Лекции по "Газоснабжению"

Лекции для  госэкзамена

 

1. Горючие газы. Горючие газы, используемые 

для газоснабжения и требования, предъявляемые к ним

 

Газы – это одно из агрегатных состояний вещества, в котором его частицы движутся хаотически, равномерно заполняя весь возможный объем.

Горючие газы, применяемые  в народном хозяйстве в качестве топлива или химического сырья, по своему происхождению делятся на природные и искусственные. Природный газ чисто газовых месторождений и попутный газ, получаемый при добыче нефти, добываются из недр земли. Искусственные газы получаются при переработке твердого или жидкого топлива или являются побочными продуктами некоторых производств.

   Природный газ  представляют собой смесь различных  углеводородов, причем основным  компонентом является метан, содержание которого доходит до 97-98%. В природном газе также содержится в небольших количествах двуокись углерода, азот, пыль и водяной пар. В некоторых природных газах имеется сероводород, содержание которого не превышает 3-4%. Все природные газы чисто газовых месторождений легче воздуха.

   Нефтепромысловый (попутный) газ содержится в растворенном  виде в нефти (в 1т нефти при давлении в десятки мегапаскалей растворено 50-600 газа в зависимости от месторождения). При извлечении нефти на поверхность и снижении давления содержащейся в ней выделяется. Попутный газ отделяют в сепараторах от нефти, а затем из него выделяют ценные химические продукты и легко сжижаемые углеводороды. В отличие от природного, нефтепромысловый газ содержит меньше метана и больше тяжелых углеводородов. Поэтому теплота сгорания и плотность его выше, чем природного.

   Сжиженные газы  представляют собой смесь углеводородов,  в основном пропана и бутана, с небольшими примесями более тяжелых. Источниками их получения являются попутные газы  нефтяных и газоконденсатных месторождений  и газы, образующиеся при переработке нефти. При атмосферных  условиях СУГ находятся в газообразном состоянии, а при повышении давления или при снижении температуры они превращаются в жидкость. Для транспортировки и хранения эти газы обычно снижаются, а используются у потребителей в газовой фазе.

   К искусственным  газам относятся коксовый, сланцевый,  генераторный и доменный.

   Коксовый газ  вырабатывается на коксохимических  заводах в качестве побочного продукта при производстве металлургического кокса из коксующихся каменных углей. Высокотемпературное коксование угля заключается в сухой перегонке  (без доступа воздуха) измельченного угля при температуре 1000-1150 в специальных печах. В результате этого процесса получается твердый остаток (кокс) и газообразные продукты. После извлечения из сырого газа аммиака, ароматических углеводородов и очистки от примесей коксовый газ используется как топливо. Выход коксового газа и его состав сильно зависит от температуры процесса и марки угля.

   Сланцевый газ  получают путем термической переработки  горючих сланцев в каменных  печах. После очистки сланцевый  газ может подаваться потребителям  в чистом виде или в смеси с природным. Для сланцевого газа характерно высокое содержание двуокиси углерода (16,4%).

   Генераторный  газ является продуктом термической  переработки твердого топлива в присутствии окислителя, причем вся горючая масса топлива переходит в газовую фазу. Процесс осуществляется в газогенераторах, а окислителем может быть воздух, кислород; водяной пар или двуокись углерода.

Доменный газ получается при выплавке чугуна в доменных печах как побочный продукт. Процесс образования доменного газа с взаимодействием углерода кокса с дутьем и реакциями восстановления железных руд. Состав доменного газа зависит от влажности и температуры подогрева дутья, обогащения его кислородом, а также добавки к дутью природного газа. Количество сухого доменного газа, образующегося на 1т выплавляемого чугуна, составляет 2200-3200 .

В состав газообразного  топлива входят горючие и негорючие  газы. Физико-химические и теплотехнические характеристики газового топлива обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

К горючим компонентам  относятся следующие вещества: метан, водород, оксид углерода.

Метан. Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. При атмосферном давлении и температуре  111К метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Сжиженный метан является перспективным топливом для многих отраслей народного хозяйства. Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания. Высшая теплота сгорания метана составляет 39820 кДж/м³, а низшая теплота – соответственно 35880 кДж/м³.

Содержание метана в  природных газах достигает до 98%, поэтому его свойства практически  полностью определяют свойства природных  газов.

Сгорание метана в воздухе протекает по уравнению

СН₄ + 2О₂ + 7,52 N₂ = CO₂ + 2H₂O + 7.52N₂.

В результате чего образуется 10,52 нм³ продуктов горения.

Кроме метана, в горючих  газах могут содержаться другие предельные и непредельные углеводороды (этан С₂Н₂, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀). Углеводороды метанового ряда имеют формулу С_nH_2n+2, где n – углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана и 3 для пропана.

Окись углерода CO в большом количестве содержится в генераторных газах, являясь наряду с водородом основным горючим компонентом. СО - химически стойкий горючий газ, не имеющий цвета. Плотность СО (1,25 ) незначительно ниже плотности воздуха. Окись углерода является сильным ядом, концентрация его в воздухе в 1% приводит через 1-2 мин к сильному отравлению и смерти. Предельная концентрация СО в воздухе рабочей зоны цехов по существующим нормам не более 0,03 мг/л при длительной работе и не более 0,05 мг/л при пребывании в загазованной атмосфере до 1ч. СО является продуктом неполного сгорания углерода и может находиться в продуктах сгорания любого топлива, содержащего углерод или углеродные соединения. Газы с высоким содержанием СО не следует применять в качестве бытового топлива в квартирах, особенно при отсутствии вентиляции и вытяжки для продуктов сгорания.

Водород Н₂. Бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха. 1 нм³ водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2.88 м³ продуктов горения. Газы с высоким содержанием водорода характеризуются большой скоростью распространения пламени. Водородо-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны. При использовании газов с высоким содержанием водорода необходимо тщательно наблюдать за герметичностью коммуникаций во избежание возможности утечки газа.

В качестве балластных примесей во всех газах, как природных, так и искусственных, имеются азот , водяные пары и двуокись углерода . Азот и двуокись углерода не токсичны и не агрессивны, то есть не обладают коррозионными свойствами. Азот практически не  реагирует с кислородом, поэтому при расчете процесса горения его рассматривают как инертный газ. Углекислый газ – бесцветный газ, тяжелый, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО₂ в воздухе в пределах 4..5% приводит к сильному раздражению органов дыхания, 10% концентрация в воздухе вызывает сильное отравление. При температуре -20*С и давлении 5.8 МПа СО₂ превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном охлаждении углекислый газ застывает в белую снегообразную массу. Твердую СО₂ («сухой лед») используют для хранения скоропортящихся продуктов и других целей.

Кислород О₂. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Вес 1 м³ газа 1.34 кг. Примесь кислорода делает газ взрывоопасным и его содержание в газе ограничивается техническими условиями. Кислорода в газе должно быть не более 1 % по объему.

Кроме перечисленных  выше горючих газов и паров  искусственные газы содержат некоторое количество смол,  аммиака, нафталина. Эти соединения, представляющие большую ценность для химической промышленности, извлекая из газового топлива в установках улавливания или очистки газов.

Сероводород содержится в большинстве искусственных и некоторых природных газах. Это бесцветный горючий тяжелее воздуха (плотность 1,54 ), с сильным запахом, вызывает сильную коррозию металлов, чрезвычайно ядовит. При концентрациях сероводорода выше 1 мг/л смертельное отравление может произойти почти мгновенно от паралича дыхательных центров. Допустимая его концентрация в воздухе помещений установлена не более 0,1мг/л, а в газе, поступающем в городские сети, - не более 2г на 100 .

Сероуглерод в небольших количествах входит в состав газов, получаемых при сухой перегонке топлив, содержащих серу. Температура кипения сероуглерода +46 , то есть при обычных условиях он является жидкостью. Пары сероуглерода в 2,6 раза тяжелее воздуха. Высокие концентрации паров сероуглерода в воздухе приводят к отравлению. Предельно допустимая концентрация в рабочей зоне 0,01мг/л.

      Цианистый водород HCN – сильнейший яд, содержащийся в небольших количествах в газах сухой перегонки топлива. Предельное содержание HCN в газах, применяемых для городского газоснабжения, не выше 0,05 мг/л, предельно - допустимая концентрация в воздухе промышленных предприятий- 0,0003 мг/л.

       Наличие водяных паров может привести к образованию конденсата, усиленной коррозии трубопроводов и образованию гидратных пробок при дальнем транспорте природного газа. Во избежание этого, природные и попутные газы перед подачей в магистральные трубопроводы подвергают осушке, при которой одновременно удаляется и двуокись углерода.

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……………………………..39400 – 52000

- допустимые  отклонения числа Воббе

от номинального значения, % не более …………±5

- Масса меркаптановой  серы в 1м³, г, не более….0.02

- Масса механических  примесей в 1м³, г, не более…0.001

- Объемная  доля кислорода, 5, 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 квадратному корню из относительной (по воздуху) плотности газа:

W₀ = Q/Öb.

Так как пределы колебания  числа Воббе широки, ГОСТ требует  устанавливать для газораспределительных систем его номинальное значение с отклонением не более 5%.

 

2. Добыча, обработка  и транспорт природного газа. Классификация газопроводов.

Схемы городских систем газоснабжения.

Основные правила прокладки газопроводов

 

Залежь нефти и газа представляет собой скопление углеводородов, которые заполняют поры проницаемых пород. Газ в пластах находится под давлением, достигающим значительных значений. Причем давление в газоносном пласте зависит от глубины его залегания, то есть через каждые 10м давление в пласте возрастает примерно на 0,0981МПа. При вскрытии их с помощью скважин он способен подниматься (фонтанировать) к поверхности земли с огромной скоростью. Дебит некоторых скважин достигает нескольких миллионов кубометров газа в сутки. Бурение скважин является одним из основных методов выявления газовых и нефтяных залежей в земной коре.

Газовая скважина является основным элементом промыслов. Верх скважины называется устьем, низ – забоем.

Начальный участок I скважин называется направлением. Поскольку устье скважины лежит в зоне легкоразмываемых пород, его необходимо укреплять. В связи с этим направление выполняют следующим образом. Сначала бурят шурф – колодец до глубины залегания устойчивых горных пород (4..8м). Затем в него устанавливают трубу необходимой длины и диаметра, а пространство между стенками шурфа и трубой заполняют бутовыми камнями и заливают цементным раствором 2. Нижерасположенные участки скважины – цилиндрические. Сразу за направлением бурится участок на глубину от 50 до 400м диаметром до 900мм. Этот участок скважины закрепляется обсадной трубой 1, состоящей из свинченных стальных труб, которую называют кондуктором II. Затрубное пространство кондуктора цементируют. С помощью кондуктора изолируют неустойчивые, мягкие и трещеноватые породы, осложняющие процесс бурения. После установки кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих горизонтов. В таких случаях устанавливают и цементируют еще одну колонну III, называемую промежуточной. Если продуктивный пласт, для разработки которого предназначена скважина, залегает очень глубоко, то количество промежуточных колонн может быть больше одной. Последний участок IV скважины закрепляют эксплуатационной колонной. Она предназначена для подъема нефти и газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа) в продуктивный пласт с целью поддержания в нем давления. Во избежание перетоков нефти и газа в вышележащие горизонты, а воды в продуктивные пласты пространство между стенкой эксплуатационной колонны и стенкой скважины заполняют цементным раствором.