1. Исходные данные задачи
• Годовой объём в стандартных условиях: Qст = 40×10^9 м³/год
• Длина газопровода: L = 2000 км
• Состав газа (объёмные доли):
– метан 91 %
– этан 4 %
– пропан 2 %
– бутан 1 %
– пентан 0,7 %
– CO₂ 0,5 %
– азот 0,5 %
– гелий 0,3 %
• Температура грунта: T₀ = 270 К
• Температура воздуха: T_возд = 273 К
• Коэффициент теплопередачи грунта: Kср = 1 Вт/(м²·К)
Цель расчёта: выбрать рабочее давление, определить число компрессорных станций и расстояние между ними, выполнить уточнённый тепловой и гидравлический расчёт типового участка между станциями, подобрать тип газоперекачивающего агрегата (ГПА) и рассчитать режим работы компрессорной станции (КС).
─────────────────────────────
2. Ориентировочный расчёт рабочих параметров магистрального газопровода
2.1 Пересчёт объёма из стандартных условий в условия работы внутри трубопровода
В стандартных условиях годовой расход
Qст = 40×10^9 м³/год.
Переведём в м³/с:
Qст = 40×10^9 м³ / (3,1536×10^7 с) ≈ 1268 м³/с.
При работе в высоком давлении объём внутри трубы уменьшается пропорционально коэффициенту сжатия. Приняв за стандартное давление p₀ ≈ 0,1013 МПа и температуру T₀₍ст₎ ≈ 288 К, а рабочее давление принять, например, pраб = 7 МПа, можно оценить коэффициент сжатия:
β = (pраб/p₀)·(T₀₍ст₎/Tраб) ≈ (7/0,1013)·(288/270) ≈ 69,2×1,067 ≈ 74.
Тогда действительный (рабочий) объёмный расход в трубопроводе:
Qраб = Qст / β ≈ 1268 / 74 ≈ 17,1 м³/с.
2.2 Определение диаметра трубопровода и скорости газа
При проектировании часто подбирают оптимальную скорость движения газа, которая обычно выбирают в диапазоне 7–10 м/с (чтобы уменьшить как фрикционные потери, так и аэродинамические шумы). Для данного примера примем v = 8 м/с.
Площадь поперечного сечения трубы:
A = Qраб / v = 17,1 / 8 ≈ 2,14 м².
Отсюда диаметр трубы:
D = √(4A/π) = √(4×2,14/π) ≈ √(2,73) ≈ 1,65 м.
2.3 Определение плотности газа в рабочих условиях
Для приближённого расчёта можно принять газ как идеальный с поправкой на коэффициент сжимаемости Z. Принимаем Z ≈ 0,9 (типичное значение для природного газа) и используем уравнение состояния:
ρ = p / (Z · R · T).
Где R – удельная газовая постоянная, для природного газа примем R ≈ 520 Дж/(кг·К).
При pраб = 7×10^6 Па и Tраб = 270 К получаем:
ρ = 7×10^6 / (0,9×520×270) ≈ 7×10^6 / (126360) ≈ 55,4 кг/м³.
2.4 Фрикционные потери на участке трубы
Для расчёта падения давления по трубе используют формулу Дарси–Вейсбаха:
Δp = f · (L/D) · (ρ·v²/2),
где f – коэффициент трения (при гладких трубах можно взять f ≈ 0,01).
Если взять за типичный участок между компрессорными станциями длину L_...
