Расчёты

Оценочные инженерные расчёты эскизного проекта. Они показывают, что решения реализуемы и где проходят границы; для рабочей документации их нужно повторить по действующим методикам с уточнёнными исходными данными.

1. Исходные данные

Газ	CH₄ 97,8 %; N₂ 1,88 %; C₂H₆ 0,21 %; молярная масса 16,32 г/моль; плотность 0,678 кг/м³ (20 °C, 0,1013 МПа)
Показатель адиабаты, теплота сгорания	k = 1,31; низшая теплота сгорания 48,6 МДж/кг
Расход	1 297 – 29 167 ст. м³/ч (0,24 – 5,49 кг/с); типоразмер 35 000 ст. м³/ч (6,59 кг/с)
Давление перед горелкой	0,95 – 9,37 МПа изб.; расчётное 10 МПа
Температура газа	+5…+18 °C по ТТ; в расчётах принято +5 °C

2. Истечение через шайбу

При давлении выше примерно 0,09 МПа изб. истечение метана критическое (звуковое): расход зависит только от давления перед шайбой и её сечения.

G = P₀ · √( k·M / (Z·R·T₀) ) · (2/(k+1))^((k+1)/(2(k−1))) m = C_d · G · A C_d = 0,85

Диаметр шайбы, мм, для заданного расхода и давления:

Расход, ст. м³/ч	0,95 МПа	1,19 МПа	3,24 МПа	6,0 МПа	7,92 МПа	9,37 МПа
1 297 (минимум)	13,9	12,5	7,7	5,6	4,9	4,4
5 000	27,3	24,6	15,2	11,1	9,5	8,7
10 000	38,7	34,8	21,4	15,6	13,5	12,3
17 600 (испытания)	51,3	46,2	28,4	20,7	17,9	16,3
22 917	58,5	52,7	32,4	23,7	20,4	18,6
29 167 (максимум)	66,0	59,5	36,6	26,7	23,0	21,0
35 000 (типоразмер)	72,3	65,2	40,1	29,2	25,2	23,0

Вывод. Нужны шайбы от Ø4,4 до Ø72 мм. Комплект из 10 шайб Ø5–65 мм закрывает весь диапазон; точка «35 тыс. м³/ч при 0,95 МПа» требует полного сечения трубы и на практике недостижима — при таком расходе давление перед горелкой будет выше.

3. Скорость газа в линии 7

Расход, ст. м³/ч	Давление, МПа	Плотность, кг/м³	Скорость, м/с	Число Маха
29 167	9,37	81,8	14	0,04
29 167	3,24	25,2	47	0,11
29 167	0,95	7,6	156	0,37
22 917	0,95	7,6	122	0,29

Вывод. Труба 89×6 (внутренний диаметр 77 мм) подходит при давлении от 3 МПа. Если заказчик сильно дросселирует газ до горелки, как на испытаниях старой установки, скорость в трубе превышает 120 м/с: шум, вибрация, эрозия. Правильный режим — держать давление до горелки и дросселировать на шайбе.

4. Реактивная сила

F = m·v* + (P* − Pₐ)·A

Режим	Скорость в сечении, м/с	Сила, кН
29 167 м³/ч, 9,37 МПа	362	3,7
29 167 м³/ч, 0,95 МПа	397	3,8
35 000 м³/ч, 9,37 МПа	362	4,5

Сила направлена вдоль оси от амбара. Воспринимается рамой и четырьмя анкерными болтами М20; с запасом 2 расчётная нагрузка на фундамент — 9 кН по горизонтали.

5. Тепловыделение, длина факела, тепловой поток

Q = m · Q_н L ≈ 0,00326 · Q^0,478 (API 521) q = F · Q / (4π · D²)

Расход, ст. м³/ч	Мощность, МВт	Длина факела, м	2,8 кВт/м², F=0,10	2,8 кВт/м², F=0,15	1,4 кВт/м², F=0,15
1 297	12	8	5,8 м	7,1 м	10,1 м
22 917	210	31	24,4 м	29,9 м	42,3 м
29 167	267	35	27,5 м	33,7 м	47,7 м
35 000	320	38	30,2 м	37,0 м	52,3 м

Расстояния в таблице — от центра факела, который находится примерно в 17 м перед горелкой. Тепловой поток в точках относительно самой горелки при 29 167 м³/ч и F = 0,15:

Точка	До центра факела, м	Тепловой поток, кВт/м²	Оценка
16,5 м за горелкой, в тыл	33,9	2,8	на границе нормы экран снижает дополнительно
16,5 м сбоку от горелки	24,0	5,6	выше 2,8
25 м сбоку	30,4	3,4	выше 2,8
50 м сбоку	52,9	1,1	ниже 1,4
100 м в любую сторону	≥ 101	≤ 0,3	ниже 1,4

Вывод. Требование «2,8 кВт/м² не дальше 16,5 м» выполняется только в тыл, за экраном. Сбоку зона 2,8 кВт/м² доходит до 34 м от оси факела — её нужно обозначить как зону ограниченного пребывания. Требование «1,4 кВт/м² не дальше 100 м» выполняется с запасом. Это нужно письменно согласовать с заказчиком до договора.

6. Защитный экран

Горячая сторона экрана получает излучение факела. Равновесная температура листа при разном падающем потоке (степень черноты 0,85; теплоотдача 20 Вт/м²·К):

Падающий поток, кВт/м²	10	15	20	30
Температура горячей стороны, °C	273	350	411	505

Замер на старой установке — 350–390 °C — соответствует потоку 15–19 кВт/м²: расчёт сходится с фактом. Температура холодной стороны при разной толщине изоляции (λ = 0,09 Вт/м·К, воздух +35 °C):

Горячая сторона, °C	50 мм	100 мм	150 мм	200 мм
350	83	61	53	49
390	89	64	55	50
450	98	69	59	53

Вывод. Нужна изоляция 200 мм: 50 мм керамоволокна со стороны огня и 150 мм базальтовых матов. Запаса при +35 °C почти нет, поэтому покровный лист ставится с вентилируемым зазором 30 мм. При минимальном сбросе и встречном ветре пламя прижимается к экрану, поток растёт до 30 кВт/м² — ТТ допускает для этого случая +120 °C, расчёт даёт около 60 °C.

7. Холод и гидраты

Что	Оценка
Охлаждение при дросселировании	Около 4 °C на 1 МПа. С 9,1 до 0,8 МПа — на 30–35 °C; по акту испытаний получено −28 °C при начальных +16,7 °C
Гидраты метана	При 9 МПа образуются ниже примерно +12 °C; при 1,4 МПа — ниже примерно −15 °C. Газ с влажностью 100 % при +5 °C и 9 МПа уже в зоне гидратов
Что это значит	Отсюда водометанольный раствор в потоке (приложение к ТТ). Дросселировать нужно на срезе горелки, где гидрат выносится в пламя, а не в трубе
Материалы	09Г2С работает до −70 °C; арматура — исполнение ХЛ1; уплотнения — фторопласт, графит
Обогрев	Линии 9 и 12, импульсные трубки, обратный клапан — греющий кабель в теплоизоляции

8. Толщина стенки труб

s = P·D / (2·[σ]·φ + P) + c [σ] = 196 МПа (09Г2С, 20 °C), φ = 1, c = 2 мм, P = 10 МПа

Труба	Расчётная, мм	С прибавкой, мм	Принято, мм	Итог
89×6 (линия 7)	2,2	4,2	6	проходит
57×5 (линия 8)	1,4	3,4	5	проходит
32×4 (линии 9, 12)	0,8	2,8	4	проходит

9. Дежурная горелка и выбросы

Тепловая мощность дежурной горелки при 2–5 м³/ч	18–46 кВт
Выбросы при 29 167 м³/ч, бессажевое горение: CO	≈ 110 г/с
Оксиды азота	≈ 16,5 г/с
Метан (недожог)	≈ 3,3 г/с

Выбросы — по удельным показателям методики расчёта выбросов при сжигании газа на факельных установках (приказ Госкомэкологии № 199 от 08.04.1998), которую требует ТТ. Коэффициенты перед выдачей расчёта заказчику нужно сверить с текстом методики.