Определение характеристик газообразного топлива

Для определения состава природного газа необходимо знать его низшую теплоту сгорания . Она определяется исходя из состава газа, и лежит в диапазоне 35…40МДж/м3

Qрн Определяем теплоту сгорания газа по формуле:

 

, (93)

 

где - низшая теплота сгорания газа, в пересчете на рабочую массу топлива кДж/м3; - низшая теплота сгорания газа на сухую массу топлива, кДж/м3; к - коэффициент, учитывающий влагосодержание газа и определяемый по формуле:

, (94)

 

где dг – влагосодержание газа, зависящее от температуры, выражаемое в кг на 1м3 газа в интервале 0,005-0,008 кг/м3.

Низшая теплота сгорания газообразного топлива на сухую массу определяется по формуле:

, (95)

где - низшая теплота сгорания i-го компонента газа (таблица 5);

ri – объемная доля i-го компонента газа, %.

 

Таблица 5 - Теплотехнические характеристики газов (при нормальных условиях)

Газ Химическая формула Низшая теплота сгорания, Qсн, кДж/м3
Азот N2 -
Ацетилен C2H2
Водород H2
Водяной пар H2O -
Воздух - -
Двуокись серы SO2 -
Двуокись углерода CO2 -
Кислород O2 -
Окись углерода CO
Сероводород H2S
Метан CH4
Этан C2H6
Пропан C3H8
Н-бутан н-С4Н10
i-бутан i- С4Н10
Пентан С5Н12

 

Горючие газы добывают из природных источников - недр земли (природные газы) и из жидкого и твердого топлива путем термической переработки (искусственные газы). Состояние горючего газа определяется его объемом, давлением и температурой.

Наибольшую ценность для газоснабжения городов представляют природные газы, состоящие главным образом из углеродов метанного ряда. Особенностью природных газов является их высокая теплопроводная способность, низкое содержание балласта и для большинства месторождений - отсутствие сероводорода и других вредных примесей.

На газовых промыслах (ГП) производится очистка газа от песка и капельной влаги (сепараторы), осушка газа от избыточного содержания водных паров (Н2О), очистка газа от Н2S и СО2 (сероводорода и углекислоты), одоризация газа этилмеркаптаном.

Газообразное топливо токсично и при утечках газа может явиться причиной отравлений.

Горючие газы состоят из метана (CН4), предельных углеводородов (CnH2n=2) и непредельных углеводородов (CnH2n). В сумме предельные и непредельные углеводороды называются тяжелыми углеводородами (ТУ). Водород (H2) и оксид углерода в природных газах отсутствуют.

Балластные газы состоят из азота - N2, углекислого газа - CO2 и кислорода - O2.

Примеси, входящие в состав природных газов, состоят в основном из водяных паров (H2O), сероводорода (H2S) и пыли.

Рассмотрим свойства горючих газов.

Метан (CН4) - горючий газ без цвета, запаха и вкуса. Не токсичен, но при большой концентрации в воздухе вызывает удушье. Низшая теплота сгорания Q =35840 кДж/м3, плотность p = 0,717 кг/м2, молекулярная масса m = 16 кг/кг - моль.

К тяжелым углеводородным газам, имеющим формулу CnH2n+2, относятся: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10). Все эти газы, как и метан, не имеют цвета, запаха и вкуса, не токсичны. Их физические свойства зависят от величины молекулярной массы (m).

Чем больше m, тем выше плотность тяжелых углеводородов (p), больше теплотворная способность (Q), больше требуется воздуха для сжигания 1 м3 тяжелых углеводородов.

К непредельным тяжелым углеводородным газам (CnH2n+2) относятся: этилен (C2H4), пропилен (C3H6), бутилен (C4H8). Их свойства также изменяются с увеличением m, как и у тяжелых углеводородов.

Балластные газы.

1. Азот (N2) - инертный газ, без цвета, запаха и вкуса. На долю азота в воздухе приходится 79%.

До температур 14000С азот не реагирует с воздухом, а при более высоких температурах образует оксиды азота, которые оказывают более вредное воздействие на человека, чем оксид углерода. Предельно допустимая норма оксидов азота в атмосферном воздухе 0,085 мг/м3.

2. Диоксид углерода (CO2) является инертным газом со слегка кисловатым запахом и вкусом.

3. Кислород (O2) - входит в состав атмосферного воздуха в виде второй составляющей в количестве 21%. Во всех процессах горения кислород играет роль окислителя. Содержание кислорода в природном газе не допускается более 1%, исходя из соображений взрывобезопасности и защиты газового оборудования от коррозии.

Примеси.В виде примесей природный газ в основном содержит водяные пары, сероводород и пыль.

Концентрация водяных паров (H2O) в природном газе, подаваемом бытовым и промышленным потребителям, не должна превышать 500-1000 г на 100 м3 природного газа.

Сероводород H2S - бесцветный газ, имеющий запах испорченных яиц, является ядом и оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и глаза.

Предельно допустимая концентрация H2S в воздухе помещений равна 0,1 мг/л. H2S - коррозийно-агрессивный газ.

Содержание H2S в природном газе после очистки на газовых промыслах не должно превышать 2 г на 100 м3 природного газа.

Содержание пыли не должно превышать 0,1г на 100м3 природного газа.

Рисунок 77 Схема подачи газа от газового промысла до населенного пункта

ГП — газовой промысел; УК.ПГ — установка комплексной подготовкигаза; КС —компрессорная станция; ГРС—газораспределительнаястанция; ГВ(С)Д — газопроводы высокого (среднего) давления: ГНД — газопроводы низкого давления; ГРП—газорегуляторный пункт

 

Природный газ подается в населенные пункты по схеме, показанной на рисунке 77. Газ добывают из недр земли с помощью пробуриваемых скважин. В районе промыслов газ подают к установкам по очистке от взве­шенных примесей, конденсата и воды — УКП (уста­новки комплексной подготовки газа) или газоперера-батывающие заводы для извлечения серы. Сернистые соединения весьма агрессивны и в короткий срок могут разрушить трубопроводы и другое оборудование. Кро­ме того, сернистые соединения весьма токсичны и при утечках газа могут явиться причиной отравлений.

Очищенный газ поступает в магистральные газопро­воды для транспортировки к потребителям. Длина магистральных газопроводов измеряется тысячами ки­лометров, поэтому без специальных установок по сжа­тию и повышению давления газа по газопроводам можно подавать относительно небольшое количество газа. Чтобы повысить производительность газопрово­дов, через каждые 90 — 130 км на газопроводах строят компрессорные станции, которые повышают давление до 5,5—7,5 МПа (55—75 кгс/см2). Давление 5,5 МПа (55 кгс/см2) применяется в ранее построенных газопро­водах, а 7,5 МПа (75 кгс/см2)—во всех газопроводах, проложенных в последние 10 лет. Для повышения дав­ления на станциях устанавливают компрессоры с элек­троприводом или газотурбинные, в которых в качестве энергоносителя используется газ.

Магистральные газопроводы перед населенными пунктами заканчиваются газораспределительными станциями (ГРС). После газораспределительных стан­ций начинаются газовые сети городов, по которым обеспечивается подача газа потребителям. Сжиженны­ми газами населенные пункты снабжают по схеме, показанной на рисунке 78. Получают сжиженный газ на нефтеперерабатывающих или газобензиновых заводах. С заводов, как правило, газ для потребителей достав­ляют на газонаполнительные станции (ГНС) или кус­товые базы по железным дорогам в специальных цис­тернах. В отдельных случаях на станции газ подают по трубопроводам или с помощью автотранспорта.

Сжиженные углеводородные газы — пропан, бутан и их смеси — широко применяют для газоснабжения жилых домов и коммунальных предприятий.

Как отме­чалось, в настоящее время большая часть квартир в стране газифицирована сжиженными газами. К потре­бителям газ доставляют в специальных герметически закрытых резервуарах (сосудах) под давлением в нес­колько атмосфер. Крупные потребители (многоэтаж­ные дома, коммунальные и промышленные предприя­тия) снабжаются газом от резервуарных установок по газопроводам (газовым сетям), так же, как при снаб­жении природным газом. Иногда целые районы и даже города снабжают сжиженным газом по газовым сетям от группы резервуаров. Резервуары заполняют газом из автоцистерн с газонаполнительных станций (ГНС) или кустовых баз сжиженного газа (КБСГ). Неболь­шие дома и мелкие коммунальные потребители снаб­жают сжиженным газом от баллонов, заполняемых газом от ГНС.

 

Рисунок - 78 Схема снабжения сжиженны­м газом населенных пунктов

 

Нарушение нормальной работы любого элемента из рассматриваемых систем газоснабжения неизбежно приводит к нарушению нормального газоснабжения потребителей. Так, например, выход из строя установок по осушке газа приводит к поступлению в магистраль­ные газопроводы, а по ним — в городские газовые сети воды, из-за чего может произойти закупорка газопро­водов и прекращение подачи газа. Выход из строя компрессоров или разрыв газопроводов приводит к сокращению или полному прекращению подачи газа по этим газопроводам. Нарушение работы заводов по производству газа или нормальной работы железной дороги приводит к сокращению поставки газа на газо­наполнительные станции. Следовательно, нормальное газоснабжение потребителей возможно только при бес­перебойной работе всех элементов систем газоснаб­жения.

Газовая распределительная сеть представляет собой систему трубопроводов и оборудования, служащих для транспортирования и распределения газа внутри горо­да или какого-либо другого населенного пункта. Кроме газопроводов основным оборудованием газовой распре­делительной сети являются газовые регуляторные пункты (ГРП), служащие для снижения давления и поддер­жания его на заданном уровне. К газовым сетям отно­сятся также газгольдеры или газгольдерные станции, служащие для приема газа от источников газоснабже­ния в часы минимального газопотребления и выдачи газа в распределительную сеть в часы пик. При снаб­жении сжиженным газом роль газгольдеров (для хра­нения запаса газа) выполняют герметически закрытые резервуары. В последнее время при снабжении природ­ным газом газгольдеры не строят. Газовые сети обору­дуют запорными устройствами, контрольными проводниками для проверки электрического состояния газо­проводов и установками защиты от коррозии.

Все газопроводы, составляющие распределительную сеть города или какого-либо другого населенного пунк­та, условно делят на магистральные (транзитные), рас­пределительные и ответвления. Магистральные газо­проводы в основном выполняют функции передачи газа от ГРС или из одного района города в другой, а распре­делительные — обеспечивают подачу газа непосредст­венно потребителям. В зависимости от максимального рабочего давления городские распределительные газо­проводы подразделяют на следующие категории:

а) низкого давления — с давлением газа не более 5 кПа (0,05 кгс/см2); б) среднего давления — с давлением газа более 5 до 300 кПа (от 0,05 до 3 кгс/см2); высоко­го давления — с давлением газа более 300 до 600 кПа (от 3 до 6 кгс/см2); высокого давления—с давлением газа более 600 до 1200 кПа (от 6 до 12 кгс/см2).

Газопроводы низкого давления в основном исполь­зуют для газоснабжения жилых домов, общественных зданий и небольших коммунально-бытовых предприя­тий. Газопроводы среднего и высокого давления до 600 кПа (6 кгс/см2) служат для питания распредели­тельных газопроводов через газорегуляторные пункты (ГРП), а также для подачи газа промышленным и крупным коммунальным предприятиям.

 

11.2 Назначение и классификация систем газоснабжения населенных пунктов

Газ является одним из лучших видов топлива; при его использовании достигается наивысший КПД, топливных установок. Резко сокращается численность обслуживающего персонала и исключаются затраты по удалению продуктов сгорания (золы, шлака). Процесс сжигания газа хорошо регулируется, и в связи с этим упрощается задача автоматизации производственных процессов. При использовании газа улучшаются санитарно-гигиенические условия помещений, где установлены газовые приборы и установки. Вместе с тем при неумелом и небрежном сжигания газа в значительной степени теряется эффективность этого вида топлива и могут создаваться условия, опасные для здоровья и жизни людей.

 

Таблица 6 - Классификация газопроводов, входящих в систему газоснабжения

Газопроводы Классификационные показатели
Наружные (уличные, внутриквартальные, дворовые, межцеховые) и внутренние (расположенные внутри зданий и помещений)   Подземные (подводные), надземные (надводные) , наземные   Распределительные, газопроводы-вводы, вводные, продувочные, сбросные, импульсные, а также межпоселковые   Высокого давления I категории, высокого давления II категории, среднего давления, низкого давления   Металлические (стальные, медные и др.) и неметаллические (полиэтиленовые и др.)   Природного газа, попутного газа и СУГ Местоположение относительно планировки поселений     Местоположение относительно поверхности земли   Назначение в системе газоснабжения     Давление газа   Материал труб     Вид транспортируемого газа

 

В состав искусственных газов, вырабатываемых из каменного угля, входит сильно ядовитый газ – окись углерода (СО), или, как его часто называют, угарный газ. Вдыхание даже небольшого количества окиси углерода может привести к тяжелым отравлениям, иногда со смертельным исходом. В воздухе этот газ может появиться в результате утечки домовых и уличных газопроводов, а также вследствие неполностью закрытых приборов. Природные (естественные) газы в своем составе окиси углерода не имеют, но она может образоваться при неполном сгорании этого газа. В газах некоторых месторождений могут быть сернистые соединения, которые также весьма токсичны. Поэтому для предотвращения отравлений газом необходимо полностью исключить утечки, а при возникновении их – своевременно обнаруживать и ликвидировать их. Нельзя также допускать поступления в помещения продуктов неполного сгорания газа.

Распределительными газопроводами следует считать наружные газопроводы, обеспечивающие подачу газа от источников газоснабжения до газопроводов-вводов, а также газопроводы высокого и среднего давления, предназначенные для подачи газа к одному объекту (ГРП, промышленное предприятие, котельная и т. п.) .

Газопроводом-вводом следует считать газопровод от места присоединения к распределительному газопроводу до отключающего устройства на вводе.

Вводным газопроводом следует считать участок газопровода от отключающего устройства на здание до внутреннего газопровода, включая газопровод, проложенный в футляре через стену здания.

Межпоселковыми газопроводами следует считать распределительные газопроводы, прокладываемые вне территории населенных пунктов.

Внутренним газопроводом следует считать участок газопровода от газопровода-ввода (при установке отключающего устройства внутри здания) или от вводного газопровода до места подключения прибора, теплового агрегата и др.

 

Вопросы для самопроверки:

1. Что представляет из себя газообразное топливо?

2. Основные характеристики газообразного топлива.

3. Состав газообразного топлива.

4. Газораспределительная сеть, её назначение и классификация.

5. Схема подачи газа от газового промысла до населенного пункта.

6. Назначение и классификация систем газоснабжения населенных пунктов.