Proiectarea Sistemelor de Distribuţie A Gazelor Naturale [PDF]

Zitiervorschau

PROIECTAREA SISTEMELOR DE DISTRIBUŢIE A GAZELOR NATURALE PRESCRIPŢII DE PROIECTARE Reţele de distribuţie şi instalaţii de utilizare exterioare 1. Alegerea traseelor Traseele reţelelor de distribuţie şi ale instalaţiilor de utilizare exterioare sunt, pe cât posibil, rectilinii. La stabilirea traseelor se acordă prioritate respectării condiţiilor de siguranţă. Conductele reţelelor de distribuţie se montează subteran. În cazul în care nu există condiţii de montare subterană, conductele reţelelor de distribuţie din oţel se pot monta suprateran, numai în condiţii justificate de către proiectant, avizate de operatorul licenţiat al sistemului de distribuţie şi înscrise în certificatul de urbanism. În localităţi, conductele subterane de distribuţie se pozează numai în domeniul public, pe trasee mai puţin aglomerate cu instalaţii subterane, ţinând seamă de următoarea ordine de preferinţă: 1- zone verzi, 2- trotuare, 3- alei pietonale, 4- carosabil. Pentru situaţiile de excepţie (căi de acces private), soluţiile de alimentare se stabilesc de operator, cu acceptul scris al proprietarilor acestora. Se evită terenurile cu nivel ridicat al apelor subterane şi cele cu acţiuni puternic corozive. Pentru cazuri deosebite în care nu este posibilă evitarea amplasării în terenurile menţionate, se prevăd măsuri de protecţie în conformitate cu reglementările tehnice de specialitate şi legislaţia în vigoare. Conductele instalaţiilor de utilizare exterioare se execută din oţel sau din polietilenă. Conductele din oţel se montează de preferinţă suprateran, iar cele din polietilenă în mod obligatoriu subteran. Conductele supraterane se pot monta, în funcţie de cerinţele locale, la înălţimi până la 6 m de la suprafaţa solului, pe:  pereţii exteriori ai clădirilor din cărămidă sau beton;  garduri stabile din cărămidă sau beton;  stâlpi metalici sau din beton şi estacade. Pe pereţii clădirilor din categoriile A şi B pericol de incendiu (risc foarte mare de incendiu), se admite numai montarea instalaţiei proprii de alimentare cu gaze naturale. Prezenţa conductelor subterane se marchează pe construcţii şi/sau pe stâlpii sau alte repere fixe din vecinatate, prin inscripţii sau plăcuţe indicatoare, de către executant. Distanţa dintre plăcuţele de inscripţionare va fi mai mică de 30 m. Intrarea în clădiri a conductelor subterane (branşamente şi racorduri) se realizează suprateran, după ieşirea conductelor la suprafaţa solului, prin traversarea peretelui exterior al clădirilor. Este interzisă intrarea instalaţiei exterioare în pardoseală sau sub pardoseala clădirilor. În cazuri excepţionale, pentru clădiri la care nu se poate realiza soluţia supraterană, intrarea conductelor în clădiri se realizează prin intermediul unui cămin de aerisire în care se montează robinetul de branşament sau de incendiu, după caz. Robinetul este cu tija înaltă pentru ca manevrarea să se facă de la suprafaţa solului, iar căminul este acoperit cu grătar şi are asigurată evacuarea permanentă a apelor infiltrate. Conductele, fitingurile şi armăturile din polietilenă, precum şi cele din oţel cu protecţie exterioară anticorozivă se montează îngropate direct în pământ, adâncimea minimă de montaj fiind de 0,9 m, de la generatoarea superioară. În cazul în care adâncimea minimă de montaj a conductelor nu poate fi respectată, este necesar să se prevadă măsuri de protejare a conductei care să evite deteriorarea acesteia, cu acordul operatorului licenţiat de distribuţie.

1

Izolaţia anticorozivă de bază a tuburilor de protecţie trebuie să respecte condiţiile minimale prevăzute de STAS 7335/3 pentru conductele de gaze. Fac excepţie porţiunile de tronsoane rectilinii de conducte care nu pot fi îngropate. În aceste porţiuni se pot monta suprateran conducte din PE protejate cu tuburi din oţel. Aceste tronsoane sunt marcate cu plăcuţe indicatoare montate pe repere fixe. Se evită montarea conductelor din PE în vecinătatea unor conducte care au pe suprafaţă temperaturi mai mari de 30°C sau care transportă uleiuri minerale, benzine sau alte materiale inflamabile. Dacă nu se pot elimina aceste vecinătăţi, distanţa minimă admisă pe orizontală între pereţii exteriori ai celor două conducte este de 0,8 m. 2. Răsuflători, tuburi de protecţie, ecrane de etanşare În zone construite, cu densitate mare de instalaţii subterane, pe reţelele de distribuţie şi/sau pe instalaţiile exterioare subterane, executate din oţel, se montează răsuflători:  deasupra fiecărei suduri, dar nu la distanţe mai mici de 1 m, cu excepţia sudurilor conductelor din interiorul tuburilor de proţectie;  la capetele tuburilor de protecţie;  la ieşirea din pământ a conductelor. În cazul unor suduri la distanţe mai mici de 1 m, se realizează drenaj continuu între suduri. Pentru conductele din polietilenă răsuflătorile se montează în zone construite, aglomerate cu diverse instalaţii subterane, pe reţele de distribuţie, respectiv pe instalaţiile exterioare subterane astfel:  la distanţe cuprinse între 150 şi 300 m, cel puţin o răsuflatoare între două diafragme impermeabile realizate din teren compact (de preferat argilă) care să întrerupă drenajul gazelor naturale acumulate prin neetanşeităţi.  la capetele tuburilor de protecţie;  la ramificaţii de conducte şi la schimbări de direcţie;  la ieşirea capetelor de branşament din pământ;  alte situaţii deosebite evidenţiate de proiectant. Diafragmele impermeabile se poziţionează la distanţe de maximum 150 m între ele şi înconjoară conducta pe o grosime de cel puţin 50 cm, continuându-se pe verticală până la nivelul solului. Dimensiunea diafragmei de-a lungul con-ductei este de minimum 50 cm. Proiectul instalaţiilor de gaze naturale pozate subteran trebuie să prevadă măsuri de etanşare împotriva infiltraţiilor de gaze naturale, la trecerile subterane ale instalaţiilor de orice utilitate (încălzire, apă, canalizare, cabluri electrice, telefonice, de televiziune etc.) prin pereţii subterani ai clădirilor racordate la sistemul de distribuţie de gaze naturale. De asemenea, se etanşează toate trecerile conductelor prin planşeele subsolurilor, pentru evitarea pătrunderii gazelor naturale la nivelurile superioare, în caz de infiltrare a acestora în subsol. Este interzisă racordarea la sistemul de distribuţie a gazelor naturale a clădirilor care nu au asigurate măsurile de etanşare prevăzute mai sus. Pentru evacuarea eventualelor infiltraţii de gaze naturale, în toate cazurile, se asigură ventilarea naturală a subsolului clădirilor prin orificii de ventilare pe conturul exterior al acestora, între încăperile din subsol, precum şi prin legarea subsolului clădirilor la canale de ventilare naturală special destinate acestui scop, în afara ventilaţiilor naturale prevăzute pentru anexele apartamentelor sau clădirilor. Pentru evacuarea infiltraţiilor şi scăpărilor de gaze care se pot acumula în casele de scări ale clădirilor etajate fără suprafeţe vitrate se prevede la partea superioară a acestora, în planşeu sau acoperişul clădirii, un orificiu cu diametrul de 150 - 200 mm, prevăzut cu un tub racordat la un deflector. 2

În încăperile în care există risc mare de intoxicări, incendii sau explozii cauzate de scăpările accidentale de gaze naturale acumulate, se prevăd detectoare automate de gaze dotate cu sisteme de semnalizare optică sau alarmare acustică la atingerea concentraţiilor periculoase şi cu comanda închiderii automate a admisiei gazelor naturale în instalaţii. În cazul realizării în subsolul clădirilor a unor spaţii de adăpostire şi a unor galerii de evacuare, conductele de gaze naturale se deviază astfel încât să nu strabată aceste spaţii. Grosimea pereţilor şi materialul din care se confecţionează tuburile de protecţie se stabilesc în funcţie de sarcinile la care este solicitat tubul. Acesta se confecţionează din materiale noi. Diametrul interior al tubului de protecţie se stabileşte în funcţie de diametrul exterior şi destinaţia conductei protejate:  pentru conducte de distribuţie din oţel d i tub = d e cond izolată + 75 mm,  pentru cele din PE d i tub = d e cond + 100 mm,  pentru branşamente din oţel d i tub = d e cond izolată + 50 mm,  pentru branşamente din PE d i tub = d e cond + 50 mm. Ramificaţiile reţelelor subterane se prevăd cu robinete de închidere. În funcţie de conţinutul de impurităţi al gazelor naturale, în puncte convenabil alese ale reţelelor de distribuţie şi ale instalaţiilor exterioare, la cererea operatorului de distribuţie a gazelor naturale, se montează, separatoare de impurităţi sau refulatoare, prevăzute cu câte două robinete. Robinetele, îmbinările cu flanşe şi/sau dispozitivele de dilatare montate subteran se prevăd în cămine de vizitare. Se evită montarea subterană a pieselor electroizolante. Atunci când montarea lor aparentă nu este posibilă, ele pot fi montate şi subteran, dar numai înglobate în cutii cu bitum (STAS 7335/7). Capacul căminului de vizitare se montează deasupra axului vertical al robinetului şi se prevede cu găuri de ventilare. În cazul mai multor robinete montate în acelaşi cămin, se asigură accesul direct la acestea de la suprafaţă. La conductele din oţel montate aerian, susţinerea se realizează, de regulă, cu suporturi tip pentru instalaţii, iar preluarea dilatării prin schimbări de direcţie sau prin compensatoare de dilatare. Trecerea de la conducta din polietilenă la conducta din metal se realizează printr-o piesă de trecere polietilenă/metal. Aceste piese de trecere trebuie să fie fabricate industrial, numai de agenţi economici care au sistemul calităţii certificat în conformitate cu prevederile familiei de standarde ISO 9000 şi să fie atestate/agrementate tehnic. 3. Intersecţii cu alte instalaţii şi construcţii Intersecţia traseelor conductelor de gaze naturale cu traseele altor instalaţii subterane sau aeriene se face cu avizul unităţilor deţinătoare şi se realizează, de regulă, perpendicular pe axul instalaţiei sau lucrării traversate, sau la cel puţin 200 mm deasupra celorlalte instalaţii pentru distanţe mai mici de 200 mm. La traversarea utilităţilor se prevăd tuburi de protecţie adecvate. În cazuri excepţionale, se admit traversări sub alt unghi, dar nu mai mic de 60°. Alte instalaţii subterane, care se realizează ulterior conductei de gaze naturale şi care intersectează traseul acesteia, se montează cel puţin la distanţa minimă admisă în normativ, cu avizul operatorului de distribuţie a gazelor naturale. Trecerea conductelor de gaze naturale prin cămine, canale şi construcţii subterane ale altor utilităţi, este interzisă. Tuburile de protecţie trebuie să depăşească, în ambele părţi, limitele instalaţiei sau construcţiei traversate cu cel puţin 0,5 m. La conductele din PE, tuburile de protecţie se prevăd la capete, la partea superioară cu găuri şi răsuflători, iar capetele se etanşează pe ţeava din PE. Subtraversarea liniilor de tramvai se face în tub de protecţie, la adâncimea de minim 1,5 m de la talpa căii de rulare la generatoarea superioară a tubului de protecţie a conductei.

3

Traversarea căilor ferate, autostrăzilor şi cursurilor de apă, se face subteran sau aerian, în funcţie de condiţiile locale, impuse prin avizele administratorilor acestor utilităţi. Traversările se prevăd cu robinete de secţionare, care să permită scoaterea din funcţiune a conductei de gaze naturale în ambele părţi ale traversării, pentru reţelele inelare şi înainte de traversare, pentru reţelele ramificate. Traversările aeriene ale căilor de circulaţie de pe teritoriul unităţilor industriale se fac la înălţimi stabilite în funcţie de gabaritul vehiculelor utilizate, dar nu mai mici de 5 m de la generatoarea inferioară sau dispozitivul de susţinere a conductei până la nivelul carosabilului. 4. Branşamente şi racorduri Instalaţiile de utilizare din clădiri se alimentează cu gaze naturale din conductele de distribuţe situate pe străzile din dreptul imobilelor respective, indiferent spre ce parte a clădirii se află conducta. Imobilele situate la intersecţia străzilor pot fi alimentate cu gaze naturale din conducta situată pe oricare din străzile respective. În situaţia străzilor sau drumurilor cu lăţime mai mare de 12 m, poziţia de amplasare a reţelelor de distribuţie a gazelor naturale se stabileşte de proiectant în funcţie de condiţiile impuse prin certificatul de urbanism. Fiecare clădire civilă, sau grup de clădiri situate pe aceeaşi proprietate, se alimentează printr-un singur branşament, indiferent de numărul străzilor cu care se mărgineşte, exceptând cazurile deosebite ce se analizează de operatorul licenţiat de distribuţie.

Figura 5.1. Branşament executat din oţel: 1-robinet de incendiu, 2-post de reglare-măsurare, 3-racord olandez, 4-regulator de presiune, 5-robinet de contor, 6-robinet de branşament, 7-niplu electroizolant, 8-răsuflătoare, 9-ţeavă trasă, 10-răsuflătoare cu capac GN, 11-tub de protecţie din PVC, 12-teu branşament, 13conductă distribuţie

4

Alimentarea consumatorilor se face prin:  

  

branşament individual pentru fiecare imobil sau branşament ramificat (excepţional); branşament comun pentru cel mult două imobile vecine, cu acordul operatorului licenţiat de distribuţie, în următoarele 3 cazuri: 1. imobilele sunt situate pe aceeaşi stradă şi au curţile alăturate; 2. imobilele nu sunt situate pe aceeaşi stradă dar fac parte dintr-un singur corp de clădire, au curte comună şi o intrare comună pe strada care are conducta de distribuţie; 3. sunt îndeplinite următoarele condiţii tehnice: branşamentul comun poate asigura debitul total şi presiunea minimă; regulatorul de presiune este corespunzător pentru debitul total; instalaţia exterioară de utilizare se poate executa aparent, cu posibilităţi de acces rapid la robinetele de incendiu.

Racordarea branşamentelor la conductele de distribuţie din polietilenă se face prin teuri de branşament, sudate prin electrofuziune pe acestea. Racordarea branşamentelor la conductele de distribuţie din oţel se face în funcţie de diametrul acestora:  

cu diametrul până la 80 mm inclusiv, se racordează prin intermediul unei piese de racord (teu), fără scoaterea din funcţiune a conductei de distribuţie; cu diametrul peste 80 mm se racordează prin sudare directă pe conducta de distribuţie, fără piesa de racord, şi se prevăd cu un robinet şi cămin de vizitare.

Legătura branşamentelor din polietilenă cu postul de reglare sau cu insta-laţia de utilizare se face prin intermediul unui dispozitiv special, denumit capăt de branşament (reiser), care realizează trecerea de la polietilenă la oţel, având acelaşi diametru cu ţeava din polietilenă a branşamentului. Capetele de branşamente cu diametre de 75 mm şi mai mari se realizează cu piesă de trecere PE-oţel montată subteran în poziţie orizontală. Pe reţeaua de polietilenă de presiune redusă, la capătul de branşament, se montează un robinet de secţionare cu sferă, în poziţie verticală, unul sau mai multe regulatoare de presiune, sau după caz, o staţie de reglare - măsurare. La capătul branşamentului (reiserului) din reţeaua de presiune joasă de polietilenă, se montează un robinet de secţionare cu sferă, în poziţie verticală. La capătul branşamentului din polietilenă se utilizează pentru branşamente până la 63 mm inclusiv, capete de branşament fără anod de protecţie, atestate/agrementate tehnic, iar pentru branşamente cu diametre de 75 mm şi mai mari, capete de branşament cu izolaţie tip foarte întărită sau echivalentă şi anod de protecţie, având componentele atestate / agrementate tehnic. Consumatorii industriali, blocurile de locuinţe cu mai multe scări şi obiectivele social culturale pot fi alimentate prin mai multe branşamente cu condiţia ca partea din instalaţia de utilizare racordată la un branşament să nu se interconecteze cu partea din instalaţia de utilizare racordată la un alt branşament. Soluţia de alimentare prin mai multe branşamente se stabileşte de proiectant, cu acordul operatorului de distribuţie, în funcţie de situaţia locală. În localităţile urbane în care reţeaua de distribuţie nu urmăreşte traseul stradal, alimentarea imobilelor se face prin branşamente la conducta cea mai apropiată, cu respectarea condiţiilor de mai sus.

5

Figura 5.2. Branşament din polietilenă: 1- conductă distribuţie din PEHD, 2- fir trasor, 3- teu de branşament tip şa, electrofuzibil, autoperforant, 4- mufă electrofuziune din PEHD, 5- branşament din PEHD, 6- capăt de branşament neanodic, 7- robinet branşament, 8- regulator de presiune, 9- firida postului de reglare, 10- manşon protector din PE cu rol de răsuflătoare Traseul branşamentului sau racordului se execută perpendicular pe conducta de distribuţie, cu panta înspre aceasta. Pentru situaţii care impun racordarea sub alt unghi, acesta nu va fi mai mic de 60°. Nu se admit branşamente cu traseul în lungul străzii. Capătul de branşament se pozează la limita de proprietate a consumatorului. Amplasarea capătului de branşament sau a racordului se face în spaţii uşor accesibile. La capătul branşamentului executat din ţeavă de oţel racordat la reţeaua de presiune redusă se montează un robinet de secţionare, cu sferă, o piesă electroizolantă, în aval de robinetul de secţionare şi regulatorul de presiune. La branşamentele ramificate se montează şi câte un robinet pe fiecare ramificaţie, înainte de intrarea în clădire. Instalaţiile de utilizare interioare pentru fiecare clădire civilă sau hală industrială se alimentează cu gaze naturale din instalaţia de utilizare exterioară printr-un singur racord sau prin două racorduri, numai în cazul halelor industriale cu puncte de consum la capete, dar fără interconectarea instalaţiilor interioare. La capătul conductei de racord al instalaţiei de utilizare interioară se montează la exterior, în loc uşor accesibil, un robinet de incendiu marcat conform STAS 297. În cazul în care distanţa dintre robinetul de ieşire din postul sau staţia de reglare şi robinetul de incendiu este sub 5 m, se poate renunţa la robinetul de ieşire. Robinetele de incendiu plasate la înălţimea de peste 2 m se prevăd cu scară metalică fixă de acces şi platformă pentru manevrare. Este interzisă intrarea conductei din firida de branşament sau de racord direct în interiorul construcţiei.

6

5. Rezemarea conductelor montate aparent sau aerian Conductele montate aparent pe elemente de construcţii sau aerian pe stâlpi sau estacade se reazemă, în funcţie de diametru, pe brăţări sau console confecţionate conform cataloagelor de detalii tip pentru instalaţii. Distanţele maxime între două reazeme şi tipul reazemelor pentru conducte sunt prezentate în tabelul 5.1. Diametrul Dist. Tipul conductei maxima reazemului [in] intre reazeme [m] 3/8….1/2 3,3 Brăţară 3/4 …1 4,2 Brăţară 11/4…11/2 5,1 Brăţară 2 5,7 Brăţară 21/2 6,1 Brăţară 3 6,7 Brăţară 4 7,5 Brăţară 5 8,0 Brăţară Tab. 5.1 6. Condiţii de montaj Distanţa minimă între conductele subterane de gaze naturale şi alte instalaţii, construcţii sau obstacole subterane, este cea din tabelul 5.2. Nr. Crt. Instalatia, constructia sau obstacolul 1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

Cladiri cu subsoluri sau aliniamente de terenuri suscptibile de a fi construite Cladiri fara subsoluri Canale pentru retele temice, canale pentru instalatii telefonice Conducte de canalizare Conducte de apa, cabluri de forta, cabluri telefonice montate direct in sol, sau caminele acestor instalatii Camine pentru retele termice, telefonice si canalizare, statii sau camine subterane in constructii independente Linii de tramvai pana la sina apropiata Copaci Stalpi Linii de cale ferata, exclusiv cele din statii, triaje si incinte industriale - in rambleu - in debleu, la nivelul terenului

Dist. minima, m, de la conducta din PE de p.j p.r. p.m.

Dist. minima, m, de la cond. din OL de p.j. p.r. p.m.

1,0 0,5

1,0 0,5

2,0 1,0

2,0 1,5

2,0 1,5

2,0 2,0

0,5 1,0

0,5 1,0

1,0 1,5

1,5 1,0

1,5 1,0

2,0 1,5

0,5

0,5

0,5

0,6

0,6

0,6

0,5

0,5

1,0

1,0

1,0

1,0

0,5 0,5 0,5

0,5 0,5 0,5

0,5 0,5 0,5

1,2 1,5 0,5

1,2 1,5 0,5

1,2 1,5 0,5

1,5* 3,0**

1,5* 3,0**

1,5* 3,0**

2,0* 5,5**

2,0* 5,5**

2,0* 5,5**

Nota: Distantele exprimate in metri se masoara in proiectie orizontala intre limitele exterioare ale conductelor si constructiilor *) De la piciorul taluzului **) Din axul liniei de cale ferata. Se va solicita si acordul SNCFR.

7

Când respectarea distanţelor indicate mai sus nu este posibilă, acestea pot fi reduse cu 20%, pentru poziţiile 1- 6, cu condiţia ca pe porţiunea în cauză să se prevadă una din următoarele măsuri:  ţeavă trasă;  izolaţie anticorosivă foarte întărită;  controlul nedistructiv al tuturor sudurilor;  montarea ţevii în tub de protecţie;  răsuflători sau cămine de evacuare în atmosferă a scăpărilor de gaze;  executarea de drenaje. Se interzice montarea de conducte din oţel supraterane la mai puţin de 20 m de calea ferată electrificată şi/sau linii electrice aeriene (LEA) de joasă, medie sau înaltă tensiune. Distanţa între conductele de gaze naturale şi liniile de cale ferată în staţii, triaje şi incinte industriale se stabileşte cu acordul deţinătorilor acestora. Se evită montarea a două conducte subterane de gaze naturale pe trasee paralele la distanţa sub 1,5x(D1+D2)-unde D1 şi D2 reprezintă diametrele exterioare ale conductelor respective - dar nu mai mică de 0,5 m. Întotdeauna conducta de presiune mai mică se pozează spre clădiri. Este interzisă montarea conductelor de gaze naturale, indiferent de modul de pozare, în următoarele cazuri:  în terenuri susceptibile la tasări, alunecări, erodări etc.;  sub construcţii de orice categorie;  în tunele şi galerii;  în canale de orice categorie având comunicaţie directă cu clădiri;  la nivel inferior fundaţiei clădirilor invecinate, la distanţe sub 2 m;  sub linii de tramvai sau cale ferată, paralel cu acestea la o distanţă mai mică decât cea prevăzută în tabelul de mai sus. Conductele din oţel montate în zona de influenţă a căilor ferate electrificate sau a liniilor electrice aeriene (LEA) de medie sau înaltă tensiune se protejează împotriva tensiunilor induse, conform reglementărilor tehnice de specialitate. Staţii şi posturi de reglare şi măsurare 1. Reglarea presiunii Reglarea presiunii se poate efectua în mai multe moduri. a.Menţinerea constantă a presiunii în amonte. Acest deziderat este posibil atunci când este necesar să se evite, în reţeaua din care se alimentează regulatorul, variaţii de presiune considerate nedorite. Funcţionarea se face sub acţiunea presiunii din amonte. În distribuţia gazelor acest tip de regulator este inexistent. b.Menţinerea constantă a presiunii în aval. Este cazul cel mai frecvent întâlnit în distribuţia gazelor, mai ales pentru regulatoare alimentând direct aparate de utilizare. Racordul pune spaţiul de sub membrană în legătură cu un punct situat în aval de aparat, punct în care trebuie să se menţină presiunea constantă. Închiderea supapei pe scaun se face de jos în sus. Pentru orice valoare a debitului Q - în cadrul regimului de funcţionare a aparatului, sub poziţia „ventil complet deschis”, piesele în mişcare se găsesc în fiecare moment în diferite poziţii, datorită echilibrului dintre forţele care se exercită de sus în jos (greutatea sau resortul care apasă pe membrană, greutatea atmosferică,

8

masa pieselor în mişcare - tije, ventil etc.) şi acelea care se exercită de jos în sus (forţa datorită presiunii din aval pe faţa inferioară a membranei, forţa rezultată din diferenţa presiunilor ce se aplică pe o parte şi de cealaltă a ventilului, forţa de frecare). La creşterea consumului în aval până la o valoare Q’, concomitent cu mărirea cererii de gaz, presiunea din aval scade, se modifică echilibrul forţelor în favoarea celor dirijate de sus în jos, ceea ce are ca urmare o coborâre a pieselor mobile, respectiv o mărire a deschiderii ventilului până la stabilirea unui nou echilibru (Q’ atât la intrare, cât şi la ieşire). În acest moment, presiunea în aval creşte şi ca urmare se măreşte şi presiunea sub membrană, stabilindu-se la o valoare egală, sau sensibil egală, cu cea anterioară când debitul în aval era Q. În cazul regulatoarelor cu greutate, presiunea în aval rămâne într-adevăr constantă la variaţia de debit în aval, după restabilirea echilibrului de forţe pe suprafeţele pieselor mobile, aşa cum a fost prezentat mai sus, în timp ce la regulatoarele la care forţa aplicată de către greutate este obţinută prin intermediul unui resort constanţa presiunii în aval se păstrează cu anumite toleranţe. c. Menţinerea constantă a debitului. Pentru menţinerea constantă a debitului în aval (cazul anumitor instalaţii industriale care funcţionează cu regim riguros stabilit) se produc, pe ambele feţe ale membranei, presiuni constante, de la un dispozitiv de ştrangulare, eventual o diafragmă, montat în amontele regulatorului, pe un racord de presiune constantă. După modul de funcţionare se pot stabili următoarele categorii: a. Regulatoare cu acţiune directă. La aceste regulatoare diferenţa dintre presiunile obţinute efectiv în aval şi presiunea reper, pr, pe care regulatorul trebuie s-o asigure în aval este suficientă pentru a comanda direct, pe cale mecanică prin intermediul unor pârghii, variaţiile secţiunii orificiului de trecere. b. Regulatoare cu acţiune indirectă. La aceste regulatoare forţa necesară modificării secţiunii orificiului de trecere este furnizată de un dispozitiv auxiliar, amplificator, numit pilot (cu ajutorul căruia, printre altele, se poate varia presiunea reper fixată în aval). 2. Staţiile de reglare şi de reglare-măsurare Staţiile de reglare şi de reglare-măsurare a gazelor naturale se montează în construcţii proprii. Posturile de reglare, reglare-măsurare, măsurare se montează în firide, cabine sau direct pe instalaţia de utilizare a agregatelor tehnologice. Amplasarea regulatoarelor pe instalaţia de utilizare a agregatelor tehno-logice se poate face cu îndeplinirea cel puţin a următoarelor condiţii:  încăperile în care se montează să fie bine ventilate;  regulatoarele să fie în construcţie etanşă;  elementele de etanşeitate faţă de mediul exterior, precum şi componentele regulatoarelor care comunică cu exteriorul să prezinte rezistenţă la temperaturi înalte (minim 650°C) Staţiile şi posturile de reglare-măsurare sunt delimitate de robinetele de închidere de la intrarea, respectiv ieşirea în/din staţii şi posturi. Robinetele fac parte din componenţa staţiilor şi posturilor de reglare-măsurare. Dimensionarea şi echiparea staţiilor şi a posturilor de reglare-măsurare se face ţinând seamă de parametrii de curgere (debit, presiune, temperatură), domeniul de variaţie a acestora, precum şi de calitatea gazelor naturale (compoziţie chimică, impurităţi solide şi lichide).

9

Sistemele de măsurare se vor alege şi poziţiona în conformitate cu cerinţele normelor în vigoare. Staţiile şi posturile de reglare-măsurare vor fi echipate cu dispozitive de siguranţă cores-punzătoare cerinţelor legislaţiei în vigoare. Proiectarea staţiilor şi posturilor de reglare-măsurare se face astfel încât să rezulte o grupare cât mai compactă a echipamentelor, avându-se în vedere accesul la echipamentele şi dispozitivele componente. Pe conductele de intrare şi de ieşire din staţiile de reglare-măsurare se montează robinete de secţionare şi flanşe electroizolante în locuri uşor accesibile. Staţiile de reglare măsurare pot fi prevăzute cu ocolitor, când alimentarea aparatelor de utilizare nu poate fi întreruptă. În funcţie de natura şi conţinutul de impurităţi din gazele naturale, la intrarea în staţiile de reglare-măsurare, se pot monta echipamente de filtrare şi/sau separare. Pentru echipamentele care prevăd în mod expres filtre de protecţie, acestea se montează obligatoriu conform instrucţiunilor producătorului. Staţiile de reglare-măsurare se prevăd cu priză şi centură de împământare (impedanţa sub 4 ohm), la care se racordează părţile metalice ale fiecărui element din staţie cuprins între două flanşe. Reglarea presiunii se face, în funcţie de mărimea debitului, prin regulatoare cu acţionare indirectă sau acţionare directă. În figura 5.3. este prezentat schematic regulatorul RTG 311. Acesta face parte din clasa regulatoarelor cu acţionare directă şi ventil echilibrat. Regulatoarele din gama RTG sunt regulatoarele cel mai des folosite în distribuţiile de gaze naturale din ţara noastră.

1- corp 2- suport ventil 3- deflector 4- tija 5- scaun 6- piesă separaţie

Figura 5.3. Regulator de presiune RTG 311. 7- capac inferior 8- membrană comandă 9- arc descărcare 10- capac superior 11- arc reglare 12- mecanism reglare

10

Alegerea regulatorului se face cu ajutorul tabelelor puse la dispoziţie de producător, pe baza celor două valori ale presiunii-PI şi respectiv PR-şi a debitului nominal reglat, Qn=1,45.Qnecesar. După alegerea regulatorului trebuie efectuat calculul vitezei gazelor la ieşirea din regulator, verificându-se condiţia v≤20 m/s. Formula de calcul este: Q 1  0,002  PR V  345 ,92 n2 Dn 1  PR Regulatoarele de presiune sunt obligatoriu atestate şi agrementate tehnic, conform prevederilor în vigoare. Principalele caracteristici tehnice şi funcţionale ale regulatoarelor sunt:  abaterea maximă a presiunii reglate: 5% ;  domeniul presiunilor de intrare, corelat cu domeniul presiunilor de ieşire să fie în unul din intervalele: - mai mic de 50 mbar, pentru presiune joasă; - între 2 bar şi 50 mbar, pentru presiune redusă; - între 6 bar şi 2 bar, pentru presiune medie;  presiunea nominală de lucru: 6 bar. Pentru regulatoare care garantează abaterea maximă a presiunii reglate prin atestare şi/sau agrementare tehnică se pot admite şi alte intervale de presiune decât cele menţionate mai sus. În cazul în care în instalaţia de utilizare industrială sunt necesare diferite trepte de presiune se prevăd panouri de reglare pentru fiecare treaptă de presiune. Amplasarea staţiilor şi posturilor de reglare-măsurare se face respectând prevederile din ,,Normele tehnice pentru stabilirea zonelor de protecţie şi de siguranţă ale obiectivelor din sectorul gazelor naturale". Posturile de reglare-măsurare pentru valoarea maximă a presiunii de intrare între 2-6 bar, se pot monta şi în cabine aerisite, alipite pereţilor clădirilor, în locuri uşor accesibile, cu condiţia ca pereţii respectivi să nu prezinte goluri (uşi, ferestre etc.) pe o înălţime de cel puţin 8 m şi pe o lăţime care să depăşească cabina cu minim 5 m, în ambele sensuri. Amplasarea construcţiilor pentru staţii şi posturi de reglare-măsurare, independente sau alipite altor construcţii, se face suprateran şi:  cu respectarea distanţelor prevăzute în normativ;  la limita de proprietate a consumatorului sau când nu este posibil, cât mai aproape de limita de proprietate a consumatorului;  asigurându-se accesul direct şi permanent al personalului operatorului licenţiat al sistemului de distribuţie. Amplasarea construcţiilor pentru staţiile şi posturile de reglare-măsurare (aferente reţelei de distribuţie) se face pe domeniul public, conform precizărilor din certificatul de urbanism. Pentru cazuri excepţionale, cu avizul operatorului licenţiat al sistemului de distribuţie se pot construi staţii de sector subterane, prevăzute cu ventilare corespunzătoare şi măsuri de evitare a pericolului de incendiu şi explozie. Amplasarea construcţiilor pentru staţiile şi posturile de reglare-măsurare (aferente reţelei de distribuţie) se face pe domeniul public, conform precizărilor din certificatul de urbanism. Pentru cazuri excepţionale, cu avizul operatorului licenţiat al sistemului de distribuţie se pot construi staţii de sector subterane, prevăzute cu ventilare corespunzătoare şi măsuri de evitare a pericolului de incendiu şi explozie. Construcţiile staţiilor de reglare-măsurare se execută din materiale incom-bustibile şi fără pod. Posturile de reglare-măsurare de la presiune redusă la presiune joasă se montează: 11

  

în firidă înglobată în peretele exterior al clădirii, în ziduri sau garduri; în cabină independentă sau alipită de un perete exterior al clădirii; cu asigurarea accesului operatorului licenţiat al sistemului de distribuţie. Posturile de reglare-măsurare nu se amplasează:  pe căile de evacuare din clădiri cu aglomerări de persoane;  sub ferestrele clădirilor şi în locuri neventilate. În cazul excepţional în care nu sunt condiţii tehnice şi pentru postul de reglare există spaţiu de amplasare numai sub fereastră, se vor realiza condiţiile:  ţeava de evacuare a regulatoarelor de presiune se prelungeşte astfel încât să evite pătrunderea gazelor în interiorul clădirii;  axul de manevră al robinetelor postului se etanşează. Pentru protejare, siguranţă în exploatare etc., regulatoarele şi celelalte aparate din staţiile de reglare, în funcţie de presiunile la intrare şi de condiţiile locale, se amplasează în clădiri proprii, cabine, nişe şi firide (pentru posturi de reglare). Posturile de reglare, în industrie, se pot amplasa şi în interiorul halelor, pe aparat sau pe agregat, cu condiţia să fie de tip etanş. În general, amplasarea şi construcţia staţiilor de reglare pune probleme din punctul de vedere al prevederilor de siguranţă, mai ales că aparatajul, care funcţionează la presiuni mari, îşi pierde etanşeitatea după un anumit timp de exploatare. Într-adevăr, ca urmare a unei defecţiuni oarecare, scăpările de gaze sunt posibile oricând; prin urmare, în incintele închise, se poate crea o atmosferă explozivă. De aceea, staţiile de reglare trebuie să fie prevăzute cu o ventilaţie bună sau, pentru staţiile de la consumatori importanţi, să fie instalate sub un acoperiş realizat special în acest scop. De regulă, staţiile de predare se prevăd cu paratrăsnete, atunci când distanţa până la cea mai apropiată construcţie este mai mare decât înălţimea construcţiei. Instalaţii interioare de utilizare 1. Utilizarea gazelor naturale în clădiri Utilizarea gazelor naturale este admisă numai în încăperi fără pericol:  de incendiu, prin aprinderea materialelor şi elementelor combustibile, datorită radiaţiei termice directe ori a transferului de căldură prin convecţie sau conducţie;  de explozie a materialelor şi substanţelor combustibile aflate în interior;  de intoxicare sau asfixiere a utilizatorilor cu gaze de ardere Condiţiile tehnice pentru funcţionarea în siguranţă a instalaţiilor interioare de utilizare a gazelor naturale combustibile sunt:  volumul interior minim al încăperilor:  18,0 m3 pentru încăperi curente;  7,5 m3 pentru bucătării, băi şi oficii;  5,0 m3 pentru bucătării din construcţii existente.  asigurarea aerului necesar arderii;  ventilare naturală sau mecanică;  evacuarea totală a gazelor de ardere, în atmosferă;  suprafeţe vitrate. Toate încăperile în care se montează aparate de utilizare a gazelor naturale se prevăd cu suprafeţele vitrate, sub formă de ferestre, luminatoare cu geamuri, uşi cu geam sau goluri, toate la exterior sau spre balcoane vitrate cu suprafaţa minimă totală de:  0,03 m2/m3 de volum net de încăpere, pentru construcţii din beton armat;

12



0,05 m2/m3 de volum net de încăpere, în cazul construcţiilor din zidărie. Geamurile trebuie să aibă grosimea de maxim 4 mm fără armare. Pentru cazul în care geamurile au o grosime mai mare de 4 mm ori sunt de construcţie specială (securizat, termopan etc.) se vor monta obligatoriu detectoare automate de gaze cu limita inferioară de sensibilitate 2% CH4 în aer, care acţionează asupra robinetului de închidere al conductei de alimentare cu gaze naturale al arzătoarelor. În cazul utilizării detectoarelor, suprafaţa vitrată poate fi redusă la 0,02 m2/m3 de volum net de încăpere. Volumul net reprezintă volumul total al încăperii din care se scade volumul elementelor de instalaţii sau de construcţii existente în încăpere în care nu se pot acumula gaze. În încăperi cu volum mai mic decât cel prevăzut mai sus, sunt admise numai aparate de utilizare legate la coş, cu următoarele condiţii:  accesul aerului necesar arderii şi aprinderea aparatelor de utilizare să se facă din exteriorul încăperii (coridor, vestibul etc.) sau direct din exteriorul clădirii;  folosirea unor aparate de utilizare cu aprindere din exteriorul clădirii, asigurate împotriva stingerii prin blocarea admisiei gazului în cazul stingerii flăcării, fie prin construcţia aparatului, fie prin dispozitive de protecţie. Pentru încălzirea de apartament, centrala termică se montează în bucătărie, balcon, vestibul, la subsol sau la alt nivel unde nu blochează calea de evacuare a persoanelor, cu respectarea tuturor condiţiilor sus menţionate. În încăperi cu volum mai mic de 18 m3 şi în băi (indiferent de volumul acestora), nu sunt admise:  aparate de utilizare pentru prepararea instantanee a apei calde de consum;  aparate de utilizare pentru încălzire centrală sau locală prevăzute cu arzător atmosferic şi rupere de tiraj, chiar dacă au termostat de coş. Fac excepţie aparatele de utilizare care au atestare/agrement tehnic sau aviz ISCIR pentru funcţionare în alte condiţii, (la care prin tubulatură etanşă, se asigură accesul din exterior al aerului necesar arderii şi evacuarea în exterior sub presiune a gazelor de arderecazane cu focar etanş şi tiraj forţat). De asemenea sunt exceptate şi aparatele de utilizare din categoria turbosuflantelor destinate încălzirii fermelor de păsări şi animale cu condiţia utilizării detectoarelor de gaze naturale având limita inferioară de detecţie de 2% CH4 în aer şi care acţionează automat robinetul de închidere al conductei de alimentare cu gaze naturale a aparatelor de utilizare. Debitul total al aparatelor cu flacără liberă care se pot instala într-o încăpere trebuie să satisfacă condiţia: 15 m3 volum interior de încăpere/m3 debit instalat. 2.Aparate de utilizare şi arzătoare În instalaţiile de utilizare se vor monta numai aparate şi arzătoare avizate conform prevederilor ISCIR în vigoare. Arzătoarele cu panou radiant cu flacără deschisă sunt admise numai în spa-ţii ventilate corespunzător cu excepţia clădirilor civile şi de locuit asigurându-se evitarea producerii incendiilor, prin aprinderea materialelor ca urmare a efectului radiaţiilor termice şi încadrarea concentraţiei de noxe în limitele admise de reglementările în vigoare. Aparatele de utilizare se pot monta, în funcţie de concepţia constructivă, pe pereţi de zidărie sau beton, fără strat izolator combustibil la faţa peretelui, sau pe pardoseală incombustibilă. Aparatele de utilizare industriale cu debit instalat de peste 25 m/h se prevăd cu armături pentru montarea unor aparate de măsură şi control şi prize în vederea efectuării de determinări pentru bilanţ termic:

13

 

manometru pe conducta de intrare a gazelor în aparat, termometru pe conducta de alimentare cu gaze naturale şi pe canalul de ieşire a gazelor de ardere,  contor de gaze naturale,  priză de prelevare a probelor din gazele naturale şi din gazele de ardere,  priză de măsurare a tirajului. Alegerea şi montarea arzătoarelor şi aparatelor de utilizare se face cu respectarea condiţiilor tehnice şi a criteriilor de performanţă, a instrucţiunilor producătorului, precum şi cu reglementările în vigoare. 3. Trasee şi condiţii tehnice de amplasare a conductelor de utilizare La alegerea traseelor pentru conductele de gaze naturale, condiţiile de siguranţă au prioritate faţă de orice alte condiţii. Fiecare unitate locativă se racordează la coloana sau instalaţia exterioară printr-o singură derivaţie. Conductele instalaţiilor interioare de utilizare se amplasează aparent, în spaţii uscate, ventilate, luminate şi circulate, cu acces permanent, inclusiv în subsolurile care îndeplinesc aceste condiţii şi se montează pe cât posibil, pe elemente rezistente ale construcţiei, pereţi, stâlpi, grinzi, plafoane, sau pe stâlpi metalici sau de beton, montaţi special în acest scop sau în scopul susţinerii con-ductelor de gaze naturale împreună cu conducte pentru alte instalaţii. Se admite montarea conductelor mascate în canale vizitabile şi ventilate numai în cazul construcţiilor cu grad deosebit de finisare. Se interzice trecerea conductelor prin:  un apartament din alt apartament cu excepţia coloanelor existente;  spaţii neventilate sau închise cu rabiţ sau alte materiale;  trecerea conductelor de gaze naturale având îmbinări fixe sau demontabile prin debara, cămară şi altele asemenea, dacă acestea nu sunt ventilate;  coşuri şi canale de ventilare;  puţuri şi camere pentru ascensoare;  încăperi cu mediu corosiv sau cu degajare de noxe;  încăperi cu umiditate pronunţată;  încăperi în care se păstrează materiale inflamabile;  closete;  subsoluri tehnice şi canale tehnice;  ghene sau nişe comune mai multor nivele, în care sunt montate conducte pentru alte instalaţii, inclusiv sub deschiderile inferioare ale acestora;  podurile neventilate ale clădirilor;  locuri greu accesibile în care întreţinerea nu poate fi asigurată;  depozite sau încăperi de depozitare, cu respectarea prevederilor Normativului de siguranţă la foc a construcţiilor PI 18. Totodată este interzisă montarea conductelor înglobate în elementele de construcţie ale pardoselii. În cazul în care nu pot fi evitate trecerile conductelor prin closete sau cămări se admite traversarea acestora utilizând conducte fără îmbinări şi protejate în tuburi de protecţie. Se evită trecerea conductelor prin camere de dormit neprevăzute cu aparate de utilizare a gazelor naturale. Când trecerea conductelor prin încăperi cu umiditate pronunţată sau atmosferă corosivă este inevitabilă, se folosesc ţevi zincate sau protejate cu lacuri anticorosive şi tub de protecţie.

14

Pentru alimentarea punctelor de consum care nu sunt amplasate lângă pereţi, se admite montarea conductelor în canale amenajate în pardoseală acoperite cu capace perforate şi uşor demontabile, uscate şi aerisite, pe trasee cât mai scurte, cu pantă pentru asigurarea scurgerii spre puncte de colectare a eventualelor infiltraţii de apă şi care să permită controlul şi repararea conductei. Este interzisă montarea conductelor pentru alte instalaţii în canalele pentru conductele de gaze naturale precum şi intersectarea canalelor pentru conductele de gaze naturale cu canale pentru alte instalaţii sau comunicarea cu acestea. Trecerea conductelor prin pereţi sau planşee trebuie protejată în tub de protecţie, fără îmbinări ale acestuia. Conductele instalaţiilor de utilizare din hale industriale se amplasează astfel încât să fie protejate împotriva degradării prin lovire directă sau trepidaţii, contactului cu lichide corosive, contactului îndelungat cu apa, radiaţiei sau con-ducţiei termice. Distanţele minime între conductele de gaze naturale şi elementele celorlalte instalaţii se încadrează în prevederile din Normativul pentru proiectarea şi executarea instalaţiilor electrice la consumatori cu tensiuni până la 1000 V C.A. şi 1500 V C.C, indicativ I.7, Normativul pentru proiectarea şi executarea reţelelor de cabluri electrice, indicativ PE 107, precum şi prescripţiile tehnice ISCIR. Este interzisă utilizarea conductelor de gaze naturale pentru alte scopuri, cum ar fi legarea la pământ a altor instalaţii, realizarea prizelor de protecţie electrică, susţinerea cablurilor şi/sau conductorilor electrici, indiferent de tensiune şi curent, sau agăţarea sau rezemarea unor obiecte. 4. Armături de închidere Robinete de închidere se prevăd:  înaintea fiecărui contor; în instalaţiile cu un singur contor, dacă distanţa între robinetul de incendiu şi contor este sub 5 m robinetul de contor ţine loc de robinet de incendiu;  pe fiecare ramificaţie importantă;  pe fiecare conductă care alimentează grupuri de arzătoare montate la aparate, mese de lucru, laboratoare etc.;  la baza fiecărei coloane, în clădiri cu peste cinci nivele; dacă plasarea robinetelor de la baza coloanelor nu se poate face în condiţii de siguranţă şi de estetică corespunzătoare, se admite montarea unui singur robinet pentru un grup de coloane, care alimentează maxim 24 puncte de consum;  înaintea fiecărui arzător se prevăd două robinete montate pe conductă, pentru cazul arzătoarelor şi aparatelor de utilizare, care nu au robinet de manevră propriu sau în cazul celor care au racord flexibil, respectiv un robinet pentru cazul arzătoarelor şi aparatelor care au racord rigid şi au robinet de manevră propriu. 5. Asigurarea aerului necesar arderii şi evacuarea gazelor arse Pentru toate aparatele de utilizare racordate la coş sau cu flacără liberă se asigură aerul necesar arderii şi evacuarea în exterior a gazelor de ardere, complet şi fără riscuri, astfel încât în atmosfera încăperii să nu se depăşească concentraţia de noxe admisă de normele de protecţia muncii precum şi de protecţie a mediului. Aerul necesar arderii se asigură în funcţie de raportul între volumul interior al încăperii Vi [m3] şi debitul nominal al aparatului de utilizare Qn [m3 /h]:  pentru cazul Vi / Qn > 30, se consideră că prin neetanşeităţile tâmplăriei se asigură aerul necesar pentru ardere; 15



pentru cazul Vi / Qn < 30, se prevede accesul aerului direct din exterior, prin goluri practicate la partea inferioară a încăperii. Sunt exceptate bucătăriile din locuinţe cu încălzire centrală, în care nu există alte aparate de utilizare, la care se admite accesul aerului dintr-o încăpere vecină prin realizarea unui gol spre această încăpere, cu condiţia Vi/Qn>30, în care Vi este volumul bucătăriei plus volumul încăperii respective. Dacă şi în încăperea vecină, spre care este prevăzut golul, sunt instalate aparate de utilizare, raportul dintre suma volumelor celor două încăperi şi suma debitelor aparatelor de utilizare din aceste încăperi trebuie să fie mai mare de 30. În cazul în care această condiţie nu poate fi îndeplinită sau în cazul tâmplăriei etanşate cu garnituri de cauciuc, se realizează prize de aer direct din exteriorul construcţiei. Suprafaţa golului pentru accesul aerului de ardere într-o încăpere în care se utilizează gazele naturale se determină cu produsul între debitul instalat în încăpere Q [m3 /h] şi coeficientul de 0,0025 [m2 /m3 /h], adică S = 0,0025.Q [m2]. Golul pentru accesul aerului de ardere se prevede la partea inferioară a încăperii şi fără dispozitive de închidere sau reglaj. Este interzisă obturarea golului de acces al aerului de ardere. La centralele termice cu tiraj forţat şi cameră de ardere etanşă nu este necesară asigurarea golurilor pentru accesul aerului în încăpere. La încăperile în care se instalează aparate cu flacără liberă, independent de volumul lor, se prevăd canale de ventilare pentru evacuarea gazelor de ardere. Canalele de ventilare pentru evacuarea gazelor de ardere se racordează la partea superioară a încăperilor, cât mai aproape de plafon şi nu se prevăd cu dispozitive de închidere sau reglaj. Pentru bucătăriile construcţiilor existente, construite fără canale de ventilare şi în care sunt instalate aparate cu flacără liberă, se admite practicarea în peretele exterior sau în tocul ferestrei, la partea superioară a încăperii, a unui gol pentru evacuarea gazelor de ardere conform detaliilor tip. Evacuarea gazelor de ardere din bucătării şi oficii se face prin tiraj natural organizat sau mecanic, utilizându-se canale individuale sau canale colectoare. La evacuarea gazelor de ardere prin canale colectoare se va acorda o deosebită atenţie executării corecte şi etanşe a nodurilor de legare a canalelor individuale la canalul colector. ASPECTE TEORETICE DE BAZĂ Mişcarea gazelor prin conducte La mişcarea permanentă a unui fluid printr-o conductă cu diametrul interior d, viteza medie de curgere se calculează cu relaţia 4Q vm  Q fiind debitul volumetric scurs prin conductă.  d 2 , (5.1) Profilul vitezei în secţiunea conductei depinde de regimul de curgere, definit prin numărul lui Reynolds

Re 

vmd



, (5.2) n fiind vâscozitatea cinematică a fluidului.

Numărul lui Reynolds poate fi scris şi în funcţie de alţi parametri (viteza maximă a fluidului, raza interioară a conductei), dar cea mai folosită formă în practică este aceea dată de relaţia de mai sus.

16

Experienţele au arătat că în tuburile cu secţiunea circulară regimul de curgere este laminar atât timp cât numărul lui Reynolds nu depăşeşte valoarea critică Re critic  2300

(5.3)

Cu toate că regimul laminar este relativ limitat, regimul turbulent fiind mai frecvent întâlnit în activitatea practică, relaţiile de calcul pentru acest regim concordă foarte bine cu rezultatele experimentale. În situaţia regimului laminar, profilul vitezei în raport cu raza tubului este parabolic, fiind dat de relaţia

v

 p  d 2   r 2  (5.4) 4 l  4 

iar viteza medie are valoarea p 2 d 32  l Dp fiind căderea de presiune realizată prin frecări pe lungimea l a tubului. În practică căderea de presiune între două puncte pentru acest regim de curgere se calculează cu una dintre relaţiile cunoscute în literatură sub denumirea de formulele HagenPoiseuille 128  l Q 32 l v m p  p  Sau (5.5) 2  d4 d vm 

În regimul de mişcare turbulent aceste relaţii îşi pierd valabilitatea. Se consideră că, în tuburile cu secţiunea circulară, mişcarea devine complet turbulentă dacă numărul lui Reynolds are o valoare mai mare decât cea critică; mişcarea turbulentă dezvoltându-se complet începând cu o distanţă egală cu cel puţin (25–40) d de la intrarea în tub. După ultimele cercetări, în condiţiile mişcării turbulente în secţiunea tubului se pot pune în evidenţă patru domenii de variaţie a vitezei (figura 5.4).

Figura 5.4. Delimitarea profilului vitezei în mişcarea turbulentă Astfel, în imediata apropiere a peretelui viteza fluidului variază aproximativ liniar cu distanţa y măsurată de la perete. În acest domeniu tensiunea de forfecare turbulentă este

17

neglijabilă şi, deoarece variaţia vitezei depinde de vâscozitatea moleculară, întreaga zonă se numeşte substratul vâscos. După substratul vâscos urmează stratul intermediar (tampon), unde tensiunile de forfecare datorită vâscozităţii moleculare şi fluctuaţiilor de viteză sunt comparabile ca mărime. Următorul strat fiind acela complet turbulent unde turbulenţa devine suficient de dezvoltată pentru ca tensiunea datorită mişcării laminare să fie neglijabilă faţă de aceea turbulentă. Deoarece, în acest strat, viteza medie punctiformă v variază logaritmic în raport cu distanţa y măsurată de la perete, stratul se numeşte logaritmic. În jurul axei conductei este zona turbulentă a curgerii unde turbulenţa este complet dezvoltată. Vom nota cu viteza de frecare care este definită cu ajutorul relaţiei

0 

v 

(5.6)

în care t0 este valoarea efortului tangenţial de frecare la peretele conductei. În zona stratului logaritmic distribuţia vitezei adimensionale este dată de relaţia

 v* y  v (5.7)    B  A ln v*    în care valorile constantelor A şi B sunt 2,46 şi, respectiv, 5,67. În zona centrală a curgerii turbulente se utilizează, pentru distribuţia vitezei, tot o relaţie asemănătoare cu formula (5.7). Uneori, se foloseşte în această zonă o distribuţie a vitezei sub forma

v max  v  y  (5.8)   * v R n fiind un coeficient cu valoarea aproximativă 1,5. n

Pornind de la aceste relaţii ale vitezei se poate obţine coeficientul de rezistenţă λ , într-o conductă cu secţiunea circulară. În mişcarea turbulentă, între viteza de frecare şi viteza medie vm există relaţia



(5.9) 8 Indiferent de caracterul mişcării în conductă, laminar sau turbulent, între viteza medie şi debitul de fluid Q care se scurge prin conductă este relaţia v  v m

R

Q 2 vm   2  v r dr 2 (5.10) R R 0 Dacă se are în vedere şi relaţia (5.7) se găseşte una dintre corelaţiile teoretice existente între coeficientul de rezistenţă şi numărul lui Reynolds Re 1  2,005 lg Re   0,811 (5.11) 





J.Nikuradze a corectat, în urma datelor experimentale, coeficienţii numerici din această relaţie scriind-o sub forma 1  2 lg Re   0,8 (5.12) 





18

Această relaţie asigură o bună concordanţă cu valorile lui λ obţinute pe cale experimentală. În practică s-a constatat o bună concordanţă cu rezultatele experimentale dacă coeficientul l se calculează cu formula lui Blasius 0,3164  (5.13) Re 0, 25 valabilă pentru Re < 105 şi formula lui J.Nikuradze

  0,0032 

0,221 Re 0, 237

(5.14)

valabilă în intervalul 105 ≤ Re ≤ 108. Rezultatele prezentate pot fi utilizate atât timp cât peretele interior al tubului este considerat neted. În acest caz se observă că starea peretelui nu are nici o influenţă asupra caracterului turbulent al mişcării. În practică, cele mai multe tuburi, cel puţin la valori mari ale numărului lui Reynolds, nu pot fi considerate ca netede. Din cauza rugozităţii peretelui, coeficientul de rezistenţă λ este mai mare decât acela care rezultă din formulele prezentate pentru tuburile netede. Legile mişcării turbulente prin tuburile rugoase au deci o mare însemnătate practică dar, cercetările s-au izbit de o dificultate, şi anume de faptul că numărul parametrilor de rugozitate este mare din cauza formelor geometrice foarte variate. O privire de ansamblu asupra măsurătorilor mai vechi a condus la concluzia că există două tipuri de rugozităţi. La primul dintre acestea rezistenţa este proporţională cu pătratul vitezei medii, ceea ce înseamnă că λ este independent de numărul lui Reynolds. Acest tip se întâlneşte la rugozităţile destul de mari şi foarte dese, cum ar fi, de exemplu, grăunţi de nisip lipiţi de perete, ciment, fier brut. Influenţa peretelui se poate caracteriza printr-un singur parametru de rugozitate e = 2ks / d, denumit rugozitate relativă, unde ks este înălţimea medie a rugozităţilor. În acest caz coeficientul de rezistenţă depinde numai de e. Cel de al doilea tip de rugozitate se întâlneşte atunci când rugozităţile peretelui sunt mai reduse sau când un număr mic de rugozităţi se află repartizate pe o suprafaţă netedă destul de mare cum ar fi, de exemplu, ţevile din fier comer-cial uzuale. În acest caz coeficientul de rezistenţă λ depinde atât de rugozitatea relativă cât şi de numărul lui Reynolds. Măsurătorile efectuate de către J. Nikuradze care a lipit, cât mai des posibile, grăunţi de nisip în interiorul tuburilor de secţiune circulară au condus la această concluzie. În figura 5.5 este prezentată variaţia coeficientului λ în funcţie de rugozi-tatea relativă d/k/2 şi de numărul Reynolds rezultată din măsurătorile efectuate de Moody pe ţevi comerciale din oţel, cu rugozitatea absolută k.

Fig. 5.5. Diagrama Moody 19

Se constată că în regim laminar toate tuburile rugoase au aceeaşi rezistenţă ca şi acelea netede. În domeniul mişcării turbulente există, pentru fiecare rugozitate relativă, un anumit interval de valori ale numărului lui Reynolds, în care tubul rugos are aceeaşi rezistenţă ca şi acela neted. În acest domeniu, tubul, cu toate că poate prezenta un anumit grad de rugozitate a peretelui, este considerat neted din punct de vedere hidraulic şi coeficientul de rezistenţă λ depinde numai de numărul lui Reynolds. Pentru acest domeniu rezultatele experimentale au arătat că k v 0 5  . (5.15) De la o anumită valoare a numărului lui Reynolds înainte, pe măsură ce rugozitatea absolută k creşte, curba de rezistenţă a tubului rugos se desparte de aceea a tubului neted. Acest domeniu de tranziţie s-a delimitat în intervalul k v 5  70 , (5.16)  unde coeficientul de rezistenţă l depinde în acelaşi timp şi de numărul lui Reynolds şi de rugozitatea relativă. La valori mai mari ale numărului lui Reynolds, respectiv pentru kv  70  , (5.17) se ajunge în domeniul complet rugos în care l depinde numai de rugozitatea relativă. Legea logaritmică de repartiţie a vitezei v poate fi utilizată şi la tuburile rugoase sub forma v 1 y  ln  B , (5.18) v  k are aceeaşi valoare ca şi mai înainte, iar B=8,48.

unde constanta

În general, ultimul parametru devine o constantă pentru. Dacă se admite că această lege este valabilă şi în zona centrală a tubului, se obţine pentru y=R relaţia

v m ax 1 R  ln  B  k v

,

(5.19)

iar viteza se poate scrie v

y . (5.20)  R Viteza medie din secţiunea tubului poate fi scrisă sub forma vm 1 R 3  ln  B  v  k 2χ (5.21) deci, având în vedere relaţia (5.7), rezultă v  v m ax 

8





1



ln

ln

R 3  Bk 2χ

. (5.22) Dacă se înlocuiesc constantele χ şi B rezultă 1



 2,005 lg

R  1,692 k

.

(5.23)

Această relaţie poate fi considerată drept formula de calcul pentru coeficientul de rezistenţă λ în domeniul complet rugos.

20

Concordanţa cu rezultatele experimentale ale lui J. Nikuradze este mai bună, dacă se modifică valorile coeficienţilor numerici, şi din acest motiv, se poate scrie coeficientul de rezistenţă pentru acest regim de curgere sub forma 1  2   d  2 lg  1,74  . (5.24) 2k   Cel de al doilea tip de rugozităţi dau peretelui interior al conductei un caracter semirugos, iar coeficientul λ se poate calcula cu ajutorul formulei Colebrook-White.

 2,51 k   .  2 lg   (5.25)  3 , 71 d  Re    Stabilirea pe o cale mai simplă a domeniului de netezime al conductei, deci şi a relaţiei pentru calculul lui λ, se face determinând parametrii adimensionali R1 şi R2 care au expresiile 28,2843  d    R1  neted  2 k  , (5.26)  2,51 1 k    2 lg    Re  3,71d   d  d  (5.27)  689,0048  791,9595 lg , R2  2k  2 k  precum şi a numărului lui Reynolds din conductă. Astfel, dacă numărul lui Reynolds satisface condiţia tubul este considerat neted din punct de vedere hidraulic şi pentru tubul este complet rugos. În situaţia în care Re este cuprins între R1 şi R2 conducta are o comportare semirugoasă. Coeficientul λ neted se calculează pentru regimul de curgere turbulent şi conductă netedă. 1

Rezistenţe locale În anumite puncte ale conductei unde sunt montate armături, aparate sau unde conducta îşi modifică secţiunea sau direcţia, se produc pierderi de presiune locale care se pot scrie sub forma v2 p   m  . (5.28) 2 Coeficientul de rezistenţă locală depinde, în special, de geometria armăturii sau a punctului unde conducta îşi modifică secţiunea sau direcţia. În general, s-a stabilit că la numere Reynolds mici, coeficientul de rezistenţă depinde şi de regimul de mişcare. În unele situaţii, cum ar fi la schimbarea secţiunii şi a direcţiei unei conducte, s-au stabilit relaţii pentru calculul coeficientului de rezistenţă locală . În punctele unde se produce devierea vânei de fluid (curbe, ramificaţii, robinete etc.) nu se poate stabili mărimea coeficientului decât pe cale experimentală. Dacă într-un anumit punct al conductei, aceasta îşi modifică brusc secţiunea de la valoarea A1 la A2, vâna de fluid se contractă, producându-se o pierdere locală de presiune, coeficientul de rezistenţă locală se calculează cu relaţia 1



2

    1  

, (5.29) μ fiind raportul dintre secţiunea contractată a vânei de fluid şi secţiunea A2.

21

În tabelul 5.3 se redau valorile coeficientului în funcţie de raportul A2/A1 şi de gradul de rotunjime al muchiilor care fac trecerea de la conducta cu diametrul mai mare la conducta cu diametrul mai mic. Pierderea de presiune locală se calculează cu viteza medie din secţiunea A2. Specificaţie

0 – 0,2 0,35 0,11 0,01 0

Muchii ascuţite Muchii uşor răsfrânte Muchii uşor rotunjite Muchii bine rotunjite

0,4 0,5 0,29 0,22 0,09 0,07 0,01 0,01 0 0 Tab. 5.3

A2/A1 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,17 0,10 0,05 0,01 0 0,05 0,03 0,02 0 0 0,01 0 0 0 0 0 0 0 0 0

În situaţia unei treceri bruşte de la o secţiune mai mare A1 la una mai mică A2, coeficientul de rezistenţă locală, dacă la pierderea de presiune locală se utilizează viteza medie din secţiunea A1, se calculează cu relaţia

  1  A1 / A2 2

.

(5.30)

Dacă o conductă cu secţiunea A1 se racordează treptat la o altă conductă cu secţiunea A2, şi unghiul nu depăşeşte 7-80, coeficientul se poate calcula cu relaţia

  0,15 1  A12 / A22 

,

(5.31)

pierderea locală de presiune fiind raportată la viteza medie a fluidului din secţiunea A1. În situaţia în care secţiunea A1 se reduce, de asemenea, treptat la o altă secţiune mai mică A2, pierderea de presiune locală se poate neglija. În practică se folosesc în mod frecvent, pentru măsurarea debitului care curge printr-o conductă, ajutajul şi diafragma. Câteva valori ale coeficientului în funcţie de raportul dintre aria orificiului A0 şi aria conductei A sunt redate în tabelul 5.4. În acest caz pierderea de presiune locală se exprimă în funcţie de viteza medie a fluidului din secţiunea A. A0/A ζ

0,90 0,06

0,80 0,28

0,70 0,60 0,78 1,82 Tabelul 5.4

0,50 3,80

0,40 8,10

Pentru coturile fără rotunjiri coeficientul de rezistenţă locală poate fi calculat cu

  0,946 sin 2



 2,047 sin 4



. (5.32) 2 2 Pentru un cot cu raza de curbură R care satisface condiţia , coeficientul de rezistenţă locală se poate calcula cu formula lui Weissbach 3, 5  d      0,31  0,16     R   90 

,

(5.33)

α fiind unghiul cotului introdus, în grade.

22

În tabelul 5.5 se redau, pentru unele armături utilizate în mod frecvent în practica distribuţiei, coeficientul de rezistenţă locală şi raportul dintre lungimea echivalentă L a conductei, pe care s-ar realiza aceeaşi cădere de presiune ca aceea locală cu diametrul interior d şi acest diametru.

Tipul organului de închidere Robinet cu sertar pană Deschis complet 0,1 ¾ deschis 0,8 ½ deschis 4 ¼ deschis 15 Robinet sferic Deschis complet 6 ½ deschis 10 Robinet cu ventil (disc) Deschis complet 9 ¾ deschis 13 ½ deschis 35 ¼ deschis 110

ζ

L/d

7 40 200 800 350 550 500 700 2.000 6.000

Calculul hidraulic al conductelor pentru gaze Ecuaţia de mişcare a gazelor prin tuburi de secţiune circulară este

dp   v 2 dx 2d . Pentru un gaz real, ecuaţia de stare este

(5.34)

 Z  p, T  R T , (5.35)  în care Z(p, T) este factorul de abatere de la legea gazelor perfecte. În cazul în care se acceptă ipoteza curgerii izoterme la temperatura Tm şi se neglijează variaţia lui Z în lungul conductei, considerându-se o valoare medie constantă Zm, se poate scrie p

p



 Z m R Tm

.

(5.36)

Pentru calculul valorii temperaturii medii Tm se foloseşte formula T  2 T2 Tm  1 (5.37) 3 T1 şi T2 fiind valorile temperaturii la capetele conductei. În cazul reţelelor de distribuţie variaţia temperaturii este foarte mică, astfel încât putem aproxima valoarea temperaturii medii la 278 K. Deci Tm =278 K. În ceeace priveşte valoarea medie a factorului de abatere, deoarece presiunile gazelor sunt relativ mici (sub 7 bara) vom aproxima această valoare la 0,98. Deci Zm =0,98.

23

Ecuaţia de mişcare se mai poate scrie

p Deoarece

dp  2  Z m RTm .v  (5.38) dx 2d

4m (5.39) d 2 unde reprezintă debitul masic de gaze transportat prin conductă, ecuaţia de mişcare devine . 2 dp 16    2 5 Z m RTm m 2 (5.40) dx  d

v 

Dacă această ecuaţie se integrează între punctul iniţial şi cel final, se găseşte

p12  p22 

16 Z m RTm m 2l 2 5  d

din care rezultă m 

,

(5.41)

2

p12  p22 5 d 16RZmTm l

.

(5.42)

Ţinând seamă de valorile R=519,6 J/kg/K, Zm =0,98 şi Tm =278 K şi de relaţia dintre debitul masic şi cel volumic în condiţii normale V QN  m MN , (5.43) M unde =22,414 /kmol iar M=16 kg/kmol, rezultă

p12  p22 5 d , (5.44) l debitul QN fiind exprimat în metri cubi normali pe secundă (m3 N/s). QN  0,00292

Considerând şi valorile corespunzătoare stării standard TS=288,15 K şi pS=101.325 N/m2, rezultă pentru debitul de gaze p12  p22 5 QS  0,003 d l . (5.45) debitul QS fiind exprimat în metri cubi standard pe secundă (m3S/s).

Dacă vom folosi unităţile de măsură specifice domeniului gazier, respectiv m3S/h pentru debit, km pentru lungime şi cm pentru diametrul interior, formula de mai sus devine p12  p22 5 QSh  0,35 D L

.

(5.46)

Calculul conductelor complexe pentru gaze Relaţia de calcul a debitului de gaze în regim staţionar se poate scrie, având în vedere expresia debitului normal de gaze (5.44), sub forma l p12  p22  C 5 QN2 , (5.47) d p1 şi p2 fiind presiunile la capetele conductei cu lungimea l.

24

La conductele complexe în serie (figura 5.6), unde debitul este acelaşi în toate tronsoanele, se poate scrie, pentru un tronson oarecare i, i li pi2  pi21  C 5 QN2 (5.48) di şi prin însumare pentru cele n tronsoane rezultă n

i li

i 1

d i5

p12  pn21  CQN2 

A

l1 ,d1 p1

.

(5.49)

l2 ,d2 p2

ln ,dn

li ,di p3

pi

pn

pi+1

pn+1

B

Figura 5.6.Schema conductelor înseriate Debitul transportat are valoarea

QN 

1 C

p12  pn21

1 n

i li

d i 1

.

(5.50)

5 i

Dacă se defineşte conducta echivalentă ca fiind acea conductă simplă prin care se transportă tot debitul Q având la extremităţile conductei presiunile p1 şi pn+1, rezultă dependenţa dintre elementele conductei echivalente (lungimea le, de obicei egală cu suma lungimilor tronsoanelor, diametrul echivalent de) cu ale sistemului complex de conducte de unde rezultă

e l e d

5 e

n

i li

i 1

d i5



.

(5.51)

La conductele în paralel (figura 5.7) se poate scrie, pentru o ramură oarecare i, debitul care se transportă prin acel tronson i li p12  p22  C 5 QNi2 (5.52) de unde rezultă debitul pe ramura i di . 5 (5.53) di 1 2 2 QNi  p1  p2 i li C

l1 , d1 , Q1 l2 , d2 , Q2 A p1

li , di , Qi ln , dn , Qn

Figura 5.7. Schema conductelor în paralel

25

B p2

Deoarece debitul total este dat de suma tuturor debitelor, rezultă expresia acestuia n

QN   QNi  i 1

1 C

p12  p22

n

 i 1

d i5 . i li

(5.54)

care se mai poate scrie p12  p22  C

QN2

. (5.55) d i5  i li i 1 Dacă se introduce şi la acest sistem complex conducta echivalentă (lungimea le, de obicei egală cu lungimea 1-2, diametrul echivalent de), rezultă p12  p22  C

QN2 n

 i 1

de unde rezultă

ele d e5

d

5 i

C

n

ele

QN2

d e5

,

i li n

 1/  i 1

d i5 . i li

(5.56)

În numeroase cazuri, în diferite puncte ale unei conducte se colectează sau se distribuie anumite cantităţi de gaze. În prima situaţie conducta este un colector de gaze, iar în a doua un distribuitor. Indiferent de situaţie, pe un tronson oarecare i, cu lungimea li şi diametrul interior di, cu debitul QNi, se poate scrie . (5.57)  l i i pi2  pi21  C 5 QNi2 Prin aplicarea formulei la toate tronsoanele şi prin însumare se găseşte di n  l i i pi2  pn21  C  5 QNi2 (5.58) d i 1

i

Presiunea în punctul final al unui tronson m, notată cu pm+1 se poate exprima fie în funcţie de presiunea iniţială ( m  1 ) m  l i i p12  pm2 1  C  5 QNi2 , (5.59) d i 1 i fie în funcţie de presiunea finală ( m  n ) n  l i i pm2 1  pn21  C  5 QNi2 i  m1 d i

(5.60)

În cazul reţelelor de distribuţie pe conductele stradale sunt prevăzute branşamente pentru instalaţiile de utilizare ale locuinţelor. Schema pentru stabilirea debitelor de calcul este prezentată în figura de mai jos.

Qi

Qe q1 q2 q3 … qn

Qi

Qe

Figura 5.8.Schema pentru stabilirea debitelor de calcul

26

Aici Qi reprezintă debitul de gaze care intră în tronson, Qe - debitul care iese, q1, q2,...qn - debitele branşamentelor de pe tronson. Debitul de calcul pentru dimensionarea tronsonului respectiv se obţine cu n (5.61) Q Q  q /2, c

i

 i 1

i

iar valoarea debitului care iese din tronson şi intră în următorul tronson este n . (5.62) Qe  Qi   qi i 1

Conducte de gaze de joasă presiune În situaţia în care presiunea din conductă este cu puţin mai mare decât presiunea atmosferică pa, formulele de calcul pot fi simplificate. Astfel, dacă se aplică formula aproximativă p12  p22   p1  p2  p1  p2   2 pa  p1  p2  (5.63) relaţia (5.50) capătă forma p  p2 5 QS  1,35 1 d (5.64) l. Această formulă se aplică în cazul în care presiunea din conductă este mai mare decât presiunea atmosferică pa cu 200 până la 400 mm H2O. În tabelul 5.6 se prezintă eroarea ce se introduce prin utilizarea formulei (5.64) în loc de (5.44).

[mm 50 100 200 300 400 500 H2O] Eroarea, 0,12080,24110,48050,71820,95421,1886 % Mărirea capacităţii de transport a conductelor Există posibilitatea de creştere a debitului transportat printr-o conductă, ceea ce este tot una cu a spune că se măreşte capacitatea de transport, datorită creşterii consumului sau a producţiei de gaze. Teoretic se poate mări debitul transportat, fie prin creşterea parametrilor tehnologici de transport, cum este presiunea diferenţială ( p12  p22 ), sau dacă este menţinut constant acest parametru, prin montarea unei intercalaţii cu diametrul interior mai mare decât al conductei date sau realizând o derivaţie pe conductă. În prima situaţie posibilă de realizat, debitul Q se poate mări la valoarea Q1 dacă pătratul presiunii (5.65) p 2  p12  p22 se măreşte la Dp’2. Această mărire de la Dp2 la Dp’2 se poate efectua fie prin creşterea presiunii de la presiunea p1 la p1’, sau prin reducerea presiunii de la punctul final p2 la valoarea p2’. Apelând la formula (5.45) de dependenţă a debitului de căderea de presiune patratică, avem relaţiile: Q1 p '2 p12'  p22   (5.66) Q p 2 p12  p22 Respectiv (5.67) Q1 p '2 p12  p22'   Q p 2 p12  p22 27

din care se pot calcula valorile corespunzătoare ale presiunilor modificate. În cazul când presiunile de la capetele conductei p1 şi p2 rămân nemodificate, mărirea capacităţii de transport se poate realiza fie prin montarea unei intercalaţii de lungime x şi diametrul interior d1> d (figura 5.9), fie prin montarea unei derivaţii cu diametrul d1≠ d, sau egal cu acesta (figura 5.10).

M

Q', λ', d

A p1

N

Q', λ1, d1

l1

x

Q', λ', d

B p2

l-x-l1

Figura 5.9.Schema de calcul a intercalaţiei Lungimea x a intercalaţiei se determina utilizand formula (5.48) pe care o scriem pentru cele trei tronsoane ce compun acum conducta şi respectiv pentru întreaga conductă, atât pentru noua valoare a debitului mărit şi pentru debitul iniţial. -pentru noul debit: l p12  pM2  C 151 QN2 ' (5.68) d pM2  p N2  C p N2  p22  C

pi2  p22  C

1 x d15

-pentru debitul iniţial

1 x d15

1 l  l1  x  d

QN2 '  C

5

' l  x  d5

QN2 '

(5.69)

QN2 '

(5.70)

QN2 '

(5.71)

l pi2  p22  C .5 QN2 d

(5.72)

Rezultă egalitatea l x ' l  x  2 (5.73) p  p  C 5 QN2  C 15 QN2 '  C QN ' d d1 d5 de unde putem calcula lungimea intercalaţiei Q2  1  N2 . (5.74) Q' N  ' x l 5  d 1 1 5  ' d1 2 i

2 2

Este evident că pozitia intercalaţiei este arbitrara, dar este preferabilă partea finală a conductei, unde regimul mecanic de solicitări este mai mic.

A p1

l-x, d

M

x, d x, d1 l

Figura 5.10. Schema de calcul a derivaţiei

28

B p2

În cazul montării unei derivaţii vom apela la formulele (5.48) şi (5.50) şi vom scrie pentru tronsoanele din componenţa conductei: (5.75) p12  p22  p12  pM2  pM2  p22

' l  x 2 (5.76) p12  pM2  C QN ' d5 x 2 2 2 p M  p2  QN ' 2 (5.77) 5   d5 d   1   ''  '1   şi pentru valoare iniţială a debitului l . p12  p22  C 5 QN2 d Rezultă egalitatea        'l  x x  Q N2 5 l  Q' 2N   5 2 d 5 5  d  d d1        ''    '  1   

(5.78)

(5.79)

si prin urmare derivatia are lungimea

QN2  1 2 Q' N  ' 1

x 1

 ' d 5  '    15  '' d  '1  

In cazul in care rezulta si

l

.

(5.80)

2

d1  d

 '1   ' ' ,

formula (5.80) devine astfel QN2  Q '2N  ' x l 1 '' 1 4 ' 1

.

(5.81)

ASPECTE TEORETICE SPECIFICE Variaţia presiunii şi temperaturii în lungul conductelor În abordarea mişcării staţionare a gazelor naturale prin conductele din oţel sau din polietilenă vom porni de la ipoteza că presiunea şi temperatura au aceleaşi valori pe întreaga secţiune de curgere. Deci vom considera funcţiile şi definite pe domeniul 0÷L, unde L este lungimea conductei, originea axei Ox fiind la intrare.

29

Procesul de curgere staţionară a gazelor prin conducte montate îngropat este modelat de ecuaţiile: dv 1 d p f v2 , (5.82) v=  dx  d x 2D , (5.83) v = M p

,  Z RT  1  1  (1 /  ) d p dT  K. D T   (Ta  T ) c p    T p  dx dx  c p Q

(5.84)

(5.85)

Aici f este coeficientul de frecare hidraulică, calculat cu formula Colebrook-White (5.25), D - diametrul interior al conductei, m, M - debitul masic specific de gaze, kg/m2/s, Z factorul de abatere calculat cu formula lui Berthelot (1.13), cp - căldura specifică masică izobară a gazelor, K - coeficientul global de transfer termic de la gaz spre mediul ambiant, W/m2/K, Q - debitul volumic de gaze prin conductă, m3/s, iar Ta - temperatura absolută a mediului ambiant în care este îngropată conducta, K. Pentru calculul coeficientului global K avem două relaţii de calcul, în funcţie de materialul din care este confecţionată conducta: 2    h  De 1  h 1 1 1    ln  ln  2  4   1  K  p D s  De   De    2  .   h  Diz 1  h 1 1 1 De 1   1    ln  ln  ln  2  4 K  o D iz De s  Diz   Diz   

(5.86)

(5.87)

Aici α este coeficientul de transfer termic convectiv între gaze şi peretele interior al conductei, W/m2/K, λp = 0,4 W/m/K - conductivitatea termică a polietilenei, λ o= 40 W/m/K - conductivitatea termică a oţelului, λiz= 0,5 W/m/K - conductivitatea termică a izolaţiei, λs =2,5 W/m/K - conductivitatea termică a solului, De - diametrul exterior al conductei, m, Diz diametrul exterior al izolaţiei conductei, m, iar h - adâncimea de îngropare a conductei, m. Coeficientul de transfer termic convectiv forţat, între gaze şi peretele interior al conductei, se determină cu ajutorul formulelor: v D  cp 0 ,8 0, 4 Re  Nu  Pr  Nu  0 , 023 Re Pr , , ,    (5.88) D unde Nu, Re şi Pr sunt criteriile Nusselt, Reynolds şi respectiv Prandtl, în care l, şi cp sunt respectiv conductivitatea termică, vâscozitatea dinamatică, căldura specifică izobară ale gazelor, toate variind în funcţie de temperatură conform relaţiilor (1.43), (1.32) şi (1.41). După o serie de calcule [3] ecuaţia de mişcare se poate scrie (5.89)  1 1 Z 1 p  d p  1, 1  Z  dT f          2  p Z  p M R Z T  d x  T Z  T  d x 2D iar ecuaţia energiei devine . c p dT 4K 1 T 2R  Z d p   T  Ta p  T dx T  Ta dx MD

30

(5.90)

Introducând parametrii adimensionali prin (5.91) p ; T; x , T P  Tc pc L funcţiile şi devin şi respectiv , iar ecuaţiile de mai sus devin ,  1 1 Z 1 pc2 P  dP  1 1  Z  dT fL          2 2D  P Z  P M R Tc ZT  d  T Z  T  d

T2 R Tc  Z dP dT 4KL T  Ta  ,  cp  P  T d d MD

(5.92)

(5.93)

fiind temperatura absolută adimensională a mediului ambiant. În acest fel, soluţia sistemului format de ecuaţiile (7.92) şi (7.93) va fi dată de dP dT   P, T    P, T  ; (5.94) d d unde şi au expresiile rezultate din rezolvarea sistemului. Funcţiile şi reprezintă funcţiile modelului numeric ce face posibilă rezolvarea sistemului de ecuaţii diferenţiale de mai sus prin metoda de integrare numerică Runge-Kutta de ordinul patru. Pe baza algoritmului metodei a fost elaborat softul specializat PRETEMP care listează curbele de variaţie ale presiunii şi temperaturii gazelor în mişcarea lor prin conducta îngropată, din polietilenă sau din oţel. Softul PRETEMP a fost rulat pentru o conductă din polietilenă Dn 200 lungă de 4000 m, cu debitul de 5445 m3N/h, gazele având la intrare presiunea de 5 bara şi temperatura de 200C, iar temperatura mediului ambiant de 100C. Cu aceste valori s-au obţinut următoarele curbe (figura 5.11)

Figura 5.11

31

Variaţia presiunii şi temperaturii gazelor naturale în lungul conductelor de repartiţie este afectată de materialul din care acestea sunt confecţionate. În primul rând calitatea suprafeţei interioare a tuburilor din PE conduce la o diminuare a pierderilor de presiune prin frecare, presiunea în capătul final al unei conducte din PE fiind întotdeauna superioară celei corespunzătoare unei conducte din oţel. Deci polietilena favorizează regimul de presiuni din conductele de gaze. Softul PRETEM a fost rulat pentru o conductă de 4000 m din PE Dn 125 şi, în paralel, cu modificarea rugozităţii şi a conductivităţii, pentru o conductă de 4000 m din oţel Dn 4 in (având acelaşi diametru interior) pentru debite începând cu 1000 m3N/h, reţinând doar valorile presiunii şi respectiv temperaturii gazelor la ieşirea din conducte. Rezultatele sunt prezentate în figura 5.12. Se poate observa că în timp ce pentru conducta de PE debitul poate creşte până la 1500 m3N/h, în cazul conductei din oţel acesta se opreşte la 1300 m3N/h. PE Dn 125

OL Dn 4"

Presiune, bara

5 4 3 2 1 1000

1100

1200

1300

1400

1500

Debit, mc/h

16

Temperatura, grd. C

15,5 15 14,5 14 13,5 13 12,5 12 11,5 11 1000

1100

1200

1300

1400

1500

Debit, mc/h

Figura 5.12.Variaţia presiunii şi respectiv a temperaturii gazelor în capătul final al conductelor din PE şi respectiv din oţel în funcţie de debit Fenomene tranzitorii în conductele de repartiţie gaze Se consideră pentru toţi parametrii hidrodinamici ai gazului în mişcare (viteză, presiune şi masă specifică) valori medii constante în secţiunea transversală a conductei, fenomenul fiind deci considerat unidimensional. Toţi parametrii enumeraţi mai sus vor depinde de o singură variabilă spaţială, x, care reprezintă distanţa de la secţiunea de intrare în conductă până la secţiunea curentă şi de timpul t, adică v  vx, t , p  p. x, t ,    x, t 

32

Cercetările experimentale au condus la concluzia că variaţia temperaturii în lungul conductelor de gaze nu este semnificativă. În general, această variaţie este mai accentuată în apropierea intrării în conductă, pe o anumită lungime a acesteia, după care temperatura se menţine la o valoare aproape constantă. În modelarea matematică a mişcării, vom considera, deci, că temperatura gazelor are valoarea Tm . , (5.95) T T Tm  i a 2 unde Ti este temperatura gazelor la intrarea în conductă iat Ta temperatura mediului ambiant al zonei în care este îngropată conducta. Vom asimila gazele naturale transportate prin conductele de repartiţie cu metanul, parametrii critici ai acestuia fiind pc= 46,287 bar şi Tc = 190,65 K. Vom calcula coeficientul de frecare hidraulică λ cu formula Colebrook-White (5.25), identificarea materialului făcându-se prin valoarea rugozităţii peretelui conductei, respectiv k= 0,00007 m pentru polietilenă şi k= 0,0005 m pentru oţel. Pentru factorul de abatere Z vom considera o valoare medie, constantă, Z m . Modelul matematic Modelul matematic al curgerii lente, în această ipoteză, va fi deci sistemul de ecuaţii: p   v 2 ;    v   0 ;  p , b  Z m RTm. (5.96)  0 t x b x 2D Eliminând masa specifică şi introducând debitul masic unitar, qx, t    v mişcare şi respectiv de continuitate devin (5.97) p b 2 p  q , x 2D

Introducând funcţiile 2 ; M  x, t   q  x, t   D , P  x, t   p 2  x, t  4 ecuaţiile (5.97) devin respectiv

, ecuaţiile de

(5.98)

16 RTm Z m P   AM 2 ; A  , (5.99) x  2 D5

4RTm Z m (5.100)  P M  B ;B . t x  D2 După eliminarea funcţiei M(x,t) între ecuaţiile (5.99) şi (5.100), prin derivarea primei ecuaţii în raport cu x şi înlocuirea în cea de-a doua rezultă P  t

P 2P P x 2 x



RTm Z m D B   A

=const.

(5.101)

Aceasta este ecuaţia presiunii în regimul nestaţionar lent, în ipoteza simplificatoare în care se consideră pentru factorul Z o valoare medie şi este modelul matematic al curgerii lente. Este evident caracterul neliniar al ecuaţiei (5.101) datorită factorului iraţional, ce face imposibilă o abordare analitică. Ecuaţia se pretează însă la o abordare numerică prin metoda diferenţelor finite. Condiţia iniţială a modelului matematic este repartiţia iniţială, din regimul staţionar iniţial, a presiunii

33

P  x,0   P1  AM 02 x ,

(5.102)

unde M0 este debitul masic transportat în regimul staţionar. Condiţiile la limită ale modelului matematic sunt cele referitoare la faptul că pe tot parcursul regimului tranzitoriu presiunea din capătul iniţial al conductei rămâne constantă iar în capătul final valoarea debitului este modificată: t  0 P0, t   P1 ,  P l , t    AM 22 ,(5.103) x M2 fiind debitul de gaze la livrare.

Modelul numeric Vom transforma domeniul continuu C : 0  x  l , 0  t  T  în reţeaua discretă Ri , j : xi  (i  1) h, i  1  n  1; t j  j , j  0  m unde i este indicele spaţial, j - indicele temporal, h - pasul spaţial,  - pasul temporal, n - numărul paşilor spaţiali şi m - numărul paşilor temporali. În acest fel, în locul valorilor presiunii P x,t  , vom considera valorile aproximative discrete Pi j  P xi ,t j





 

Apelând la o schemă de calcul cu diferenţe finite de tipul implicit Hyman Kaplan, cunoscută ca necondiţionat stabilă şi absolut convergentă, definită prin j 1 j 1 j 1 j P xi , t j   Pi  Pi ,  P xi , t j   Pi  Pi , (5.104) t 2 t 

Pi j1  2 Pi j  Pi j1  P  3Pnj  4Pnj1  Pnj2 (5.105) 2P     x , t  , x , t  , i j l j  x2 h2 x 2h Ecuaţia (5.101) se transformă în schema cu diferenţe finite



Pi j 1  Pi j   Ai j 1 Pi j11  2 Pi j 1  Pi j11



(5.106)

unde



2 R Tm Z m D h 3 2

Ai j 1 

Pi j 1 Pi j11  Pi j11

,

(5.107)

 ij 1 Pi j11  i j 1 Pi j 1   ij 1 Pi j11   Pi j ,

(5.108)



Schema (5.106) se poate scrie

unde

 ij 1   Ai j 1

,

(5.109)

pentru i  2  n . Condiţia iniţială se scrie acum Pi 0  P1  AM 02 i  1h , i  1 n 1

(5.110)

iar condiţiile la limită devin , Pnj11  4 Pnj 1  3Pnj11  2hAM 22 . P0 j 1  P1

(5.111)

Relaţiile (5.110) şi (5.111) completează sistemul generat de schema (5.108), permiţând astfel calculul repartiţiilor presiunii pentru şi respectiv j  1 m i  1 n 1 . Pi j 1

34

Pentru rezolvarea sistemului implicit de ecuaţii algebrice liniare generat de schema (5.108), completată cu ecuaţiile (5.110) şi (5.111), vom nota cu P0(i) repartiţia patratului presiunii corespunzătoare momentului cunoscut, j, P 0i   Pi j şi cu P(i) repartiţia corespunzătoare momentului necunoscut, j+1, adică Pi   Pi j 1 . Cele două soluţii aproximative ce se obţin succesiv prin rezolvarea sistemului algebric generat de schema de calcul adoptată, vor fi notate cu P1(i) pentru prima aproximaţie şi respectiv P2(i) şi P3(i) pentru următoarele două aproximaţii. În continuare, vom defini funcţia ajutătoare A(x), cu ajutorul căreia putem calcula seturile de valori ale factorului A, generat de schemă

xi  , (5.112) xi  1  xi  1 pentru i  2  n , corespunzătoare repartiţiilor presiunii reduse la momentele impuse de derularea calculului. Astfel, pentru lansarea calculului iterativ, vom pune xi   P0(i), cu care se obţine primul set de valori aproximative ale presiunii P1(i). Pentru obţinerea celui de-al doilea set de valori aproximative P2(i), vom pune xi   P1(i), şi în fine pentru obţinerea celui de-al treilea set de valori aproximative P3(i), vom pune xi   P2(i), între acestea din urmă făcându-se comparaţia impusă de procedeul iterativ. Se pot astfel calcula valorile expresiilor   x  şi   x  corespunzătoare celor trei seturi de valori ale repartiţiilor presiunii, respectiv: (5.113) i   xi   Axi  ; i   xi   2Axi   1 , pentru i  2  n. Evident condiţiile (5.110) şi respectiv (5.111) se scriu (5.114) Pi j  P 0i  ; P1  P1 ; Pn  1  4 Pn   3Pn  1  2h AM 22 . Ax  

Schema de calcul (5.108) devine acum  i  Pi  1  i  Pi   i Pi  1  P0i  (5.115) şi, împreună cu condiţiile (5.114) generează următorul sistem de ecuaţii: ; (5.116)  i  Pi  1  i  Pi   i Pi  1  P0i  , i  2  n ; Pn  1  4 Pn   3Pn  1  2h AM 22

Sistemul algebric rezultat având matricea coeficienţilor de tip Jacobi, tridiagonală, rezolvarea lui se face apelând la procedeul Tomas [39]. Pe baza algoritmului de mai sus a fost elaborat programul de calcul TRANZ care determină repartiţia presiunii în lungul conductelor de gaze în timpul regimului tranzitoriu generat de variaţia debitului din capătul final. Simularea unui regim tranzitoriu într-o conductă de repartiţie Să considerăm o conductă de repartiţie gaze care funcţionează în regim staţionar transportând debitul M0. Repartiţia pătratului presiunii în lungul conductei este dată de ecuaţia P  x   P1  AM 02 x . La un moment dat, intră în funcţiune un nou consumator (sau i se întrerupe alimentarea unui consumator) care face ca în capătul final valoarea debitului să fie M 2  M 0  f , unde f este coeficientul de variaţie a debitului, supraunitar, sau subunitar. Din acest moment mişcarea gazelor va avea un caracter nestaţionar, în conductă instalându-se un proces tranzitoriu care va dura până când repartiţia pătratului 2presiunii în lungul acesteia va deveni, corespunzătoare noii valori a debitului Px   P1  AM 2 x.

35

P  P1  AM 22 l Valoarea "critică" a presiunii gazelor din capătul final al conductei va fi cr , fiind cea care controlează durata procesului, deoarece momen-tul atingerii acestei valori corespunde sfârşitului procesului tranzitoriu. Pentru determinarea duratei regimului tranzitoriu, pornind de la programul TRANZ, a fost elaborat softul specializat DURTRANZ care trasează cele două curbe de variaţie a presiunii corespunzătoare celor două regimuri staţionare, iniţial şi final şi afişează durata regimului tranzitoriu şi valorile presiunilor finale.

Figura 5.13. Variaţia presiunii în lungul unei conducte de PE Dn 200 în regim tranzitoriu Programul de calcul DURTRANZ a fost rulat pentru simularea regimului tranzitoriu în conducte de gaze cu geometrii diferite şi funcţionând în condiţii diverse, obţinându-se timpii de restabilire corespunzători. Rezultatele au pus în evidenţă următoarele: 1. Condiţiile de funcţionare influenţează şi ele durata de restabilire, în cazul menţinerii geometriei conductei. Astfel, creşterea coeficientului de variaţie a debitului conduce la o mărire a duratei procesului tranzitoriu.

36

Figura 5.14. Variaţia debitului şi a duratei de restabilire a regimului staţionar 2. Comportarea conductelor din polietilenă este superioară celor din oţel, în sensul că, la aceleaşi date (lungime, diametru interior, debit şi presiune de intrare şi coeficient de variaţie a debitului), timpii de restabilire a regimului staţionar sunt mai mici, iar presiunile în capătul final sunt mai mari.

Figura 5.15. Regimul tranzitoriu în conducta de OL Dn 8

37

Figura 5.16. Regimul tranzitoriu în conducta de PE Dn 250

Figura 5.16. Regimul tranzitoriu în conducta de PE Dn 250 3. Geometria conductei afectează esenţial durata regimului tranzitoriu. Astfel, în condiţii de funcţionare identice (presiune la intrare şi debit iniţial), cu creşterea lungimii conductei creşte şi durata de restabilire, iar unui diametru superior îi corespunde o durată mai mică. 38

Figura 5.17. Durata de restabilire a regimului staţionar pentru conducta de PE Dn 250, 6 km

Figura 5.18. Durata de restabilire a regimului staţionar pentru conducta de PE Dn 250, 6 km

39

Figura 5.19. Durata de restabilire a regimului staţionar pentru conducta de PE Dn 280, 6 km DIMENSIONAREA ASISTATĂ DE CALCULATOR A REŢELELOR DE DISTRIBUŢIE GAZE NATURALE Calculul hidraulic al unei reţele de conducte de distribuţie se face tronsonal, conform Normativului NT-DPE-01/2004, cu relaţia debitului: 0, 2

 Q 2 TL  , (5.117)  D  0,56 CS2 2  P  P 2   1 în care:  D - diametrul interior al conductei, în cm;  - debitul de calcul în condiţii standard (1,013 bar, 288,15 K), m3/h;  P1 - presiunea absolută a gazelor la intrare în tronson, bar, cunoscută;  P2 - presiunea absolută a gazelor la ieşire, bar, cunoscută sau estimată;  L - lungimea tronsonului de conductă, în km;  T = 288 K - temperatura absolută a gazelor;  ∂=0,554 - densitatea relativă a gazelor;  λ- coeficientul de frecare hidrodinamică, dat de formula 1 2,51 k (5.118)  2 lg(  ) , unde  3 , 71  D Re   k = 0,05 cm - rugozitatea absolută a peretelui interior al ţevii de oţel; k = 0,007 cm - rugozitatea peretelui interior al tubului din polietilenă; Re - numărul Reynolds, dat de formula Q Re  2223 . (5.119) D Pentru dimensionare, relaţia debitului de calcul se scrie:

D  1,567  (

Q 2    l 0, 2 ) P12  P22 .

(5.120) 40

Această relaţie conţine coeficientul de rezistenţă λ care depinde de asemenea de diametrul d. Pentru calculul de dimensionare se apelează la un procedeu iterativ clasic ce constă în alocarea unei valori de "lansare" pentru λ şi obţinerea unor valori succesive aproximative pentru diametru şi numărul lui Reynolds. Valoarea de lansare este λ0= 0,03, cu care se obţine şirul de valori aproximative:  Q2  L  Di  1,539 CS2 i 1 2   P1  P2  Q Re  2223 D

0, 2

;

(5.121)

;

(5.122)

2,51 k  ) (5.123) 3 , 71  D Re i 1 i Procedeul iterativ se opreşte la acea valoare a lui D la care aproximaţiile succesive λi diferă la a şasea zecimală. Această valoare a diametrului D, fiind rezultatul calculului de dimensionare, se notează cu Dc. Din gama de ţevi de oţel standardizate, sau de tuburi groase de polietilenă SDR 11, se alege diametrul corespunzător, notat cu Da, căruia îi corespunde valoarea λa a coeficientului de rezistenţă hidraulică. Presiunea reală din capătul tronsonului, corespunzătoare acestui diametru, precum şi viteza medie a gazelor se calculează cu relaţiile:

i  0.25  lg 2 (

P2  P12  9,04  w

2 QCS L a Da5

5,376  QCS  P2  Da2  P1  2  P1  P2  

;

(5.124)

.

(5.125)

Calculul secvenţial prezentat mai sus se pretează a fi programat pe calculator în mediul de programare DELPHI 5. Programul astfel elaborat determină diametrul interior corespunzător regimului de presiuni, debitului şi lungimii pentru fiecare tronson din reţeaua de distribuţie, respectiv, alege diametrului nominal corespunzător din gama de ţevi sau tuburi groase SDR 11, calculează presiunea gazelor la ieşirea din tronson, precum şi viteza medie a acestora. În vederea desfăşurării calculului de dimensionare, reţeaua trebuie schematizată ca o reţea de tip arborescent. Calculul tronsoanelor conductei principale se bazează pe considerarea unei căderi liniare a patratului presiunii absolute în lungul acesteia, ∆, pornind de la valoarea de P1 bara în punctul de intrare şi ajungând la valoarea P2 (1,05 bara) în punctul cel mai depărtat, aflat la distanţa de L km P 2  P22  1 , bar2/km. (5.126) L Presiunile absolute estimate în nodurile reţelei se calculează cu relaţia

Pi 1  Pi 2    Li

.

(5.127)

unde Pi este presiunea din nodul anterior, iar Li lungimea tronsonului respectiv.

41