поскольку газ является сжимаемой средой, то с удалением от компрессорной станции его плотность уменьшается и давление падает. Это приводит к росту скорости движения газа.
Уравнение баланса удельной энергии в дифференциальной форме будет выглядеть
(1.22).
где r, W, P – плотность, скорость течения и давление газа на расстоянии х от начала участка в момент времени t;
z – высота, на которой находится ось трубопровода в точке х;
g – ускорение свободного падения;
dhτ – работа по преодалению сил трения
Установим физический смысл уравнения (1.22), для чего определим на примере члена в левой части единицу измерения членов его составляющих:
Таким образом, каждый член уравнения представляет собой удельную работу (удельную энергию), соответственно, изменения давления, преодоления сил трения, изменения скорости течения газа, преодоления силы тяжести.
Выражение (1.22) является уравнением баланса энергии установившегося потока газа в дифференциальной форме. Оно справедливо для сжимаемой и несжимаемой жидкости.
В реальных условиях МГ затраты энергии на изменение скорости течения газа значительно меньше общих затрат и ими пренебрегают (задача 1.3).
В условиях МГ в большинстве случаев можно пренебречь изменение кинетической энергии – 
. В большинстве случаев МГ проходят по относительно мало пересеченной местности и разность геодезических отметок не превышает 100 м. В соответствии с ОНТП такие газопроводы рассчитываются как горизонтальные, и разностью геодезических отметок 
. Тогда уравнение удельной энергии (1.22) приобретет вид:
(1.19)
Для решения уравнения 1.19 в случае изотермического установившегося движения воспользуемся уравнением состояния 
, в уравнении (1.23) 
. Используем уравнение Дарси-Вейсбаха для определения потери напора 
,
где – 
коэффициент местного сопротивления, для участка трубы он равен 
,
где – 
– коэффициент потерь на трение, D- внутренний диаметр трубопровода.
Тогда для участка трубы потери напора составят:
(1.20).
Подставим в уравнение 1.19 уравнение 1.20
, выразим 
и подставим 
(1.24)
Выразим скорость потока через уравнение неразрывности 
и подставим в 1.24.
(1.27)
где РН, РК – давление газа в начале и в конце участка (абсолютное). Па;
Т – средняя температура газа в участке. К;
Z – среднее значение коэффициента сжимаемости газа в участке;
F – площадь поперечного сечения трубопровода, м 2 ;
D – внутренний диаметр трубопровода, м.
Решим (1.28) относительно массовой производительности, выразив предварительно площадь поперечного сечения через диаметр
. (1.29)
Как уже было сказано ранее, расчетной величиной при проектировании и эксплуатации МГ является объемная суточная производительность, приведенная к стандартным условиям.
Разделив (1.29) на плотность газа при стандартных условиях и выразив газовую постоянную газа через газовую постоянную воздуха , получаем
, (1.30)
где Q – объемная пропускная способность участка, м 3 / с.
Стоящие перед корнем величины являются постоянными и их можно объединить в один коэффициент с 
, (1.31)
где 
На практике удобно использовать производительность в млн. м 3 /сут, давление в МПа и длину участка в км. В этом случае коэффициент с будет учитывать помимо величии указанных выше еще и переходные коэффициенты и его значение составит 105,087.
Увеличение – пропускная способность – газопровод
По данным ряда крупных газотранспортных компаний США, очистка от отложений газопровода с покрытием производится через 12 – 17 месяцев, в то время как без покрытия через 4 мес. Отмечается, что увеличение пропускной способности газопровода с внутренним покрытием даже на 1 % оправдывает расходы на такое покрытие. [31]
Они предназначены для увеличения пропускной способности газопровода за счет повышения давления газа на выходе из станции, а также для подготовки газа к транспорту. [32]
Как было оказано в предыдущих главах, подача природного газа от источников газоснабжения к потребителям осуществляется по магистральным и распределительным газопроводам, суммарная протяженность которых может достигать до нескольких тысяч километров. Для уменьшения материальных затрат и увеличения пропускной способности газопроводов транспортирование и распределение газа происходит под повышенным давлением. В местах потребления газа это давление понижают до соответствующих величин. [33]
Основная причина недостаточно высокой пропускной способности газопроводов объединения заключается в постоянном поступлении в систему некондиционного газа с большим содержанием конденсата, воды и грязи. В ПО Мострансгаз проводится целый комплекс мероприятий по увеличению пропускной способности газопроводов ; одним из наиболее эффективных является удаление жидкости из газопроводов путем периодического пропускания поршня без прекращения газопередачи. По динамике изменения коэффициента эффективности осуществляется контроль и анализ состояния линейной части газопроводов, выявляются места утечек газа, загрязнения ( засорение или загидрачива-ние) трубопроводов. На основе этой информации принимаются решения о времени ремонтных работ и пропуска очистых устройств. [35]
В конце газопровода или в месте его ответвления строятся газораспределительные станции ( ГРС), служащие для подачи газа в распределительную сеть потребителей. В составе магистрального газопровода может быть газокомпрессорная станция для увеличения пропускной способности газопровода за счет повышения давления газа на выходе из станции и его компримирова-ния. На магистральном газопроводе строятся головные и промежуточные компрессорные станции. [36]
В последнее время отчетливо просматривается стремление ряда стран Персидского залива и Северной Африки при создании систем национального газоснабжения в максимально возможной мере использовать внутренние технико-экономические резервы. Так, в Алжире 60 % капиталовложений по программе увеличения пропускной способности газопроводов было намечено освоить местными силами. В частности, поставка труб в объеме 1 3 млн. т должна была быть обеспечена государственной компанией. [37]
Перевод котельных на газообразное топливо с питанием газом от газопроводов низкого давления требует увеличения пропускной способности практически всей городской газовой сети среднего ( высокого) и низкого давления, однако при этом благодаря большой разветвленности газопроводов низкого давления ответвления к котельным будут минимальными по длине. При присоединении котельных к сетям среднего ( высокого) давления снижаются дополнительные затраты на городскую газораспределительную сеть, так как не требуется увеличения пропускной способности газопроводов низкого давления ; и уменьшаются диаметры отводов, но увеличивается среднее протяжение отводов и появляется необходимость в строительстве местной регуляторной станции. [38]
Газоструйные аппараты применяют для стабилизации нефти и транспорта газов. В ряде случаев оказывается возможным и целесообразным использовать эти аппараты для доразработки истощенных газовых месторождений ( подобная установка показана па рис. 6) и интенсификации добычи газа на малодебитпых скважинах ( обычно достигается увеличение дебита на 10 – 20 %), а также для увеличения пропускной способности газопроводов п газопромысловых сетей. [40]
Сооружать лупинг наиболее целесообразно в конце рассматриваемого участка. Поэтому проблему увеличения пропускной способности газопровода необходимо решать как технико-экономическую, рассматривая применительно к конкретным условиям местности различные варианты сооружения КС и лупингов. [41]
В процессе эксплуатации магистральных газопроводов очень часто возникает необходимость увеличения их пропускной способности. Это достигается за счет прокладки лушшгов на отдельных перегонах между КС или за счет увеличения числа последних. Гидравлические расчеты при увеличении пропускной способности газопроводов обычно производят отдельно для каждого перегона. При разработке проекта увеличения пропускной способности газопроводов во всех случаях практически необходимо стремиться к тому, чтобы давления на выходе всех КС были равны или близки к максимальному рабочему давлению трубопровода. Это, как было показано ранее, обеспечивает наилучшие технико-экономические показатели газопровода в целом ( при прочих равных условиях) и максимальное использование его пропускной способности. [43]
Аппараты воздушного охлаждения широко применяются на газоперерабатывающих заводах, компрессорных станциях. Их можно также рекомендовать для частичного отбензинивания газа с целью увеличения пропускной способности газопроводов , по которым газ транспортируется на газоперерабатывающие заводы или другим потребителям. Частичное отбензинивание газа перед его транспортом необходимо, например, в тех случаях, когда начальная температура газа с большим содержанием С3 значительно превышает температуру окружающего воздуха и газоперерабатывающий завод или другой потребитель расположены на расстоянии 100 км и более. [44]
Экономика транспорта природного газа по газопроводам изучена довольно хорошо. Известно, что для данной пропускной способности газопровода стоимость транспортировки 1 MS газа практически пропорциональна расстоянию. При постоянной длине газопровода стоимость перекачки газа резко снижается при увеличении пропускной способности газопровода . [45]
