Podpěry plynovodu – plyn, topení, voda, elektřina

Obsah disertační práce kandidáta technických věd Někljajeva, Alexeje Vasiljeviče

1 PŘEHLED A KRITICKÁ ANALÝZA VÝZKUMU

NESTACIONÁRNÍ PROUDĚNÍ PLYNU V PLYNOVODĚ – 13

1.1 Přehled vědeckého výzkumu v oblasti nestacionárního proudění plynu v plynovodu -13

1.1.1 Začátek studia nestacionárního izotermického proudění ideálního plynu v plynovodu -13

1.1.2 Kritická analýza metod pro studium nestacionárního proudění plynu v plynovodech – 21

1.1.3 Zlepšení linearizačních metod. Použití zobecněných funkcí ke studiu proudění plynu ve složitých plynovodech — 24

1.1.4 Studium nestacionárního izotermického proudění ideálního plynu pomocí analogového a kvazianalogového modelování — 29

1.1.5 Aplikace numerických metod ke studiu nestacionárního proudění ideálního plynu v plynovodech – 33

1.1.6 Studium nestacionárního proudění plynu v plynovodu způsobeného nouzovými provozními podmínkami — 36

1.1.7 Nestacionární neizotermický tok plynu v plynovodu s ohledem na skutečné vlastnosti plynu — 38

Doporučený seznam disertačních prací ve specializaci „Výstavba a provoz ropovodů a plynovodů, základen a skladovacích zařízení“, kód VAK 25.00.19

Nestacionární proudění jednofázových a dvoufázových médií v kanálech 2006, doktor fyzikálních a matematických věd Tatosov, Alexey Viktorovič

Vlastnosti tepelně-hydraulického výpočtu hlavních plynovodů provozovaných ve složitých neizotermických podmínkách 2011, kandidát technických věd Pyatakova, Olga Alekseevna

Matematický model nestacionárního neizotermického proudění plynu pobřežními plynovody 2011, kandidát fyzikálních a matematických věd Gruničeva, Ekaterina Viktorovna

Matematická a softwarová podpora pro problémy optimálního řízení fungování a rozvoje plynovodních sítí a systémů 2005, kandidát technických věd Samoilov, Roman Vjačeslavovič

Vývoj metod pro analýzu a výpočet procesů přepravy plynu v hlavním plynovodu pro projektové a řídicí úlohy 2002, kandidát technických věd Kutsev, Vladislav Anatoljevič

Úvod k disertační práci (součást abstraktu) na téma „Teorie a výpočet úniku plynu z vysokotlakého plynovodu za normálních a nouzových situací“

Disertační práce je věnována rozvoji teorie nestacionárního neizotermického proudění plynu v plynovodech a také studiu praktických otázek provozu systémů pro přepravu plynu. Charakteristickým rysem práce je, že uvažované procesy se vyznačují vysokými rychlostmi proudění plynu, které se v některých úsecích mohou blížit rychlosti zvuku. Proudy studované v disertační práci mohou nastat jak při havarijních prasklinách stěny potrubí, tak i v běžných situacích, zejména při profukování a vyprazdňování vysokotlakých úseků plynovodů.

Výchozím základem je matematické modelování založené na numerickém řešení kompletní soustavy rovnic popisujících nestacionární neizotermické proudění plynu v kruhovém potrubí. Vzhledem k tomu, že předmětem studie nebyly pouze „pomalé“, ale i tzv. „rychlé“ procesy probíhající při transsonických rychlostech, jsou do úvahy zahrnuty jak rovnice zachování hmotnosti a změny hybnosti, tak rovnice energie odrážející termodynamické transformace probíhající s plynem. Výpočty konstruují rozdělení rychlosti, tlaku a teploty plynu a na tomto základě jsou odhaleny nové, dříve neznámé jevy a ověřeny a zpřesněny známé výsledky a stávající výpočetní metody.

Vynikající úspěchy dosažené mechaniky v oblasti nestacionárního proudění plynu při vysokých rychlostech, včetně zvukových a hypersonických, jsou dobře známé. Tyto studie byly prováděny především v souvislosti s řešením problémů v leteckém a raketovém inženýrství, „vnitřní balistice“ a pohybu plynu v tryskách a kanálech průmyslových instalací. Ve všech těchto studiích byly hlavními faktory určujícími nestacionární proudění plynu tlakové síly a setrvačné síly, zatímco třecí a gravitační síly byly považovány za zanedbatelně malé, ačkoli se ukázaly jako nejvýznamnější pro pochopení přechodových procesů v dlouhých plynovodech.

Dynamika plynů se samozřejmě rozvíjela v aplikaci na problémy návrhu a provozu plynovodů. Klasici tohoto oboru N. E. Žukovskij, S. A. Čaplygin, L. S. Leibenzon, I. A. Čarný, I. P. Ginzburg, S. A. Kristianovič a mnoho dalších domácích i zahraničních badatelů formulovali a řešili hlavní problémy ustálených a nestacionárních toků plynu v dlouhých plynovodech, což umožnilo úspěšně vytvářet výkonné systémy pro přepravu plynu. Práce na výpočtu přechodových procesů v plynovodech jsou široce známé – změna jednoho ustáleného režimu provozu plynovodu na jiný, provoz pístových kompresorů, stanovení skladovací kapacity plynovodů atd.

Celá plejáda domácích i zahraničních vědců vyvinula teorii výpočtu nestacionárních proudění plynu v plynovodech a je třeba říci, že v tomto směru dosáhla významného pokroku. Většina studií však vycházela z předpokladu izotermické povahy procesů, že rychlost pohybu plynu je výrazně menší než rychlost zvuku a setrvačnost proudění lze buď zanedbat, nebo ji zohlednit ve zjednodušené formě. Zpravidla se používaly linearizované pohybové rovnice, okrajové podmínky a konjugační podmínky, které umožňovaly nalézt řešení odpovídajících matematických problémů operačními metodami nebo ve formě řad.

Zároveň je provoz systémů pro přepravu plynu spojen s mnoha procesními režimy, kdy „zjednodušující předpoklady“ odporují realitě a neumožňují identifikovat efekty důležité pro praxi. Nejjednodušší odhady ukazují, že v plynovodech existují proudění charakterizovaná vysokými rychlostmi, při kterých jsou setrvačné síly velmi významné a teplota plynu se mění o desítky stupňů v důsledku komprese a expanze proudu. V první řadě se to týká procesů generovaných únikem plynu otvory při prasknutí plynovodu, jakož i procesních operací spojených s částečným obtokem plynu nebo jeho vypouštěním do atmosféry. Tato práce je věnována studiu právě takových jevů.

Síť hlavních plynovodů v Rusku neustále roste, provozní tlaky v nich se zvyšují, samotné plynovody jsou pokládány ve stále složitějších termodynamických podmínkách, které se vyznačují velkým výškovým rozdílem, leží pod vodou a překonávají horské průsmyky. V současné době OAO Gazprom realizuje řadu projektů, které přesahují nashromážděné zkušenosti s projektováním a provozem. V této sérii je třeba zmínit hlavní plynovody Blue Stream, Moskva, Jamal-Evropa, Bovanenkovo-Uchta a South Stream. Zvláštností těchto plynovodů je následující:

— při provozu za vysokých pracovních tlaků;

— zajistit vyšší propustnost ve srovnání s dříve vybudovanými plynovody;

— v oblastech s permafrostem;

— při pokládání podél mořského dna v hloubce několika tisíc metrů atd.

V takových extrémních podmínkách vede jakákoli změna v přepravních režimech k výskytu vysokotlakých a nízkotlakých vln v plynovodu, doprovázených značnými kolísáními teploty přepravovaného plynu. Pro výpočet a analýzu přechodových procesů, které v takových plynovodech probíhají, je třeba stávající „klasickou“ teorii dále rozvinout.

Relevance této studie je tedy určena především praktickými úkoly provozu plynovodů, jejichž délka a složitost neustále rostou. K řešení těchto stále složitějších problémů je nutné vyvinout komplexnější teorii. Relevance studie je proto určena i obecnými vědeckými úkoly vývoje teorie, která plně zohledňuje faktory určující tok reálných plynů v dlouhých plynovodech.

Jako metoda pro studium přechodových procesů v hlavních plynovodech bylo zvoleno matematické modelování založené na numerickém řešení jednorozměrných rovnic pohybu plynu v potrubí a modifikovaných výpočtových schématech od začátku do konce. Matematické formulace řady problémů, použitý algoritmus řešení, vzorce a mnoho získaných výsledků jsou nové. Práce nalezla řešení některých naléhavých problémů vznikajících v procesu projektování a provozu plynovodů.

První kapitola disertační práce poskytuje historický přehled vědeckého výzkumu nestacionárního proudění plynu v plynovodech. Na základě jeho kritické analýzy jsou formulovány cíl a úkoly disertační práce.

Druhá kapitola podrobně zkoumá algoritmus pro odvození rekurentních vztahů modifikované metody charakteristik navržené prof. M.V.Luriem, která umožňuje numerickou integraci celého systému rovnic dynamiky plynů v co nejúplnější formě, aniž by se muselo uchylovat k jeho zjednodušení. Stručně je zvážena otázka stanovení počátečních, okrajových podmínek a podmínek kompatibility při studiu nestacionárních proudění plynu v plynovodu v závislosti na studovaném procesu.

Třetí kapitola představuje řešení řady typických problémů plynovodní dopravy s využitím modifikované metody charakteristik a přibližných metod založených na použití linearizované soustavy rovnic dynamiky plynů. Na základě posouzení chyby výsledků získaných analytickými metodami, ve srovnání s daty numerických výpočtů, jsou formulovány závěry a doporučení pro volbu metodiky pro studium přechodových procesů v plynovodech. Standardem pro přesné řešení jsou řešení získaná metodou charakteristik.

Čtvrtá kapitola disertační práce je věnována studiu přechodového procesu v plynovodu způsobeného únikem plynu do atmosféry malým otvorem ve stěně potrubí. Je prezentováno tvrzení problému, jeho řešení metodou charakteristik s využitím autorem vytvořeného počítačového programu „Candle“, použité okrajové a počáteční podmínky a podmínky kompatibility. Podrobně je studována problematika stanovení doby potřebné k úplnému vyprázdnění plynovodu svíčkou daného průměru a je studován soubor parametrů ovlivňujících dobu trvání tohoto procesu. Je uvedeno srovnání získaných výsledků s doporučeními v aktuální i již nerelevantní regulační dokumentaci a jsou objasněna stávající řešení.

Pátá kapitola představuje výsledky studia nestacionárního procesu, který vzniká v důsledku havarijního úniku plynu do atmosféry při porušení těsnosti stěny potrubí. Je stanoven problém, řešen charakteristickou metodou s využitím počítačového programu „Rupture“ vytvořeného autorem a jsou použity počáteční a okrajové podmínky. Je zkoumána dynamika změn v rozložení parametrů proudění. Zejména je studována závislost rychlosti úniku plynu v průřezu ruptury na čase. Je ukázáno, že oscilační procesy, které v tomto případě existují, mohou vést ke vzniku explozivní koncentrace směsi plynu a vzduchu v plynovodu. Je studován vliv změny počátečních podmínek na intenzitu výsledných oscilací. Je řešen problém úniku plynu z plynovodu v případě rozvíjející se trhliny. Je zkoumána problematika změny obvodových napětí při různých rychlostech pohybu lomu.

Výsledky získané v disertační práci byly publikovány v pěti vědeckých článcích, z nichž tři byly publikovány v periodikách zařazených do Seznamu předních recenzovaných vědeckých časopisů a publikací Vysoké atestační komise, a byly také prezentovány na řadě mezinárodních a celoruských konferencí a seminářů, včetně:

— 7. celoruská konference mladých vědců, specialistů a studentů o problémech ruského plynárenského průmyslu „Nové technologie v plynárenském průmyslu“ (25.–28. září 2007, Moskva);

— Otevřený vědecko-praktický seminář pro mladé zaměstnance společnosti Gazprom Transgaz Saint Petersburg LLC „Nové technologie v plynárenském průmyslu. Aktuální problémy rozvoje systému přepravy plynu“ (2.–5. června 2008, Petrohrad);

— 14. mezinárodní konference o transportu a sedimentaci pevných částic (1.–23. června 27, Petrohrad, Rusko).

Autor děkuje doktoru technických věd, profesoru M. V. Luryemu za vědecké vedení práce a cenné pokyny. Autor je také vděčný celému akademiku Katedry projektování a provozu ropovodů a plynovodů Gubkinovy Ruské státní univerzity ropy a plynu, jejichž tvůrčí atmosféra mu pomohla při práci na disertační práci. Autor vyjadřuje zvláštní poděkování vedoucímu této katedry, doktoru technických věd, profesoru V. M. Pisarevskému.

Nadzemní plynovod vedený přes pozemek k domu musí být spolehlivý a odolný. Ocelové trubky použité pro jeho instalaci jsou navrženy tak, aby vydržely mnoho let. Jejich životnost může být snížena dvěma faktory:

• koroze,
• nosné konstrukce.

Chránit se před korozí není těžké. K tomu stačí dýmku jednou za dva až tři roky ošetřit kvalitním nátěrem. Podpora plynovodu Pokud je správně nainstalován, nevyžaduje údržbu. Provádí několik úkolů:

• drží dálnici v dané poloze;
• přebírá hmotnost trubky, zatížení větrem a teplotní namáhání.

Ve většině případů je výroba a instalace podpěr v kompetenci zákazníka. Z tohoto důvodu musí dobře rozumět těmto návrhům a předpisům upravujícím proces instalace.

V tomto článku budeme hovořit o tom, jaké jsou podpěry nadzemního plynovodu a zvážit pravidla pro jejich instalaci.

Typy, provedení a instalace podpěr plynovodů

V průmyslu existují desítky typů nosných konstrukcí určených pro nadzemní plynárenské sítě vysokého a středního tlaku. U nízkotlakých vedení dodávajících modré palivo do soukromých domů je situace mnohem jednodušší. Nejsou zde použity složité posuvné podpěry a výkonné nadjezdy. Instalují se na potrubí velkého průměru a délky.

V soukromé bytové výstavbě se používají tuhé podpěry. Upevňují trubku v konstrukční poloze a zabraňují jejímu vychýlení z horizontály a vertikály. Pevná nosná konstrukce se skládá ze dvou prvků:

• stojany (trubky nebo profily);
• plošiny se zapínáním.

Jako regály se nejčastěji používají ocelové trubky. Jeho průměr se volí v závislosti na velikosti průřezu plynovodu. V praxi se používá jednoduché pravidlo: průměr stojanu se musí rovnat průměru plynovodu, ne však menší než 57 mm.

Musíte si uvědomit, že bez ohledu na to, jak výkonnou trubku vezmete jako stojan, nebude podporovat hlavní vedení bez spolehlivého zapuštění do země. Proto se před montáží provádí betonáž nosných konstrukcí. K tomu jsou v zemi vykopány nebo vyvrtány otvory. Hloubka zabetonování sloupků závisí na jejich výšce a průměru plynového potrubí. Je stanovena výpočtem a uvedena v dokumentaci. Nejčastěji se jako základ berou výkresy standardní řady 5.905-18.05, které udávají součásti a možnosti upevnění pro nadzemní plynovody.

V hutné suché půdě s malým obsahem velkých kamenů se obejdete bez betonování. V tomto případě jsou trubky jednoduše zaraženy do země do dané hloubky nebo jsou instalovány šroubové piloty. Po vyrovnání podpěrných sloupků na úroveň jsou k nim přivařeny podpěrné plošiny.

K upevnění potrubí k plošině se používají pevné podpěry. Nejběžnější typy takových struktur jsou:

• Upevnění podpěr pomocí kruhové svorky vyrobené z kovové tyče;
• plochá svorka z ocelového pásu.

Trubky se instalují tak, aby mezi svorkou a nosnou plošinou byla ponechána mezera minimálně 1,5 mm. Pro ochranu proti korozi je mezi trubku a podpěru umístěno těsnění z hliníkového plechu.

Jaká by měla být vzdálenost mezi podpěrami

Odpověď na tuto otázku poskytují normy. Vzdálenost mezi podpěrnými sloupky se volí na základě průměru trubky použité k položení hlavního vedení. U nízkotlakých plynovodů položených do soukromých domů by maximální přípustné vzdálenosti mezi podpěrami měly být následující:

• plynové potrubí o průměru 25 mm – 2,5 m;
• 32 mm – 3,2 m;
• 40 mm – 3,9 m;
• 57 mm – 4,9 m;
• 76 mm – 6,4 m;
• 89 mm – 6,9 m;
• 108 mm – 8,3 m;
• 133 mm – 9,6 m;
• 159mm – 10,4m.

Kromě průměru vedení se umístění podpěr volí s ohledem na vzdálenost ke svarovým spojům. Podle požadavků normy OST 108 by pro potrubí o průměru do 50 mm neměla vzdálenost od podpěry k nejbližšímu svarovému spoji přesáhnout 5 cm U potrubí většího průměru se tato hodnota nebere více než 20 cm.

Vzdálenost od podpěry k místu instalace armatury nebo regulačního ventilu na potrubí není jednoznačně standardizována. Norma obsahuje pouze jeden požadavek s tím, že tato vzdálenost by měla být co nejmenší.

Pro eliminaci pnutí způsobených tepelnou roztažností kovu plynovodu se používají čočkové a vlnovcové kompenzátory. Majitel soukromého domu se nemusí starat o jejich instalaci. Tato zařízení jsou nezbytná, pokud je délka potrubí stovky metrů.

Požadavky na materiál podpěr a místo jejich instalace

Vzhledem k tomu, že podpěrné bloky trubek lze zakoupit hotové, není třeba podrobně popisovat pevnostní charakteristiky kovu, ze kterého jsou vyrobeny. Výrobci pro ně používají obzvláště silné třídy oceli, které jsou odolné vůči korozi a deformačnímu zatížení.

Aby se eliminovalo ohybové namáhání, musí být tyto díly instalovány přesně uprostřed nosné plošiny.