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.