Технологические решения проектирования АГНКС

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

Факультет Проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта

Кафедра Нефтепродуктообеспечения и газоснабжения

Направление 21.03.01«Нефтегазовое дело»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

на тему: Технологические решения проектирования АГНКС

Муслимов Р.Н.

Москва 2020 г.



Содержание задания по профилирующему разделу работы

1. Преимущества использования сжатого природного газа в качестве моторного топлива

2. Обоснование на строительство АГНКС

3. Проектирование АГНКС

2. Перечень графического материала

1.Технологическая схема Блока компримирования природного газа

3. Перечень элементов, выполняемых с использованием компьютерных технологий

диплом выполнен:

- текстовая часть в Microsoft Word;

- графическая часть в программе AutoCAD.

4. Рекомендуемая исходная литература

Зоря Е.И., Нефтепродуктообеспечение. Традиционные иальтернативные топлива/ Лощенкова О.В., Киташов Ю.Н. // Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012, 526 с.

Боксерман Ю. И., Мкртычан Я. С., Чириков К. Ю., Перевод транспорта на газовое топливо. - М.: Недра, 1988. -220 с.: ил.

Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. - Л.: Машиностроение, 1969. -744 с., ил.470

Правила технической эксплуатации АГНКС (ВРД 39-2,5-082-2003)

Подпись руководителя дипломной работы_______



КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК РАБОТЫ ПО РАЗДЕЛАМ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

№ п/п	Перечень разделов работы	Срок выполнения	Трудоемкость %	Отметки о выполнении
1. 2. 3. 4.	Введение Технологический расчёт Переход Заключение, презентация, оформление	с 15.03.17 по 10.04.17 с 10.04.17 по 20.04.17 с 20.04.17 по 01.05.17 с 10.05.17 по 06.06.17	40 30 15 15

Составлен «»2017г.

__________________ ___________________

(подпись руководителя) (Подпись студента)



Введение

На текущий момент транспортный сектор РФ снабжается топливом в основной степени за счет моторного топлива на основе нефтепродуктов. Основными видами топлива для двигателей внутреннего сгорания являются бензин и дизельное топливо. Бензин используется преимущественно для легковых автомобилей. Коммерческая техника с двигателями внутреннего сгорания в основном работает на дизельном топливе. Бензин и дизель являются легкими нефтепродуктами, требующими глубокого процесса нефтепереработки. Учитывая достаточно низкий уровень глубины переработки нефти в России, для соблюдения требований технических регламентов и ГОСТов, устанавливающих экологические нормативы, приходится вкладывать огромные средства в модернизацию НПЗ.

На этом фоне потребность в топливных ресурсах для транспорта постоянно растет вместе с ростом экономики. Происходит постоянное увеличение парка техники, работающей на двигателях внутреннего сгорания как в частном, так и в коммерческом секторах. Использование нефти как базы для последующей переработки в светлые нефтепродукты приводит к постоянному росту добычи и истощению наиболее высоко дебетовых месторождений. Несмотря на то, что Россия является одним из лидеров по добыче нефти в мире, согласно многочисленным прогнозам в ближайшее время потребуются огромные инвестиции в разработку месторождение, привлечение которых осложняется глобальным спадом мировой экономики в условиях экономической стагнации.

Компримированный природный газ (КПГ) является наиболее подходящей альтернативой легким нефтепродуктам как топливо для двигателей внутреннего сгорания. Особо актуальным является переход на КПГ для крупнотоннажной техники, учитывая существенно более широкие возможности переоборудования данного типа техники для работы на газобаллонном оборудовании.

Переход техники на газобаллонное оборудование позволит обеспечить реализацию таких важных целей как:

увеличение экологичности транспортных средств посредством снижения вредных выбросов в атмосферу;

учитывая существенно более низкую стоимость газомоторного топлива в сравнении с бензином или дизельным топливом - достижение высокой степени снижения расходов на транспортные издержки;

использование высокоценных фракций нефти в областях, в которых не существует альтернативы данным продуктам переработки.

В настоящее время в целях улучшения структуры топливно- энергетического баланса России правительство принимает ряд постановлений, направленных на широкое использование на транспорте, наряду с традиционными нефтепродуктами, альтернативных видов моторного топлива и в первую очередь компримированного природного (КПГ) и сжиженного нефтяного (СНГ) газов.

Природный газ метан - высококачественное моторное топливо, превосходящее нефтяное, не требует химической переработки, обеспечивает высоко-экономические показатели автомобилей. Один кубометр газа способен заменить 1-1,12 л бензина. При этом его стоимость в два раза ниже.

Сложная экономическая ситуация в стране, приведшая к сокращению парка газобаллонных автомобилей, уменьшению объемов использования природного газа на автотранспорте, требует оперативного и комплексного решения вопросов перевода транспорта на газ с максимально эффективным использованием уже созданных мощностей по заправке автотранспорта сжатым природным газом, перспективного строительства АГНКС в городах, на крупных автомагистралях и создания новых форм обслуживания автотранспорта как по заправке (многотопливные комплексы), так и по сервису (переоборудование автомобилей, переосвидетельствование баллонов, продажа запчастей).

Учитывая постоянно ухудшающуюся экологическую обстановку в промышленно-развитых районах, особенно в крупных городах, где выбросы в атмосферу вредных веществ обусловлены, прежде всего, выхлопами автотранспорта (до 70-80 % от общих объёмов выбросов в атмосферу), широкомасштабное внедрение газомоторного топлива (ГМТ) на автотранспорте отвечает, как экономическим, так и природоохранным интересам России.



Глава 1. Требования к КПГ, как к эффективному виду топлива

Развитие мирового рынка КПГ.

На сегодняшний день природный газ является наиболее экономичным, экологичным и безопасным топливом. Природный газ -- это фактически готовое моторное топливо, поэтому он гораздо дешевле бензина и дизельного топлива. При этом двигатель такого транспортного средства соответствует высочайшим стандартам -- Евро-5 и Евро-6. Согласно классификации МЧС, природный газ относится к самому безопасному классу горючих веществ.

Потребление природного газа в качестве моторного топлива в России стабильно увеличивается.

Значительному потенциалу роста отечественного рынка газомоторного топлива способствуют:

существенные запасы природного газа и развитая газораспределительная сеть, позволяющие обеспечивать стабильность поставок газомоторного топлива в долгосрочной перспективе;

внедрение энергоэффективных видов топлива на транспорте, в том числе перевод пассажирского транспорта и коммунальной техники на природный газ в городах с численностью населения более 100 тыс. человек;

расширение ассортимента техники, работающей на природном газе, и газозаправочной инфраструктуры;

низкая по сравнению с традиционными видами топлива цена на газомоторное топливо.

На территории России на период 2015 -- 2017 годов «Газпромом» определены 10 приоритетных регионов развития газомоторной инфраструктуры: республики Татарстан и Башкортостан, Краснодарский и Ставропольский края, Ленинградская, Московская, Ростовская и Свердловская области, города Москва и Санкт-Петербург.

Соглашения о расширении использования природного газа в качестве моторного топлива компания заключила с 45 субъектами России.

По состоянию на конец 2016 года сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) Группы «Газпром» на территории России состоит из 254 единиц (включая АГНКС «Газпром нефти»). Планируется, что к концу 2020 года российская сеть АГНКС «Газпрома» будет насчитывать порядка 500 объектов.

1.1 Технические требования к газовым моторным топливам на основе метана

В настоящий момент на стадии проектирования в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» находится новый государственный стандарт «Газовые моторные топлива на основе метана для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств. Общие технические условия». По физико-химическим показателям КПГ должно соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице.

Таблица 1. Физико-химические показатели КПГ.

Наименование показателя	Значение	Метод испытания
1 Компонентный состав (молярная доля, %): Метан, СН4, не менее Диоксид углерода, СО2, не более Кислород, О2, не более Азот, N2, не более Водород, Н2, не более	90 2,5 0,02 5,0 2,0	ГОСТ 31371.1 - ГОСТ 31371.7 ГОСТ 14920
2 Массовая концентрация сероводорода, г/м3, не более	0,007	ГОСТ 22387.2, ГОСТ Р 53367
3 Массовая концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более	0,016	ГОСТ 22387.2, ГОСТ Р 53367
4 Массовая концентрация общей серы, г/м3, не более	0,030	ГОСТ 26374; ГОСТ Р 53367
5 Массовая концентрация механических примесей, г/м3, не более	0,001	ГОСТ 22387.4
6 Плотность при стандартных условиях, кг/м3	Не нормируется, определение обязательно	ГОСТ 31369
7 Объёмная теплота сгорания низшая, МДж/м3, не менее	31,8	ГОСТ 31369 ГОСТ Р 8.668
8 Расчётное метановое число газа, не менее	70	По 7.7 настоящего стандарта
Примечания 1 Значения показателей (если не указано иначе) установлены при температуре 293 К (20 0С) и давлении 0,1013 МПа. 2 Значение показателя низшей теплоты сгорания определяется при стандартной температуре сгорания 25 0С. 3 Минимальная температура окружающей среды для текущих суток в данном климатическом регионе определяется по ГОСТ 16350. 4 Размер частиц механических примесей до 5 мкм обеспечивается установкой фильтров в системе подготовки газа на ГНКС.

Избыточное давление газа в момент окончания заправки баллона транспортного средства должно соответствовать техническим условиям (ТУ) на ГНКС и ТУ на газобаллонные средства заправки. Методики (методы) измерения количества, отпускаемого КГМТ должны обеспечивать измерение с относительной погрешностью не более 1,5 %. Температура газа, заправляемого в баллон, может превышать температуру окружающего воздуха не более чем на 100С, но не должна быть выше 50 0С (323 К). Испытания газобаллонных автомобилей показали, что выброс вредных веществ при работе на компримированном газе значительно ниже, чем при работе на бензине.

Снижение количества выбросов определяется в значительной степени качеством регулировки газотопливной аппаратуры. Токсичность выхлопных газов зависит и от конструктивного совершенства газового двигателя. Поэтому отработке конструкции и способам регулировки газотопливной аппаратуры следует уделять повышенное внимание.

Энергетические свойства моторного топлива определяются следующими основными показателями:

октановым числом;

массовой удельной теплотой сгорания;

стехиометрическим отношением (количеством воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы топлива);

объемной теплотой сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя.

Последний показатель является основным, определяющим мощностные и тягово-динамические характеристики двигателя автомобиля.

Перечисленные показатели зависят от состава топлива, а для бензинов - и от способа их производства (табл.1.2).

Из данных табл. следует, что КПГ, превосходя бензин по октановому числу и удельной теплоте сгорания, несколько уступает последнему по теплоте сгорания стехиометрической смеси. Это приводит к некоторому снижению эксплуатационных характеристик бензиновых двигателей автомобилей, переоборудуемых на использование газового топлива при условиях сохранения степени сжатия.

Таблица 1.2. Энергетические свойства моторного топлива

Показатели	Бензин	СУГ	КПГ и СПГ
Октановое число по исследовательскому методу	76 - 98	100-112	110 - 125
Теплота сгорания, низшая, кДж/кг	44000	46000	48500
Стехиометрическое отношение, кг воздуха/ кг топлива	15	16	17
Теплота сгорания стехиометрической смеси (объемная, при нормальных условиях), кДж/м3	3600	3570	3500

Несмотря на положительные свойства газовых моторных видов топлив, эксплуатационные характеристики обычных (не конвертированных) двигателей при работе на них несколько хуже, чем на и бензине. Вместе с тем в случае создания специальных «газовых» модификаций двигателей с повышенной степенью сжатия, реализующих преимущества газа по октановому числу, эксплуатационные характеристики могут быть выше или на одном уровне с базовыми моделями двигателей, работающих на бензине.



1.2 Требования к безопасности при эксплуатации АГНКС

КГМТ является газообразным, малотоксичным, пожар взрывоопасным продуктом. КГМТ относится к группе веществ, способных образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Категория и группа взрывоопасной смеси - IIА-Т1 по ГОСТ 30852.5.

Концентрационные пределы распространения пламени по метану в смеси с воздухом, выраженные в объёмных долях, должны быть:

- нижний - 4,4 %;

- верхний - 17,0 % по ГОСТ 30852.19.

Температура самовоспламенения - не более 537 0С по ГОСТ 30852.19.

Предельно допустимую концентрацию (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны ГНКС устанавливают в соответствии с гигиеническими нормативами, утвержденными главным санитарным врачом Российской Федерации. При отборе проб и проведении лабораторных испытаний КГМТ необходимо соблюдать требования правил безопасности, утвержденных Госгортехнадзором России. Категорию помещения ГНКС по пожарной опасности определяют в соответствии с СП 12.13130.

Все средства измерений должны соответствовать требованиям взрывобезопасности и иметь соответствующие виды взрывозащиты по ГОСТ 30852.1, ГОСТ 30852.10.Организационно-технические мероприятия по обеспечению пожарной безопасности, осуществляемые на территории ГНКС, проводят в соответствии с требованиями Федерального закона Российской Федерации «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», правилами противопожарного режима, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации, Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности, утвержденных приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, норм пожарной безопасности, утвержденных МЧС России. Организация работ по охране труда и промышленной безопасности должна осуществляться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.0.004, Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности, утвержденными приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Природоохранные мероприятия должны осуществляться в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации «Об охране окружающей среды» и гигиеническими нормативами, утвержденными главным санитарным врачом Российской Федерации.

Таблица 1.3 Показатели пожаро-взрывоопасности компонентов КГМТ приведены в таблице ниже.

Компонент	Метан	Этан	Пропан	н-Бутан
Химическая формула	CH4	C2H6	C3H8	C4H10
Концентрационные пределы распространения пламени, в объёмных долях, %	От 4,4 до 17,0	От 2,9 до 15,0	От 2,3 до 9,4	От 1,8 до 9,1
Стехиометрическая концентрация, в объёмных долях, %	9,48	5,70	4,03	3,13
Нормальная скорость распространения пламени в газовоздушной смеси, м/с	0,28	0,32	0,31	0,30
Минимальная энергия зажигания, МДж	0,28	0,24	0,25	0,25
Температура самовоспламенения газовоздушной смеси, °С	537	472	468	405
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	49,90	47,42	46,80	47,33
Минимальное взрывоопасное содержание кислорода, в объёмных долях, %
Разбавитель, СО2	11,0	13,8	14,9	14,9
Разбавитель, N2	11,0	11,3	12,0	12,0
Минимальная флегматизирующая концентрация, в объёмных долях, % СО2 N2 Н2О (пар)	24 37 29	34 46 --	32 45 --	29 41 --
Максимальный безопасный экспериментальный зазор, мм	1,14	0,91	0,92	0,98
Максимальное давление взрыва, КПа	706	675	843	843
Максимальная скорость нарастания давления при взрыве, МПа/с	18	17,2	24,8	-
Максимальная температура пламени газовоздушной смеси, °С	1880	1900	1930	1890
Концентрационные пределы детонации в смеси с воздухом, в объёмных долях, %	От 6,3 до 14,0	От 2,9 до 12,2	От 2,6 до 7,4	От 2,0 до 6,2



Глава 2. Обоснование строительства АГНКС

2.1 Оценка и прогноз дальнейшего развития и роста объема потребления КПГ

Согласно Энергетической стратегии России, а также по мнению экспертов в области газовой промышленности, развитие рынка газомоторного топлива относится к одной из стратегических задач в области топливной энергетики. Газомоторное топливо является высококачественным, с улучшенными экологическими характеристиками, которые соответствуют международным стандартам. Последние годы развитие рынка сжиженного природного газа происходит более активно, постоянно увеличиваются спрос на данный вид топлива, что приводит к строительству новых заводов по его производству.

Преимущество использования газомоторного топлива заключается в низком уровне вредных выбросов в атмосферу и относительно низких затратах на производство моторного топлива. Действующий стандарт «Евро-5» ограничивает выбросы углекислого газа до 0,8 грамма на километр, однако при использовании КПГ и СПГ уровень этих выбросов составляет только 0,1 грамма, выбросы окиси азота по сравнению с бензиновым топливом сокращаются в 1,2 раза, выбросы углеводородов меньше в 1,9 раза. Выброс парниковых газов при использовании газомоторного топлива также сокращается на четверть. На сегодняшний день КПГ и СПГ являются наиболее экологичными видами топлива.

Стоит отметить, что компримирование попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях и его полезное использование также приводит к улучшению экологической ситуации за счет снижения объемов сжигаемого на факелах газа. Сокращение затрат на топливо при использовании газа возможно за счет более низкой цены на газ в сравнении с продуктами нефтепереработки. Стоимость газа в среднем по России ниже на 50% стоимости бензина марки Аи-92, при этом энергоотдача практически одинаковая. Переход на использование газомоторного топлива выгоден не только для частных владельцев автомобилей, но и для юридических лиц, в связи его экономичностью, что в свою очередь приводит к значительному уменьшению затрат собственных, корпоративных или государственных средств. Возможно, произвести расчет экономии использования газомоторного топлива и окупаемости переоборудования легкового автомобиля.

При средней стоимости установки оборудования 20000 рублей в Санкт-Петербурге, среднегодовом пробеге, например, 20000 км, и расходе бензина 12 л/100 км (при использовании бензина АИ-95), а также повышающем коэффициенте использования КПГ, равном 1,15, ежемесячная экономия при использовании газа будет составлять 2,5 тысячи рублей. Следовательно, установка всего оборудования окупается за 8,5 месяцев. Количество центров по установке газобаллонного оборудования в России ежегодно увеличивается, что повышает доступность переоборудования автотранспорта для частных автовладельцев. Помимо возможной экономии при использовании газа, автомобиль сохраняет возможность работы и на бензине, то есть становится двухтопливным. Также при использовании газомоторного топлива срок эксплуатации транспортного средства значительно увеличивается, снижаются затраты на их техническое обслуживание. Также происходит снижение нагрузки на отдельные элементы двигателя в связи с отсутствием нагара. В среднем срок службы двигателя на КПГ или СПГ выше в полтора раза. Стоит отметить, что уровень шума двигателя, работающего на метане, ниже в 2 раза по сравнению с бензиновым.

Газомоторное топливо широко применяется на общественном транспорте в населенных пунктах и междугороднем сообщении, именно поэтому применение газомоторного топлива интересно не только коммерческим предприятиям, но и государственным. Потребление газомоторного топлива в России стабильно растет. На сегодняшний день сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) в России состоит из более чем 270 станций, 213 из которых принадлежат ПАО «Газпром». Объем реализации КПГ компании Газпром в 2015 году по сравнению с предыдущим увеличился на 8% и составил 433 млн куб. м. Реализуется масштабная программа строительства новых АГНКС. К концу 2016 года планируется сооружение 35 новых АГНКС в 21 регионе России. В результаты этого ожидается рост увеличения потребления газа на 11%, то есть до 480 млн.

2.2 Расчет стоимости строительства АГНКС

1. Первый параметр "Давление на входе в АГНКС, МПа".

Этот параметр влияет на выбор компрессора. Для одного и того же давления может подходить несколько видов компрессоров, которые могут сильно отличаться по выдаваемому объему газа и, самое главное, по стоимости. При выводе результатов расчета обязательно обратите внимание на параметр "запас по мощности". Параметр установлен как 0,5 МПа.

2. Второй параметр "Желаемая мощность станции в сутки".

Если АГНКС строится для коммерческого отпуска газа, то для наиболее точного расчета необходимо провести исследование потенциального потребления КПГ в данном районе. Наличие якорных потребителей (пассажирских автобусных парков, коммунальных хозяйств), наличие федеральных и региональных трасс, количество зарегистрированного частного транспорта. Необходимый объем можно рассчитать из средней заправки 60 м3 для одного автомобиля. Устанавливается как 100 тыс. куб. м.

3. Третий параметр "Количество машин в час пик".

Этот параметр влияет на объем аккумуляторов газа. Оценивается по количеству автомобилей, заправляемых на АГНКС в самое загруженное время. Так как оборудованию необходимо время для производства КПГ, то во избежание простоя предварительно вырабатывается запас КПГ. Устанавливается как 6 шт.

Таблица 2.1. Расчет стоимости АГНКС.

Комплектация АГНКС	2ГМ6-2,8/12-251	2ГМ6-2,8/12-251
Количество компрессорных установок	3	3
Желаемая мощность в сутки,м3	100000	100000
Имеющееся давление на входе, кгс/см2	10	10
Мощность предлагаемой комплектации станции, м3	113076	113076
Запас по мощности от желаемой, %	13.08	13.08
Количество заправок в сутки для рассчитанной комплектации станции	1667	1667
Установка осушки газа высокого давления с ручной системой управления. Без подогревателя газа, шт.	2	2
Суммарная потребляемая электрическая мощность,КВт	945	945
Количество фильтров, шт.	3	3
Блок входных кранов	3	3
Блок выходных кранов	1	1
Емкость Блока Аккумуляторов, м3	360	360
ГРК1	4	4
ГРК2	8	8
Стоимость, руб.	123 910 080	123 910 080
Расчет окупаемости внутризаводской АЗС КПГ	Рассчитать окупаемость	Рассчитать окупаемость

Ниже приведен расчет окупаемости строительства АГНКС для предприятия с коммерческим автопарком в 200 автомобилей.

Таблица 2.2. Расчет окупаемости строительства АГНКС.

Кол-во авто	Расход топлива одного авто на 100 км	Средний ежедневный пробег одного авто, км	Экономия на топливе в месяц, руб.	Экономия на топливе в год без учета ГБО, руб.	Суммарная экономия с учетом выплаты за ГБО, руб.	Срок окупаемости, лет
200	15	100	1800000	21600000	15600000	6



2.3 Мероприятия по подготовке к сооружению АГНКС

Предпроектная подготовка является самым первым шагом в строительстве АГНКС. В полный состав работ по предпроектной подготовке входит:

определение технических параметров АГНКС и обоснование всех технологических решений;

определение размеров площадки, необходимых для размещения на ней технологического оборудования, зданий и сооружений;

формирование плана размещения оборудования, зданий и сооружений АГНКС;

расчет нагрузок и составление запросов на технические условия для подключения к инженерным коммуникациям и выноса коммуникаций;

подготовка запросов на получение исходных данных для проектирования;

формирование технического задания на инженерные изыскания;

Благодаря качественной предпроектной проработке:

облегчается задача получения исходно-разрешительных документов в соответствующих государственных учреждениях;

сокращаются сроки проектирования.

При проектировании необходимо руководствоваться действующим Постановлением Правительства РФ № 87 от 16.02.2008, которое регламентирует состав разделов проектной документации и определяет требования к их содержанию.

Исходными данными для проектирования является следующая информация:

ситуационный план и топосъемка;

технические условия (ТУ) на газоснабжение;

геологические, геодезические, экологические изыскания.

Окончанием разработки проектной документации можно считать получение положительного заключения государственной экспертизы о соответствии требованиям конструктивной, пожарной, санитарно-гигиенической безопасности, необходимое для получения разрешения на строительство.

Разработка рабочей документации выполняется на основе проектной документации, получившей положительное заключение государственной экспертизы. Полный комплект рабочей документации передается застройщику для строительства АГНКС.



Глава 3. Технологические расчеты АГНКС и оборудование

3.1 Описание конструкции АГНКС

АГНКС - это мини-завод со сложным технологическим процессом по непрерывному производству компримированного природного газа (ГОСТ 27577-2000), предназначенного для заправки техники на метане. В свою очередь, АЗС и АГЗС кардинально отличаются от АГНКС по технологии заправки. Фактически АЗС и АГЗС представляют собой пункт перекачки топлива из резервуаров хранения в баки АТС. Поэтому проектирование разделов по технологии производства АГНКС - задача на порядок более сложная, чем аналогичная для АЗС и АГЗС. При всем многообразии проектных организаций далеко не каждая способна квалифицированно с соблюдением всех норм и правил выполнить работы по основным разделам проекта: технологические решения «ТХ» и их автоматизация «АТХ». Ошибки, допущенные при проектировании этих разделов, приводят к:

увеличению сроков прохождения госэкспертизы проекта и, как следствие, к задержке в получении разрешения на строительство АГНКС;

зачастую отрицательное заключение госэкспертизы может повлечь за собой необходимость повторного проектирования;

увеличению стоимости строительно-монтажных, пусконаладочных работ на АГНКС при неправильно подобранном или неоптимальном выборе оборудования и материалов;

проблемам при ревизии надзорными органами АГНКС перед сдачей станции в эксплуатацию.

3.1 Компрессорная установка и ее оборудование

Компрессорная установка

В установке установлено следующее оборудование:

компрессор на раме с горизонтально расположенными оппозитными цилиндрами, приводимый в действие электродвигателем с прямой передачей?

аппарат воздушного охлаждения газа и охлаждающей жидкости компрессора?

сепаратор входной?

бак продувок?

предохранительные межступенчатые, входной и выходной клапана?

система межступенчатого влагомаслоотделения?

концевой влагомаслосепаратор?

система разгрузки компрессора?

маслосистема и газопроводы?

датчики и приборы автоматики, электрооборудование.

Компрессор 4ГМ2,5 с горизонтально расположенными оппозитными цилиндрами, приводимый в действие электродвигателем с прямой передачей. После каждой ступени сжатия газ охлаждается и проходит через влагомаслоотделитель. Компрессор относится к классу компрессоров объемного действия, подающих газ из пространства низкого давления в пространство более высокого давления путем периодически повторяющихся увеличений и уменьшений рабочих полостей цилиндров. При увеличении объема рабочая полость сообщается с всасывающим трубопроводом и производит всасывание газа. Приуменьшении объема замкнутый в ней газ подвергается сжатию и затем вытесняется в нагнетательный трубопровод. Компрессор состоит из базы 4ГМ2,5 и присоединенных к базе цилиндропоршневых групп. В состав базы входят картер в сборе с валом коленчатым, детали и узлы кривошипно-шатунного механизма, блок смазки.

Поршневой компрессор. Параметры работы.

Работая при номинальном режиме компрессор достигает следующих параметров:



Таблица 3.1. Параметры работы компрессора.

Цилиндр	Давление в напорном патрубке при давлении на входе 0,3-0,5 МПа (изб.), МПа (изб.)/кгс/см3 (изб.)	Температура на стороне всасывания, °С	Температура на стороне нагнетания, °С, 0,3-0,5 МПа (изб.)
I ступень	1,2/12	1,8/18	15	I ступень
II ступень	3,4/34,5	5,1/52	50	II ступень
III ступень	9,6/98,5	14,5/148	50	III ступень
IV ступень	24,4/249	24,4/249	50	IV ступень

Система охлаждения

Блок аппарата воздушного охлаждения представляет собой раму, сваренную из профильного проката, на которой устанавливаются пять секций теплообменников, изготовленные из стальной трубы с накатным алюминиевым оребрением (сталь + алюминий), соединённых в плети при помощи сварки. Четыре секции предназначены для охлаждения газа, каждая для одной ступени сжатия, пятая секция - для охлаждения масла.

Также на опорной раме установлены осевые вентиляторы, которые разделены между собой диффузорами. Воздухозабор для охлаждения газа осуществляется из окружающей среды осевыми вентиляторами. Горячий газ проходит через секции теплообменников блока аппарата воздушного охлаждения, и воздушный поток охлаждает газ каждой ступени.

Рис.3.1. Блок аппарата воздушного охлаждения



Установка осушки БКУО-4,0/25

В систему аккумуляции и хранения газ после КУ по газопроводу направляется на установку осушки газа. Принцип осушки газа заключается в поглощении твердым адсорбентом паров влаги из сжатого до 18…25,5 МПа (184…260 кгс/см2) природного газа, проходящего через адсорбер. Адсорбер представляет собой баллон емкостью 80л, заполненный на 4/5 адсорбентом. В качестве адсорбента используется силикагель КСМГ с размером зерен от 4 до 6 мм, который активно отбирает влагу из проходящего через него газа. На входе и выходе из адсорбера установлены фильтры, исключающие проникновение гранул силикагеля из адсорбера в трубопроводы. БО включает в себя два адсорбера, которые работают поочередно в режиме осушки газа и регенерации (восстановлении поглощающих свойств) адсорбента.

Отбор водяных паров (регенерация) из газа осуществляется путем прохождения сжатого и предварительно очищенного в ВМО от капельной влаги газа через адсорбер. В зависимости от условий эксплуатации компрессорной установки, состояния адсорбента, температуры окружающей среды, количества и химического состава поступающего на осушку газа, продолжительность непрерывной работы БО в режиме осушки газа составляет от 2 до 30 моточасов.

Таблица 3.2. Рабочие характеристики блока осушки.

№	Наименование показателей	Величина показателя
1	Рабочее давление, МПа (кгс/см2)	18…25,5 (184…260)
2	Пропускная способность, нмі/ч	до 3000
3	Температура газа поступающего на регенерацию адсорбента, К (°С)	333…453 (+60…+180)
4	Температура газа поступающего на осушку, К (°С)	274…333 (+1…+60)
5	Относительная влажность газапоступающего на осушку	состояние насыщения до 100%
6	Содержание влаги в газе после осушки, г/ мі не более	0,009
7	Время осушки газа, моточасов	не менее 2, но не более 30
8	Цикл регенерации:- время разогрева адсорбера, час	не более 0,3
9	Давление газа регенерации, Мпа (кгс/см2)	18…25,5 (184…260)
10	Газ регенерации	горячий газ после сжатия в четвертой ступени
11	Тип адсорбента	силикагель КСМГ (размер зерен от 4 до 6 мм)
12	Габаритные размеры: длина, ширина, высота (мм)	1570х1000х2580
13	Масса, (кг)	от 1000 до 1500

Блок газораспределительный (БГР).

БГР предназначен для распределения газа между блоком осушки, блоком аккумуляторов, заправочными колонками, блоком компрессорным, отсечки и сброса газа в случае возникновения аварийных ситуаций.

Рис.3.2. Блок газораспределительный

Блок аккумуляторов.

Блок аккумуляторов предназначен для поддержания запаса сжатого природного газа и для обеспечения заправки автомобиля через заправочную колонку.



Рисунок 3.3. Блок аккумуляторов

Таблица 3.3. Характеристики блока аккумуляторов

№	Наименование показателей	Величина
1	Рабочее давление, МПа (бар)	25 (250)
2	Температура окружающей среды, °С	-40…+65
3	Температура природного газа, °С	-40…+65
4	Количество баллонов, шт	50
5	Объем одного баллона, л	80
6	Объём аккумулятора, м3	4
7	Объём сжатого природного газа, нм3	1300
8	Габаритные размеры, м:	2,2 1,8 1,7
9	Масса, кг	3500

Колонка заправочная КЗМ-250.

Колонки предназначены для заправки топливных баллонов автомобилей, а также передвижных газовых заправщиков (ПАГЗ) сжатым природным газом по ГОСТ 27577-2000 на основе переменного и Кориолиса методов. Колонка применяется в составе АГНКС для осуществления коммерческих расчетов при отпуске газа.



Таблица 3.4. Характеристики колонки автозаправочной.

Наименование показателей	Нормы
Кол-во шлангов	1-2
Кол-во Массовых расходомеров	1-2
Кол-во входов	1-2
Максимальное входное давление не более, МПа	25
Рабочее давление, Мпа	19,6
Диапазон измерения, кг/мин	1-50
Погрешность измерения потока, %	1,0
Погрешность измерения давления, %	0,5
Диапазон рабочих температур, ?C	-40…+65
Напряжение питания, Вольт	24V
Потребляемая мощность, не более Ватт	60
Размеры: длинна, ширина, высота.	700х760х1738
	Масса 150 кг

Система автоматического управления АГНКС.

Система автоматического управления предназначена для местного и дистанционного управления работой компрессорного модуля, контроля технологических параметров АГНКС.

Состоит из 2-х шкафов: шкафа силового и шкафа управления. Шкаф силовой комплектуется системой энергосбережения и плавного пуска компрессора Schneider Electric Altistart. Контрольно-измерительные приборы (КИП) представляет собой совокупность приборов:

датчики контроля давлення;

датчики контроля температуры;

датчики контроля протока масла;

датчик загазованности и пожаротушения.

КИП размещены в блоках АГНКС и предназначены для снятия и передачи сигнала в шкафы управления САУ. Межблочные трубопроводы предназначены для соединения технологических блоков АГНКС и передачи компримированного газа между блоками.

Кабельная продукция предназначена для передачи сигнала от датчиков и приборов к шкафам САУ АГНКС.

3.3 Термодинамический расчет компрессора

Исходные данные для термодинамического расчета представлены в таблицах 3.5 и 3.6.

Таблица 3.5. Состав природного газа, молекулярная масса и показатель адиабаты компонентов

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
yi, %	92,25	1,86	0,59	0,34	0,24	4,44	0,28
ki	1,314	1,202	1,138	1,097	1,077	1,402	1,301
Mi, кг/кмоль	16,04	30,07	44,09	58,12	72,15	28,01	44,01

yi- объемная концентрация компонента;

ki - показатель адиабаты компонента;

Mi- молекулярная масса компонента.



Таблица 3.6. Исходные данные для термодинамического расчета

Наименование исходных данных	Значение исходных данных для ступени
	I	II	III	IV	V
Диаметр цилиндра, м	0,15	0,12	0,11	0,09	0,041
Диаметр штока, м	0,034
Ход поршня, м	0,13
Частота вращения вала, с-1 (об/мин)	13,23 (749)
Механический КПД	0,89
Давление на входе компрессора, МПа (кгс/см2)	0,5 (5)
Давление на выходе из компрессора, МПа (кгс/см2)	25,8 (260)
Температура газа, поступающего в компрессор, К	288
Температура охлаждающей жидкости, К	298
Относительное мертвое пространство в цилиндре	0,11	0,13	0,52	0,52	0,39
Относительная влажность всасываемого газа, %	до 100

Показатель адиабаты и газовая постоянная смеси

Для газовой смеси показатель адиабаты определяется из выражения:

, (3.1)

где k - показатель адиабаты газовой смеси;

ki - показатель адиабаты компонентов;

yi - объемная доля компонента в газовой смеси.

По формуле (3.1) и табл. 3.2 находим:

,

откуда показатель адиабаты газовой смеси равен.

Значение газовой постоянной вычисляем по формуле:



,(3.2)

.

Расчет плотности природного газа

При выполнении расчетов используется плотность природного газа. Плотность характеризует теплофизические свойства природного газа в широких интервалах изменения параметров состояния.

Плотность чистых неполярных газов определяется по формуле:

(кг/м3),(3.3)

где: P - давление, (кгс/см2);

R - универсальная газовая постоянная, R=0,08478 ;

T - температура (K);

zн - коэффициент сверхсжимаемости;

М - молярная масса (кг/кмоль).

Молярная масса природного газа определяется по его компонентному составу. Расчет выполнен для определения молярной массы природного газа по компонентному составу Василковского месторождения (Северный район):

(кг/кмоль).

Коэффициент сверхсжимаемости чистых неполярных газов определяется по уравнению:

,(3.4)

где zн - коэффициент сверхсжимаемости (безразмерный);

- коэффициент сверхсжимаемости (безразмерный) на линии насыщения для веществ, имеющих сферические симметричные молекулы, табулирован как функция Tпр и Рпр;

Tпр - приведенная температура ;

Рпр - приведенное давление ;

- поправочная функция, учитывающая несферичность молекул (безразмерная), табулирована как функция Tпр и Рпр;

- фактор ацентричности (безразмерный).

Ткр = 190,55 (К);

Ркр = 46,95 (кгс/см2);

щ = 0,0104.

Для АГНКС дано: Рвх = 5 (кгс/см2), tвх = 15єС+273 К = 288 (К).

Определяем приведенную температуру и давление:

;.

;.

Коэффициент сверхсжимаемости равен (формула 3.4):

.

Определяем плотность природного газа по формуле (3.3):

Таким образом, плотность природного газа на входе АГНКС (при давлении 5 кгс/см2 (0,5 МПа) составляет 2,86 кг/м3.

Определяем плотность природного газа, поступающего в аккумулятор на АГНКС:

Рнагн = 260 кгс/см2, Тнагн = 40єС = 313 (К), zн = 0,903;

По формуле (3.3): .

Определяем плотность природного газа, поступающего в баллон автомобиля на АГНКС:

Pнагн = 210 кгс/см2, Тнагн = 313 (К), zн = 0,871;

По формуле (3.3): .

Определение степени сжатия компрессора

Давление всасывания (избыточное): Pвс = 0,5 (МПа).

Давление нагнетания (избыточное): Pнагн = 25,5 (МПа).

Степень сжатия находится по формуле:

;(3.5)

.

Определяем степени сжатия по ступеням компрессора (n=5):

.

Определение давлений в ступенях

Из формулы (3.5) выражаем Pнагн и определяем избыточные давления нагнетания в ступенях, причем: ; ; ; .

I ступень:

II ступень:

III ступень:

IV ступень:

V ступень:

Результаты расчетов давлений в ступенях приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.7. Давления всасывания и нагнетания (избыточные)

Ступень	Pвс, МПа	Pнагн, МПа
I	0,5	0,99
II	0,99	2,19
III	2,19	4,93
IV	4,93	11,74
V	11,74	25,9

Температура газа

По заданию температура газа, поступающего в I ступень компрессора, +15 єС и температура охлаждающей жидкости +25 єС. Учитывая неполное охлаждение газа в промежуточных холодильниках, принимаем температуру всасываемого газа остальных ступеней +33 єС, т. е. на 8 єС выше температуры охлаждающей жидкости.

Полагая процесс сжатия во всех ступенях адиабатическим, температуру нагнетаемого газа определяем по формуле:

.(3.6)

Компенсируя вытекающую из этого допущения погрешность, не учитываем повышения температуры газа вследствие нагрева при всасывании в цилиндр и потерь давления при всасывании и нагнетании.

Результаты расчетов температур нагнетаемого газа сведены в табл. 3.5.

Таблица 3.8. Температуры всасываемого и нагнетаемого газа

Ступень	Температура всасываемого газа	Степень сжатия е	Показатель адиабаты k		Температура нагнетаемого газа
					, К	tн, єС
	tвс, єС	Твс, К
I	15	288	2,312	1,307	1,217	353,4	79,3
II	33	306	2,312	1,307	1,217	382,1	100,2
III	33	306	2,312	1,307	1,217	382,1	100,2
IV	33	306	2,312	1,307	1,217	382,1	100,2
V	33	306	2,312	1,307	1,214	382,1	100,2

Коэффициенты наполнения

Коэффициент наполнения лн представляет собой отношение объема всасываемого газа к рабочему объему цилиндра:

,(3.7)

где Vвс - объем всасываемого газа при номинальном давлении Pвс и номинальной температуре Tвс во всасывающем патрубке цилиндра;

Vh = FS - рабочий объем цилиндра, м3 (F - площадь поршня, м2; S - ход поршня, м).

Коэффициент наполнения определяется по формуле:



,(3.8)

где лp - коэффициент давления;

лv - объемный коэффициент;

лT - тепловой коэффициент.

Объемные коэффициенты

Вследствие расширения газа из мертвого пространства часть рабочего объема цилиндра ДV' теряется. Оставшаяся часть рабочего объема равна , где Vh - рабочий объем цилиндра. Отношение объемов и , отражающее влияние мертвого пространства, называется объемным коэффициентом и обозначается через лv:

.(3.9)

Объемный коэффициент определяется по формуле:

,(3.10)

где a - относительное мертвое пространство в цилиндре; е - степень сжатия; n - показатель политропы конечных параметров в процессе расширения.

При отсутствии сжатия, когда давление нагнетания равно давлению всасывания, т. е. при е = 1, объемный коэффициент лv = 1. Значения показателей политропы конечных параметров в процессе расширения выбираем согласно табл. 3.6 [12], при этом учитываем результаты расчетов давлений (табл. 3.4):



Таблица 3.9. Показатель политропы конечных параметров в процессе расширения

Давление всасывания Pвс, кгс/см2	Значения показателя политропыn
	при любом k	при k = 1,4
до 1,5	n = 1+0,5·(k - 1)	n = 1,2
1,5 ч 5	n = 1+0,62·(k - 1)	n = 1,25
5 ч 10	n = 1+0,75·(k - 1)	n = 1,3
10 ч 30	n = 1+0,88·(k - 1)	n = 1,35
свыше 30	n = k	n = 1,4

для I ступени: n = 1+0,62·(k- 1) = 1,19;

для II ступени: n = 1+0,75·(k- 1) = 1,23;

для III ступени: n = 1+0,88·(k- 1) = 1,27;

для IV ступени: n = k= 1,307;

для V ступени: n = k = 1,307.

Относительные мертвые пространства (a) приведены в табл. 3.3.

Рассчитываем объемные коэффициенты по формуле (3.10):

для I ступени: ,

и, аналогичным образом, для остальных ступеней:

, , , .

Коэффициенты давления

Давление газа в конце всасывания, как правило, ниже номинального давления Pвс. Причем - вторая потеря объема цилиндра для всасывания. Отношение объемов и , отражающее влияние снижения давления в конце всасывания, называется коэффициентом давления:



.(3.11)

На величину лр влияют два обстоятельства: усилие пружины всасывающего клапана и колебание давления во всасывающем трубопроводе.

При излишне сильной пружине клапан преждевременно закрывается. Это снижает давление к концу всасывания, а, следовательно, и коэффициент давления.

У первой ступени компрессора, если давление всасывания равно или близко к атмосферному, коэффициент давления чаще всего находится в пределах лр= 0,95 ч 0,97, причем нижний предел соответствует клапанам малого сечения или с излишне сильными пружинами. У следующих ступеней компрессора, а также у первой ступени дожимающего компрессора, где давление всасывания выше, влияние дросселирующего действия пружины клапана мало, поэтому лр= 0,97 ч 1,0. В расчетах коэффициента наполнения промежуточных и последней ступеней многоступенчатого компрессора допустимо полагать лр = 1.

Поэтому принимаем: ; .

Тепловые коэффициенты

Величина представляет собой кажущийся объем всасываемого газа. Она всегда больше объема Vвс, определяемого по состоянию во всасывающем патрубке, так как газ, поступающий в цилиндр, как и расширившийся из мертвого пространства, во время всасывания нагревается. Кроме того, при всасывании происходит некоторое дросселирование газа, а последующее повышение его давления до исходного также сопровождается заметн...