10.4. Использование газовоздушных смесей для
ГАЗОСНАБЖЕНИЯ
Использование газовоздушных смесей для газоснабжения обусловлено рядом обстоятельств. В практике, особенно при наличии аварийных ситуаций в системе газоснабжения природным газом, возникает необходимость замены того или иного вида газа без конструктивных изменений газового оборудования. Из-за более высоких по сравнению с природным газом теплоты сгорания и плотности сжиженных углеводородных газов требуется их смешение с воздухом, поэтому СУГ используются в качестве топлива в виде газовоздушных смесей. В паровой фазе пропан-бутановых смесей, подаваемых по распределительным газопроводам в городскую газовую сеть, допускается лишь небольшая добавка бутана и только в теплые месяцы. В то же время выработка жидкого технического бутана на нефтеперерабатывающих и газобензиновых заводах достаточно велика, что приводит к необходимости решения вопроса более широкого, использования бутана в качестве топлива. Использование смесей жидкого технического бутана для газоснабжения возможно с помощью установок пропан-бутано-воздушного газа, в которых осуществляется процесс смешения перегретых паров пропана и бутана или чистого бутана с воздухом. При этом должны быть обеспечены постоянный состав и теплота сгорания газовоздушной смеси, В этом случае газовоздушную смесь можно использовать и для установок природного газа. Таким образом, хранилища сжиженных углеводородных газов могут быть применены для компенсации пиковых ситуаций в системе газоснабжения.
Следует отметить, что газовоздушные смеси могут быть взаимозаменяемы с природными газами и иметь более низкую температуру конденсации, чем сжиженные углеводородные газы, что позволяет транспортировать их в газообразном состоянии, использовать в качестве резервного топлива в типовых и аварийных ситуациях, а также использовать бутан в течение всего года, организовывать газоснабжение населенных пунктов с перспективой перевода их затем на природный газ, расширять возможности централизованного газоснабжения сжиженными
углеводородными газами.
Расчеты состава газовоздушной смеси основаны на соответствии заменяемых газов по плотности, теплоте сгорания, скорости распространения пламени и других характеристик сжигаемости газа. Из опыта расчетов газожидкостных смесей следует, что для их приготовления более всего подходят предельные углеводородные газы газобензиновых заводов. Непредельные углеводороды имеют скорость распространения пламени, превышающую на 25-30 % и более эту величину для природного газа, и поэтому нецелесообразно применять их в чистом виде для взаимозаменяемости. Сжиженные углеводородные газы
нефтеперерабатывающих заводов не должны содержать этилен и их следует использовать в смеси со сжиженными газами газобензиновых заводов. Исходя из того, что газовоздушные смеси при определенной концентрации газа взрывоопасны, необходимо, чтобы содержание газа в газовоздушной смеси было эквивалентно не менее чем двум верхним пределам взрываемости при автоматическом поддержании соотношения газ-воздух.
Для замены природных газов целесообразны смеси бутан-воздух, содержащие 47 % бутана и 53 % воздуха, смеси пропан-воздух, содержащие 58 % пропана и 42 % воздуха. Их можно транспортировать при низком давлении (до 5000 Па) в газообразном состоянии для смеси бутан-воздух при температуре до 256 К и для смеси пропан-воздух - при температуре до 236 К. Эквивалентная теплота сгорания находится в пределах 54000-59000 Дж/м3,
При расчете процесса смешения взаимозаменяемых горючих газов энергетического назначения используют показатель W, рассчитываемый по формуле Воббе
W
= Qн
Δr
где QH - низшая тепло та сгорания газа ;
г - относительная плотность газа по воздуху.
В зависимости от того, используется низшая или высшая теплота сгорания, различают низшее или высшее число Воббе. Стабильная и экономичная работа газовых приборов обусловливается постоянством значения числа Воббе. При взаимозаменяемости газов необходимо добиваться равенства числа Воббе для обоих газов путем изменения соотношения горючих газов, поступающих в газовые сети. При отсутствии возможности обеспечения постоянства числа Воббе изменять соотношение газов можно добавляя в газовую смесь балластные газы, в качестве которых используют воздух или инертные газы. При добавке воздуха повышенного давления в газовую смесь не только стабилизируется ее качество, но при дефиците газа поддерживается давление в газовой сети.
Следует отметить, что смешение паровой фазы сжиженных углеводородных газов с воздухом должно быть предусмотрено в соотношениях, обеспечивающих превышение верхнего предела воспламеняемой смеси не менее чем в 2 раза. При этом должны быть предусмотрены автоматические устройства для отключения смесительной установки в случае приближения состава смеси к пределам опасной концентрации или в случае внезапного прекращения поступления одного из компонентов. Для получения газовоздушных смесей используют струйные аппараты: для низкого давления (до 0,005 МПа) - газоструйные инжекторы, для среднего давления (от 0,005 до 0,3 МПа) - газоструйные инжекторы. Для нагнетания воздуха применяют вентиляторы низкого, среднего и высокого давления, а также поршневые и ротационные компрессоры. Для перекачки сжиженного углеводородного газа используют насосы и компрессоры, во многих случаях имеется возможность ограничиться давлением перегретого пара.
При смешении воздуха с парами сжиженного углеводородного газа используют регуляторы соотношения газ-воздух с проверкой теплоты сгорания полученной смеси. Основным элементом системы контроля служит расходомер, устанавливаемый на выходе станции смешения. Изменения расхода газа преобразуются в командные импульсы, которые передаются пропорциональным исполнительным механизмом, управляющим положением клапанов регулятора соотношений потока. Более точную подстройку состава по парам сжиженных углеводородных газов ведут по данным контролирующего калориметра для поддержания постоянной теплоты сгорания получаемой газовоздушной смеси.
Газоструйные аппараты работают эффективно только при расчетном режиме. На практике для получения более широкого диапазона необходимого регулирования производительности инжекторной установки используют несколько инжекторов различной производительности, включенных параллельно общему коллектору паров сжиженных углеводородных газов. Инжекторы состоят из сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора. Пары СУГ под собственным давлением поступают в сопло и выходят в приемную камеру, в которою поступает и воздух. Потенциальная энергия сжатых паров при выходе из сопла превращается в кинематическую энергию расширяющейся газообразной струи, которая с большой скоростью устремляется из приемной в смесительную камеру, имеющую форму короткого цилиндра. Струя паров сжиженных углеводородных газов при своем движении захватывает из приемной камеры находящийся там воздух, и в смесительной камере образуется газовоздушная смесь. Количество воздуха, поступающего в смесительную камеру, зависит от площади камеры выходного - критического сечения сопла и давления паров сжиженных углеводородных газов. Поддержанием необходимого давления паров сжиженных углеводородных газов для данного инжектора при постоянном давлении воздуха можно обеспечивать постоянство состава газовоздушной смеси. После камеры смешения газовоздушную смесь направляют в диффузор, где происходит расширение газовой струи и повышение давления образовавшейся газовоздушной смеси. Для достижения возможности регулирования инжекторов в относительно узких диапазонах используют игольчатые клапаны, находящиеся в соплах инжекторов. Принцип их работы состоит в частичном перекрытии критического сечения сопла. Игольчатый клапан приводится в действие мембранным сравнивающим устройством. При полностью открытом сопле инжектор работает с максимальной производительностью, при уменьшении расхода подается соответствующий сигнал командного газа, что приводит к частичному перекрытию сопла игольчатым клапаном. Параллельно работающие инжекторы сблокированы с помощью мембранных запорных клапанов, трубок Вентури, дроссельных диафрагм и регуляторов давления. Блокирование позволяет осуществить их последовательное автоматическое включение в работу и выключение из работы в зависимости от колебаний потребления газовоздушной смеси.
Максимальный эффект от использования газовоздушных смесей можно получить при условии использования их в местах, где нет достаточного количества природного газа, применяемого в основном для питания сетей низкого давления, а также при использовании в резервных и передвижных установках.