Получение и применение газовоздушных смесей для целей газоснабжения.

Использование газовоздушных смесей для газоснабжения обусловлено рядом обстоятельств.

В практике, особенно при наличии аварийных ситуаций в системе газоснабжения природным газом, возникает необходимость замены того или иного вида газа без конструктивных изменений газового оборудования. Более высокие по сравнению с природным газом теплота сгорания и плотность сжиженных углеводород­ных газов требуют их смешивания с воздухом и используются в качестве топлива газовоздушных смесей. В паровой фазе пропан-бутановых смесей, подаваемых по распределительным газопро­водам в городскую газовую сеть, допускается лишь небольшая добавка бутана и только в теплые месяцы. В то же время выработка жидкою технического бутана на нефтеперерабатывающих и газобеизиновых заводах достаточно велика, что приводит к необходимости решения вопроса более широкого использования бутана в качестве топлива. Использование смесей жидкого технического бутана для газоснабжения возможно с помощью установок пропан-бутано-воздушного газа, в которых осуществляется процесс смешивания перегретых паров пропана и бутана или чистого бутана с воздухом. При этом должны быть обеспечены постоян­ный состав и теплота сгорания газовоздушной смеси. В этом слу­чае газовоздушную смесь можно использовать и для установок природного газа. Таким образом, хранилища сжиженных угле­водородных газов могут быть применены дли компенсации пиковых ситуаций в системе газоснабжения.

Следует отметить, что газовоздушные смеси могут быть взаимо­заменяемы с природными газами и иметь более низкую температуру конденсации, чем сжиженные углеводородные газы, что позволяет транспортировать их в газообразном состоянии, а также могут увеличивать возможность использования бутана в течение всего Года, позволять организовывать газоснабжение населенных пунктов с перспективой перевода их затеи на природный газ, служить резервным топливом в типовых и аварийных ситуациях, расширять возможности централизованного газоснабжения сжи­женными углеводородными газами.

Расчеты состава газовоздушной смеси основываются на соответствии заменяемых газов по плотности, теплоте сгорания, скорости распространения пламени и других характеристик сжигаемости газа. Из опыта расчетов газожндкостных смесей следует, что для их приготовления более всего подходят предельные углеводороды, содержащиеся в сжиженных углеводородных газах газобензиновых заводов. Непредельные углеводороды имеют скорость распространения пламени, превышающую на 25—30% и более эту величину для природного газа, и поэтому нецелесообразно применять их в чистом виде для взаимозаменяемости. Сжиженные углеводородные газы нефтеперерабатывающих заводов не должны содержать этилен и должны использоваться в смеси со сжиженными газами газобензиновых заводов. Исходя из того, что газовоздушные смеси при определенной концентрации газа взрывоопасны, необходимо, чтобы содержание газа в газо­воздушной смеси было эквивалентно не менее чем двум верхним пределам взрываемости при автоматическом поддержании соот­ношения газ—воздух.

Для замены природных газов целесообразны смеси бутан-воздух, содержащие 47% бутана и 53% воздуха, смеси пропан-воздух, содержащие 58% пропана и 42% воздуха. Их можно транспортировать при низком давлении (до 5000 Па) в газообразном состоянии для смеси бутан—воздух при температуре до —17 "С и для смеси пропан—воздух при температуре до —37 °С.

Для получения газовоздушных смесей используют струнные аппараты: для низкого давления (до 0,0005 МПа) — газоструйные инжекторы, для среднего давления (от 0,005 до 0,3 МПа) — газоструйные компрессоры. Для нагнетания воздуха применяют вентиляторы низкого, среднего и высокого давления, а такие поршневые и ротационные компрессоры.

При смешивании воздуха с парами сжиженного углеводород­ного газа используют регуляторы соотношения газ— воздух с проверкой теплоты сгорания полученной смеси. Основным элементом системы контроля служит расходомер, уста­навливаемый на выходе станции смешения. Изменения расхода газа преобразуются о командные импульсы, которые передаются пропорциональным исполнительным механизмам, управляющим положением клапанов регулятора соотношений потоков. Более точную подстройку состава по парам сжиженных углеводородных газов ведут по данным контролирующего калориметра для поддержания постоянной теплоты сгорания получаемой газовоздушной смеси.

Инжекторы состоят из сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора.

Пары сжиженных углеводородных газов под собственным давлением поступают в сопло и выходят в приемную камеру, в которую поступает и воздух. Потенциальная энергия сжатых паров при выходе из сопла превращается в кинематическую энергию расширяющейся газообразной струи, которая с большой скоростью устремляется из приемной в смесительную камеру, имеющую форму короткого цилиндра. Струя паров сжиженных углеводородных газов при своем движении захватывает из приемной камеры находящийся там воздух, и в смесительной камере образуется газо­воздушная смесь. Количество воздуха, поступающего в смесительную камеру, зависит от площади камеры выходного критического сечения сопла и давлении паров сжиженных углеводородных газов. Поддержание необходимого давления паров сжиженных углеводородных газов для данного инжектора при постоянном давлении воздуха может обеспечивать постоянство состава газовоздушной смеси.

После камеры смешения газовоздушная смесь направляется в диффузор, где происходят расширение газовой струи и повы­шение давления образовавшейся газовоздушной смеси. Для достижения возможности регулировании инжекторов в относительно узких диапазонах используют игольчатые клапаны, находящиеся в соплах инжекторов. Принцип их работы состоит в частичном перекрытии критического сечения сопла. Игольча­тый клапан приводится в действие мембранным сравнивающим устройством. При полностью открытом сопле инжектор работает с максимальной производительностью, при уменьшении расхода подается соответствующий сигнал командного газа, что приводит к частичному перекрытию сопла игольчатым клапаном.

Параллельно работающие инжекторы сблокированы с помощью мембранных запорных клапанов, трубок Вентури, дроссельных диафрагм и регуляторов давления. Блокирование позволяет осуществить их последовательное автоматическое включение в работу и выключение из работы в зависимости от колебаний потребления газовоздушной смеси.

Максимальный эффект от использования газовоздушных сме­сей можно получить при условии использования их в местах, где нет достаточного количества природного газа, применяемого в основном для питания сетей низкого давления, а также при использовании в резервных и передвижных установках.

17.Борьба конденсато- и гидратообразованием в газопроводах.

Все углеводородные газы в реальных условиях содержат водяной пар. Его количество при заданных температуре и давлении газа строго определенно. Насыщение газов водяным паром возможно до предельного давления, равного упругости насыщенного пара при заданной температуре. Различают абсолютную и относительную влажность газов.

Абсолютная влажность (влагосодержание) газа — количество водяных паров в единице объема или массы газа (соответственно различают абсолютную объемную, г/м³, и абсолютную массовую влажность, г/кг).

Относительная влажность газа φ (степень насыщения газа водяными парами), доля единицы или процент, — отношение фактически содержащегося в газе количества водяного пара к максимально возможному при заданных температуре и давлении. Относительную влажность газа можно выразить и через отношение парциального давления  находящегося в газе водяного пара к давлению  насыщенного пара при той же температуре, т. е. . Для воздуха (при атмосферном или близком к нему давлении), насыщенного водяным паром, т. е. при , абсолютная объемная влажность и упругость паров в зависимости от температуры приведены в табл. 1.14. В практических расчетах и для других газов, если они находятся под давлением, близким к атмосферному, также можно пользоваться данными табл. 1.14. Для углеводородных газов отклонение от табличных данных тем больше, чем выше в них содержание углерода.

Поскольку влажный газ следует законам идеального газа, влажность газа при различных давлениях, кг на 1 кг сухого газа,

                                               (1-79)

где  и  — удельные газовые постоянные сухого газа и водяного пара, Дж/(кг-К); φ — относительная влажность газа; — упругость насыщенных паров воды при заданной температуре, кПа; р — общее давление влажного газа, кПа.

При давлении р, намного превышающем парциальное давление водяных паров,

                                                                        (1.79а)

Сжиженные газы (жидкости) способны растворять некоторое количество воды, увеличивающееся с повышением температуры.

Содержание воды в 1 кг паров углеводородов значительно превышает таковое в 1 кг жидкости. Следовательно, при наличии в сжиженных углеводородах воды в растворенном виде она будет достаточно интенсивно переходить из жидкой фазы в паровую фазу.

Наличие влаги в сжиженных углеводородных газах значительно осложняет эксплуатацию систем газоснабжения. Пары углеводородов, входящих в состав сжиженных газов, при отрицательных температурах превращаются в жидкость, т. е. образуется конденсат. Соответственно и водяные пары, находящиеся в газе, образуя ледяные или снеговые пробки, переходят в жидкое состояние, а затем — в лед. Сам по себе конденсат сжиженного газа при неблагоприятных условиях может закупоривать газопроводы, клапаны регуляторов давления, запорную арматуру. Закупорке способствуют ледяные пробки. Кроме того, углеводороды с водой образуют кристаллогидраты, которые также приводят к закупорке газопроводов. Для предотвращения образования ледяных (и снеговых) пробок и кристаллогидратов необходимо, чтобы  при самой низкой расчетной температуре в газопроводе.

Кристаллогидраты представляют собой белые кристаллические тела, похожие на снег или лед (в зависимости от условий их образования). Так, метан с водой образует гидрат СН₄·7Н₂О, этан — С₂Н₆·8Н₂О, пропан — С₃Н₈·18Н₂О и т. д. При этом гидраты возникают при температуре, значительно превышающей температуру образования льда. Однако каждый из названных углеводородов характеризуется максимальной температурой, выше которой ни при каком повышении давления нельзя вызвать гидратообразование газов. Эта температура называется критической температурой гидратообразования и равна, °С: для метана—21,5, этана—14,5, пропана—5,5, н-бутана—2,5, изобутана—1. Чем тяжелее углеводородный газ, тем скорее он в присутствии влаги образует гидрат. Высокая скорость и турбулентность потока, пульсация компрессора, быстрые повороты и другие условия, усиливающие перемешивание смеси, также способствуют возникновению гидратов.

Конденсат образуется при понижении температуры воздуха или грунта ниже определенного уровня отрицательных температур. Его образование зависит также от состава сжиженных газов и соответственно от упругости паров. Пары пропана при низком давлении (до 5 кПа) образуют конденсат, когда их температура понижается до -42 °С, а н-бутана — до -0,5 °С. Смесь паров пропана и н-бутана (50 мас. %), широко используемая при газоснабжении коммунально-бытовых потребителей, образует конденсат уже при температуре -21 °С (при избыточном давлении 0,3 МПа конденсация смеси наступает примерно при 10 °С).

Конденсация паров сжиженных углеводородов наблюдается в надземных газопроводах, проложенных без специального подогрева и утепления, а также в газопроводах среднего и высокого давления на газонаполнительных станциях и в резервуарных установках. Для предупреждения конденсации паров и закупорки газопроводов необходимо использовать сжиженные газы с повышенным содержанием технического пропана; прокладывать газопроводы низкого давления под землей, в зоне положительных температур грунта; устраивать конденсатосборники в низких точках подземного газопровода; делать минимальными по протяженности и утеплять цокольные вводы газопроводов в здания; прокладывать в необходимых случаях надземные газопроводы с обогревающими спутниками в обшей тепловой изоляции; делать минимальными по длине газопроводы высокого давления резервуарных установок; предусматривать при их прокладке возможность беспрепятственного стока конденсата в резервуар; предусматривать конденсатосборники на трубопроводах высокого давления газонаполнительных станций перед компрессорами.

Из полученных на заводах сжиженных газов, применяемых как топливо, полностью удаляют дренажную воду, в результате чего они практически не содержат влаги. Вода может попадать в сжиженный газ из резервуаров, подвергшихся гидравлическим испытаниям, если она не была полностью удалена из них, а также из транспортных резервуаров. В сухие резервуары влага может попасть из влажного воздуха при пневматическом испытании.

Образовавшиеся углеводородные гидраты можно разложить подогревом газа, снижением его давления или вводом веществ, уменьшающих упругость водяных паров и тем самым понижающих точку росы газа. Наибольшее распространение для этих целей получил метанол (метиловый спирт). Его пары с водяными парами образуют растворы, переводящие водяные пары в конденсат, который выделяется из жидкой фазы (температура замерзания спирто-водного раствора значительно ниже, чем воды). Этот раствор затем удаляют вместе с тяжелыми остатками. Масса добавляемого метанола (с учетом наличия в сжиженном газе только растворенной связанной воды) составляет 0,26 кг на 1000 кг газа. Если в сжиженном газе присутствует свободная вода, масса метанола в нем увеличится из расчета 0,5-0,6 кг метанола на 1 кг свободной воды.

 

18.Получение, транспорт и использование сжиженных природных газов.

Получение. Сжиженный природный газ получается при охлаждении природного газа. Сжижение природного газа производится для более легкого и компактного складирования или транспортировки потребителю.

Главным преимуществом сжиженного природного газа является то, что при сжижении его объем уменьшается в 600 раз. Плотность сжиженного природного газа примерно в 2 раза меньше плотности бензина.

Сжиженный природный газ - криогенная жидкость, которая хранится под небольшим избыточным давлением при температуре около 112 К (-161 градус C) в емкости с теплоизоляцией, и нетоксична.

 В промышленных условиях СПГ получают способом охлаждения и конденсации природного газа; при этом давление его выбирают в пределах P = 3,5...5,0 MПа (примерно 35...50 атмосфер).

Для охлаждения и конденсации предусматривается сжатие рабочего тела (криоагента) в компрессорах и затем резкое снижение давления в специальных устройствах, называемых дроссельными.

Иногда схему цикла дополняют расширительные машины – турбодетандеры, в которых газ охлаждается при его расширении на лопатках рабочего колеса. Энергия вращательного движения расходуется на сжатие газа в компрессорах или на выработку электроэнергии в генераторах. Охлажденный криоагент пропускается в теплообменниках навстречу теплому потоку природного газа. Потоки разделены теплопередающими поверхностями.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПГ. СНГ транспортируют трубопроводным, железнодорожным, морским и автомобильным транспортом

Трубопроводы используют для транспортировки значительных количеств СНГ от нефтеочистительного завода до вторичного рас­пределительного предприятия, расположенного в крупной про­мышленной зоне, или до очень крупных потребителей (современ­ный газоперерабатывающий завод, электростанция). В качестве примера можно назвать трубопровод СНГ в Фоули, по которому жидкий СНГ поступает на газовые заводы Управления газом рай­она Северной Темзы (Великобритания). К трубопроводам следует отнести и отводы, предназначенные для обслуживания других по­требителей. 1— морские танкеры; 2 — береговые нефтеочистительные предприятия; 3 — внутрнконтинентальные или прибрежные хранилища-базы; 4, 5 — железнодорожные иавтомобильные ци­стерны; 6 — гаэонаполннтельные станции промышленных потребителей, жилищно-бытового сектора; 7 — кустовая база; 8 — центральная база-распределитель; 9 — трубопроводы- 10 — место производства СНГ; 1 — нефть (импорт);II-баллонный СНГ в жилищно-бытовой сектор; III — СНГ мелким потребителям; IV — СНГ на технологические нужды

Железнодорожный транспорт используют для перевозки незна­чительных количеств СНГ, которые невыгодно транспортировать по трубопроводу. Железнодорожный состав формируют из отдель­ных цистерн, вмещающих до 50 т бутана или 40 т пропана. Их устанавливают на двухосные тележки. Общая масса продукта, перевозимого одним составом, в этом случае равна 500 т и более.

Железнодорожная цистерна — это аппарат высокого давления, автоклав. Она сама и ее несущая рама рассчитаны и сконструиро­ваны в соответствии с требованиями техники безопасности на железнодорожном транспорте. В состав арматуры цистерны вхо­дят дыхательные клапаны, патрубки для залива н слива жидких СНГ, обратный паровой клапан, клапан безопасности, указатель уровня жидкости, манометр, штуцер, который может быть исполь­зован для отбора проб, и термометр. Клапан безопасности и дыха­тельные клапаны расположены в верхней части цистерны, а осталь­ные арматура и приборы, сгруппированные вместе, — в нише или на боковой стенке ее. Система соединительных патрубков и арма­туры дублируется в связи с тем, что цистерна может подаваться на запасные пути потребителя с разных направлений. Приборная и арматурная ниши надежно закрываются раздвижными двер­ками. Трубопроводы для подачи жидкой и паровой фаз снабжены самозапорными соединительными муфтами. Это позволяет сводить к минимуму утечки СНГ в атмосферу при соединении и разъедине­нии железнодорожных цистерн, а следовательно, и пожароопас-ность в результате возгорания паров СНГ.

Морской транспорт. Если нефтеперерабатывающие заводы и потребители расположены на побережье, то пропан и бутан наи­более целесообразно транспортировать Морским путем. Емкости на береговых базах, как правило, представляют собой резервуары повышенного давления с единичной вместимостью до 1000 м³ (500 т) СНГ. На танкерах можно перевозить до 40 тыс. м³ (20 тыс. т) СНГ при постоянном охлаждении их до —50"С. В од­них и тех же емкостях нецелесообразно перевозить различные жидкие газы (бутан, пропан, аммиак, бутадиен и пропилен), так как возникает опасность засорения одного продукта другим из-за неполной очистки и некачественной проверки танков между погру-зочно-разгрузочными операциями.

Автомобильный транспорт является наиболее распространен­ным видом транспорта для перевозки небольших количеств СНГ между нефтеочистительными заводами или базами вторичного распределения и местными потребителями. Большинство пред­назначенных для этой цели грузовых автомобилей оборудованы перекачивающими насосами, позволяющими обслуживать тех по­требителей, которые не располагают разгрузочным оборудованием. Некоторые автомобили имеют счетчики для учета доставляемого продукта, хотя более точным средством учета является взвешива­ние автоцистерны на заправочной станции перед отправкой ее в рейс и по возвращении, что позволяет определить расход СНГ как топлива на собственные нужды.

В состав прочего оборудования входят соединительные рукава, манометр, термометр, указатель уровня жидкости и клапан безопасности.

Использование. Сжиженные или, как часто называют, жидкие углево­дородные газы — пропан, бутан и их смеси, широко при­меняются при газоснабжении коммунально-бытовых пот­ребителей. В настоящее время большая часть квартир в стране газифицирована сжиженными газами. Широко используется сжиженный газ для отопления животновод­ческих помещений с помощью горелок инфракрасного из­лучения. К потребителям газ доставляют и специальных герметически закрытых сосудах или резервуарах под давлением в несколько атмосфер. Крупные потребители (многоэтажные дома, коммунальные предприятия), как правило, снабжаются газом от резервуарных установок по газопроводам, как при снабжении природным газом. Иногда целые районы и даже города снабжаются сжи­женным газом по газовым сетям, источником для кото­рых служит группа резервуаров. Мелкие потребители (не­большие дома и отдельные квартиры) газ получают в баллонах.

Сжиженный природный газ является качественным моторным топливом, обладающим высокой теплотворной способностью и хорошими антидетонационными свойствами. СПГ не токсичен, не загрязняет топливной системы, не вызывает коррозии. При его применении увеличивается срок службы оборудования; в 2 раза снижается расход масла и увеличивается межремонтный ресурс. Не менее важен и экологический аспект. СПГ в автомобильных моторах сгорает практически полностью; по сравнению с бензиновым выхлопом содержание углеводородов в воздухе сокращается в 2...3 раза, окиси азота – в 2 раза, окиси углерода – в 10 раз.