Hydraulische Berechnung der Gasleitung: Methoden und Berechnungsverfahren + Berechnungsbeispiel

Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gasversorgung muss diese geplant und berechnet werden. Es ist wichtig, die Rohre für Leitungen aller Druckarten perfekt auszuwählen, die eine stabile Gasversorgung der Geräte gewährleisten.

Um die Rohre, Armaturen und Geräte möglichst genau auszuwählen, wird eine hydraulische Rohrleitungsberechnung durchgeführt. Wie macht man das? Gestehen Sie es ein: Sie sind in dieser Frage nicht allzu bewandert. Lassen Sie es uns gemeinsam klären.

Wir möchten Sie einladen, sich mit sorgfältig ausgewählten und gründlich aufbereiteten Informationen über die Möglichkeiten der hydraulischen Berechnung für Gasleitungssysteme vertraut zu machen. Die Verwendung der von uns präsentierten Daten gewährleistet die Zufuhr von Erdgas (blauem Brennstoff) zu den Geräten mit den erforderlichen Druckparametern. Die sorgfältig geprüften Daten basieren auf den Vorschriften der normativen Dokumentation.

In dem Artikel werden die Prinzipien und Schemata der Berechnungsdurchführung äußerst ausführlich erläutert. Es wird ein Beispiel für die Durchführung von Berechnungen gegeben. Als nützliche informative Ergänzung werden grafische Anwendungen und Videoanleitungen verwendet.

Besonderheiten der hydraulischen Berechnung

Jede durchgeführte hydraulische Berechnung stellt die Bestimmung der Parameter der zukünftigen Gasleitung dar. Dieses Verfahren ist obligatorisch und einer der wichtigsten Schritte der Bauvorbereitung. Von der Richtigkeit der Berechnung hängt ab, ob die Gasleitung im optimalen Betriebsmodus funktioniert.

Bei der Durchführung jeder hydraulischen Berechnung werden bestimmt:

• des erforderlichen Rohrdurchmessers, der einen effizienten und stabilen Transport der benötigten Gasmenge gewährleistet;
• ob die Druckverluste beim Transport der erforderlichen Menge an Erdgas (blauem Brennstoff) in Rohren mit gegebenem Durchmesser akzeptabel sind.

Druckverluste treten auf, weil in jeder Gasleitung ein hydraulischer Widerstand vorhanden ist. Bei einer fehlerhaften Berechnung kann dies dazu führen, dass den Verbrauchern in allen Betriebszuständen oder bei maximalem Verbrauch nicht genügend Gas für den normalen Betrieb zur Verfügung steht.

Diese Tabelle ist das Ergebnis einer hydraulischen Berechnung, die unter Berücksichtigung der vorgegebenen Werte durchgeführt wurde. Für die Durchführung der Berechnungen müssen die konkreten Indikatoren in die Spalten eingetragen werden.

Ein solcher Vorgang ist ein vom Staat standardisiertes Verfahren, das gemäß den Formeln und Anforderungen aus dem SP 42-101–2003 durchgeführt wird.

Die Berechnungen müssen vom Bauherrn durchgeführt werden. Als Grundlage dienen die Daten der technischen Bedingungen der Rohrleitung, die bei der eigenen Gorgas eingeholt werden können.

Gasleitungen, die Berechnungen erfordern

Der Staat verlangt, dass hydraulische Berechnungen für alle Arten von Rohrleitungen durchgeführt werden, die zum Gasversorgungssystem gehören. Da die bei der Gasbewegung ablaufenden Prozesse immer gleich sind.

Zu den genannten Gasleitungen gehören die folgenden Arten:

• Niederdruck;
• Mittel- und Hochdruck.

Erstere sind für den Transport von Brennstoff zu Wohngebäuden, öffentlichen Gebäuden und Haushaltsbetrieben bestimmt. Dabei darf der Gasdruck in privaten Mehrfamilienhäusern und Villen 3 kPa nicht überschreiten, in Haushaltsbetrieben (nichtproduzierend) ist dieser Wert höher und erreicht 5 kPa.

Der zweite Rohrleitungstyp ist für die Versorgung von Netzen aller Art mit Niederdruck und Mitteldruck über Gasregelstationen sowie für die Gaszufuhr zu einzelnen Verbrauchern bestimmt.

Dies können Industrie-, Landwirtschafts- und verschiedene kommunale Betriebe sein, sowie freistehende oder an Industriegebäude angebaute Gebäude. In den beiden letztgenannten Fällen gibt es jedoch erhebliche Druckbeschränkungen.

Die oben genannten Gasleitungsarten werden von Fachleuten üblicherweise in folgende Kategorien eingeteilt:

• Hausinterne, Werkstattinterne, also solche, die blaues Erdgas innerhalb eines Gebäudes transportieren und zu einzelnen Aggregaten, Geräten leiten;
• Abzweigleitungen, die zur Gasversorgung von einem Verteilernetz zu allen vorhandenen Verbrauchern dienen;
• Verteilungsleitungen, die zur Gasversorgung bestimmter Gebiete wie Städte, deren Stadtteile, Industriebetriebe dienen. Ihre Konfiguration variiert und hängt von den Gegebenheiten der Planung ab. Der Druck im Netz kann jede vorgesehene Stufe sein – Niederdruck, Mitteldruck, Hochdruck.

Darüber hinaus werden hydraulische Berechnungen für Gasnetze mit unterschiedlicher Anzahl von Druckstufen durchgeführt, von denen es viele Varianten gibt.

So können zur Bedarfsdeckung zweistufige Netze verwendet werden, die mit Gas arbeiten, das bei Niederdruck und Hochdruck oder Niederdruck und Mitteldruck transportiert wird. Auch dreistufige und verschiedene mehrstufige Netze finden Anwendung. Das heißt, alles hängt nur von den vorhandenen Verbrauchern ab.

Der hydraulische Widerstand ist der Hauptgrund, warum diese Art der Berechnung durchgeführt werden muss. Dabei hängt er auch vom Rohrmaterial ab.

Trotz der großen Vielfalt an Gasleitungsvarianten ist die hydraulische Berechnung in jedem Fall ähnlich. Da für die Herstellung Bauteile aus ähnlichen Materialien verwendet werden und in den Rohren die gleichen Prozesse ablaufen.

Hydraulischer Widerstand und seine Rolle

Wie bereits oben erwähnt, ist die Grundlage für die Berechnung das Vorhandensein eines hydraulischen Widerstands in jeder Gasleitung.

Er wirkt auf die gesamte Rohrleitungskonstruktion sowie auf einzelne Teile und Knoten – T-Stücke, Stellen mit erheblicher Durchmesserreduzierung, Absperrarmaturen, verschiedene Ventile. Dies führt zu einem Druckverlust des transportierten Gases.

Der hydraulische Widerstand stellt stets die Summe dar aus:

• linearem Widerstand, d. h. dem über die gesamte Baulänge wirkenden Widerstand;
• örtlichen Widerständen, die an jedem Bestandteil der Konstruktion wirken, an dem sich die Transportgeschwindigkeit des Gases ändert.

Die genannten Parameter beeinflussen ständig und maßgeblich die Betriebseigenschaften jeder Gasleitung. Daher werden infolge einer fehlerhaften Berechnung zusätzliche und erhebliche finanzielle Verluste auftreten, da das Projekt überarbeitet werden muss.

Regeln zur Durchführung der Berechnung

Wie oben erwähnt, wird das Verfahren jeder hydraulischen Berechnung durch das einschlägige Regelwerk mit der Nummer 42-101–2003. geregelt.

Das Dokument besagt, dass die hauptsächliche Methode zur Durchführung der Berechnung die Verwendung eines Computers mit speziellen Programmen ist, mit denen der geplante Druckverlust zwischen den Abschnitten der zukünftigen Gasleitung oder der erforderliche Rohrdurchmesser berechnet werden kann.

Jede hydraulische Berechnung wird nach der Erstellung eines Berechnungsschemas durchgeführt, das die wichtigsten Kenngrößen enthält. Darüber hinaus trägt der Benutzer die bekannten Daten in die entsprechenden Felder ein.

Wenn solche Programme nicht vorhanden sind oder eine Person der Ansicht ist, dass ihre Verwendung nicht zweckmäßig ist, können andere, vom Regelwerk zugelassene Methoden angewendet werden.

Dazu gehören:

• Berechnung nach den im Regelwerk angegebenen Formeln – dies ist die aufwändigste Berechnungsmethode;
• Berechnung mit sogenannten Nomogrammen – dies ist eine einfachere Variante als die Verwendung von Formeln, da keine Berechnungen durchgeführt werden müssen, weil die erforderlichen Daten in einer speziellen Tabelle aufgeführt und im Regelwerk enthalten sind und lediglich ausgewählt werden müssen.

Jede der Berechnungsmethoden führt zu den gleichen Ergebnissen. Daher wird eine neu gebaute Gasleitung in der Lage sein, die rechtzeitige, unterbrechungsfreie Zufuhr der geplanten Brennstoffmenge auch in den Stunden des maximalen Verbrauchs zu gewährleisten.

Berechnungsvariante mit PC

Die Durchführung der Berechnung mit einem Computer ist am wenigsten arbeitsintensiv – alles, was von einer Person verlangt wird, ist, die erforderlichen Daten in die entsprechenden Felder einzutragen.

Daher ist die hydraulische Berechnung in wenigen Minuten erledigt, wobei für diesen Vorgang keine großen Kenntnisse erforderlich sind, die bei der Verwendung von Formeln notwendig wären.

Für die korrekte Durchführung müssen folgende Daten aus den technischen Bedingungen entnommen werden:

• Gasdichte;
• kinematischer Viskositätskoeffizient;
• Gastemperatur in Ihrer Region.

Die erforderlichen technischen Bedingungen werden bei der Stadtgasbehörde der Ortschaft eingeholt, in der die Gasleitung gebaut wird. Eigentlich beginnt die Planung jeder Rohrleitung mit der Einholung dieses Dokuments, denn dort sind alle grundlegenden Anforderungen an deren Konstruktion enthalten.

Die Verwendung spezieller Programme ist die einfachste Methode der hydraulischen Berechnung, da sie die Suche und das Studium von Formeln für die Durchführung von Berechnungen überflüssig macht.

Als Nächstes muss der Bauherr den Gasverbrauch für jedes Gerät ermitteln, das an die Gasleitung angeschlossen werden soll. Wenn der Brennstoff beispielsweise in ein Einfamilienhaus transportiert wird, werden dort meistens Kochherde und verschiedene Heizkessel verwendet, und in deren Datenblättern stehen stets die erforderlichen Zahlen.

Außerdem muss die Anzahl der Kochstellen jedes Herdes bekannt sein, der an die Leitung angeschlossen wird.

Im nächsten Schritt der erforderlichen Datenerfassung werden Informationen über den Druckabfall an den Installationsorten von Geräten wie Zähler, Absperrventil, Thermosperrventil, Filter und anderen Elementen zusammengetragen.

In diesem Fall sind die erforderlichen Zahlen leicht zu finden – sie sind in einer speziellen Tabelle enthalten, die dem Datenblatt jedes Produkts beiliegt. Der Planer sollte beachten, dass der Druckabfall beim maximalen Gasverbrauch angegeben werden muss.

Aus einer speziellen Tabelle, die dem Datenblatt der Geräte beiliegt, können Informationen über den Druckverlust beim Anschluss der Geräte an das Netz entnommen werden.

Im nächsten Schritt wird empfohlen, den Druck des Erdgases am Anschlusspunkt zu ermitteln. Diese Informationen können den technischen Bedingungen Ihrer Stadtgasbehörde oder einem zuvor erstellten Schema der zukünftigen Gasleitung entnommen werden.

Wenn das Netz aus mehreren Abschnitten besteht, müssen diese nummeriert und die tatsächliche Länge angegeben werden. Darüber hinaus sind für jeden Abschnitt alle variablen Parameter separat anzugeben – der Gesamtverbrauch jedes verwendeten Geräts, der Druckabfall und andere Werte.

Zwingend erforderlich ist der Gleichzeitigkeitsfaktor. Er berücksichtigt die Möglichkeit des gleichzeitigen Betriebs aller an das Netz angeschlossenen Gasverbraucher, beispielsweise aller Heizgeräte in einem Mehrfamilienhaus oder einem Einfamilienhaus.

Diese Daten werden von dem Programm, das die hydraulische Berechnung durchführt, zur Ermittlung der maximalen Belastung in einem bestimmten Abschnitt oder in der gesamten Gasleitung verwendet.

Für jede einzelne Wohnung oder jedes einzelne Haus muss dieser Faktor nicht berechnet werden, da seine Werte bekannt sind und in der untenstehenden Tabelle aufgeführt sind:

Tabelle mit Gleichzeitigkeitsfaktoren, deren Daten bei jeder Art von Berechnungen verwendet werden. Es genügt, die Spalte auszuwählen, die dem jeweiligen Haushaltsgerät entspricht, und die benötigte Zahl zu entnehmen.

Wenn an einem Objekt mehr als zwei Heizkessel, Öfen oder Warmwasserspeicher eingesetzt werden sollen, beträgt der Gleichzeitigkeitsfaktor stets 0,85. Dieser ist in der entsprechenden, für die Berechnung verwendeten Spalte des Programms anzugeben.

Anschließend ist der Rohrdurchmesser anzugeben, und es werden die Rauhigkeitsbeiwerte der Rohre benötigt, die beim Bau der Rohrleitung verwendet werden. Diese Werte sind standardmäßig und können leicht in der Regelwerkssammlung gefunden werden.

Einfluss des Rohrmaterials auf die Berechnung

Für den Bau von Gasleitungen können nur Rohre aus bestimmten Materialien verwendet werden: Stahl, Polyethylen. In einigen Fällen werden Kupferprodukte eingesetzt. Bald werden Metall-Kunstoff-Konstruktionenen massenhaft verwendet werden.

Jedes Rohr hat eine Rauigkeit, die zu einem linearen Widerstand führt, der den Gastransport beeinflusst. Dieser Wert ist bei Stahlrohren deutlich höher als bei Kunststoffrohren.

Heute sind die erforderlichen Angaben nur für Stahl- und Polyethylenrohre verfügbar. Daher können Planung und hydraulische Berechnung nur unter Berücksichtigung ihrer Eigenschaften durchgeführt werden, wie es das einschlägige Regelwerk vorschreibt. In dem Dokument sind auch die für die Berechnung notwendigen Daten aufgeführt.

Der Rauhigkeitsbeiwert wird stets wie folgt angesetzt:

• für alle Polyethylenrohre, unabhängig davon, ob sie neu oder gebraucht sind: 0,007 cm;
• für bereits gebrauchte Stahlrohre: 0,1 cm;
• für neue Stahlkonstruktionen: 0,01 cm.

Für andere Rohrarten wird dieser Wert im Regelwerk nicht angegeben. Daher sollte man sie nicht für den Bau einer neuen Gasleitung verwenden, da die Fachleute des Gaswerks Korrekturen verlangen könnten. Dies würde wiederum zusätzliche Kosten verursachen.

Berechnung des Durchflusses auf einem begrenzten Abschnitt

Besteht die Gasleitung aus einzelnen Abschnitten, muss der Gesamtdurchfluss für jeden Abschnitt separat berechnet werden. Dies ist jedoch nicht schwierig, da für die Berechnungen bereits bekannte Werte erforderlich sind.

Ermittlung der Daten mithilfe eines Programms

Wenn die anfänglichen Kennwerte bekannt sind und Zugang zur Gleichzeitigkeits-Tabelle sowie zu den technischen Datenblättern der Herde und Kessel besteht, kann mit der Berechnung begonnen werden.

Hierzu werden folgende Schritte ausgeführt (das Beispiel bezieht sich auf eine Hausgasleitung mit Niederdruck):

1. Die Anzahl der Kessel wird mit der Leistung jedes einzelnen Kessels multipliziert.
2. Der erhaltene Wert wird mit dem mithilfe einer speziellen Tabelle ermittelten Gleichzeitigkeitsfaktor für diese Verbraucherart multipliziert.
3. Die Anzahl der zum Kochen bestimmten Platten wird mit der Leistung jeder einzelnen multipliziert.
4. Der nach dem vorherigen Schritt erhaltene Wert wird mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor multipliziert, der einer speziellen Tabelle entnommen wird.
5. Die erhaltenen Summen für Kessel und Herde werden addiert.

Ähnliche Vorgänge werden für alle Abschnitte der Gasleitung durchgeführt. Die erhaltenen Daten werden in die entsprechenden Felder des Programms eingegeben, mit dem die Berechnungen durchgeführt werden. Alles Weitere erledigt die Elektronik von selbst.

Berechnung unter Verwendung von Formeln

Diese Art der hydraulischen Berechnung ähnelt der oben beschriebenen, d. h. es werden dieselben Daten benötigt, aber das Verfahren wird langwierig sein. Da alles manuell durchgeführt werden muss, muss der Planer außerdem eine Reihe von Zwischenschritten durchführen, um die erhaltenen Werte für die endgültige Berechnung nutzen zu können.

Außerdem wird man viel Zeit aufwenden müssen, um sich mit vielen Konzepten und Fragen vertraut zu machen, die einem bei der Verwendung eines speziellen Programms nicht begegnen. Die Richtigkeit des oben Gesagten kann man überprüfen, indem man sich die Formeln ansieht, die verwendet werden sollen.

Die Berechnung mit Formeln ist komplex und daher nicht für jeden zugänglich. Das Bild zeigt die Formeln zur Berechnung des Druckabfalls in Hoch-, Mittel- und Niederdrucknetzen sowie den hydraulischen Reibungskoeffizienten.

Bei der Anwendung von Formeln gibt es, genau wie bei der hydraulischen Berechnung mit einem speziellen Programm, Besonderheiten für Gasleitungen mit niedrigem, mittlerem und natürlich hohem Druck. Und dies ist zu beachen, da ein Fehler stets mit erheblichen finanzielleen Koston verbunden ist.

Berechnungen mit Nomogrammen

Ein spezielles Nomogramm ist eine Tabelle, in der eine Reihe von Werten angegeben sind, durch deren Studium man die benötigten Kennzahlen erhalten kann, ohne Berechnungen durchführen zu müssen. Im Fall der hydraulischen Berechnung sind dies der Rohrdurchmesser und die Wanddicke.

Nomogramme zur Berechnung sind eine einfache Methode, um die benötigten Informationen zu erhalten. Es genügt, auf die Zeilen zurückzugreifen, die den vorgegebenen Netzparametern entsprechen.

Es gibt separate Nomogramme für Polyethylen- und Stahlprodukte. Bei ihrer Berechnung wurden Standarddaten verwendet, zum Beispiel die Rauheit der Innenwände. Daher braucht man sich um die Richtigkeit der Informationen keine Sorgen zu machen.

Beispiel für die Durchführung der Berechnung

Es wird ein Beispiel einer hydraulischen Berechnung mit einem Programm für Niederdruck-Gasleitungen gezeigt. In der angebotenen Tabelle sind alle Daten, die der Planer selbst eingeben muss, gelb hervorgehoben.

Sie sind im obigen Abschnitt über die computergestützte hydraulische Berechnung aufgeführt. Dies sind die Gastemperatur, der kinematische Viskositätskoeffizient und die Dichte.

In diesem Fall erfolgt die Berechnung für Kessel und Herde, daher muss die genaue Anzahl der Kochstellen angegeben werden, die 2 oder 4 betragen kann. Genauigkeit ist wichtig, denn das Programm wählt automatisch den Gleichzeitigkeitsfaktor.

Auf dem Bild sind die Spalten gelb markiert, in die der Planer die Werte selbst eintragen muss. Unten ist die Formel zur Berechnung des Durchflusses auf der Strecke angegeben.

Man sollte auf die Nummerierung der Abschnitte achten – diese werden nicht selbst erfunden, sondern aus dem zuvor erstellten Schema übernommen, in dem die gleichen Zahlen angegeben sind.

Anschließend werden die tatsächliche Länge der Gasleitung und die sogenannte berechnete Länge angegeben, die größer ist. Dies liegt daran, dass auf allen Abschnitten mit lokalem Widerstand die Länge um 5-10 % verlängert werden muss. Dadurch soll ein unzureichender Gasdruck bei den Verbrauchern vermieden werden. Das Programm führt die Berechnung automatisch durch.

Der Gesamtdurchfluss in Kubikmetern, für den eine separate Spalte vorgesehen ist, wird für jeden Abschnitt vorab berechnet. Wenn es sich um ein Mehrfamilienhaus handelt, muss die Anzahl der Wohneinheiten angegeben werden, beginnend mit dem Maximalwert, wie in der entsprechenden Spalte ersichtlich.

In die Tabelle sind unbedingt alle Elemente der Gasleitung einzutragen, bei deren Durchgang der Druckverlust auftritt. Im Beispiel sind ein thermisches Absperrventil, ein Absperrventil und ein Zähler angegeben. Der Druckverlustwert wurde jeweils dem Gerätepass entnommen.

Mit einem Programm können Berechnungen für alle Arten von Gasleitungen durchgeführt werden. Im Bild sind die Berechnungen für ein Mitteldrucknetz dargestellt.

Der Innendurchmesser des Rohres wird gemäß der technischen Spezifikation angegeben, falls das Stadtgaswerk Anforderungen hat, oder aus dem zuvor erstellten Schema. In diesem Fall ist er auf den meisten Abschnitten mit 5 cm angegeben, da der Großteil der Gasleitung entlang der Fassade verläuft und das örtliche Stadtgaswerk einen Durchmesser von mindestens 5 cm verlangt.

Auch wenn man das gezeigte Beispiel einer hydraulischen Berechnung nur oberflächlich betrachtet, fällt schnell auf, dass neben den manuell eingegebenen Werten noch viele weitere vorhanden sind. Dies ist das Ergebnis der Programmberechnung, da nach dem Eintragen der Werte in die gelb markierten Spalten die Berechnungsarbeit für den Menschen beendet ist.

Das heißt, die Berechnung selbst erfolgt recht schnell, und mit den erhaltenen Daten kann man zur Genehmigung zum Stadtgaswerk seiner Stadt gehen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Dieses Video ermöglicht zu verstehen, wo die hydraulische Berechnung beginnt und woher die Planer die benötigten Daten nehmen:

Im folgenden Video wird ein Beispiel einer computerbasierten Berechnung gezeigt:

Im Anschluss kann man sich ein Beispiel einer Berechnung mit einem Computerprogramm ansehen:

Um eine hydraulische Berechnung mit dem Computer durchzuführen, wie es die einschlägige Regelwerkssammlung erlaubt, reicht es aus, etwas Zeit für das Kennenlernen des Programms und das Sammeln der erforderlichen Daten aufzuwenden.

Dies hat jedoch keine praktische Bedeutung, da die Erstellung eines Projekts ein weitaus umfangreicheres Verfahren ist und viele weitere Fragen umfasst. Aus diesem Grund müssen die meisten Bürger auf die Hilfe von Fachleuten zurückgreifen.

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