А.А. Ионин, В.А. Жила, В.В. Артихович, М.Г. Пшоник ГАЗОСНАБЖЕНИЕ. Под общей редакцией профессора В.А. Жилы
реклама
А. А. Ионин, В. А. Жила, В. В. Артихович, М. Г. Пшоник ГАЗОСНАБЖЕНИЕ Под общей редакцией профессора В.А. Жилы Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области строительства в качестве учебника для студентов, обучающихся по направлению 270100 «Строительство» Издательство Ассоциации строительных вузов Москва 2013 Рецензенты: декан факультета теплоэнергообеспечения Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета доктор технических наук профессор Н.В. Мензелинцева; зам. начальника Управления по надзору за взрывопожароопасными и химически опасными объектами – начальник отдела по надзору за объектами газораспределения и газопотребления Росгортехнадзора РФ А.А. Феоктистов; заведующий кафедрой теплогазоснабжения Саратовского государственного технологического университета доктор технических наук профессор Б.Н. Курицын ; доцент кафедры «Газоснабжение и местные виды топлива» Государственного института повышения квалификации «ГАЗИНСТИТУТ» кандидат технических наук А.Я. Савастиенок. Ионин А.А., Жила В.А., Артихович В.В., Пшоник М.Г. Газоснабжение: учебник для студентов вузов по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». – М.: Изд-во АСВ, 2013. – 472 с. ISBN 978–5–93093–729–9 В учебнике изложены основы проектирования, расчета и эксплуатации систем газораспределения и газопотребления. Рассмотрено основное оборудование газовых сетей и газогорелочных устройств. Проанализированы режимы работы газовых сетей и оборудования, приводятся примеры гидравлического расчета газопроводов низкого и среднего давления, даются основы теории сжигания газа, приводится устройство и расчет газогорелочных устройств. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство», для специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». Книга может быть полезна для инженерно-технических работников газовых хозяйств, проектировщиков систем газораспределения и газопотребления. ISBN 978–5–93093–729–9 2 © Издательство АСВ, 2013 © Ионин А.А, Жила В.А., Артихович В.В., Пшоник М.Г., 2013 Профессор Александр Александрович Ионин А.А. Ионин окончил с отличием факультет теплогазоснабжения и вентиляции МИИГСа в 1946 г., защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук в 1952 г., а в 1967 г. – на соискание доктора технических наук, с 1953 г. – доцент, с 1968 г. – профессор, с 1994 г. – почетный профессор МГСУ. А.А. Ионин – известный ученый, специалист в области газоснабжения и теплоснабжения, общепризнанный основатель школы научных работников в области газоснабжения городов и промышленности, а также школы по исследованию, созданию и оптимизации надежных газо- и теплотранспортных систем. Ионин был в первых рядах научных работников, которые в начальный период газификации страны решали проблему эффективного сжигания природного газа в установках жилых зданий и отопительно-производственных котлах. Результаты экспериментальных и теоретических исследований были обобщены и опубликованы в одной из первых отечественных работ по газогорелочным устройствам (1951) Им разработаны теория и метод расчета эжекционных газовых горелок, обоснованный значительным экспериментальным материалом, результаты опубликованы в статьях и обобщающей научной монографии (1963). Газификация Советского Союза проводилась на базе природного газа, в то время как в Европе использовали быстрогорящий коксовый газ. В результате в самом начале газификации страны возникла задача коренного переоборудования существующих газогорелочных устройств. В решении этой задачи значителен вклад Ионина. В дальнейших исследованиях совместно с аспирантами был решен ряд научных задач по рациональному сжиганию природного газа. Иониным создан курс и написан учебник для вузов по газоснабжению, который вышел в 1965 г. и явился первым полным и обобщающим научным трудом по городским и промышленным системам, включая вопросы теории и практики сжигания газа. В 1989 г. вышло в свет четвертое издание этого учебника, в котором завершен процесс формирования специализации по газоснабжению как с технологических позиций, так и в направлении компьютеризации и автоматизации проектирования и управления распределительными системами газоснабжения. 3 Этот учебник является первым и до настоящего времени единственным для вузов России. Материал учебника и его объем (36 авторских листов) рассчитаны не только на студентов, но и на аспирантов и молодых преподавателей. Более 30 лет Ионин вел со своими учениками научные исследования по надежности тепловых и газовых сетей. Им созданы в этой области новое научное направление и научная школа. В изданных статьях и монографиях положены научные исследования по надежности сетей, а также разработана система нормирования и нормативы надежности (1989–1995). В 1982 г. под редакцией и с участием Ионина издан учебник для строительных вузов по курсу «Теплоснабжение». В этом курсе и при дальнейшей работе над ним Ионин развил идею алгоритмического построения дисциплины, приспособленное к компьютерным вычислениям. А.А. Иониным написано 129 научных и научно-методических работ, из них: 14 книг, 16 научно-методических работ, 6 авторских свидетельств. Общий объем печатных работ – 290 авторских листов. Подготовлено 4 доктора наук и 22 кандидата. В 2000 г. присвоено звание заслуженного деятеля науки РФ. В течение 15 лет А.А. Ионин заведовал кафедрой «Теплофикация и газоснабжение». Была развита лаборатория, создана необходимая методическая документация; активно велась научно-исследовательская работа. 18 лет Ионин работал членом Экспертного совета ВАК. Александр Александрович Ионин выполнял научную работу по надежности систем газоснабжения и теплоснабжения и вел исследования по разработке статистических и вероятностных методов диагностики состояния подземных трубопроводов без их вскрытия, читал курсы лекций, руководил проектированием и аспирантами. Педагогический стаж работы в МГСУ – 55 лет. 4 ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Газоснабжение» – одна из профилирующих при подготовке специалистов по теплоснабжению и вентиляции. Она основана на положениях ряда теоретических и прикладных дисциплин. К ним относятся: физика, химия, термодинамика, гидравлика, аэродинамика, электротехника. Дисциплина «Газоснабжение» тесно связана со специальными техническими дисциплинами, составляющими специальность «Теплогазоснабжение и вентиляция»: «Теплогенерирующие установки», «Теплоснабжение», «Отопление», «Вентиляция», «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение», «Автоматизация и управление процессами теплогазоснабжения и вентиляции». В нее входят в сокращенном виде многие смежные элементы перечисленных дисциплин, а также вопросы экономики, использования вычислительной техники, производства монтажных работ, подробно рассматриваемые в соответствующих курсах. Предыдущий учебник «Газоснабжение», разработанный профессором, доктором технических наук А.А. Иониным, вышел в свет в 1989 г. За последние десятилетия возрождения в России рыночной экономики произошли глубочайшие изменения, в том числе в области строительной индустрии. Заметно выросли объемы строительства, изменилось соотношение в использовании отечественной и зарубежной техники. Появились новые виды газового оборудования и технологий, зачастую не имевших ранее аналогов в России. Все это должно было найти свое отражение в новой редакции учебника. Настоящий учебник разработан на кафедре теплофикации и газоснабжения Московского государственного строительного университета (МГСУ) в соответствии с действующей программой на основе курса лекций, читаемых профессором, доктором технических наук А.А. Иониным. Без изменения базовых теоретических и методических основ курса с учетом современных тенденций в системе газоснабжения данный курс на кафедре теплофикации и газоснабжения ведет профессор В.А. Жила. Авторы не считали необходимым давать подробные описания непрерывно модернизирующегося оборудования, справочные данные, таблицы, графики, номограммы. Исключения составляют отдельные конкретные сведения, необходимые для примеров и пояснений конструкций и физических явлений. Отдельные разделы содержат практические примеры расчета систем газоснабжения и их оборудования. Авторы приносят благодарность инженерам А.В. Ковшуле, Н.А. Маевскому, С.А. Постуховой, Ю.Г. Маркевич за техническую помощь в оформлении учебника. 5 Авторы выражают глубокую признательность рецензентам – заведующему кафедрой теплогазоснабжения Саратовского государственного технологического университета доктору технических наук, профессору Б.Н. Курицыну, декану факультета теплоэнергообеспечения Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета профессору, доктору технических наук Н.В. Мензелинцевой, заместителю начальника управления – начальнику отдела по надзору за объектами газораспределения и газопотребления Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору А.А. Феоктистову за ценные советы и замечания, сделанные при рецензировании рукописи учебника. 6 ВВЕДЕНИЕ Россия – ведущая газовая держава мира. Это касается всех основных показателей – обеспеченность геологическими ресурсами и разведанными запасами природного газа, объемов его добычи, транспорта и экспорта. И только по потреблению газа Россия стоит на втором месте в мире после США, хотя и потребляет газа больше, чем все 15 стран Европейского Союза, вместе взятые. Ресурс потенциала России может не только полностью обеспечить свои потребности в газе на многие десятилетия, но и выступать гарантом энергетической безопасности тех стран, которые сотрудничают с нами в этой области – заключили межправительственные соглашения на поставку российского газа. Начальные суммарные ресурсы природного газа России (суша и шельф) оцениваются в 236 трлн м3. Из них по состоянию на 01.01.2006 г. накопленная добыча составляет свыше 14 трлн м3, разведанные запасы – 47,7 трлн м3, что составляет 26,7% всех мировых разведанных запасов. Перспективные и прогнозные ресурсы составляют более 170 трлн м3. Разведанные запасы газа в основном сосредоточены в Западной Сибири (77,4%). Основные прогнозные ресурсы приходятся на Западную и Восточную Сибирь, Дальний Восток, шельф Карского, Баренцева и Охотского морей. Основными факторами, определяющими развитие газовой промышленности в энергетической стратегии, являются ценовая, налоговая политика государства, формирование конкурентного рынка газа и система недропользования. Основа газовой отрасли – Единая система газоснабжения (ЕСГ) страны. ЕСГ целенаправленно формировалась как единый технологический комплекс, включающий все этапы доведения газа от пласта до конечного потребителя – добычу, транспорт, переработку, распределение с централизованным и одновременно многоуровневым управлением и обеспечивающий непрерывный цикл подачи топлива от газовой скважины до конечного потребителя. Природный газ является наиболее эффективным и экологически чистым видом топлива. Эксперты Международной топливноэнергетической ассоциации (МТЭА) провозгласили XXI век эпохой метана. Это означает, что природный газ должен стать в ближайшем будущем основой перестройки на новых принципах всего энергетического хозяйства мира. Доля природного газа в топливно-энергети7 ческом балансе будет возрастать во всех странах мира. Разведанные запасы природного газа в России создают прочную основу для дальнейшего развития газоснабжения. Природный газ будет иметь первостепенное значение в промышленности, энергетике и коммунально-бытовом секторе России. Доля природного газа в мировой структуре теплового баланса к 2025 г. превысит 25%. Природный газ вытеснит на третье место уголь. Нефть составит около 38% в топливном мировом балансе. Использование возобновляемых видов энергии будет увеличиваться достаточно высокими темпами, близкими к природному газу, но по абсолютным объемам они будут уступать ископаемым видам топлива. В нашей стране сосредоточено 30% доказанных и свыше 40% прогнозных мировых запасов газа. Однако по уровню газификации мы отстаем от западных стран. Уровень газификации в среднем в России находится в пределах 74%. Это с учетом сжиженного газа. По природному газу уровень газификации составляет 54% (в городах 61%, а в селах лишь 36%). Программа газификации предполагает улучшить качество жизни более 11 млн россиян. Россия – ведущая мировая энергетическая держава. Ей принадлежит 27% мировых запасов энергетических ресурсов. Структура потребления энергоресурсов в мире и в России различаются. Основа нашей энергетики – газ (52%), тогда как в мировой системе этот сектор более чем вдвое меньше за счет использования нефти, углей и ядерной энергии (рис. 1). В ближайшее десятилетие душевое энергопотребление не будет возрастать, а приблизится к показателю 2,5 тонны условного топлива на человека. Потребление энергии различается между развитыми и развивающимися странами примерно в семь раз. Но эта разница постепенно сокращается. Развитые государства будут снижать потребление энергии, а развивающиеся – увеличивать. До 2020 года цена на нефть будет расти. Возможно до 100…120 долларов США за баррель. К 2020 году мировая нефтяная промышленность перейдет в качественно иное состояние – ее рост сменится системным падением. Произойдет смена энергетического уклада. Как в свое время нефтяной уклад пришел на смену угольному, произойдет смена нефтяного уклада на газовый. А еще через какой-то период мир перейдет к неуглеводородному укладу. История показывает, что протяженность энергетического уклада равна 80 годам. Это 8 означает, что практически до конца XXI столетия на энергетическом рынке будет доминировать газ. Россия в период зимних холодов сталкивается с реальной угрозой нехватки газа для внутреннего потребления. С другой стороны, подписан контракт с Китаем, предусматривающий поставки значительного количества газа из Западной Сибири. В российском газе нуждаются страны Западной Европы. Рис. 1. Структура потребления энергоресурсов 9 Наращивание экспорта газа в Европу стимулирует поддержание высоких цен на газ, которые в пять раз превышают внутрироссийские. Главная причина нехватки газа связана с ограниченными возможностями для роста добычи сырья. Большинство эксплуатируемых месторождений переходят в стадию подающей добычи. При этом те месторождения, которые могли бы компенсировать сокращение добычи, расположены в районах с трудными природно-климатическими условиями – Арктический шельф, Ямал, Восточная Сибирь – и с почти полным отсутствием транспортной инфраструктуры. Решением проблемы является сокращение потребления газа электроэнергетикой и ЖКХ, так как они являются наиболее крупными потребителями природного газа в России. Оптимизация внутреннего потребления газа может решить проблему газового дефицита и обеспечит выполнение международных обязательств по российским экспортным контрактам, успешной реализации национальной программы газификации регионов России. В прошлом рост газовой промышленности был достигнут за счет перехода на газопроводы из труб диаметром 1420 мм на давлении 7,5 МПа вместо труб диаметром 1220 мм на давлении 5,5 МПа. Благодаря этому производительность газопроводов увеличилась в 2,5 раза. В настоящее время в России есть все предпосылки для перехода на строительство газопроводов из труб повышенной прочности, рассчитанных на давление 12,0 МПа для подземных газотрубопроводов и 15,0…20,0 МПа для морских. Новое поколение газопроводов позволит существенно уменьшить удельные капиталовложения и снизить стоимость транспортировки газа. Доля природного газа в топливном балансе России составляет 60%, и в европейской части – 80%. Развитие газового комплекса в Беларуси началось в 1960 г., когда первым потребителям Минска был подан природный газ из Дашавы. Это событие стало началом широкого применения газа в народном хозяйстве республики. В дальнейшем газоснабжение Беларуси осуществлялось из северных месторождений Тюменской области. За 1974–1985 гг. была построена развитая сеть магистральных газопроводов: три нитки газопровода Торжок-Минск-Ивацевичи длиной 453 км и отводы от него на Могилев, Гомель, Климовичи, а в дальнейшем на Бобруйск, Витебск, Гродно, Молодечно. Построены две нитки магистрального газопровода Ямал-Европа диаметром 1420 км протяженностью на 10 территории Беларуси 575 км. В настоящее время система магистральных газопроводов включает в себя 6,3 тыс. км газопроводов, 6 линейных компрессорных станций, 201 газораспределительную станцию, 2 подземных хранилища газа (Осиповичское емкостью 360 млн м3 и Прибугское объемом 480 млн м3). Непрерывно растет протяженность распределительных сетей: 1985 г. – 5,7 тыс. км; 1990 г. – 9,5; 1995 г. – 14,0; в настоящее время – 22,0 тыс. км. Газовая промышленность – одна из немногих отраслей народного хозяйства Беларуси, в которой не произошло обвальное снижение производства после распада СССР. Потребление газа в республике непрерывно растет: 1980 г. – 5,0 млрд м3, 1985 г. – 9,0; 1990 г. – 14,6; 2000 г. – 15,88; в настоящее время – 20,0 млрд м3. Беларусь занимает одно из первых мест в мире по уровню газификации страны. К 2009 г. природным газом были газифицированы все 118 районов, 2,2 млн квартир, 2 тысячи промышленных около 2 тысяч коммунальных предприятий. Для снабжения потребителей сжиженным газом построены 16 газонаполнительных станций. Сжиженным газом газифицировано примерно 1,8 млн квартир. 60% потребности СУГ поступает из России, а 40% производится на собствен-ных заводах: Новополоцком НПЗ, Мозырском НПЗ и Белорусском ГПЗ. Природный газ играет важнейшую роль в экономике Беларуси. Прежде всего, он является важнейшим топливным ресурсом для производства электрической и тепловой энергии. В топливном балансе Беларуси удельный вес газового топлива составляет 75%. Структура потребления газа в республике: энергетика – 50,4%; промышленность – 30,2; население – 7,9; сельское хозяйство и коммунально-бытовые потребители – 7,9; другие – 3,6%. Применение природного газа улучшает условия труда и быта населения, снижает загрязнение окружающей среды. Природный газ – высокоэффективный энергоноситель. Природный газ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами топлива: – стоимость добычи природного газа значительно ниже, а производительность труда значительно выше, чем при добыче угля и нефти; – высокая теплота сгорания делает целесообразным транспортировку газа по магистральным газопроводам на значительные расстояния; – обеспечивается полнота сгорания и облегчаются условия труда обслуживающего персонала; 11 – отсутствие в природных газах оксида углерода предотвращает возможность отравления при утечках газа, что особенно важно при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей; – обеспечивается возможность автоматизации процессов горения, достижение высоких КПД; – природный газ является ценным сырьем для химической промышленности; – высокая жаропроизводительность (более 2000 °С) позволяет эффективно применять в качестве энергетического и технологического топлива; – использование газового топлива позволяет внедрять эффективные методы передачи теплоты от факела и продуктов сгорания к изделиям, создавать экономичные и высокопроизводительные тепловые агрегаты, имеющие меньшие габариты, стоимость, высокий КПД, повышать качество продукции; – применение газового топлива позволяет избежать потерь теплоты с механическим и химическим недожогом. Уменьшение потерь теплоты с уходящими продуктами горения достигается сжиганием газа при малых коэффициентах расхода воздуха; – при работе агрегатов на газовом топливе возможно ступенчатое использование продуктов сгорания. Основными задачами использования природного газа является его рациональное и экономное потребление, снижение удельного расхода, внедрение технологических процессов, при которых наиболее полно реализуются положительные свойства газа. 12 Часть I. ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ 1. ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ 1.1. Основные свойства и состав газообразного топлива Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащих некоторое количество примесей. К горючим газам относят углеводороды, водород и оксид углерода. Негорючие компоненты – это азот, диоксид углерода и кислород. Они составляют балласт газообразного топлива. К примесям относят водяные пары, сероводород, пыль. Физико-химические и теплотехнические характеристики газового топлива обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов и примесей. Содержание метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов. Метан – бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Высшая теплота сгорания метана Qв = 39 820 кДж/м3, низшая Qн = 3 = 35 880 кДж/м . Оксид углерода – бесцветный газ без запаха и вкуса. Теплота сгорания 13 250 кДж/м3. Оксид углерода оказывает на организм человека токсическое воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. Предельная допускаемая концентрация СО в воздухе помещения при использования газа для коммунальнобытовых нужд составляет 2 мг/м3. Водород – бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха. Высшая теплота сгорания Qв = 12 750 кДж/м3, низшая теплота сгорания 10 790 кДж/м3. Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения. Азот – двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса. Азот не реагирует с кислородом. Диоксид углерода – бесцветный газ, тяжелый, малореакционный. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4…5% приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10%-ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. Кислород – газ без запаха, цвета и вкуса. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрыво13 опасным. Поэтому содержание кислорода в газа не должно быть более 1% по объему. Сероводород – тяжелый газ с сильным и неприятным запахом. Сероводород обладает высокой токсичностью. Сероводород является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому сероводород сильно коррозирует газопроводы. При сжигании газа сероводород сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м3 газа. Все природные газы бесцветны и не имеют запаха. Поэтому в случае утечки их из газопровода в помещениях может образоваться газовоздушная смесь. Для своевременного обнаружения утечки горючие газы одорируют, т.е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить при незначительных концентрациях в воздухе помещений. При этом запах природных газов для коммунально-бытовых потребителей должен ощущаться при содержании 1% в воздухе. В качестве одоранта применяют этилмеркаптан. Нормальная работа газовых приборов зависит от постоянства состава газа и числа вредных примесей, содержащихся в нем. Приведем физико-химические показатели природных топливных газов, используемых для коммунально-бытовых целей: Число Воббе, кДж/м3 ......................................................... 39 400…52 000 Допустимые отклонения числа Воббе от номинального значения, %, не более ............................... ±5 Масса меркаптановой серы в 1 м3, г, не более ................ 0,02 Масса механических примесей в 1 м3, г, не более .......... 0,001 Объемная доля кислорода, %, не более ........................... 1 Интенсивность запаха при объемной доле 1% газов в воздухе, баллы, не менее ...................................... 3 Согласно ГОСТ 5542-87* горючие свойства природных газов характеризуются числом Воббе, которое представляет собой отношение теплоты сгорания к корню квадратному из относительной (по воздуху) плотности газа: Q W0 = . β Так как пределы колебания числа Воббе широки, ГОСТ 5542-87* требует устанавливать для газораспределительных систем его номинальное значение с отклонением не более ±5%. 14 Природные газы, особенно получаемые при разработке нефтяных месторождений, содержат не только легкие и тяжелые углеводороды, но и инертные газы, неучет концентрации которых приводит к нарушению устойчивости пламени газовых горелок, уменьшению диапазона их регулирования, снижению полноты сгорания газового топлива и повышению содержания вредных компонентов в продуктах сгорания. Характеристики компонентов сухого природного газа приведены в табл. 1.1 (ГОСТ 22667-82*). Таблица 1.1 Теплота сгорания и относительная плотность компонентов сухого природного газа (при 0 °С и 101,325 кПа) Компонент Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 н-Бутан С4Н10 Изобутан С4Н10 Пентан С5Н12 Бензол С6Н6 Толуол С7Н8 Водород Н2 Оксид углерода СО Диоксид углерода СО2 Азот N2 Кислород О2 Гелий Не Теплота сгорания, МДж/м3 высшая низшая Относительная плотность β 39,82 70,31 101,21 133,80 132,96 169,27 162,615 176,26 12,75 12,64 ― ― ― ― 35,88 64,36 93,18 123,57 122,78 156,63 155,67 168,18 10,79 12,64 ― ― ― ― 0,5548 1,048 1,554 2,090 2,081 2,671 2,967 3,18 0,0698 0,9671 1,529 0,967 1,05 0,138 Теплоту сгорания газообразного топлива, которое представляет собой смесь горючих газов, определяют как сумму произведений величин теплоты сгорания горючих компонентов на объемные доли. Qнс = ∑ ri ⋅ Qнс i , кДж/м3, где ri – объемные доли горючих компонентов; Qнс i – теплота сгорания горючих компонентов. 15 1.2. Классификация газообразного топлива Для газоснабжения городов применяют природные и искусственные газы. Природные газы подразделяются на три группы: – газы, добываемые из чисто газовых месторождений; – газы, добываемые из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, часто называют попутными; – газы, добываемые из конденсатных месторождений. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана и являются тощими или сухими. Тяжелых углеводородов сухие газы содержат менее 50 г/м3. Сухие газы легче воздуха. Низшая теплота сгорания сухих газов 31 000…38 000 кДж/м3. Попутные газы помимо метана содержат значительное количество тяжелых углеводородов, поэтому их называют жирными газами. Жирные газы представляют собой смесь сухого газа, пропанбутановой фракции и газового бензина. Теплота сгорания попутных газов колеблется в диапазоне 38 000…63 000 кДж/м3. На газобензиновых заводах из попутных газов выделяют газовый бензин, пропан и бутан, последние используют для газоснабжения населенных мест в виде сжиженного газа. Специфика добычи попутного нефтяного газа заключается в том, что он, как следует из названия, является побочным продуктом нефтедобычи. Потери попутного нефтяного газа связаны с неподготовленностью инфраструктуры для его сбора, подготовки, транспортировки и переработки, а также отсутствием потребителя. Поэтому попутный нефтяной газ часто сжигают в факелах. Средний уровень утилизации попутного газа в России составляет около 70%. Проблема утилизации попутного нефтяного газа имеет не только экономический, но и экологический аспект. Сжигание газа в факелах наносит ущерб окружающей природной среде продуктами сгорания. Газы конденсатных месторождений состоят из смеси сухого газа и паров конденсата, который выпадает при снижении давления (процесс обратной конденсации). Пары конденсата представляют смесь паров тяжелых углеводородов, содержащих С5 и выше (бензина, лигроина, керосина). Сжиженные газы получают также из газов конденсатных месторождений. Газы конденсатных месторождений представляют собой смесь предельных углеводородов, основной составляющей которых является метан (80…90%). Содержание пентана и более тяжелых углеводородов составляет 2…5%, однако ввиду того, что конденсат состо16 ит из высокомолекулярных соединений, его массовая доля достигает 25%. Наличие в газе тяжелых углеводородов является отличительной особенностью газов конденсатных месторождений. Газоконденсатные месторождения образовались в результате процесса, обратного испарения конденсата, протекающего при высоких давлениях и температурах (в надкритической области), поэтому они располагаются на больших глубинах, где господствуют высокие давления. 1.3. Искусственные газы В соответствии с методами получения искусственные горючие газы подразделяются на три группы: – газы, получаемые методом сухой перегонки, т.е. в результате разложения твердого или жидкого топлива под действием высоких температур без доступа воздуха; – газы, получаемые путем воздействия пара на твердое или жидкое топливо при высокой температуре; – газы, получаемые путем неполного сжигания твердого или жидкого топлива. Представителем первой группы являются коксовый и каменноугольный газы, получаемые в коксовых печах. Сюда же следует отнести и нефтяные газы, получаемые в процессе деструктивной переработки нефти (крекинг, перолиз, синтез из газов). При сухой перегонке топливо проходит ряд стадий физикохимических преобразований, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Характер преобразований, претерпеваемых топливом, определяется его природой и температурой процесса. Сухую перегонку топлива, происходящую при высоких температурах (900…1100 °С), называют коксованием, в результате которого получают кокс и коксовый газ с Qнр = 16 000…18 000 кДж/м3 и ρ = 0,45…0,5 кг/м3. Примерный состав коксового газа в %: Н2 –59 СН4 –24 СnНn –2 СО –8 СО2 –2,4 О2 –0,6 N2 –4,0 17 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. При подаче в газогенератор паровоздушной смеси получают генераторный газ, называемый смешанным, примерный состав которого (в %) следующий: Н2 – 14 СН4 –1 СО – 28 СО2 –6 О2 – 0,2 Н2S – 0,2 N2 – 50,6 Низшая теплота сгорания смешанного газа Qн = 5,5 МДж/м3; плотность ρ = 1,15 кг/м3. Водяной газ получают путем периодической продувки газогенератора воздухом и паром. При подаче воздуха слой топлива аккумулирует тепло, выделяющееся при частичном его сгорании, а при поступлении водяного пара последний взаимодействует с углеводородом, используя аккумулированное тепло и образуя водяной газ. Горючими компонентами будут являться водород и окись углерода. Под термином «газификация топлива» понимается метод получения горючих газов при неполном горении топлива. В отличие от процесса сухой перегонки, при которой в результате химического разложения топлива около 30% его переходит в газ и другие продукты, а около 70% остается в виде твердого остатка – кокса, газификация твердого топлива является термохимическим процессом, при котором углерод коксового остатка, реагируя с кислородом, находящимся в свободном состоянии (воздух) или связанном (СО2, Н2О), дает горючие газы. Твердыми остатками после процесса газификации являются зола и шлак. Практически во время процесса газификации в определенном слое топлива происходит также и процесс сухой перегонки, поэтому горючие газы газификации смешиваются с газами сухой перегонки и дают генераторный газ. Аппараты, в которых получается генераторный газ, называются газогенераторами. Конструкция генератора представлена на рис. 1.1. Генератор представляет собой вертикальную шахту из листовой 18 стали, обмурованную изнутри огнеупорным кирпичом. Вверху газогенератора имеется загрузочный люк с размещенным над ним устройством для топлива. Топливо загружается на колоснике 4. Необходимые для газификации воздух и пар подаются под колосниковую решетку. Горючие газы отводятся через штуцер 6, а выгрузка шлака производится через люк 7. Процесс образования генераторного газа протекает по зонам, наличие которых обусловлено встречным движением топлива (сверху вниз) и нагретых газов (снизу вверх). Между кислородом воздуха и углеродом раскаленного топлива в генераторе возможны следующие реакции: С + О2 = СО2 (1.1) С + СО2 = 2СО (1.2) 2С + О2 = 2СО (1.3) 2СО + О2 = 2СО2 (1.4) Воздух, подводимый под колосники, проходя шлаковую подушку, которая образуется на колосниках в результате сжигания части топлива, подогревается за счет тепла шлаков и попадает в слой горящего топлива. В слое топлива небольшой высоты, непосредственно примыкающем к шлаковой подушке, кислород воздуха соединяется с углеродом топлива, образуя главным образом углекислоту по реакции (1.1) и частично оксид углерода по реакции (1.3). Необходимая высота этого слоя объясняется быстротой реакции (1.1). Про19 ОГЛАВЛЕНИЕ Профессор Ионин А.А............................................................................................. 3 Предисловие ............................................................................................................. 5 Введение ................................................................................................................... 7 Часть I. ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ................................................................... 13 1. Горючие газы, используемые для газоснабжения городов...................... 13 1.1. Основные свойства и состав газообразного топлива ............................. 13 1.2. Классификация газообразного топлива ................................................... 16 1.3. Искусственные газы .................................................................................. 17 2. Добыча углеводородов ................................................................................... 21 2.1. Основные положения образования углеводородов ................................ 21 2.2. Устройство газовой скважины ................................................................. 27 2.3. Подготовка газа к транспортировке......................................................... 28 2.4. Магистральные газопроводы.................................................................... 38 3. Газовые сети городов и населенных пунктов ............................................ 40 3.1. Классификация газопроводов................................................................... 40 3.2. Системы газораспределения городов и населенных мест, промышленных предприятий ................................................................... 41 3.3. Допустимые расстояния между подземными газопроводами и другими инженерными сооружениями................................................. 47 3.4. Переходы газопроводов через препятствия ............................................ 50 3.5. Трубы для газопроводов ........................................................................... 53 3.6. Оборудование газопроводов..................................................................... 64 3.7. Защита газопроводов от коррозии ........................................................... 72 4. Режим потребления газа ................................................................................ 82 4.1. Режим потребления газа по месяцам года............................................... 82 4.2. Режим потребления газа по дням недели ................................................ 84 4.3. Режим потребления газа по часам суток ................................................. 85 4.4. Определение расчетных расходов газа .................................................... 88 5. Гидравлический расчет газовых сетей ....................................................... 91 5.1. Определение потерь давления в газопроводах ....................................... 91 5.2. Определение дополнительного избыточного давления ......................... 94 5.3. Постановка задачи расчета тупиковой газовой сети .............................. 95 5.4. Постановка задачи расчета кольцевой газовой сети .............................. 99 5.5. Определение расчетных перепадов давления газа в сети низкого давления ..................................................................................... 103 5.6. Гидравлическая увязка кольцевых газовых сетей ................................ 106 5.7. Гидравлический расчет газовых сетей высокого (среднего) давления ................................................................................................... 110 5.8. Надежность газораспределительных систем......................................... 112 5.9. Гидравлический расчет газовых сетей низкого давления.................... 125 12 469 5.10. Пример гидравлического расчета кольцевого газопровода высокого (среднего) давления ................................................................ 143 5.11. Пример гидравлического расчета внутридомового газопровода .............................................................................................. 153 6. Регуляторы давления ................................................................................... 169 6.1. Принципиальные схемы регулирования давления газа ....................... 169 6.2. Классификация регуляторов давления газа........................................... 171 6.3. Газорегуляторные пункты и установки ................................................. 188 6.4. Расчет пропускной способности регуляторов давления газа............... 202 7. Сжиженные углеводородные газы ............................................................. 209 7.1. Основные характеристики сжиженных углеводородных газов .......................................................................................................... 209 7.2. Установки сжиженных углеводородных газов у потребителей............................................................................................ 221 7.2.1. Газобаллонные установки............................................................. 221 7.2.2. Резервуарные установки ............................................................... 224 7.2.3. Использование смеси паров сжиженных газов с воздухом ................................................................................................... 234 8. Эксплуатация систем газораспределения................................................. 236 8.1. Определение технического состояния подземных газопроводов ............................................................................................ 236 8.2. Технология выполнения основных работ по ремонту газопроводов ............................................................................................ 241 8.3. Технология проведения изоляционных работ на газопроводах ............................................................................................ 247 8.4. Присоединение ответвлений к действующим газопроводам .............. 248 8.5. Работы по предотвращению образования и ликвидации конденсатных и гидратных пробок........................................................ 258 8.6. Организация работ по пуску газа ........................................................... 260 8.7. Обслуживание и ремонт газорегуляторных пунктов ........................... 262 8.8. Аварийное отключение участков газопроводов ................................... 265 8.9. Техника безопасности при эксплуатации газовых сетей ..................... 273 Часть II. ГАЗОПОТРЕБЛЕНИЕ ..................................................................... 286 9. Теоретические основы сжигания газа ....................................................... 286 9.1. Реакции горения газов ........................................................................... 286 9.2. Расчеты процессов горения................................................................... 294 9.3. Температура горения газов ................................................................... 300 9.4. Температура воспламенения................................................................. 310 9.5. Пределы воспламенения ....................................................................... 314 9.6. Горение в неподвижной среде .............................................................. 323 9.7. Горение в ламинарном потоке .............................................................. 333 9.8. Горение в турбулентном потоке ........................................................... 339 9.9. Устойчивость горения и стабилизация пламени................................. 343 12 470 9.10. Методы сжигания газа........................................................................... 355 9.11. Предотвращение химического недожога............................................. 360 10. Газовые горелки ............................................................................................ 363 10.1. Основные технические характеристики, классификация газовых горелок ..................................................................................... 363 10.2. Горелки без предварительного смешения газа с воздухом ................................................................................................. 367 10.3. Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения..................................................... 373 10.4. Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом ................................................................................................. 378 10.5. Горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом....................................................................................... 384 11. Расчет газовых горелок ................................................................................ 397 11.1. Расчет подовых горелок ........................................................................ 397 11.2. Расчет атмосферных горелок................................................................ 405 11.3. Расчет инжекционных горелок среднего давления............................. 414 11.4. Расчет горелок с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом (расчет смесительных горелок)............. 422 11.5. Пересчет горелок на новые условия работы ....................................... 431 Задание и методические указания к выполнению курсового проекта «Газоснабжение города» ..................................................................... 437 Список литературы ............................................................................................... 465 12 471 Учебное издание Ионин Александр Александрович Жила Виктор Андреевич Артихович Валерий Васильевич Пшоник Марина Григорьевна ГАЗОСНАБЖЕНИЕ Редактор: Компьютерная верстка: Компьют. дизайн обложки: Г. М. Мубаракшина В. Ю. Алексеев Н. С. Романова Подписано в печать 5.11.2012. Формат 60×90 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Усл. 29,5 печ.л. Тираж 500 экз. Заказ № Лицензия ЛР № 0716188 от 01.04.98. Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ) 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, отдел реализации: оф. 511 тел., факс: (499) 183-56-83 http://www.iasv.ru, e-mail: iasv@mgsu.ru 12 472
