Система теплоснабжения обеспечивает жилые, административные, производственные здания и помещения горячей водой, газом, теплом и электричеством. В составе такой системы задействован комплекс газоиспользующего оборудования, для работы которого необходим достаточный объем топлива.
На данный момент в качестве хранимого топлива для систем автономного газоснабжения, не связанных с магистральной линией подачи газа, широко распространены сжиженный углеводородный газ (СУГ) и сжиженный природный газ (СПГ). В маркировке на английском языке LPG (liquefied petroleum gas) и LNG (liquefied natural gas) соответственно.
СПГ - это смесь газов, образовавшихся в глубоких слоях Земли при анаэробном разложении органических соединений. Добыча производится из пластов и из нефтяных месторождений, где газ может быть побочным продуктом нефти. В некоторых случаях могут попадаться газогидраты - кристаллическая форма природного газа.
СУГ - это тоже смесь газов, но полученная из попутного нефтяного газа или из конденсатной фракции природного газа за счет разделения с помощью абсорбционно-газофракционирующей установки.
СУГ и СПГ могут быть взаимозаменяемыми. Сжиженный углеводородный газ может выступать как основным видом топлива, так и резервным в системе газоснабжения на сжиженном природном газе.
Оба газа схожи между собой по нескольким параметрам:
- сфера применения: тепло- и газоснабжение;
- способность к испарению: хранение и транспортировка газа производится в жидкой фазе, которая при соблюдении определенной температуры преобразуется в газообразное состояние;
- экологичность: при сжигании не происходит выброса соединений серы в атмосферу, отсутствует сажа и зола;
- малая токсичность.
В чистом виде оба газа не имеют ярко выраженного запаха, поэтому для своевременного обнаружения вещества в воздухе в газ примешиваются одоранты - этантиол, смесь природных меркаптанов и др.
Отличия сжиженных газов СУГ и СПГ
Имея схожую структуру, параметры и физико-химические свойства, оба газа отличаются между собой, что дает возможность подобрать оптимальное топливо для технологической линии систем газоснабжения объекта.
| Показатель | Сжиженный углеводородный газ СУГ |
Сжиженный природный газ СПГ |
|---|---|---|
| Состав | Основные вещества: пропан и бутан, содержание не менее 95% Дополнительные вещества: пентан, метан, этан, этилен, пропилен, бутилен |
Основное вещество: метан, содержание 85-95% Дополнительные вещества: этан, пропан, бутан, азот, сероводород, меркаптановая сера |
| Способ хранения | или газгольдеры | криоцистерны, в которых поддерживается пониженная температура |
| Для выработки 1 Гкал необходимо сжечь нормального топлива | 99,84 кг* | 104,48 кг* |
| Критическая температура, свыше которой невозможно сжижение газа | 96,84°C (пропан) | -82,5°C (метан) |
| Плотность газовой фазы при 0°C | 0,7168 кг/м 3 | 2,0037 кг/м 3 |
| Плотность жидкой фазы при 0°C | 416 кг/м 3 | 528 кг/м 3 |
| Удельная теплота сгорания | 45,58 МДж/кг | 43,56 МДж/кг |
| Концентрация газа, необходимая для воспламенения | концентрация паров пропана от 2,3 до 9,5 %, нормального бутана от 1,8 до 9,1 % (объемных) | от 4,4 % до 17 % (объемных) |
| * Значение приведено условно, т.к. точность расчета напрямую зависит от состава применяемого на объекте газа | ||
Исходя из данных в таблице выше, ключевым и наиболее важным различием является температура хранения. СУГ хранится в газгольдерах под давлением при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Недостаточное испарение жидкой фазы может наблюдаться в районе Крайнего Севера, где температура воздуха может быть ниже -60°С. Для улучшения процесса регазификации в таких регионах устанавливают жидкостного или электрического типа.
Условия хранения СПГ же кардинально отличаются. Сжиженный природный газ допускается хранить только в изотермических резервуарах с полной герметизацией (криоцистернах), изготовленных из материалов, стойких к температурам хранения продукта. Внутри емкости постоянно должна поддерживаться низкая температура около -163°С.
Особенности использования в автомобильном газобаллонном оборудовании сжиженного нефтяного газа (СНГ) в виде смеси пропана с бутаном и его аппонента сжиженного природного газа (СПГ) метана.
В широком применении для автомобилей два состава газа – пропан и метан. Какой из них лучше, дешевле, технологичнее и надежнее? Давайте разберемся, чтобы после прочтения не осталось сомнений.
Оборудование для метана используют всего на 25% автомобилей, на остальные 75% автомобилей ставят пропан. При этом метан часто ставят на коммерческом транспорте, где выбор делает не водитель, а организация собственник транспортного средства. Разберем причины такого соотношения на рынке ГБО.
Автоблогер разбирает особенности пропана и метана в пятнадцатиминутном видео: что лучше для авто, основная разница
Особенности пропан-бутана (СНГ)
Пропан - углеродный газ, побочный продукт при добыче нефти. Не имеет запаха, прозрачен и безвреден для человека. В него также добавляются одоранты, чтобы при утечках его могли почувствовать. Химическая формула - C 3 H 8 .
На заправках мы видим надпись «пропан–бутан». Бутан - это также углеродный газ, который выделяется при схожих условиях. Его смешивают с пропаном для того, чтобы добиться нужного октанового числа. Причем в различные время года составы меняются: зимой больше пропана, а летом бутана.
Хранится он в баллонах в автомобиле в сжиженном виде. То есть он жидкий, а не газообразный - «плюхается» в баллоне. Также большим преимуществом является рабочее давление, которое составляет всего 14 атмосфер. Для него нужны емкости из более легкого металла и стенки баллона намного тоньше. Сейчас наибольшее распостранение получили тороидальные баллоны в виде бублика, которые помещяются на место запаски. При этом баллон не занимает места в багажнике, но приходится жертвовать запасным колесом.
На среднестатистическом оборудовании при полной заправке можно проехать 650…850 километров, что в четыре раза больше, чем у оппонента.
Расход на пропане 11…13 литров на 100 км на среднестатистическом автомобиле с двигателем 1.6 литра на 4 поколении ГБО.
Оборудование стоит в два раза дешевле. По нашему опыту девять из десяти компаний по установке газового оборудования специализируются на пропане.
Много заправок. Также большим плюсом является то, что заправок на пропане в десятки раз больше.
Потеря мощности двигателя ниже, около 5…10%.
Плюсы пропана:
- Дешевое оборудование.
- Очень много компаний, которые обслуживают и устанавливают.
- Низкое давление.
- Хранится в сжиженном виде.
- Легкое и компактное оборудование, можно установить в гнездо для запаски.
- Больший пробег.
- Меньшая потеря мощности около 5…10%.
Минусы пропана:
- Пропан дороже метана на примерно 3 рубля за литр. Пропап стоит 17 рублей против 14 за литр метана.
- Более взрывоопасен, чем метан. При повреждении баллона не так быстро испаряется в атмосферу.
Пропан хоть и стоит чуть дороже, но обладает большим количеством плюсов и распостраненностью заправок.
Совместимость СНГ и СПГ с последними поколениями ГБО
И напоследок об еще одном минусе метана - несовместимости с пятым и шестым поколениями ГБО. Пропан может с этими поколениями работать, а метан нет и скорее всего не сможет.
В 5 и 6 поколениях газ подается жидким в систему впрыска топлива и схож с бензином. Пропан хранится в баллонах в жидкой форме, а метан в газообразном виде. Поэтому установка метана возможна только до 4 поколения оборудования. Последние поколения дают расход примерно равный расходу бензина. Мощность при этом практически не теряется. Двигатель можно запускать сразу на газе даже при минусовых температурах.
Утверждения об отличных характеристиках топливных смесей обычно слишком общие и малоинформативные. Мы восполняем недостаток информации - в этой статье приведены фактические данные о сжиженных углеводородных газах (СУГ). Они будут полезны всем, кто уже использует такое топливо или только планирует автономную газификацию своего дома (коммерческого объекта).
Что такое СУГ и в чем их главная особенность?
Под названием «сжиженные углеводородные газы» имеются в виду смеси низкомолекулярных углеводородов - пропана и бутана. Их основное отличие состоит в легком переходе из газообразной фазы в жидкую и наоборот:
- В условиях нормального атмосферного давления и при обычной температуре окружающей среды компоненты смеси являются газами.
- С незначительным увеличением давления (без снижения температуры) углеводороды СУГ превращаются в жидкости. При этом их объем резко уменьшается.
Такие свойства позволяют легко транспортировать и хранить СУГ. Ведь достаточно закачать смесь в закрытую емкость под давлением, чтобы она стала жидкой и получила небольшой объем. А перед эксплуатацией СУГ испаряется, и дальше его можно использовать точно так же, как обычный природный газ. При этом смесь бутана и пропана имеет более высокий коэффициент полезного действия. Удельная теплота сгорания сжиженного газа примерно на 25 % выше, чем природного.
Производят СУГ на газоперерабатывающих заводах из попутного нефтяного газа или конденсатной фракции природного газа. Во время переработки сырье разделяют на легкие и тяжелые фракции - этан, метан, газовый бензин и т.д. Две из них - пропан и бутан - дальше перерабатываются в сжиженный газ. Их очищают от примесей, смешивают в нужном соотношении, сжижают и транспортируют в хранилища или к потребителю.
Свойства составляющих СУГ - пропана и бутана
Оба газа являются низкомолекулярными предельными углеводородами:
- Пропан (С 3 Н 8). В линейную молекулу входят три атома углерода и восемь - водорода. Газ идеально подходит для применения в российских климатических условиях - его температура кипения составляет -42,1 °С. При этом до -35 °С пропан сохраняет высокую упругость паров. То есть, он хорошо испаряется естественным путем и транспортируется по наружному трубопроводу даже в самую суровую зиму. Чистый сжиженный пропан можно использовать в надземных газгольдерах и баллонах - сбоев в поступлении газа во время морозов не будет.
- Бутан (С 4 Н 10). Состоит из четырех атомов углерода и десяти атомов водорода. Молекула может быть линейной или разветвленной. Бутан имеет более высокую теплотворную способность, чем пропан, и дешевле стоит. Но у него есть серьезный недостаток. Температура кипения бутана - всего -0,5 °С. Это значит, что при малейшем морозе он будет оставаться в жидком состоянии. Естественное испарение бутана при температуре ниже -0,5 °С прекращается, и для получения газа приходится использовать дополнительный подогрев.
Из приведенной информации получаем важный вывод: температура сжиженной пропан-бутановой смеси в газгольдере или баллоне всегда должна быть положительной. Иначе бутан не будет испаряться и появятся проблемы с газоснабжением. Чтобы добиться нужной температуры, газгольдеры устанавливают подземно (здесь их подогревает геотермальное тепло). Другой вариант - оборудовать емкость электроподогревом (испарителем). Заправленные баллоны всегда держат в помещениях.
От чего зависит качество СУГ?
Итак, сжиженный газ, поставляемый для систем автономной газификации, это всегда смесь. В официальных документах она проходит как СПБТ - смесь пропана и бутана технических. Кроме этих двух газов, в СУГ всегда есть небольшой объем примесей - воды, щелочей, непредельных углеводородов и т.д. Качество смеси зависит от соотношения в ней пропана и бутана, а также от количества и типа примесей:
- Чем больше в СПБТ пропана, тем лучше она будет испаряться в холодное время года. Правда, сжиженные газы с повышенной концентрацией пропановой составляющей дороже стоят, поэтому их обычно используют лишь в качестве зимнего топлива. В любом случае, в условиях российского климата нельзя использовать смесь с содержанием бутана более 60 %. Она будет испаряться только при наличии испарителя.
- Чем больше в СУГ примесей, тем хуже для газового оборудования. Непредельные углеводороды не сгорают полностью, а полимеризуются и коксуются. Их остатки загрязняют оборудование и резко сокращают срок его службы. Тяжелые фракции - вода и щелочи - также не идут на пользу технике. Многие вещества остаются в резервуаре и трубопроводах в виде неиспаряемого конденсата, который снижает эффективность системы. Кроме того, примеси не дают такого количества тепла, как пропан и бутан, поэтому их повышенная концентрация понижает КПД топлива.
Полезные факты о сжиженных газах
- Пропан-бутановая смесь отлично смешивается с воздухом, равномерно горит и полностью сгорает, не оставляя на элементах оборудования сажи и нагара.
- СУГ в газообразном состоянии тяжелее воздуха: пропан - в 1,5 раза, бутан - в 2 раза. При утечке смесь опускается вниз. Поэтому резервуары со сжиженным газом нельзя устанавливать над подвалами и колодцами. Зато подземный газгольдер абсолютно безопасен - даже при его повреждении газовая смесь уйдет в нижние слои грунта. Там она не сможет смешаться с воздухом и взорваться или загореться.
- Жидкая фаза СУГ имеет очень высокий коэффициент теплового расширения (0,003 для пропана и 0,002 для бутана на каждый градус повышения температуры). Это примерно в 16 раз выше, чем у воды. Поэтому газгольдеры нельзя заправлять более чем на 85 %. Иначе при повышении температуры жидкая смесь может сильно расшириться и в лучшем случае занять весь объем резервуара. Тогда места для испарения просто не останется и газ в систему поступать не будет. В худших случаях чрезмерное расширение жидкой смеси приводит к разрывам газгольдеров, большим утечкам и образованию взрыво- и пожароопасных смесей с воздухом.
- При испарении 1 л жидкой фазы СУГ образуется 250 л газа. Поэтому так опасны резервуары со сжиженной смесью, установленные внутри помещений. Даже при незначительной утечке жидкой фазы происходит ее моментальное испарение, и комната наполняется огромным количеством газа. Газо-воздушная смесь в этом случае быстро достигает взрывоопасного соотношения.
- Испарение жидкой фазы на воздухе происходит очень быстро. Пролитый на кожу человека сжиженный газ вызывает обморожение.
- Чистые пропан и бутан - газы без запаха. К ним специально добавляют сильно пахнущие вещества - одоранты. Как правило, это соединения серы, чаще всего - этилмеркаптан. Они имеют очень сильный и неприятный запах, который «сообщает» человеку об утечке газа.
- Смесь обладает высокими теплотворными способностями. Так, при сжигании 1 куб. м газообразного пропана используется 24 куб. м воздуха, бутана - 31 куб. м воздуха. В результате сгорания 1 кг смеси выделяется в среднем 11,5 кВт·ч энергии.
Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем. Более 30 лет в нашей стране, сжиженные углеводородные газы применяются в качестве авто-мобильного топлива. За сравнительно короткий промежуток времени пройден достаточно трудный путь по организации учета сжиженных газов, ясного понимания процессов, происходящих при перекачке, измерении, хранении, транспортировке. Общеизвестно, что добыча и использование и в России имеет многовековую историю.
Однако технический уровень промыслового газового хозяйства до XX века был исключи-тельно примитивным. Не находя экономически обоснованных областей применения, нефтепромышленники не только не заботились о сохранении газа или легких фракций углеводородов, но и старались от них избавиться. Негативное отношение наблюдалось и к бензиновым фракциям неф-ти, поскольку они вызывали повышение температуры вспышки и опасность загорания и взрывов. Выделение газовой промышленности в 1946 г. в самостоятельную отрасль позволило революционно изменить ситуацию и резко увеличить как объём добычи газа в абсолютном значении, так и его удельный вес в топливном балансе страны.
Быстрые темпы роста добычи газа стали возможны благодаря коренному усилению работ по строительству магистральных газопроводов, соединив-ших основные газодобывающие районы с потребителями газа крупными промышленными центра-ми и химическими заводами. Тем не менее, основательный подход к точному измерению и учету сжиженных газов в на-шей стране стал появляться не более 10 – 15 лет назад. Для сравнения, сжиженный газ в Англии производится с начала 30-х годов XX века, с учетом того, что это страна с развитой рыночной экономикой, технология измерения и учета сжиженных газов, а также производство специального оборудования для этих целей стали развиваться практически с началом производства.
Итак, коротко рассмотрим
Итак, коротко рассмотрим (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем), что представляют собой сжиженные углеводородные газы и как они производятся. Сжиженные газы делятся на две группы:
Сжиженные углеводородные газы ( СУГ ) – представляют собой смесь химических соединений, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, т.е. смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения. Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан, в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (ме-тан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными углеводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в виде изомерных соединений (изобутана и изобутилена).
ШФЛУ – широкая фракция легких углеводородов, включает в основном смесь легких угле-водородов этановой (С2) и гексановой (С6) фракций.
В целом типичный состав ШФЛУ выглядит следующим образом: этан от 2 до 5%; сжижен – ный газ фракций С4- С5 40-85%; гексановая фракция С6 от 15 до 30%, на пентановую фракцию приходится остаток.
Учитывая широкое применение в газовом хозяйстве именно СУГ, следует более подробно остановиться на свойствах пропана и бутана.
Пропан
Пропан́ - это органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется при крекинге нефтепродуктов. Химическая формула C 3 H 8 (рис. 1). Бесцветный газ без запаха, очень малорастворим в воде. Точка кипения −42,1С. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1 до 9,5%. Температура самовоспламенения пропана в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет 466 °С.
Пропан используется в качестве топлива, основной компонент так называемых сжиженных угле-водородных газов, в производстве мономеров для синтеза полипропилена. Является исходным сырьём для производства растворителей. В пищевой промышленности пропан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E 944 , как пропеллент.
Бутан́ (C 4 H 10) - органическое соединение класса алканов. В химии название используется в ос-новном для обозначения н-бутана. Химическая формула C 4 H 10 (рис. 1). Такое же название имеет смесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH 3) 3 . Бесцветный горючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °C и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной темпе-ратуре - легколетучая жидкость). Содержится в газовом конденсате и нефтяном газе (до 12 %). Является продуктом каталитического и гидро-каталитического крекинга нефтяных фракций.
– углерод;
– водород
Производство, как сжиженного газа, так и ШФЛУ осуществляется за счет следующих трех основных источников:
предприятия нефтедобычи – получение СУГ и ШФЛУ происходит во время добычи сырой нефти при переработке попутного (связанного) газа и стабилизации сырой неф-ти;
предприятия газодобычи – получение СУГ и ШФЛУ происходит при первичной пере-работке скважинного газа или несвязанного газа и стабилизации конденсата;
нефтеперегонные установки – получение сжиженного газа и аналогичных ШФЛУ про-исходит при переработке сырой нефти на НПЗ. В данной категории ШФЛУ состоит из смеси бутан-гексановых фракций (С4- С6) с небольшим количеством этана и пропана. Основное преимущество СУГ – возможность их существования при температуре окружаю-щей среды и умеренных давлениях, как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком со-стоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания.
Состояние углеводородных систем определяется совокупностью влияний различных факто-ров, поэтому для полной характеристики необходимо знать все параметры. К основным параметрам, поддающимся непосредственному измерению и влияющим на режимы течения СУГ, относят-ся давление, температура, плотность, вязкость, концентрация компонентов, соотношение фаз.
Система
Система находится в равновесном состоянии, если все параметры остаются неизменными. При таком состоянии в системе не происходит видимых качественных и количественных измене-ний. Изменение хотя бы одного параметра нарушает равновесное состояние системы, вызывая тот или иной процесс.
Углеводородные системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Если система имеет однородные физические и химические свойства – она гомогенна, если же она неоднородна или со-стоит из веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях – она гетерогенна. Двухфазные системы относятся к гетерогенным.
Под фазой понимается определенная гомогенная часть системы, имеющая четкую границу раздела с другими фазами.
Сжиженные газы при хранении и транспортировании постоянно изменяют свое агрегатное состояние, часть газа испаряется и переходит в газообразное состояние, а часть конденсируется, переходя в жидкое состояние. В тех случаях, когда количество испарившейся жидкости равно количеству сконденсировавшегося пара, система жидкость-газ достигает равновесия и пары на жид-костью становятся насыщенными, а их давление называется давлением насыщения или упругостью паров.
Упругость паров СУГ возрастает с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.
Это свойство сжиженных газов является одним из определяющих при проектировании систем хранения и распределения. При отборе из резервуаров кипящей жидкости и транспортировании ее по трубопроводу часть жидкости испаряется из-за потерь давления, образуется двухфазный поток, упругость паров которого зависит от температуры потока, которая ниже температуры в резервуаре. В случае прекращения движения двухфазной жидкости по трубопроводу давление во всех точках выравнивается и становится равным упругости паров.
Сжиженные углеводородные газы
Сжиженные углеводородные газы транспортируются в железнодорожных и автомобильных цистернах, хранятся в резервуарах различного объема в состоянии насыщения: в нижней части со-судов размещается кипящая жидкость, а в верхней находятся сухие насыщенные пары (рис. 2). При снижении температуры в резервуарах часть паров сконденсируется, т.е. увеличивается масса жид-кости и уменьшается масса пара, наступает новое равновесное состояние. При повышении температуры происходит обратный процесс, пока при новой температуре не наступит равновесие фаз.
Таким образом, в резервуарах и трубопроводах происходят процессы испарения и конденсации, которые в двухфазных средах протекают при постоянном давлении и температуре, при этом тем
пературы испарения и конденсации равны.
В реальных условиях в сжиженных газах в том или ином количестве присутствуют водяные пары. Причем их количество в газах может увеличиваться до насыщения, после чего влага из газов выпадает в виде воды и смешивается с жидкими углеводородами до предельной степени раствори-мости, а затем выделяется свободная вода, которая отстаивается в резервуарах. Количество воды в СУГ зависит от их углеводородного состава, термодинамического состояния и температуры. Доказано, что если температуру СУГ снизить на 15-30 0 С, то растворимость воды снизится в 1,5-2 раза и свободная вода скопится на дне резервуара или выпадет в виде конденсата в трубопроводах.
Скопившуюся в резервуарах воду необходимо периодически удалять, иначе она может попасть к потребителю или привести к поломке оборудования.
1-3 – упругость паров: 1 – пропана, 2 – смеси пропан-бутана, 3 – бутана; 4-5 – линии гидратообразования: 4 – пропана, 5 – бутана.
Рисунок 3. Гидратообразование и упругость паров пропана и бутана.
Согласно методам испытаний СУГ определяют наличие лишь свободной воды, присутствие растворенной допускается.
За рубежом предъявляются более жесткие требования на наличие воды в СУГ и ее количество, посредством фильтрации доводится до 0,001% по массе. Это оправдано, так как растворенная вода в сжиженных газах является загрязнителем, ибо даже при положительных температурах она образует твердые соединения в виде гидратов.
Гидраты
Гидраты можно отнести к химическим соединениям, так как они имеют строго определенный состав, но это соединения молекулярного типа, однако химическая связь на базе электронов у гидратов отсутствует. В зависимости от молекулярной характеристики и структурной формы внутренних ячеек, различные газы внешне представляют собой четко выраженные прозрачные кристаллы разнообразной формы, а гидраты, полученные в турбулентном потоке – аморфную массу в виде плотно спрессованного снега.
По графику, представленному на рис.3 видно, что давление, при котором образуются гидраты при температуре меньше 0 0 С, неже упругости паров пропана, такая же зона имеется и для бутана.
Условия образования гидратов необходимо знать при проектировании трубопроводов и сис-тем для транспортировки газов, оборудования ГНС, АГЗС, а также для разработки мер по предупреждению их образования и ликвидации гидратных пробок. Установлено, что давление, при ко-тором образуются гидраты при температуре +5 0 С ниже упругости паров пропана и бутана.
В большинстве случаев, говоря о сжиженных газах, мы подразумеваем углеводороды соответствующие ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового потребления» и ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта». Они представляют собой смесь, состоящую в основном из пропана, бутана и изобутана. Благодаря идентичности строения их молекул приближенно соблюдается правило аддитивности: параметры смеси пропорциональны концентрациям и параметрам отдельных компонентов. Поэтому по некоторым параметрам можно судить о составе газов.
Соответствующие параметры смесей
Соответствующие параметры смесей получают суммированием парциальных параметров отдельных компонентов:
| y см = ∑ y i x i , | (1) |
Где y см – параметр смеси; y i – параметр компонента; x i – концентрация компонента.
В соответствие с правилом аддитивности и таблицами 1; 2 можно рассчитать любой параметр смеси. Для примера возьмем пропан-бутановую смесь с концентрацией 40% бутана и 60% пропана. Необходимо определить плотность смеси при 10 0 С. По формуле 1 находим:
ρ см = 516,8 ×0,6 +586,3 ×0,4 = 310,08 + 234,52 = 544,6
Таким образом, для данных условий плотность смеси будет составлять 544,6 кг/м 3 .
При проведении измерений количества СУГ и при учетных операциях на объектах хранения, важное значение имеют такие понятия как плотность, температурное расширение и вязкость.
Плотность , кг/м 3 – отношение массы тела к его объему, зависящее от углеводородного состава и его состояния. Плотность паровой фазы СУГ – сложная функция температуры, состояния и давления для каждого компонента.
Жидкой фазы плотность пропан-бутановых смесей зависит от состава углеводородов и температуры, так как с ростом температуры снижается плотность жидкости, что обусловлено объемным расширением.
Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на один градус характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения β т, который у сжиженных газов (пропана и бутана) в несколько раз больше чем у иных жидкостей.
Пропан – 3,06 10 -3 ; Бутан – 2,12 10 -3 ; Керосин – 0,95 10 -3 ; Вода – 0,19 10 -3 ;
При повышении давления жидкая фаза пропана и бутана сжимается. Степень сжатия ее оценивается коэффициентом объемной сжимаемости β сж, размерность которого обратна размерности давления.
Вязкость – это способность газов или жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим усилиям, обусловленная силами сцепления между молекулами вещества. При относительном движении между слоями потока возникает касательная сила, которая зависит от площади соприкосновения слоев и градиента скорости. Удельное касательное напряжение, возникающее между слоями, определяет динамическую вязкость газа или жидкости и называется коэффициентом динамической вязкости. Анализ экспериментальных исследований показал, что вязкость СУГ зависит от темпера-туры, а с увеличением давления растет незначительно. В отличие от жидкостей у газа вязкость с повышением температуры возрастает.
| В технических расчетах часто пользуются кинематической вязкостью ν, представляющей собой отношение динамической вязкости к плотности: | ||||||||||||
| ν = η ; | ρ | (2) | ||||||||||
| Физические и термодинамические свойства сжиженных газов приведены в таблицах 1 – 2. | ||||||||||||
| Таблица 1 | ||||||||||||
Термодинамические и физические свойства жидкой фазы пропана и бутана |
||||||||||||
| 0 | 3 | v, 10 -7 | Сж , | r, | λ , 10 -3 | a 2 , 10- | ||||||
| Т , К ( | С ) | Р , МПа | ρ ж , кг / м | м 2 / с | кДж /(кг | кДж / кг | Вт /(м | ‘ м 2 / с | Рг | |||
| Жидкая | фаза пропана | |||||||||||
| 223 | (-50) | 0,070 | 594,3 | 4,095 | 2,207 | 434,94 | 126,68 | 0,966 | 4,24 | |||
| 228 | (-45) | 0,088 | 587,9 | 3,932 | 2,230 | 429,50 | 125,99 | 0,961 | 4,09 | |||
| 233 | (-40) | 0,109 | 581,4 | 3,736 | 2,253 | 424,02 | 125,30 | 0,957 | 3,90 | |||
| 238 | (-35) | 0,134 | 574,9 | 3,568 | 2,278 | 418,32 | 124,61 | 0,951 | 3,75 | |||
| 243 | (-30) | 0,164 | 568,5 | 3,410 | 2,303 | 412,62 | 123,92 | 0,946 | 3,60 | |||
| 248 | (-25) | 0,199 | 562,0 | 3,259 | 2,328 | 406,685 | 123,23 | 0,942 | 3,46 | |||
| 253 | (-20) | 0,239 | 555,5 | 3,116 | 2,353 | 400,75 | 122,55 | 0,938 | 3,32 | |||
| 258 | (-15) | 0,285 | 549,1 | 2,980 | 2,385 | 394,58 | 121,86 | 0,931 | 3,20 | |||
| 263 | (-10) | 0,338 | 542,6 | 2,851 | 2,416 | 388,41 | 121,17 | 0,924 | 3,09 | |||
| 268 | (-5) | 0,398 | 536,2 | 2,731 | 2,448 | 381,76 | 120,48 | 0,918 | 2,97 | |||
| 273 | (0) | 0,467 | 529,7 | 2,613 | 2,479 | 375,11 | 119,79 | 0,912 | 2,87 | |||
| 278 | (5) | 0,544 | 523,2 | 2,502 | 2,519 | 367,99 | 119,10 | 0,904 | 2 77 | |||
| 283 | (10) | 0,630 | 516,8 | 2,398 | 2,558 | 360,87 | 118,41 | 0,896 | 2,68 | |||
| 288 | (15) | 0,727 | 510,3 | 2,300 | 2,604 | 353,27 | 11-7,72 | 0,886 | 2,60 | |||
| 293 (20) | 0,834 | 503,9 | 2,209 | 2,650 | 345,67 | 117,03 | 0,876 | 2,52 |
| 298 (25) | 0,953 | 497,4 | 2,120 | 2,699 | 337,125 | 116,35 | 0,867 | 2,45 |
| 303 (30) | 1,084 | 490,9 | 2,037 | 2,747 | 328,58 | 115,66 | 0,858 | 2,37 |
| 308 (35) | 1,228 | 484,5 | 1,960 | 2,799 | 318,84 | 114,97 | 0,848 | 2,31 |
| 313 (40) | 1,385 | 478,0 | 1,887 | 2,851 | 309,11 | 114,28 | 0,839 | 2,25 |
| 318 (45) | 1,558 | 571,5 | 1,818 | 2,916 | 297,48 | 113,59 | 0,826 | 2,20 |
| 323 (50) | 1,745 | 465,1 | 1,755 | 2,981 | 285,84 | 112,90 | 0,814 | 2,16 |
Жидкая фаза бутана
228 (-45) 0,0126 667,0 4,92 2,125 420,36 132,72 0,9364 5,25
| 223 | (-50) | 0,0094 | 674,3 | 5,09 | 2,114 | 423,96 | 133,45 | 0,9362 | 5,44 |
| 233 | (-40) | 0,0167 | 659,7 | 4,76 | 2,135 | 416,75 | 131,59 | 0,9371 | 5,08 |
| 238 | (-35) | 0,0218 | 652,3 | 4,60 | 2,152 | 412,97 | 131,27 | 0,9351 | 4,92 |
| 243 | (-30) | 0,0280 | 645,0 | 4,43 | 2,169 | 409,19 | 130,54 | 0,9331 | 4,75 |
| 248 | (-25) | 0,0357 | 637,7 | 4,28 | 2,188 | 405,41 | 129,82 | 0,9304 | 4,60 |
| 253 | (-20) | 0,0449 | 630,3 | 4,18 | 2,207 | 401,63 | 129,09 | 0,9280 | 4,50 |
| 258 | (-15) | 0,056 | 616,6 | 3,98 | 2,234 | 397,67 | 128,37 | 0,9319 | 4,27 |
| 263 | (-10) | 0,069 | 611,5 | 3,83 | 2,261 | 393,70 | 127,64 | 0,9232 | 4,15 |
| 268 | (-5) | 0,085 | 606,3 | 3,698 | 2,270 | 389,56 | 126,92 | 0,9222 | 4,01 |
| 273 | (0) | 0,103 | 601,0 | 3,561 | 2,307 | 385,42 | 126,19 | 0,9101 | 3,91 |
| 278 | (5) | 0,123 | 593,7 | 3,422 | 2,334 | 381,10 | 125,46 | 0,9054 | 3,78 |
| 283 | (10) | 0,147 | 586,3 | 3,320 | 2,361 | 376,77 | 124,74 | 0,9011 | 3,68 |
| 288 | (15) | 0,175 | 579,0 | 3,173 | 2,392 | 372,09 | 124,01 | 0,8940 | 3,55 |
| 293 | (20) | 0,206 | 571,7 | 3,045 | 2,424 | 367,41 | 123,29 | 0,8897 | 3,42 |
| 298 | (25) | 0,242 | 564,3 | 2,934 | 2,460 | 362,37 | 122,56 | 0,8828 | 3,32 |
| 303 | (30) | 0,282 | 557,0 | 2,820 | 2,495 | 357,32 | 121,84 | 0,8767 | 3,22 |
| 308 | (35) | 0,327 | 549,7 | 2,704 | 2,535 | 351,92 | 121,11 | 0,8691 | 3,11 |
| 313 | (40) | 0,377 | 542,3 | 2,606 | 2,575 | 346,52 | 120,39 | 0,8621 | 3,02 |
| 318 | (45) | 0,432 | 535,0 | 2,525 | 2,625 | 340,76 | 119,66 | 0,8521 | 2,96 |
| 323 | (50) | 0,494 | 527,7 | 2,421 | 2,680 | 334,99 | 118,93 | 0,8409 | 2,88 |
Таблица 2.
Термодинамические и физические свойства паровой фазы пропана и бутана |
||||||||||
| Т , К ( | 0 | С ) | Р , МПа | 3 | v, 10 -7 | С n, | r, кДж / кг | λ , 10 -3 | a 2 , 10- | |
| ρ n , кг / м | м 2 / с | кДж /(кг – К ) | Вт /(м К ) | ‘ м 2 / с | ||||||
| Паровая фаза пропана | ||||||||||
| 223 | (-50) | 0,070 | 1 96 | 30,28 | 1,428 | 434 94 | 0,92 | 32,9 | ||
| 228 | (-45) | 0,088 | 2 41 | 25,23 | 1,454 | 429,50 | 0,96 | 27,4 | ||
| 233 | (-40) | 0,109 | 2 92 | 21,32 | 1,480 | 424,02 | 1,00 | 23,1 | ||
| 238 | (-35) | 0,134 | 3,52 | 18,09 | 1,505 | 418,32 | 1,04 | 19,6 | ||
| 243 | (-30) | 0,164 | 4,22 | 15,43 | 1,535 | 412,62 | 1,07 | 16,5 | ||
| 248 | (-25) | 0,199 | 5,02 | 13,26 | 1,552 | 406,685 | 1,11 | 14,2 | ||
| 253 | (-20) | 0,239 | 5,90 | 11,52 | 1,587 | 400,75 | 1,15 | 12,3 | ||
| 258 | (-15) | 0,285 | 6 90 | 10,06 | 1,610 | 394,58 | 1,19 | 10,7 | ||
| 263 | (-10) | 0,338 | 8,03 | 8,82 | 1,640 | 388,41 | 1,24 | 9,4 | ||
| 268 | (-5) | 0,398 | 9,28 | 7,78 | 1,675 | 381,76 | 1,28 | 8 2 | ||
| 273 | (0) | 0,467 | 10,67 | 6,90 | 1,710 | 375,11 | 1,32 | 7,2 | ||
| 278 | (5) | 0,544 | 12 23 | 6,14 | 1,750 | 367,99 | 1,36 | 6,4 | ||
| 283 | (10) | 0,630 | 13,91 | 5,50 | 1,786 | 360,87 | 1,41 | 5,7 | ||
| 288 | (15) | 0,727 | 15 75 | 4,94 | 1,820 | 353,27 | 1,45 | 5,1 | ||
| 293 | (20) | 0,834 | 17,79 | 4,45 | 1,855 | 345,67 | 1,50 | 4 5 | ||
| 298 | (25) | 0,953 | 19,99 | 4,03 | 1,888 | 337,125 | 1,54 | 4,1 | ||
| 303 | (30) | 1,084 | 22 36 | З,67 | 1,916 | 328,58 | 1,59 | 3,7 | ||
| 308 | (35) | 1,22 8 | 24,92 | 3,35 | 1,940 | 318,84 | 1,63 | 3,4 | ||
| 313 | (40) | 1,385 | 27,66 | 3,06 | 1,960 | 309,11 | 1,68 | 3,1 | ||
| 318 | (45) | 1,558 | З0,60 | 2,81 | 1,976 | 297,48 | 1,73 | 2,9 | ||
| 323 | (50) | 1,745 | 33,76 | 2,59 | 1,989 | 285,84 | 1,78 | 2,7 | ||
Паровая фаза бутана | ||||||||||
| 223 | (-50) | 0,0094 | 0,30 | 168,535 | 1,440 | 423,96 | 0,90 | 208,3 | ||
| 228 | (-45) | 0,0126 | 0,39 | 132,866 | 1,463 | 420,36 | 0,93 | 163,0 | ||
| 233 | (-40) | 0,0167 | 0,51 | 104,062 | 1,480 | 416,75 | 0,97 | 128,5 | ||
| 238 | (-35) | 0,0218 | 0,65 | 83,573 | 1,505 | 412,97 | 1,01 | 103,2 | ||
| 243 | (-30) | 0,0280 | 0,82 | 67,768 | 1,520 | 409,19 | 1,05 | 84,2 | ||
| 248 | (-25) | 0,0357 | 1,03 | 55,159 | 1,540 | 405,41 | 1,09 | 68,7 | ||
| 253 | (-20) | 0,0449 | 1,27 | 45,712 | 1,560 | 401,63 | 1,13 | 57,0 | ||
| 258 | (-15) | 0,056 | 1,55 | 38,252 | 1,580 | 397,67 | 1,17 | 47,8 | ||
| 263 | (-10) | 0,069 | 1,86 | 32,540 | 1,610 | 393,70 | 1,21 | 40,4 | ||
| 268 | (-5) | 0,085 | 2,26 | 27,325 | 1,632 | 389,56 | 1,26 | 34,2 | ||
| 273 | (0) | 0,103 | 2,66 | 23,677 | 1,654 | 385,42 | 1,30 | 29,5 | ||
| 278 | (5) | 0,123 | 3,18 | 20,189 | 1,674 | 381,10 | 1,34 | 25,2 | ||
| 283 | (10) | 0,147 | 3,71 | 17,634 | 1,694 | 376,77 | 1,39 | 22,1 | ||
| 288 | (15) | 0,175 | 4,35 | 15,318 | 1,713 | 372,09 | 1,43 | 19,2 | ||
| 293 | (20) | 0,206 | 5,05 | 13,435 | 1,732 | 367,41 | 1,48 | 16,9 | ||
| 298 | (25) | 0,242 | 5,82 | 11,864 | 1,751 | 362,37 | 1,53 | 15,0 | ||
| 303 (30) | 0,282 | 6,68 | 10,517 | 1,770 | 357,32′ | 1,57 | 13,3 |
| 308 (35) | 0,327 | 7,60 | 9,402 | 1,791 | 351,92 | 1,62 | 11,9 |
| 313 (40) | 0,377 | 8,62 | 8,428 | 1,810 | 346,52 | 1,67 | 10,7 |
| 318 (45) | 0,432 | 9,72 | 7,596 | 1,830 | 340,755 | 1,72 | 9,7 |
| 323 (50) | 0,494 | 10,93 | 6,864 | 1,848 | 334,99 | 1,77 | 8,8 |
Таким образом, можно подвести итог и выделить основные свойства пропан-бутановых смесей, влияющих на условия их хранения, транспортирования и измерения.
- Сжиженные углеводородные газы (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем) относятся к низкокипящим жидкостям, способным находиться в жидком состоянии под давлением насыщенных паров.
Температура кипения: Пропан -42 0 С; Бутан – 0,5 0 С.
- При нормальных условиях объем газообразного пропана больше в 270 раз, чем объем пропана сжиженного.
- Сжиженные углеводородные газы характеризуются высоким коэффициентом теплового расширения.
- СУГ характеризуются низкой плотностью и вязкостью по сравнению со светлыми нефтепродуктами.
- Нестабильность агрегатного состояния СУГ при течении по трубопроводам в зависимости от температуры, гидравлических сопротивлений, неравномерности условных проходов.
- Транспортирование, хранение и измерение СУГ возможны только посредством закрытых (герметизированных) систем, рассчитанных, как правило, на рабочее давление 1,6 МПа.
- Перекачивающие, измерительные операции требуют применения специального оборудования, материалов и технологий.
В мире
Во всем мире, углеводородные системы и оборудование, а также устройство технологических систем подчинено единым требованиям и правилам.
Сжиженный газ представляет собой ньютоновскую жидкость, поэтому процессы перекачивания и измерения описываются общими законами гидродинамики. Но функция углеводородных систем сводится не только к простому перемещению жидкости и ее измерению, но и обеспечению уменьшения влияния «отрицательных» физико-химических свойств СУГ.
Принципиально, системы, перекачивающие СУГ (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем), мало отличаются от систем для воды и нефтепродуктов, и, тем не менее, необходимо дополнительное оборудование, гарантирующее качественные и количественные характеристики измерения.
Исходя из этого технологическая углеводородная система, как минимум должна иметь в своем составе резервуар, насос, газоотделитель, измеритель, дифференциальный клапан, отсечной или регулирующий клапан, устройства безопасности от превышения давления или скорости потока.
Пояснения
Резервуар хранения должен быть оборудован входным патрубком для налива продукта, линией слива для отпуска и линией паровой фазы, которая используется для выравнивания давления, воз-врата паров от газоотделителя или калибровки системы.
Насос – обеспечивает давление, необходимое для движения продукта через систему отпуска. Насос должен быть подобран по емкости, производительности и давлению.
Измеритель – включает преобразователь количества продукта и отсчетное устройство (индикацию) которое может быть электронным или механическим.
Газоотделитель – отделяет пар, образованный во время потока жидкости, прежде чем он достиг-нет счетчика и возвращает его в паровое пространство резервуара.
Дифференциальный клапан – служит для обеспечения прохождения через счетчик только жид-кого продукта, посредством создания после счетчика избыточного дифференциального давления, заведомо большего, чем давление паров в емкости.
Система должна удовлетворять следующим требованиям:
быть герметичной и выдерживать необходимое расчетное давление; изготовлена из материалов, предназначенных для работы с СУГ;
оборудована клапанами сброса давления для управляемого выпуска продукта при превышении давления сверх рабочего.
Основные характеристики конструкции, описанные выше, применимы ко всем типам систем, используемых для измерения и отпуска СУГ. Однако это не единственные критерии. Конструкция системы должна отражать различные условия ее использования для коммерческого отпуска продукта (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем).
Условно можно разделить системы измерения на следующие группы (типы):
осуществление измерения СУГ (в том числе налив автоцистерн) при относительно высокой скорости потока (400-500 л/мин.). Как правило, это НПЗ, ГНС.
измерение количества СУГ при поставках на АГЗС или конечным потребителям авто-цистернами (в том числе налив автоцистерн). Производительность в данном случае колеблется от 200 до 250 л/мин.
Коммерческая заправка газобаллонных автомобилей. Скорость заправки обычно не превышает 50 л/мин.
Конструкция и тип систем измерения для СУГ определен физическими свойствами продукта, особенно его зависимость от температуры и давления во время отпуска.
Чтобы обеспечить точное измерение, конструкция системы должна включать средства для минимизации испарения и устранения образовавшегося пара, прежде чем он попадет в счетчик.
Конструкция измерительной системы зависит от ее использования и от максимальной производительности. Измерительные установки могут использоваться как стационарно, так и устанавли-ваться на автоцистернах, применяться при оптовой и розничной продаже.
Рассмотрим отдельно компоненты, которые учувствуют в операциях измерения СУГ и являются обязательными для большинства систем учета (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем).
Напорная линия – соединяет емкость хранения и входной патрубок установки измерения и имеет элементы, которые управляют потоком жидкости и гарантируют ее поддержание в жидком состоянии. Напорная линия, как правило, состоит из следующих элементов:
Насосы .
Поскольку в емкости хранения система жидкость-пар находятся в равновесном состоянии и в купе с системой измерения составляют закрытую систему, газ не может течь самостоятельно. В результате должен использоваться насос для подачи СУГ на раздаточную линию.
Существует несколько типичных конструкций насосов, широко применяемых в тех или иных случаях. Это лопастные насосы, шестеренные насосы, вихревые насосы.
Скорость насоса может стать критическим фактором для точности измерительной системы и
- работоспособности. Если скорость насоса высока, давление на всасывающей линии может упасть ниже давления паров и произойдет испарение. Это явление называется кавитацией. Чтобы минимизировать эффекты кавитации, длина трубопровода от емкости до насоса должна быть минимальной. Этот трубопровод должен быть прямой, для исключения гидравлических сопротивлений и на размер больше чем трубопровод напорной линии.
Перепускной клапан .
В течение коротких промежутков времени, насос может находиться в рабочем состоянии, в то время как отпуск продукта не производится. Чтобы предотвратить повреждения, ряд насосов оборудованы перепускными клапанами. При повышении давления, клапан внутри насоса открывается, и жидкость начинает циркулировать внутри насоса. Как правило, подобная схема приводит к нагреву продукта и его вскипанию, при этом образуется паровая подушка, препятствующая движению жидкости. Проведя неоднократные опыты с насосами, оборудованными внутренними перепускными клапанами, мы пришли к выводу, что оптимальное решение для таких жидкостей как СУГ, это установка внешнего перепускного клапана.
Эта конструкция позволяет продукту циркулировать через емкость хранения и непрерывно снабжать насос не разогретым газом.
Скоростные клапаны .
Скоростными клапанами должны быть оборудованы все патрубки емкости хранения и раздаточные рукава. Цель этих клапанов остановить поток продукта в случае разрыва рукава или разъединения раздаточного крана.
Манометры .
Манометры необходимо устанавливать на всасывающей и напорной линиях насоса, на паро-вой фазе емкости хранения, а также на фильтрах системы (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем).
Предохранительные клапаны .
В любом месте технологической и измерительной систем, где возможно заключение объема жидкости между двумя запорными устройствами необходима установка предохранительных клапанов, для предотвращения от возможного превышения давления.
Газоотделитель .
Газоотделитель – отделяет пар, образованный во время потока жидкости, прежде чем он достигнет счетчика и возвращает его в паровое пространство резервуара.
Как правило , газоотделители имеют поплавковую систему газоотделения, но некоторые производители отказываются от такой схемы в пользу применения скоростных или обратных клапанов и установки расширяющихся патрубков (сифонов) совместно с отверстиями малых диаметров. Та-кая схема для СУГ достаточно эффективна, если принять во внимание, что газоотделитель в за-крытых системах играет роль газо-конденсатора, т.е. его цель сконденсировать паровую фазу, а часть отвести в емкость хранения.
Фильтры .
Фильтры являются важным элементом гидравлической системы. Они устанавливаются перед насосом и в измерительном блоке и призваны предохранить насос или счетчик от твердых загряз-нений, способных вывести их из строя. Фильтрующие элементы должны быть сменными или иметь возможность для их периодической чистки.
Краны и клапаны .
Неотъемлемой частью любой технологической системы для СУГ являются запорные устройства. Они призваны обеспечить удобное и быстрое техническое обслуживание отдельных компонентов без освобождения от газа и давления всей системы.
Счетчики и отсчетные устройства .
Отделенная от пара жидкость, после газоотделителя попадает в счетчик (преобразователь объема) (Свойства сжиженных углеводородных газов Особенности эксплуатации углеводородных систем). В большинстве систем измерения СУГ счетчики имеют тип камерного расходомера, который, по нашему мнению, является самым надежным и очень точным методом измерения жидкости. Существуют также другие типы расходомеров, такие как турбинные или массовые (кориолисовые) расходомеры.
Конструкция камерных расходомеров с технической точки зрения достаточно сложна, но принцип их работы является прямым. Существуют следующие типы расходомеров: шестеренные, ротационные, кольцевые, дисковые, лопастные, ковшовые, поршневые и т.п.
Из-за простого принципа действия таких устройств измерения, число факторов, которые вызывают неточное измерение немного.
Во первых, это присутствие паровой фазы в потоке продукта. Во вторых, неточность работы счетчика может быть вызвана загрязнением подвижных частей. Это еще раз говорит о важной функции применения фильтров. В третьих, точность работы устройств измерения зависит от износа подвижных частей.
Дифференциальный клапан
Дифференциальный клапан – служит для обеспечения прохождения через счетчик только жидкого продукта, посредством создания после счетчика избыточного дифференциального давления, заведомо большего, чем давление паров в емкости.
Как правило, дифференциальный клапан имен диафрагменную или поршневую конструкцию. Посредством диафрагмы или поршня происходит разделение устройства на две камеры. Верхняя связана с паровой фазой емкости, а нижняя с линией выдачи продукта. Пружина клапана располагается в полости паровой фазы и настраивается на минимальное давление в 1 кг/ см 2 . Когда давление жидкости меньше или равно давлению паровой фазы, клапан закрыт. Чтобы его открыть, надо создать давление, превосходящее давление паров как минимум на 0,1 МПа. Это гарантирует конденсацию паровой фазы до счетчика и прохождения через измеритель только жидкого продукта.
Началом и окончанием движения продукта в наполняемую емкость управляет электроприводная арматура. Это могут быть электромагнитные клапаны, всевозможные задвижки и краны с электро или пневмоприводами, регулирующие клапаны и т.п. Цель отсечной или регулирующей арматуры заключается в открытии линии отпуска по команде в начале заправки и закрытии ее по достижении заданной дозы отпуска. Чтобы избежать излишней нагрузки на внутренние части узлов гидравлической системы, отсечная арматура должна работать в режиме, исключающем негативное действие гидравлических ударов. Другими словами, клапаны должны, по крайней мере, открываться и
закрываться в два этапа – с малого расхода на большой в начале и наоборот в конце заправки.
Линия отпуска
Линия отпуска пропускает измеренный продукт к точке выдачи. Чтобы обеспечить точное измерение, шланг должен быть заполнен жидким продуктом в начале отпуска и под рабочим давлением. Это называется «полный рукав». Для этого раздаточные пистолеты имеют клапан, который закрывается после отпуска и отсоединения раздаточного крана.
Свойства сжиженных углеводородных газов, как впрочем, и других жидкостей, требующих учета подразумевают индивидуальный подход к выбору оборудования
Тем не менее, благодаря многолетнему мировому опыту и точным теоретическим данным о свойствах сжиженных газов имеет место универсальность оборудования, т.е. конфигурация того или иного гидравлического узла позволяет использовать его в любой технологической системе по перекачке, измерению и учету СУГ.
Наша компания ежедневно сталкивается с задачами выбора и проектирования оборудования для различных технологических систем. Благодаря собственному опыту, а также опыту мировых производителей нам удалось создать устройства, которые в любой технологической системе позволяют исключить, или, по крайней мере, минимизировать отрицательные факторы термодинамических свойств СУГ.
Таким образом, подводя итог сказанному можно сделать вывод, что выбор оборудования дол-жен быть максимально облегчен и производиться по параметрам производительности, точности, внешнего вида и т.д. (рис.4) Остальные технические характеристики оборудования (это подтверждается мировой практикой) должны быть предусмотрены самой конструкцией.
Критерии выбора технологиче ского оборудования
УДК 696.2 (07)
ББК 38.763 я 7
П 52 Полозов А.Е. Газоснабжение: Учебное комплексное пособие для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий / А.Е. Полозов. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. – с.
В учебном комплексном пособии изложены вопросы добычи, подготовки, транспорта природного газа, а также распределительные сети по газоснабжению населенных пунктов и промышленных объектов; вопросы коррозии и защиты газопроводов от неё, основы проектирования систем газоснабжения, расчеты по определению потребности в газе, газодинамические расчеты по определению диаметра газопроводов. Представлены варианты технологии получения сжиженного природного газа и биогаза. Даны варианты с примерами расчетов газоснабжения населенных пунктов.
В издание включены все вспомогательные справочные материалы, необходимые для выполнения курсовых и дипломных проектов.
Данное учебное комплексное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий по дисциплине: «Газоснабжение», работающих главным образом самостоятельно в отрыве от Вуза.
Введение
Доля природного газа в топливном балансе России составляет 60 %. Так как природный газ является высокоэффективным энергоносителем, в условиях экономического кризиса газификация может составить основу социально-экономического развития регионов России, обеспечить улучшение условий труда и быта населения, а также снижение загрязнения окружающей среды.
По сравнению с другими видами топлива природный газ имеет следующие преимущества:
низкую себестоимость;
высокую теплоту сгорания, обеспечивающую целесообразность транспортирования его по магистральным газопроводам на значительные расстояния;
полное сгорание, облегчающее условия труда персонала, обслуживающего газовое оборудование и сети;
отсутствие в его составе оксида углерода, что особенно важно при утечках газа, возникающих при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей;
высокую жаропроизводительность (более 2000 °С);
возможность автоматизации процессов горения и достижения высоких КПД.
Кроме того, природный газ является ценным сырьем для химической промышленности.
Использование газового топлива позволяет внедрять эффективные методы передачи теплоты, создавать экономичные и высокопроизводительные тепловые агрегаты с меньшими габаритными размерами, стоимостью и высоким КПД, а также повышать качество продукции.
Безопасность, надежность и экономичность газового хозяйства зависят от степени подготовки обслуживающего персонала.
Основной задачей при использовании природного газа является его рациональное потребление, т. е. снижение удельного расхода посредством внедрения экономичных технологических процессов, при которых наиболее полно реализуются положительные свойства газа. Применение газового топлива позволяет избежать потерь теплоты, определяемых 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 также ступенчатое использование продуктов горения. Основными задачами в области развития систем газоснабжения являются: применение для сетей и оборудования новых полимерных материалов, новых конструкций труб и соединительных элементов, а также новых технологий:
Внедрение эффективного газоиспользующего оборудования;
Расширение использования газа в качестве моторного топлива на транспорте;
Использование в сжатом и сжиженном состоянии при криогенных температурах;
Внедрение энергосберегающих технологий;
Обеспечение на основе природного газа производства тепла и электроэнергии для децентрализованного тепло- и энергоснабжения небольших городов и сельских населенных пунктов;
Мониторинг и диагностирование технологической цепочки поставки газа потребителю (от контроля технического состояния объектов газораспределения до системы учета распределения газа).
Применение газа в промышленности способствует улучшению условий труда и повышению его производительности, уменьшению брака и снижению себестоимости продукции и т. д.
Намечаемое развитие добычи природных и производства искусственных горючих газов и биогаза в нашей стране позволит не только обеспечить технологические и энергетические потребности промышленности, но и широко развернуть работы по газификации городов и поселков.
Конструкторы в содружестве с механизаторами и коллективами машиностроительных заводов создают новые элементы газопроводов, очистные и изоляционные машины, газовую печную аппаратуру, горелочное оборудование, оборудование для производства новых материалов на основе химических технологий. Для эффективного использования газа в бытовых условиях и на предприятиях необходимо правильно выбрать газовое оборудование, аппаратуру КИП и А, систему и конфигурацию газопроводов от магистрального газопровода до потребителя. Одновременно необходимо рассчитать диаметры газопроводов, удельные потери и транзитные расходы газа, разместить газовые сети по населенному пункту и на сложенных переходах линейной части газопровода. Этим вопросам и посвящено настоящее комплексное учебное пособие.
- Топливные и технологические газы (составы, получение, подготовка, транспорт)
Основные сведения об углеводородных газах
Углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе 2 химических элемента - углерод (С) и водород (Н). Углеводороды отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода в молекуле, а также, характером связей между ними. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода - метан (СН 4). Он является основным компонентом природного, а также, некоторых искусственных горючих газов. Следующий углеводород этого ряда - этан (С 2 Н б) - имеет 2 атома углерода. Углеводород с тремя атомами углерода - пропан (С 3 Н 8), с четырьмя атомами углерода - бутан (С 4 Н 10). Их структурные формулы представлены на рис. 1.1.
Метан Этан Пропан Бутан
Рис.1.1. Структурные формулы метана, этана, пропана и бутана.
Все углеводороды этого типа имеют формулу СnН 2 n +2 и входят в гомогологический ряд предельных углеводородов - соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода.
В промышленности и народном хозяйстве используются природные и искусственные газы.
К природным относят газы: добываемые из чисто газовых или газоконденсатных месторождений; попутные - нефтяные, получаемые непосредственно на промысле и нефтяные получаемые при крекинг - процессе на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ).
К искусственным относят газы, вырабатываемые на перерабатывающих заводах в процессе термической переработки жидких и твердых топлив, а также, выделяющиеся в качестве вторичных продуктов некоторых производств, например, в доменном процессе, при получении кокса и др. Качество газообразных углеводородов определяет наличие отдельных горючих и негорючих газов его составляющих и примесей.
Горючая часть газового топлива состоит из углеводородов, водорода и окиси углерода.
В негорючую часть входят углекислый газ, азот, кислород и гелий.
К примесям относятся сероводород, аммиак, цианистые соединения, водяные пары, нафталин, смолы и пыль.
Негорючие газы и примеси являются балластом газового топлива, и химического сырья, ухудшающие товарные теплофизические качества газа и эксплуатационные свойства оборудования транспортных систем.
Метан (СН 4) – основной компонент природных и попутных нефтяных газов - характеризуется низкой температурой конденсации и поэтому практически всегда поступает на поверхность в газообразном состоянии. При нормальных физических условиях метан является бесцветным, не имеющим запаха газом, способным образовывать взрывоопасные смеси с воздухом при концентрации метана 5-15% (объем.), природного газа 7-17%. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1нм 3 его имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре минус 161,2 ºС метан сжижается и его объем уменьшается в 591 раз. Сжиженный метан является высокоэффективной транспортной и резервной единицей позволяющей создать большие запасы, как топлива, так и химического сырья. Высшая теплота сгорания метана Q В составляет 39820 кДж/м 3 , низшая – Q В – 35880 кДж/м 3 . Содержание метана в природных газах достигает 99%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.
Метан является не только основным видом газового топлива, но и используется для получения синтез – газа в химической промышленности в производствах аммиака и метанола, для получения ацетилена, а также для получения водорода в химических и нефтехимических производствах. Метан имеет низкую реакционную способность. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей в молекуле метана требуется большая затрата энергии.
Этан (С 2 Н 6) входит в состав природных газов в небольших количествах (0,5 - 5%объем.), но в составе попутных нефтяных газов его
содержание составляет 5-20% (объем.). Этан - бесцветный газ - весьма ценное химическое сырье для получения этилена - основного продукта многих производств химического, нефтехимического и органического синтеза, а также для производства пластмассы. Так как этан имеет умеренные критические параметры (Р кр =0,98 МПа и Т кр =2,3 ºС), то его несложно выделить в жидкую фазу методами низкотемпературной конденсации.
Пропан (С 3 Н 8) и бутан (С 4 Н 10) входят в состав природных газов в незначительном количестве, в то же время в газоконденсатных смесях и, особенно в попутных газах нефтедобычи содержание этих компонентов достигает 6-30% объем. Они легко могут быть сжижены и используются в основном как бытовое топливо, поставляемое в железнодорожных и автомобильных цистернах на дальнее расстояние и в баллонах бытовому потребителю. На ГПЗ эти компоненты выделяют из попутных газов при получении стабильного газового бензина. Одновременно эти газы являются ценным сырьем для химической промышленности в производстве пластмасс и синтетического каучука. Пропан используют на ГПЗ в качестве хладагента в холодильных установках для нужд собственного производства.
Пентан (С 5 Н 12) и его гомологи (изопентан, неопентан) содержатся в попутных газах нефтедобычи в количестве 1-5% объем, при переработке таких газов компоненты (С 5+ высшие) входят в состав моторных топлив (газовый бензин).
Месторождения , из которых добывают горючие газы, подразделяют на три группы: 1) чисто газовые месторождения, не имеющие в своем составе жидких углеводородов; 2) газоконденсатные месторождения, в которых добываемый газ содержит конденсат - растворенные в газе компоненты высококипящих углеводородов; 3) нефтегазовые – с попутными газами нефтедобычи, содержащие углеводороды метанового, этанового и пропан - бутанового ряда.
Особенностью работы газоперерабатывающих заводов ГПЗ является то, что в процессе добычи и переработки углеводородного сырья изменяется давление и его состав, в связи, с чем на ГПЗ требуется вводить дополнительные блоки и установки (компрессорные станции, насосные, сепарационные установки и др.).
Природные горючие газы представляют собой смеси углеводородов преимущественно метанового ряда, включающие примеси других газов (азот, окиси и двуокиси углерода, сероводорода, аргона, гелия и др.). Природные газы в зависимости от содержания в них метановой фракции условно разделяют на три группы:
- тощие - с содержанием тяжелых углеводородов (этан – пропан – бутановой группы) до 50 г/м 3 ;
- нормального содержания тяжелой фракции - от 50 до 150 г/м 3 ;
- жирные смеси - содержание тяжелых углеводородов в газовой смеси более 150г/м 3 . Чем выше содержание фракций тяжелых углеводородов в газовом сырье, тем более эффективно и экономично перерабатывать и разделять газ на составляющие.
Попутные нефтяные газы . В продуктивных пластах нефтегазовых месторождений одновременно с добычей нефти получают попутные нефтяные газы, которые накоплены в своде купола пласта, а также при избыточном давлении эти газы растворены в нефти. При понижении давления, растворенные в нефти газы выделяются в виде газовой смеси, содержащей углеводороды этан-пентановой группы. Попутные газы нефтедобычи, кроме углеводородных и примесей других газов, содержат газовый конденсат, а также влагу.
Водород (Н 2) - имеется во всех искусственных газах. Это горючий газ без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. В реакциях горения очень активен. Масса 1 нм 3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раз легче воздуха, теплота сгорания достигает Q В – 12750 кДж/м 3 . Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
Окись углерода (СО) - горючий газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха, очень токсичен. Содержится в больших количествах в искусственных газах, а также образуется при неполном сгорании топлива.
Углекислый газ (СО 2) не имеет цвета и запаха, со слабым кисловатым вкусом, не токсичен, но при скоплении в помещении способен вызвать удушье, из-за недостатка кислорода воздуха.
Химически инертен. Масса 1 нм 3 СО 2 составляет 1,98 кг. Углекислый газ при температуре -20 ºС и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую перевозят в баллонах под давлением. При сильном охлаждении СО 2 превращается в «сухой лед», широко используемый для хранения пищевых продуктов.
Азот (N 2) – двухатомный бесцветный газ, не имеет запаха и вкуса, не горит и не поддерживает горение, не токсичен. Токсичны окислы азота, образуемые при высоких температурах в топках промышленных агрегатов. Масса азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной прочной связью. Содержание N 2 в различных газах колеблется в значительных пределах, в биогазе его содержание может достигать 30% и более.
Кислород (О 2) - газ без цвета, запаха, вкуса, не горит, но поддерживает горение. Масса 1 нм 3 кислорода составляет 1,43 кг. В присутствии влаги активно развивает коррозию трубопроводов, арматуры и оборудования.
Сероводород (Н 2 S) - бесцветный горючий газ с характерным запахом тухлых яиц. Как сам сероводород, так и продукт его сгорания - сернистый газ (SO 2) - весьма токсичны.
В поступающем потребителю природном газе величина выпадающей серы (по нормам) не должна превышать 2 г/ 100 м 3 .
Сконденсировавшаяся на устье скважины вода, поступающая с газом, растворяя Н 2 S, образует серную кислоту весьма агрессивную в коррозионном отношении к металлу. Отрицательное влияние её на трубопроводы усугубляется еще и тем, что она вызывает наиболее опасную внутрикристаллитную и межкристаллитную коррозию.
Аммиак - вредная токсичная примесь некоторых искусственных газов.
Цианистые соединения, в первую очередь синильная кислота (HCN), могут образовываться в коксовых газах в результате взаимодействия углерода топлива саммиаком, весьма токсичны.
Пары воды содержатся в неосушенных газах. При высоких давлениях образуют с тяжелыми углеводородами кристаллогидратные соединения, напоминающие лед, закупоривающие газопроводы.
Нафталин, смолы и пыль, откладываясь на стенках газопроводов, уменьшают их сечение, засоряют фильтры, арматуру и др. оборудование.
По теории академика И. А. Губкина природный газ образовывался в процессе биохимического и термического разложения органических остатков растительного и животного мира, погребенных вместе с осадочными породами в толще земной коры.
Образуемые газы скапливались в порах таких пород как пески, песчаники, галечники.
Газовый конденсат. В добываемых на газоконденсатных месторождениях газах, кроме низкокипящих компонентов (метана и этана), содержаться в виде жидкой фазы (конденсата) некоторые углеводородные газы, содержащие более 4 атомов углерода в молекуле. При снижении давления растворенные газы выделяются в газовую фазу. Таким образом, газовый конденсат представляет собою сконденсированную жидкую фазу из средне- и высококипящих углеводородных газов (пропан- бутан - пентановых фракций) с частично накопленными в ней низкокипящими газами (метаном и этаном).
На некоторых газоконденсатных месторождениях на 1м 3 добытого газа приходится до 500 см 3 конденсата. При снижении давления происходит выделение в газовую фазу части растворенных в конденсате низкокипящих газов - деэтанизация (преимущественно этана и пропана), конденсат направляется на ГПЗ и подвергается разделению с целью получения газового бензина и сжиженных газов.
Конденсаты различных месторождений отличаются по фракционному составу входящих в них углеводородов. Кроме того, в процессе эксплуатации месторождения также происходит изменение фракционного состава компонентов. Качество конденсата оценивается как его составом (стабильный - нестабильный), так и содержанием более легких (чем С 5+)
компонентов, упругостью паров компонентов и процентом выкипания его при температурах ниже 323К и атмосферном давлении и при температуре ниже 311 К.
Искусственные газы . Значительное место в технологиях переработки различных видов сырья занимают искусственные газы, выделяющиеся во многих химических и нефтехимических технологических процессах. К ним относятся коксовый газ, образующийся
при переработке каменного угля на кокс, выход коксового газа составляет до 350 м 3 на тонну угля, при этом до 20% исходного топлива переходит в коксовый газ. В доменных печах металлургических производств образуется доменный газ, содержащий до 40% теплопроизводительности исходного топлива.
При пиролизной переработке 1 т нефти в процессе пиролиза в зависимости от применяемого способа и глубины крекинга образуется до 500 м 3 газообразных продуктов расщепления высокомолекулярных углеводородов. Долгое время источником многих химических продуктов служила технология сухой перегонки древесины. Для получения искусственных газов подвергают сухой перегонке некоторые виды низкокалорийных топлив.
Германская промышленность периода второй мировой войны в широком масштабе производила синтетический бензин из бурого угля. Не исчерпала себя идея о подземной газификации угля, с выводом на поверхность углеводородных газов и их последующей переработки, используя водород.
Газы бывают сухие и жирные. Все сухие газы легче воздуха. Низшая теплота их сгорания * 8000 – 9500 ккал/м. Состав и свойства газов чисто газовых месторождений, как правило, постоянны. С легкими углеводородами часто выносятся тяжелые углеводороды, которые при понижении температуры конденсируются. Поэтому перед подачей газа в магистральный газопровод тяжелые углеводороды извлекаются и используются для производства сжиженного газа и моторного топлива. Содержание углеводородов в газоконденсатных месторождениях более 150 г/м 3 , также газы относят к жирным газам.
Теплота сгорания тяжелых углеводородов (жирных газов) 9000-10000 ккал/ м 3 . Метан сопровождают нефтяные запасы, особенно на больших глубинах. Добывают газ через газовую скважину.
