книги / Основы газоснабжения

Н . А . С к а ф т ы м о в

Ленинград « Н е д р а »

Ленинградское отделение 1975

УДК 662.764.005

Скафтымов Н. А. Основы газоснабжения. Л., «Недра», 1975. 343 с.

Вкниге изложены вопросы газоснабжения городов

инаселенных пунктов, коммунальных и промышленных предприятий. Приведены основные сведения о добыче, транспорте и свойствах газового топлива. Изложены поня­ тия об устройстве, проектировании, строительстве и эксплу­

атации систем газоснабжения, в том Числе в сельской местности. Значительное место в книге уделено вопросам горения газового топлива и экономического и безопасного

основы газоснабжения или проходит переподготовку, а также может быть использована студентами вузов и тех­ никумов.

Табл. 43, ил. 164, список лит. 59 назв.

П р е д и с л о в и е

Газовая промышленность Советского Союза как самостоятель­ ная отрасль народного хозяйства возникла в годы Великой Оте­ чественной войны на базе открытия газовых месторождений в Поволжье и в Коми АССР. В результате бурного развития этой отрасли топливной промышленности наша страна в настоящее время занимает по запасам газа первое место в мире, а по добыче — второе.

На XXIV съезде КПСС указывалось на необходимость опере­ жающего и более эффективного развития топливно-энергетического комплекса прежде всего за счет увеличения доли нефти и газа в топливном балансе страны. Эксплуатируемая к настоящему вре­ мени система газоснабжения с протяженностью магистральных газопроводов более 70 тыс. км включает в себя несколько сотен месторождений газа, размещенных на территориях восьми союз­ ных республик. В рамках этой системы создано несколько мощных региональных газопроводов, которые обеспечивают маневрен­ ность переключения больших потоков газа, транспортируемых на Урал и в центральные районы страны. Для обеспечения надежного и бесперебойного газоснабжения крупных потребителей в осеннезимний период создаются подземные хранилища газа. Наряду с добычей сетевого природного газа неуклонно растет производ­ ство сжиженных газов, что позволяет газифицировать десятки тысяч городов, поселков и >сельских населенных пунктов, уда­ ленных от магистральных газопроводов.

Использование газа в народном хозяйстве позволяет интен­ сифицировать и автоматизировать производственные процессы в промышленности и сельском хозяйстве, улучшить санитарногигиенические условия труда на производстве и в быту, оздоро­ вить воздушные бассейны городов. Малая стоимость газа в со­ четании с удобством его транспорта и отсутствием необходимости складского хранения обеспечивают высокий экономический эффект замены других видов топлива газовым. Кроме того, природный газ является ценным сырьем в химической промышленности для производства спирта, каучука, пластмасс, искусственных воло­ кон и др.

3

Г л а в а I

О б щ и е с в е д е н и я о г а з о в о м т о п л и в е

§ 1.1. Классификация и общие характеристики

Газовое топливо представляет собой смесь различных простых горючих и балластных газов. Горючие газы бывают искусственные

иприродные.

Кискусственным относят газы, вырабатываемые на газовых заводах в процессе термической переработки твердых и жидких топлив, а также выделяющиеся в качестве вторичных продуктов некоторых производств', например в доменном процессе, при по­ лучении кокса, переработке нефти и т. д.

Кприродным относят газы: добываемые из чисто газовых месторождений; попутные нефтяные, выделяющиеся из добыва­ емой нефти; получаемые из газоконденсатных месторождений (состоят из смеси сухого газа с парами конденсата тяжелых угле­ водородов); сжиженные углеводородные, извлекаемые из газов нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Свойства газового топлива определяются свойствами отдель­ ных горючих и негорючих газов, его составляющих, и примесей. Горючая часть газового топлива состоит из углеводородов, водо­ рода и окиси углерода. В негорючую часть входят углекислый газ, азот и кислород. К примесям относят сероводород, аммиак, цианистые соединения, водяные пары, нафталин, смолы, пыль и др. Негорючие газы и примеси являются балластом газового топ­ лива, ухудшающим его теплофизические и эксплуатационные ка­ чества. Поэтому содержание их в газовом топливе доводится до

СЛН 2п+2. Первый в их ряду — метан (СН4), последующие — этан (С2Нв), пропан (С3Н8), бутан (С4Н 10), пентан (С5Н 12) и т. д.

5

Предельные углеводороды характеризуются высокой теплотой сгорания, не имеют цвета и запаха, не токсичны, но оказывают слабое наркотическое действие при большой концентрации (вы­ сокомолекулярные углеводороды). При скоплениях в помещения* более 10% по объему они способны вызвать удушье из-за недо­ статка кислорода воздуха. С увеличением молекулярной массы углеводородов повышаются их теплота сгорания, плотность и способность конденсации.

Непредельные углеводороды входят в значительных количества* в искусственные газы. Их общая химическая формула СпН 2аГ Первые три члена — этилен (С2Н4), пропилен (С3Нв) и бути­ лен (С4Н8). По свойствам они сходны с предельными углеводо­ родами.

Водород (Н 2) имеется во всех искусственных газах. Это го­ рючий газ без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. В реакция* горения водород весьма активен.

Окись углерода (СО) — горючий газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха, очень токсичен. Содержится в больших коли­ чествах в искусственных газах, а также образуется при непол­ ном сгорании топлива.

Углекислый газ (С 02) не имеет цвета и запаха, со слабым ки­ словатым вкусом, не токсичен, но при скоплениях в помещении способен вызвать удушье из-за недостатка кислорода воздуха. Химически инертен.

А зот (N2) — газ без цвета, запаха и вкуса, не горит и ие поддерживает горения, не токсичен. При высоких температурах, например в топках промышленных агрегатов, возможно образова­ ние окислов азота, являющихся высокотоксичными компонентами продуктов сгорания.

Кислород ( 0 2) — газ без цвета, запаха и вкуса, не горит, но поддерживает горение. Содержится в небольших количествах

запахом тухлых яиц. Может содержаться в искусственных и плохо очищенных природных газах. Как сам сероводород, так и про­ дукт его сгорания — сернистый газ (S 0 2) — весьма токсичны и разрушают металлы, образуя с железом пирофорные соединения, способные самовоспламеняться в воздухе.

Аммиак (NH3) — бесцветный газ с острым запахом нашатыр­ ного спирта, вредная токсичная примесь некоторых искусствен­ ных газов.

Цианистые соединения, в первую очередь синильная кислота (HCN), могут образоваться в коксовых газах в результате взаи­ модействия углерода топлива с аммиаком. При нормальных усло­ виях синильная кислота — бесцветная легкая жидкость с весьма высокими токсичными и коррозионными свойствами.

6

Пары воды могут содержаться в недостаточно осушенных га­ зах. При высоких давлениях они образуют с тяжелыми углеводо­ родами кристаллогидратные соединения, внешне напоминающие частички снега или льда, которые закупоривают газопроводы. Кроме того, влага способствует коррозии металлов.

Н аф талин, смоли и пиль, откладываясь на внутренних стен­ ках газопроводов, уменьшают их сечения, а при плохой очистке газа — закупоривают отдельные участки газопроводов, прежде­ временно засоряют фильтры, арматуру и другие устройства.

§ 1.2. Искусственные газы

По методу производства искусственные горючие газы подраз­

Газы первой группы, к которым относятся коксовый, сланце­ вый и газы пиролиза нефти, получают в термических печах и установках нагреванием твердого или жидкого топлива без до­ ступа воздуха. При этом в процессе термического разложения го­ рючей части исходных топлив помимо таких продуктов производ­ ства, как кокс, смолы, бензин, керосин и др., выделяются значительныеколичества горючих газов. Так, при переработке 1 т каменного угля можно получить 300—350 м3 коксового газа, при переработке 1 т сланцев — 350—400 м3 сланцевого газа, а при крекинге нефти выход горючих газов достигает 200—250 м3/т. Низшая теплота сгорания газов сухой перегонки твердых топ­ лив 3500—4500, а газа пиролиза нефти — до 11 000 ккал/м3.

Газы безостаточной газификации получают частичным сжига­ нием твердых топлив в потоке воздуха, кислорода или в смеси их с водяным паром. В результате такой термохимической перера­ ботки топлива углерод, содержащийся в нем, взаимодействует с кислородом и водяным паром и образует окись углерода и водо­ род. Аппараты, в которых осуществляется газификация топлив, называются газогенераторами, а газы, получаемые таким мето­ дом, — генераторными. К ним относятся: генераторный водяной, генераторный паровоздушный, доменный, газ подземной газифи­ кации углей и др. Низшая теплота сгорания их не превышает 2500 ккал/м3. Существенными недостатками большинства искус­ ственных газов являются высокая токсичность и малая теплота сгорания, объяснимая большим содержанием балластных компо­ нентов.

§ 1.3. Природные газы

Природные горючие газы, добываемые из недр Земли, в основ­ ном состоят из предельных углеводородов метанового ряда с не­ большим количеством негорючих и вредных примесей. Согласно

7

теории академика И. А. Губкина природные газы образовались в процессе биохимического и термического разложения органиче­ ских остатков растительного и животного мира, погребенных вместе с осадочными породами в толще земной коры. Углеводо­ роды и сопутствующие им небольшие количества других газов, образовавшиеся в процессе указанного разложения, скапливались в порах таких пород, как пески, песчаники, галечники и др.

Рис. 1.1. Схема газо-нефтяной залежи.

1 —газовая скважина (стрелками показан отбор газа); 2 —таз; з —нефть; 4 —вода; 5 — газоупор­ ные породы (сверху кровля, снизу —подошва).

В зависимости от геологических условий в одних случаях образо­ вывались тяжелые углеводороды в виде нефти, в других — легкие углеводороды в виде чисто газовой залежи; в ряде случаев обра­ зовывались совместные скопления нефти и газа.

Необходимым условием образования газовой залежи является наличие плотных подстилающих и покрывающих эту залежь газо­ непроницаемых пород, например глинистых. Иногда подошвой газовой залежи являются пластовая вода и нефть. Расстояние h от подошвы до кровли, достигающее иногда сотен метров, назы­ вается мощностью продуктивного пласта (рис. 1.1). Нередко на одном газовом месторождении имеется несколько газовых залежей, расположенных одна над другой. Такое месторождение назы­ вается многопластовым. Извлечение газа из залежей осущест­ вляется через газовые скважины.

Природные газы в зависимости от условий образования и со­ става подразделяют на три группы: чисто газовых, газоконденсат­ ных и нефтяных месторождений. Также принято условно считать

8

газы с содержанием тяжелых углеводородов (от пропана и выше) менее 50 г/м3 сухими, а газы с большим содержанием тяжелых углеводородов — жирными.

Горючая часть газов чисто газовых месторождений состоит в основном из метана и небольшого количества этана и более тяжелых углеводородов. Основным балластным компонентом в них является азот. Содержание сероводорода, аммиака и других вредных примесей в сухих газах большинства месторождений незначительно. Все сухие газы легче воздуха. Низшая теплота сгорания их 8000—9500 ккал/м3. Состав и свойства газов чисто газовых месторождений довольно постоянны.

В газах газоконденсатных месторождений при высоких давле­ ниях наряду с легкими углеводородами содержится значительное количество паров тяжелых углеводородов, которые способны при понижении давления и температуры конденсироваться. Поэтому перед подачей потребителям тяжелые углеводороды извлекаются и используются для производства сжиженного газа и моторного топлива. Содержание тяжелых углеводородов в газах конденсат­ ных месторождений более 100—150 г/м3, и поэтому их относят к категории жирных газов. Низшая теплота сгорания таких газов достигает 9000—10 000 ккал/м^.

К газам нефтепромысловых месторождений относятся добыва­ емые из газовой «шапки» газонефтяных месторождений и попутно с нефтью (попутные газы). В нефтяной залежи обычно растворены углеводородные газы, причем количество их с увеличением глу­ бины залегания нефти, а следовательно, и с увеличением пла­ стового давления возрастает. При извлечении нефти и сниже­ нии давления из нее выделяется большое количество газов (до 500 м? на 1 т). В попутных газах наряду с легкими углеводоро­ дами содержатся от 5 до 30% тяжелых углеводородов и значи­ тельные количества азота, двуокиси углерода, а иногда и серово­ дорода. Состав попутных газов непостоянен, но все они являются жирными газами с относительной плотностью, близкой к единице, и низшей теплотой сгорания до 14 300 ккал/м3. Так же как и газы конденсатных месторождений, попутные газы до транспор­ тировки потребителю обрабатывают с целью извлечения тяжелых углеводородов.

Таким образом, для газоснабжения населенных пунктов сухие природные газы подают без существенной обработки, а жирные чаще всего предварительно освобождают от тяжелых углеводоро­ дов или подвергают отбензиниванию. Физико-химические свой­ ства сухих и отбензиненных газов примерно одинаковы: низшая теплота сгорания около 8500 ккал/м3, легче воздуха, не имеют цвета и запаха, не токсичны, но при скоплениях в помещении за счет вытеснения воздуха могут вызвать удушье. В определен­ ных соотношениях с воздухом они образуют взрывчатую смесь. В табл. 1.1 приведены некоторые характеристики природных газов.

9