Гидравлический расчёт газопровода (СП 42-101-2003)

Нормативная база

СП 42-101-2003 — формулы потерь для низкого и среднего давления; СП 62.13330 — требование п. 4.2 определять диаметры расчётом и классы давления

Как считается

Метод и нормативная база

Потери давления по участкам газопровода считаются по методике СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб» (одобрен постановлением Госстроя России от 26.06.2003 № 112), п. 3.27 — формулы (3) и (4) падения давления, п. 3.28 — формулы (5)-(11) числа Рейнольдса и коэффициента гидравлического трения. Это свод правил старой серии рекомендательного характера: в перечень документов, применяемых на добровольной основе для соблюдения 384-ФЗ (приказ Росстандарта от 02.04.2020 № 687, в том числе в редакции от 27.04.2024), он не включён, в обязательный перечень тоже. Ссылка на него в проекте — выбор проектировщика, а не требование.

Обязательная часть — СП 62.13330.2011* «Газораспределительные системы» с Изменениями № 1-4 (Изм. № 4 утверждено приказом Минстроя России от 27.12.2021 № 1018/пр). Пункт 4.2 требует определять внутренние диаметры газопроводов расчётом из условия обеспечения газоснабжения всех потребителей в часы максимального потребления газа; п. 4.3 и табл. 1 делят газопроводы по рабочему давлению: низкое давление категории IV — до 0,005 МПа включительно, среднее категории III — свыше 0,005 до 0,3 МПа, высокое — категорий II, I и I-а. Формул потерь давления СП 62.13330 не содержит, поэтому метод берётся из СП 42-101-2003.

Режим течения определяется числом Рейнольдса Re = 0,0354·Q0/(d·ν) по форм. (5): Q0 — расход при нормальных условиях, м³/ч, d — внутренний диаметр, см, ν — кинематическая вязкость газа, м²/с. При Re ≤ 2000 режим ламинарный и λ = 64/Re (7), при Re от 2000 до 4000 критический и λ = 0,0025·Re^0,333 (8). При Re ≥ 4000 сначала проверяется гидравлическая гладкость стенки по условию (6) Re·n/d < 23, где n — эквивалентная шероховатость, см: для гладкой стенки λ = 0,3164/Re^0,25 при Re < 100000 (9) и λ = 1/(1,82·lgRe − 1,64)² при Re ≥ 100000 (10), для шероховатой λ = 0,11·(n/d + 68/Re)^0,25 (11). Шероховатость по п. 3.28: новые стальные трубы 0,01 см, стальные, бывшие в эксплуатации, 0,1 см, полиэтиленовые независимо от срока эксплуатации 0,0007 см.

Сети низкого давления считаются по форм. (4): Pн − Pк = 626,1·λ·Q0²·ρ0·l/d⁵, Па, где ρ0 — плотность газа при нормальных условиях, кг/м³, l — расчётная длина участка постоянного диаметра, м. Сети среднего и высокого давления — по форм. (3) через разность квадратов абсолютных давлений: Pн² − Pк² = 1,2687·10⁻⁴·λ·Q0²·ρ0·l/d⁵, МПа². Коэффициент формулы (3) в расчёте получен из коэффициента формулы (4) как 2·P0·10⁻⁶·626,1 при P0 = 0,101325 МПа, то есть 1,26879·10⁻⁴: так обе формулы сходятся на малом перепаде, а от печатного значения это отличается на 0,007 %.

Участки идут последовательно: потери низкого давления складываются, у среднего и высокого складываются разности квадратов, и конечное давление находится как Pк = √(Pн² − ΣΔ(P²)). Если начального давления не хватает и подкоренное выражение не положительно, конечное давление не определяется, и это называется в ответе.

Формулы

Re = Q0/(9π·d·ν) = 0,0354·Q0/(d·ν)

СП 42-101-2003, п. 3.28, форм. (5); Q0 — м³/ч при нормальных условиях, d — см, ν — м²/с

Re·n/d < 23

форм. (6): условие гидравлически гладкой стенки, n — эквивалентная шероховатость, см

λ = 64/Re при Re ≤ 2000; λ = 0,0025·Re^0,333 при Re = 2000-4000

форм. (7) — ламинарный режим, форм. (8) — критический

λ = 0,3164/Re^0,25 при 4000 < Re < 100000; λ = 1/(1,82·lgRe − 1,64)² при Re > 100000

форм. (9) и (10): гладкая стенка, условие (6) выполнено

λ = 0,11·(n/d + 68/Re)^0,25

форм. (11): шероховатая стенка при Re > 4000, условие (6) не выполнено

Pн − Pк = 626,1·λ·Q0²·ρ0·l/d⁵

форм. (4), сети низкого давления, давления в Па

Pн² − Pк² = 1,2687·10⁻⁴·λ·Q0²·ρ0·l/d⁵

форм. (3), сети среднего и высокого давления, абсолютные давления в МПа

Pк = √(Pн² − ΣΔ(P²))

конечное абсолютное давление цепочки последовательных участков

Что вводится

• Вид газа: природный газ (ρ0 = 0,73 кг/м³, ν = 14,3·10⁻⁶ м²/с) или паровая фаза СУГ (ρ0 = 2,02 кг/м³, ν = 3,9·10⁻⁶ м²/с) — справочные значения, уточняются по составу газа. Класс давления: низкое до 5 кПа или среднее и высокое; для второго — начальное абсолютное давление Pн, МПа.
• Участки по порядку от источника: расчётный расход при нормальных условиях, м³/ч; расчётная длина, м; внутренний диаметр, мм, — вручную или подстановкой из сортамента стальных труб ГОСТ 3262 и ГОСТ 10704 и полиэтиленовых ПЭ 100 SDR 11 и SDR 17; эквивалентная шероховатость, мм, при выборе трубы подставляется 0,1 для стали и 0,007 для полиэтилена.

Что получается

• По каждому участку: число Рейнольдса, режим течения и формула, по которой взят коэффициент λ, сам λ и потери давления — ΔP в Па для низкого давления или Δ(P²) в МПа² для среднего и высокого.
• Суммарные потери на всей длине в Па и мм вод. ст. либо сумма разностей квадратов и конечное абсолютное давление Pк; ход расчёта с подстановкой чисел, схема трассы с эпюрой давления, выгрузка расчёта.

Пример расчёта

Газопровод низкого давления природного газа (ρ0 = 0,73 кг/м³, ν = 14,3·10⁻⁶ м²/с) из двух последовательных участков новых стальных труб, шероховатость n = 0,1 мм. Участок 1: расчётный расход Q0 = 10 м³/ч, длина 100 м, внутренний диаметр 50 мм. Участок 2: Q0 = 6 м³/ч, длина 80 м, внутренний диаметр 40 мм.

1. Участок 1: d = 5 см, n = 0,01 см. Re = 0,0354·10/(14,3·10⁻⁶·5) = 4951 — больше 4000, режим турбулентный.
2. Условие (6): Re·n/d = 4951·0,01/5 = 9,9 < 23 — стенка гидравлически гладкая, Re < 100000, поэтому λ по форм. (9): λ = 0,3164/4951^0,25 = 0,0377.
3. Потери по форм. (4): ΔP1 = 626,1·0,0377·10²·0,73·100/5⁵ = 55,2 Па.
4. Участок 2: d = 4 см. Re = 0,0354·6/(14,3·10⁻⁶·4) = 3713 — от 2000 до 4000, режим критический, λ по форм. (8): λ = 0,0025·3713^0,333 = 0,0386.
5. Потери по форм. (4): ΔP2 = 626,1·0,0386·6²·0,73·80/4⁵ = 49,6 Па.
6. Сумма на 180 м: 55,2 + 49,6 = 104,8 Па, или 10,7 мм вод. ст. Это 10,5 даПа; сопоставление с расчётными потерями п. 3.25 (не более 120 даПа в распределительных газопроводах и 60 даПа во вводах и внутренних) делает проектировщик по назначению участка.

Потери давления на 180 м — 104,8 Па (10,7 мм вод. ст.): участок 1 — 55,2 Па при λ = 0,0377 (гладкая стенка, форм. (9)), участок 2 — 49,6 Па при λ = 0,0386 (критический режим, форм. (8)).

Окончательные значения принимаются в составе проектной документации — с учётом задания, местных условий и решений смежных разделов.

Границы применимости

• Метод потерь давления взят из СП 42-101-2003 — свода правил рекомендательного характера, не включённого ни в обязательный перечень, ни в перечень добровольного применения к 384-ФЗ (приказ Росстандарта № 687). СП 62.13330.2011* п. 4.2 требует только определять диаметры расчётом и методики не даёт; принятая методика указывается в проекте.
• Диаметры не подбираются: пользователь задаёт их сам и получает потери. Распределение расчётной потери давления между участками (п. 3.23), предварительный диаметр по форм. (15) с коэффициентами табл. 6 и 7 (п. 3.39) и выбор ближайшего большего внутреннего диаметра для стали и ближайшего меньшего для полиэтилена (п. 3.40) не выполняются.
• Допустимые потери не проверяются: для низкого давления п. 3.25 даёт не более 180 даПа от источника до наиболее удалённого прибора, в том числе 120 даПа в распределительных газопроводах и 60 даПа во вводах и внутренних; для среднего и высокого потери принимаются в пределах категории давления (п. 3.24), для предприятий — по давлению в месте подключения и характеристикам оборудования (п. 3.26). Сравнение с этими пределами делает проектировщик.
• Длина участка вводится расчётная, местные сопротивления к ней не прибавляются. Норма даёт три способа: надбавка 5-10 % к фактической длине (п. 3.30), расчётная длина по форм. (12) через сумму коэффициентов местных сопротивлений для надземных и внутренних газопроводов (п. 3.31), для внутренних газопроводов низкого давления жилых домов — проценты от линейных потерь по п. 3.35 (25 % до стояка, 20 % на стояках, от 50 до 450 % на внутриквартирной разводке).
• Не учитываются гидростатический напор газопроводов низкого давления по форм. (14) п. 3.36, расчётный расход участков с путевым отбором как сумма транзитного и 0,5 путевого (п. 3.29 — вводится готовым), предельные скорости 7, 15 и 25 м/с для низкого, среднего и высокого давления (п. 3.38) и увязка кольцевых сетей с неувязкой до 10 % (п. 3.37): считается одна последовательная цепочка участков.
• Плотность и вязкость газа приняты постоянными справочными значениями: для природного газа 0,73 кг/м³ и 14,3·10⁻⁶ м²/с (номограммы прил. Б СП 42-101-2003 построены при той же плотности), для паровой фазы СУГ 2,02 кг/м³ и 3,9·10⁻⁶ м²/с; в тексте нормы вязкость не задана, фактические значения берутся по составу газа. Жидкая фаза СУГ по форм. (13) п. 3.33 не считается.
• Шероховатость по умолчанию 0,1 мм соответствует НОВЫМ стальным трубам; для стальных труб, бывших в эксплуатации, п. 3.28 требует 1 мм, и её нужно ввести вручную. Сортамент полиэтиленовых труб в выборе — ПЭ 100 по ГОСТ 18599; для газопроводов трубы выпускаются по ГОСТ Р 58121.2, и внутренний диаметр принимается по трубе проекта.
• Для среднего и высокого давления вводится АБСОЛЮТНОЕ начальное давление: избыточное плюс 0,101325 МПа. Давление в точке подключения калькулятор не определяет: это исходное данное из технических условий, которые выдаёт исполнитель — газораспределительная организация — по Правилам подключения (ПП РФ от 13.09.2021 № 1547); расчётный расход участков берётся из расчёта потребления газа.

Смежные расчёты: Газоснабжение (ГСВ)

• Потребление газа и заявка на ТУ