Общие сведения о газоснабжении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения о газоснабжении

1. Состав и основные свойства газообразного топлива

газ топливо природный сжиженный

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащих некоторое количество примесей. К горючим газам относятся: углеводороды, водород и оксид углерода. Негорючие компоненты - это азот, диоксид углерода и кислород. Они составляют балласт газообразного топлива. К примесям относятся: водяные пары, сероводород, пыль и др. Газообразное топливо очищают от вредных примесей, содержание которых в газе, предназначенном для газоснабжения городов, регламентируется ГОСТ 5542-78.

В соответствии с этим ГОСТом содержание вредных примесей не должно превышать в 100 м³ газа: H₂S - 2 г, RSН -3,6 г, механических примесей - 0,1 г. Отклонение теплоты сгорания не должно превышать - 5 % от номинального значения. Для газооборазного топлива применяют, как правило, сухие газы. Содержание влаги не должно превышать количества, насыщающего газ при температуре t = - 20 С° (зимой) и t = 35 С (летом).

Природный газ не имеет запаха. Для подачи в сеть его одорируют, т.е. придают ему резкий неприятный запах, который ощущается при концентрации в воздухе 1 %. Это позволяет обнаружить утечки газа из трубопроводов и арматуры. Запах токсичных газов должен ощущаться при концентрациях, допустимых санитарным нормам.

Концентрация кислорода в газообразном топливе не должно превышать

1 %. Теплота сгорания газообразного топлива определяется как сумма произведений величин теплоты сгорания горючих компонентов на объемные доли

, (1.1.1)

где - теплота сгорания (низшая) i - го компонента;

- объемное содержание i -го компонента.

Плотность газа определяется как сумма произведений плотности компонентов на их объемные доли

, (1.1.2)

где - плотность i - го компонента.

Относительная плотность определяется как отношение

, (1.1.3)

где - плотность воздуха при нормальных условиях, = 1,293 кг/м³.

Основной характеристикой газа является сухой состав, но т. к. используемый газ может быть влажным, то производится пересчёт значений на рабочий состав (с учётом влажности).

Пересчет производится по формулам

(1.1.4)

, (1.1.5)

, (1.1.6)

где: d - влагосодержание газа, выраженное в кг на 1 м³ сухого газа при

температуре t = 0 C и P = 101,3 кПа;

k - коэффициент, определяемый по формуле

, (1.1.7)

В зависимости от происхождения залежи смесь углеводородов имеет те или иные присущие только ей состав и свойства. Как видно из таблицы 1.1 состав природных углеводородных газов существенно отличается от одного месторождения к другому.

Газообразное топливо различают также по составу горючих компонентов, негорючих компонентов (балласта) и вредных примесей.

Таблица 1.1 - Состав природных углеводородных газов и газоконденсатных месторождений

Страна	Месторож-дение	Содержание компонентов, % (молярная доля)
		C1	C2	C3	C4	C5+	C7+	N2	CO2	H2S
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Алжир	Гельта	15,8	23,3	34,0	18,9	7,8	-	-	-	-
Австра-лия	Прингл-Даунс	16,7	10,6	24,2	28,0	19,3	-	1,2	-
США, Колора-до	Южный Маклалум	3,5	1,7	-	-	-	-	-	91,9	-
Россия	Вуктыльс-кое	74,8	8,7	3,9	1,8	6,4	-	4,3	0,1	-
Россия	Совхозное	79,1	6,4	3,6	2,2	4,8	-	3,4	0,5	-
Россия	Оренбургс-кое	85,2	5,0	1,7	0,8	1,9	-	4,8	0,6	-
Россия	Астрахан-ское	48,78	2,71	1,38	1,25	3,73	-	0,54	15,7	25,7
Россия	Ямбургское (объект I)	89,63	4,88	2,03	0,72	1,78	-	0,28	0,68	-
Россия	Медвежье	98,56	0,09	-	-	-	-	1,0	0,35	-
Россия	Уренгойс-кое (сеноман)	98,33	0,15	0,002	0,001	0,001	-	1,16	0,35	Сл.
Россия	Уренгойс-кое (валажин)	87,27	5,42	2,5	1,02	3,07	-	0,38	0,34	-

Состав газообразного топлива (в % по объему) характеризуется наличием индивидуальных горючих газов. К горючей массе относятся: углерод и водород, а также оксид углерода (СО). К балласту углеводородных газов относятся компоненты, содержащиеся в небольших количествах: азот, диоксид углерода, кислород.

К вредным примесям относятся:

- сероводород H₂S. Он оказывает сильное коррозионное воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии в газе H₂S, Н₂О и О₂;

- механические примеси и вода. Они оказывают коррозионное воздействие на металлические поверхности. Кроме того конденсация воды приводит к образованию гидратов и нарушает нормальные условия эксплуатации объектов добычи, транспортировки и переработки углеводородного газа, что иногда приводит и к аварийным остановкам.

Кристаллогидратами (или просто гидратами) называются кристаллические соединения, схожие со снегом или льдом, образуемые ассоциированными молекулами углеводородов и воды. Основным условием образования гидратов является наличие взвешенных водяных частиц в газовой среде или полная насыщенность газа.

Влажный газ, характеризуется следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью и влагосодержанием [60, 125].

Влагоемкость (влагосодержание) газа - максимальное количество влаги (кг), необходимое для насыщения газа при заданном давлении и температуре.

Абсолютная влажность (или просто влажность) определяется количеством водяного пара (в кг), содержащегося в 1 м³ влажного газа. Относительной влажностью называется отношение массы водяного пара в 1 м³ влажного газа при данных температуре и давлении к максимально возможной массе водяного пара в 1 м³ газа при тех же условиях. Относительную влажность ц выражают также отношением парциального давления водяных паров в газе р_г к давлению насыщенного пара р_н при той же

температуре (). Газ, содержащий максимальное количество водяных паров, называется насыщенным [60, 67].

Важной характеристикой влажных газов является так называемая точка росы - это температура, охлаждаясь до которой газ при постоянном влагосодержании становится насыщенным водяными парами [60, 67].

Депрессия точки росы - это разность точек росы влажного и осушенного газа [125].

При нормальных условиях влажность углеводородных газов выше влажности воздуха, однако, с повышением температуры эта разница уменьшается. Влажность газа также зависит от его углеводородного состава: она снижается с увеличением в газе концентрации углеводородов C₂ и выше. Присутствие сероводорода и диоксида углерода увеличивает влажность газа, а наличие азота - уменьшает ее [60].

2. Природные газы

Природные газы разделяются на 3 группы:

1) сухие (тощие) газы, добываемые из чисто газовых месторождений (тощие или сухие), содержащие менее 50 г/м³ тяжелых углеводородов (от пропана и выше);

2) попутные (нефтяные, жирные) газы, выделяемые из скважин нефтяных месторождений, содержащие свыше 150 г/м³ тяжелых углеводородов;

3) газы, добываемые из конденсатных месторождений, состоящие из смеси сухого газа и паров конденсата, который выпадает при снижении давления.

Сухие газы легче воздуха, а жирные легче или тяжелее в зависимости от содержания тяжелых углеводородов. Низшая теплота сгорания сухих газов

= 31-38 МДж/м³ , а попутных газов значительно выше и составляет

= 38-63 МДж/м³. Состав и свойства природных газов различных месторождений приводятся в таблицах.

3. Сжиженные газы

Сжиженными газами являются углеводороды (пропан и бутан) и их смеси, которые при температуре окружающего воздуха и атмосферном давлении находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении давления (без снижения температуры) переходят в жидкости.

Основными источниками получения сжиженных газов являются попутные нефтяные газы и газы конденсатных месторождений. При температуре t = 0 С пи незначительном повышении давления до 0,47 МПа (С₅Н₈) (пропан), 0,115 МПа (C₄H₁₀) (бутан) и 0,16 МПа (изобутан) они конденсируются в жидкость. Это свойство позволяет их транспортировать и хранить в виде жидкостей, а сжечь в виде газа. Сжиженные газы, как и все предельные углеводороды, являются достаточно сильными наркотиками, но их действие ослабляется малой растворимостью в крови. Они могут вызывать удушье при очень высоких концентрациях из-за уменьшения содержания кислорода. В отличие от систем, использующих сухой газ, сжиженные газы необходимо рассчитывать исходя из свойств жидкой и паровой сред с учетом фазовых превращений.

Расчет производится по таблицам и диаграммам.

Свойства сжиженных газов определяются следующим образом

По закону Дальтона давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов

 (1.3.1)

где: - парциальное давление газа, МПа.

Молярная доля определяется как отношение числа молей компонента к общему числу молей смеси

(1.3.2)

где: и - соответственно, молярные доли газов и жидкостей.

Массовую долю определяют как отношение массы компонента ко всей массе смеси

(1.3.3)

Объемная доля жидких смесей определяется как отношение объема компонента , рассчитанного по плотности при температуре смеси, к объему смеси

(1.3.4)

Объемную долю для газовых смесей получают как отношение парциального объема компонента к сумме парциальных объемов, равной объему смеси. Парциальным объемом компонента называют объем, занимаемый им при температуре и давлении смеси. Так как компонент в парциальном объеме и объеме смеси находится при одинаковой температуре, то по закону Бойля-Мариотта можно записать

 (1.3.5)

где и - парциальные давления и объем компонента .

Следовательно парциальный объем компонента

(1.3.6)

Для идеальных газов и с некоторым приближением для реальных газов = 22,4 м³/кмоль. Точные значения приведены в таблицах.

На основании закона Авогадро можно сказать, что для газовых (идеальных) смесей мольные и объемные доли равны.

Действительно, объем, занимаемый компонентом ,

(1.3.7)

Подставляя это выражение в формулу, определяющую объемную долю, и учитывая, что объемы киломолей всех газов одинаковы при одинаковых условиях, получаем при

(1.3.8)

Поэтому для расчета газовых смесей используют мольные (объемные) доли , и массовые доли .

Плотность смеси определяют по уравнению

(1.3.9)

Расчет средней (условной) молекулярной массы производим делением массы газа на число киломолей в ней.

При смеси, заданной объемным составом,

(1.3.10)

При задании смеси массовым составом

(1.3.11)

При пересчете состава жидкой смеси, заданной одними долями, на другие используют таблицы.

Плотность смеси взаимно растворимых жидкостей определяют из уравнения

(1.3.12)

Среднюю молекулярную массу находят из уравнения

(1.3.13)

Для расчета фазовых переходов двухкомпонентных сжиженных газов используются изотермические кривые фазового состояния.

4. Искусственные газы

Искусственные газы получаются в результате физико-химических и термохимических преобразований различных видов твердого топлива (каменных и бурых углей, сланцев и др.).

Эти газы в настоящее время редко применяются для газоснабжения городов, они используются лишь на ряде промышленных предприятий, главным образом вблизи месторождений твердого топлива.

Искусственные газы подразделяются на:

коксовый газ;

2) генераторный газ;

водяной газ;

4) газ подземной газификации.

Коксовый газ получается при сухой перегонке твердого топлива, представляющей собой процесс его термического разложения, протекающий без доступа воздуха. При сухой перегонке топливо проходит ряд стадий физико-химических преобразований, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Сухую перегонку топлива, происходящую при высоких температурах (t=900-1100 C), называют коксованием, в результате которого получают кокс и коксовый газ с низшей теплотой сгорания Q_н= 16-18 МДж/м³ и плотностью = 0,45-0,50 кг/м³.

Генераторный газ получается в результате процесса газификации, т. е. процесса термохимической переработки топлива. В результате реакции углерода топлива с кислородом и водяным паром образуются горючие газы: оксид углерода и водород. Одновременно с процессом газификации протекает частичная сухая перегонка топлива. Продуктами газификации топлива являются горючий газ, зола и шлаки. Генераторный газ имеет низшую теплоту сгорания Q_н= 5,5 МДж/м³ и плотность = 1,15 кг/м³.

Водяной газ получается путем периодической продувки газогенератора воздухом и паром. При подаче воздуха слой топлива аккумулирует теплоту, выделяющуюся при частичном его сгорании, а при поступлении водяного пара последний взаимодействует с углеродом, используя аккумулированную теплоту и образуя водяной газ. Горючими компонентами водяного газа будут являться водород и оксид углерода.

Газ подземной газификации угля получают в результате розжига пласта и подачи воздуха для горения через специальные скважины. При газификации бурых углей получается газ с теплотой сгорания Q_н= 2800-3600 кДж/м³, а его выход составляет 2000 - 3000 м³/т, при газификации каменных углей получается газ с теплотой сгорания Q_н= 3,2-4,4 кДж/м³, а его выход составляет 3,5 - 4,0 м³/т.

5. Биогаз

Биогаз получаются в результате биохимических преобразований (метаногенеза) различных видов органических отходов (навоза, твердых бытовых отходов, шлама сточных вод и др.).

Метановое сбраживание (метаногенез) представляет собой процесс разложения органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа, в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов в анаэробных условиях при псикрофильном ( t = 10 - 20С ) мезофильном ( t = 30 - 35C ) и термофильном ( t = 50 - 55C ) режимах. Следует отметить, что от 40 до 60 % выделившегося биогаза затрачивается на собственные нужды, т. е. на поддержание в метантенке требуемой для процесса анаэробного метаногенеза температуры.

Биогаз состоит на 50 - 80 % из СН₄ и на 20 - 50 % из СО₂. При оптимальных условиях эти газы могут образовываться в количестве равном 90-95 % биологически распавшегося органического вещества. Остальные 5-10 % расходуются на производство бактериальных клеток.

Физические и химические свойства биогаза зависят от содержания компонентов. Теплота сгорания биогаза практически пропорциональна содержанию в нем метана и составляет Q_н = 18 - 24 МДж/м.

Наиболее подходящим сырьем для получения биогаза является навоз домашних животных и птичий помет. Могут быть использованы и другие сельскохозяйственные отходы, такие, как солома, используемая в качестве подстилки для животных, трава, ботва и др. Кроме того, для получения биогаза могут использоваться твердые бытовые отходы (ТБО), централизованно удаляемые из жилых зданий, органические отходы пищевых производств, отходы предприятий общественного питания и осадки (шламы) сточных вод канализационных очистных сооружений.

6. Структура газопотребления

В России структура использования газа примерно такая:

а) на энергетические нужды - 36-40 %;

б) технологические нужды промышленности - 30-36 %;

в) коммунально-бытовое потребление - 14 %;

г) собственные нужды газовой промышленности - 10 %;

д) сырьевые нужды - 10 %.

Наиболее крупный потребитель газа - промышленность. Она расходует больше половины добываемого газа. Потребление до 40 % газа в энергетике следует считать недостатком структуры. Это положение вынужденное. Оно объясняется необходимостью охраны воздушных бассейнов промышленных центров и развитием централизованного теплоснабжения от районных котельных. Необходимо стремиться к уменьшению этой статьи расхода газа.

В промышленности потребление газа распределяется приблизительно следующим образом:

а) металлургия - 11,3 % газа, потребляемого в стране (и примерно 22 % газа, потребляемого в промышленности;

б) машиностроительная и металлообрабатывающая промышленность - 8,5 % газа страны (16 % газа промышленности);

в) промышленность строительных материалов - 7,4 % (14 %);

г) химическая промышленность - 11 % (21 %).

Кроме этих отраслей, значительное потребление газа в пищевой и микробиологической промышленности.

Как следует из вышеприведенного анализа - масштабы потребления газа велики, поэтому его экономия является актуальнейшей задачей промышленности и энергетики.

7. Основные пути экономии газа по отраслям

Металлургия - самый крупный потребитель газа в промышленности. Здесь 80 % газа отрасли идет на технологию, а около 20 % - на энергетические потребности отрасли.

На газе работают доменные, мартеновские, прокатные, трубопрокатные производства. Помимо этих основных производств на газе работают фабрики и заводы, выпускающие огнеупоры, агломерат металлургических предприятий.

В мартеновском производстве стали основная экономия газа заключается в замене этого производства конверторным.

В доменном производстве газ экономится комплексным применением кислорода, кокса сухого тушения, подогрева дутья, укрупнением печей, обогащением руды, совершенствованием оборудования и др.

В производстве огнеупоров, где много печного и сушильного оборудования 85 % топливного баланса - газ. Экономить его позволяет применение регулируемых горелочных устройств, подогрев сырья и дутья уходящими газами.

В топливном балансе цветной металлургии природный газ составляет примерно 1/3. Затраты на топливо составляют 40-60 % себестоимости продукции.

Основная экономия достигается за счет кислородного дутья, использования воздухоподогревателей, котлов-утилизаторов, систем испарительного охлаждения, более совершенных горелочных устройств.

В машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности треть потребляемого газа идет на технологические нужды. Природный газ составляет примерно 55 % всего топливного баланса этих предприятий. Это в основном тепловая обработка:

а) в нагревательных печах, где осуществляется нагрев металла до 1150-1600 К для ковки, штамповки и др.;

б) в термических печах, где металл нагревают до 900-1300 К и меньше для закалки, отпуска, отжига;

в) в сушилках - с температурой до 800 К.

Основным направлением экономии газа здесь следует считать повышение технического уровня печей. Это оснащение их автоматическими устройствами, современными горелками, футеровка низкотеплопроводными огнеупорами, более полное использование тепла уходящих газов.

На предприятиях строительных материалов на технологические нужды идет до 80 % газа отрасли. Это производство цемента, керамики, стекла, пористых заполнителей, сборного железобетона. Газ при этом сжигается в печах самых различных конструкций. Методы экономии те же, что и в других отраслях.

В химической промышленности природный и попутный газы служат сырьем для производства аммиака, метанола, сажи, ацетилена, этилена, пропилена и др. углеводородов. На их основе далее получают различные пластмассы, синтетические каучуки, искусственные волокна, удобрения, моющие средства, различные жидкие топлива, масла, растворители и пр. и пр. На все это уходит приблизительно 70-80 % всего используемого газа отрасли. Еще примерно 10 % газа тратится на производство метанола.

Здесь экономия газа достигается за счет его комплексного использования и использования его неуглеводородных компонентов (сероводорода).

Имеется принципиально новый тип энерготехнологических установок. В них газ сжигают в топках беспламенного горения с высокими тепловыми напряжениями. При этом образуются чистые продукты сгорания. Они не содержат СО, углеводородов, сажи, окиси азота. Продуты сгорания пропускают через газоплотные теплообменники. Низкотемпературное тепло этих газов используется полностью в технологии и окончательно в контактном экономайзере для нагрева воды. При этом используется даже теплота конденсации пара. Т.о. коэффициент использования топлива доходит до 100 %. Существуют и другие методы экономии газа.

Энергетические потребители природного газа расходуют около 50 % всего потребляемого в стране газа. Он сжигается в котельных установках электростанций, в промышленных и коммунально-бытовых котельных (примерно по 25 % каждый из этих потребителей).

КПД котлов на твердом топливе - 89-90 %, на газе - 92-94 %. Расход электроэнергии на собственные нужды в газовых ТЭС на 1,5-2,0 % меньше, чем на твердотопливных станциях. В структуре себестоимости электроэнергии примерно 70 % составляют затраты на топливо. Отсюда важность экономии топлива вообще и газа в частности.

Основные направления экономии газа: ликвидация мелких малоэффективных котельных и перевод потребителей на централизованное теплоснабжение; автоматизация регулирования; применение технически обоснованных норм расхода газа; содержание в порядке элементов теплового хозяйства (теплоизоляции, регуляторов, деаэрационных установок и др.); увеличение доли возвращаемого конденсата; совершенствование горелочных устройств.

Сельскохозяйственное производство - крупный и высокоэффективный потребитель газа. Однако есть особенности: большая рассредоточенность и малая единичная тепловая нагрузка.

Газ применяют не только для отопления, но и для углекислотной подкормки растений. Это увеличивает вдвое зеленую массу растений (чай, табак, салат, герань и др.), на 50 % увеличивает количество цветов и других декоративных культур, на 20 % увеличивает урожайность огурцов и прочих овощей в теплицах, что позволит снизить их себестоимость. Еще больший эффект достигается при наличии в атмосфере теплиц угарного газа СО.

Кроме теплиц потребителями тепла являются сушилки растительного сырья при изготовлении обезвоженных кормов (сена), белково-витаминной муки. Предполагается выращивание водорослей на биомассу (хлореллу).

Для всего этого можно использовать низкопотенциальную отходящую теплоту котельных, ТЭС и магистральных компрессорных станций с газотурбинным приводом.

Размещено на Allbest.ru

...