М.Д. Середюк, В.Я. Малик, В.Т. Болонний

ПРОЕКТУВАННЯ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЯ

СИСТЕМ ГАЗОПОСТАЧАННЯ

НАСЕЛЕНИХ ПУНКТІВ

Навчальний посібник для студентів спеціальності

„Газонафтопроводи та газонафтосховища”

Рекомендовано до друку рішенням вченої Ради

Івано-Франківського національного технічного університету

нафти і газу від 29 січня 2003 р. (протокол № 2/401)

Івано-Франківськ

2003

УДК 622.691.4.

М.Д. Середюк, В.Я. Малик, В.Т. Болонний

Проектування та експлуатація систем газопостачання населених пунктів

ISBN 966-7327-88-4

Навчальний посібник містить теоретичні основи та інженерні методи технологічного проектування та експлуатації складових елементів систем газопостачання населених пунктів – газових мереж, газорегуляторних пунктів та газорозподільних станцій.

Дана характеристика сучасної системи газопостачання, наведені вимоги до її структури. Охарактеризовані методи розрахунку річних і максимальних годинних витрат газу споживачами населеного пункту згідно з рекомендаціями чинних нормативних документів.

Запропоновані методи та програмне забезпечення для виконання проектних та експлуатаційних розрахунків газових мереж кільцевої та розгалуженої структури високого, середнього та низького тиску.

Розглянуті методи проектування та експлуатації газорозподільних станцій як кінцевого елемента магістрального газопроводу і джерела живлення газових мереж населеного пункту. Наведена характеристика технологічних схем і технологічного обладнання для очищення, редукування, підігріву та одоризації газу.

Розглянуті методи проектування та експлуатації газорегуляторних пунктів як енергетичного об'єкта газових мереж населеного пункту. Наведена характеристика технологічних схем і технологічного обладнання для очищення, редукування, обліку газу та захисту від неприпустимих змін тиску.

У навчальному посібнику узагальнюються вимоги до прокладання зовнішніх газових мереж, в також вимоги до облаштування внутрішніх газових мереж, що регламентуються чинними нормативними документами. Наведені вимоги до сталевих і поліетиленових труб, запірної, регулюючої, запобіжної арматури, інших матеріалів та технічних пристроїв, що використовуються в системах газопостачання населених пунктів.

Навчальний посібник призначений для студентів спеціальності "Газонафтопроводи та газонафтосховища" при вивченні дисциплін "Газові мережі і газосховища", "Проектування та експлуатація газових мереж", "Обладнання систем газопостачання населених пунктів" і "Прогресивні методи зберігання та розподілу газу. Він може бути корисним фахівцям, що здійснюють проектування та експлуатацію систем газопостачання населених пунктів.

ISBN 966-7327-88-4

 М.Д. Середюк, В.Я. Малик, В.Т. Болонний

Дане видання – власність ІФНТУНГ

Забороняється розповсюджувати та тиражувати

ВCТУП

Розвиток народного господарства в сучасних умовах пов’язаний зі значним споживанням газу. Природні горючі гази є найбільш економічним і універсальним паливом, здатним замінити тверде і рідке паливо в побуті, в міському і енергетичному господарстві, в промисловості і транспорті. Заміна газом інших видів палива дозволяє одержати значний економічний та екологічний ефект.

За останні два десятиріччя інтенсивно проводиться газифікація міст і сільських населених пунктів. Широкий розмах робіт з газифікації викликав необхідність створення нового виду господарства - газового. Газове господарство є складною інженерною системою, в яку входять газові мережі, різні типи сховищ природних і зріджених вуглеводневих газів, пристрої для спалювання газу.

Використання газу для технологічних потреб промисловості зменшує вартість палива, підвищує продуктивність праці, сприяє впровадженню нових прогресивних технологій, покращує умови праці. Використання газу для промисловості дозволяє оздоровити повітряний басейн і поліпшити загалом екологічний стан.

Великі вигоди від використання газу в побуті. Газифікація житлово-комунального господарства проводиться як на базі природних газів, так і на базі зріджених вуглеводневих газів (ЗВГ). В останні роки різко зростає роль природного газу і ЗВГ як моторного палива.

Реалізація газифікації України включає процеси проектування, спорудження та експлуатації газового господарства. Всі елементи системи газопостачання повинні відповідати таким вимогам: економічність, народногосподарська ефективність, висока надійність, екологічність, безпечність експлуатації.

Успішне виконання завдань можливе тільки при високій кваліфікації всіх робітників газового господарства, при знанні ними діючих нормативних документів. Це обумовило необхідність підготовки інженерних кадрів, які глибоко володіють знаннями про ефективні технології зберігання та розподілу природних газів і зріджених вуглеводневих газів.

Газова промисловість бере свій початок з використання штучного газу, хоча, за деякими відомостями, в Китаї ще в десятому столітті до н. е. застосовували природний газ для випаровування солі, освітлення та як джерело тепла. Газ подавався по бамбукових трубопроводах, які були, очевидно, першими газопроводами в світі. Але ця подія не мала ніякого впливу на подальший розвиток газової промисловості.

У XVII-XVIII століттях експерименти, які проводилися в лабораторіях Великобританії, Бельгії, Німеччини, показали, що при нагріванні дерева чи вугілля виділяється горючий газ. Практичне використання горючого газу вперше розпочав бельгійський професор фізики Й. П. Мінкелер у 1785 р. для наповнення літаючих балонів, а починаючи з 1785 р - для освітлення залу в Лозаннському університеті. У Франції питанням газового освітлення займався Філіп Лебон. У 1787 р. він першим сконструював установку з одержання світильного газу і створив так звану термолампу, на яку йому був виданий патент. У Великобританії аналогічними проблемами займався Вільям Мердок, а продовжив його справу Семюел Клегг, якого вважають основоположником газової промисловості. Клегг успішно вирішив цілий ряд проблем, пов'язаних з очищенням, регулюванням та вимірюванням кількості газу. За його проектом був побудований газовий завод і 31 грудня 1813 р. були запалені перші газові лампи на Вестмінстерському мосту в Лондоні. Після цього газове освітлення стало впроваджуватись в інших кварталах міста і в 1819 р. вже було побудовано 288 миль газопроводів. У 1823 р. 52 міста користувались штучним газом, у 1830 році нараховувалось 200 газових заводів, а у 1868 році їх кількість зросла до 1134.

З Великобританії виробництво штучного газу поширилося по всьому європейському континенті - через Францію, Німеччину – спочатку завдяки активності англійських газових компаній, які побудували установки для виробництва штучного газу в багатьох великих містах Європи, а потім і німецьких компаній. У 1817 році десятки тисяч вуличних ліхтарів освітили Париж, тим самим даючи йому назву міста світла. А в сорокових роках дев’ятнадцятого століття газовими ріжками пишалися і провінційні міста Франції. Газ швидко утвердився як особлива послуга в сфері обслуговування, яка підвищувала безпеку вулиць і символізувала певний комфорт і сучасність.

У кінці дев’ятнадцятого століття газова промисловість обслуговує вже більше тисячі міст, незважаючи на конкуренцію, викликану появою електрики. Споживання газу постійно зростає, темпи росту досягають 4-5 % на рік. Щоб задовольнити зростаючий попит, спочатку в Парижі, а потім в усіх великих провінційних містах будуються газорозподільні мережі, що забезпечуються газом, який виробляється місцевими заводами.

В міжвоєнний період штучний газ широко використовувався не тільки для побутових, але й промислових потреб. Опалення, гаряча вода і кухня на газі стали критеріями комфорту французьких помешкань, а промислове використання газу – фактором технічного рівня підприємств.

Відкриття в 1956 р. великого газового родовища Ляк на південному заході Франції ознаменувало поворот в історії французької газової промисловості, яку з того часу була переорієнтовано на природний газ.

Важливим кроком у розвитку газової промисловості Німеччини стала розробка професором Бунзеном у 1870 р. нової конструкції газового пальника, за допомогою якого газ з домішками повітря став використовуватися для виробництва тепла. Це сприяло тому, що на рубежі XIX-XX століть газ у виробництві тепла складав уже серйозну конкуренцію традиційним видам палива. Винайдення Ніколасом Отто чотиритактного двигуна, який приводився в дію газом, відкрило шлях для використання штучного газу в двигунах внутрішнього згорання. У 1926 році в Німеччині вироблялося уже близько 14,5 млрд. м³ штучного газу.

З 1929 року в Німеччині розпочинається будівництво магістральних газопроводів для транспортування штучного газу на далеку віддаль і в кінці 30-х років країна мала розвинену мережу таких газопроводів. З середини 50-х років здійснюється поступовий перехід на використання природного газу.

Перші газові лампи, що використовувалися для освітлення, були власне газовими пальниками, в яких через простий отвір поступав газ. Поступово пальники набували такої форми, щоб полум'я було плоским, що дещо підвищувало їх ефективність. Докорінний переворот в освітленні стався у вісімдесятих роках минулого століття, коли з'явився винахід австрійського вченого К. А. фон Вельсбаха – освітлювальна сітка, в зв'язку з чим газова лампа давала набагато більше світла при менших витратах газу.

В міру того, як в галузі освітлення електрика відвойовувала все нові позиції, газова промисловість переорієнтовувалась на теплоенергетичні цілі. Хоча штучний газ ще довго використовувався для освітлення, поступово він все більше став застосовуватися у виробничій сфері.

Першим українським містом, в якому впроваджено газове освітлення, був Львів. Згодом газове освітлення з'явилося в Одесі, Харкові, Києві, Чернівцях та інших містах України.

У Львові перші спроби застосування газу належать до 1847 року, коли магістрат вів переговори з фірмою Графтон-Голдсмі у Парижі про освітлення міста газом. 12 лютого 1856 року магістрат Львова уклав з Німецьким континентальним газовим товариством у Дессау контракт на освітлення міста газом. Дія контракту розпочиналася 1 вересня 1858 року і мала тривати 25 років. Товариство набуло виняткового права на постачання газу всім категоріям споживачів. Завод, що був побудований по вул. Сонячній, працював на кам'яному вугіллі. У 1858 році вже було вироблено 143157 м³ штучного газу. На той час було прокладено 20 км міської газової мережі. В наступні роки виробництво газу швидко зростало, збільшувалась і кількість споживачів. У зв'язку з подачею в другій половині 1929 року природного газу з Дашавського родовища виробництво штучного газу почало зменшуватись. Так, у 1936 році споживання природного газу у Львові склало уже 5672 тис. м³ , а штучного зменшилось до 4409 тис. м³ .

Другим містом в Україні, де став використовуватись штучний газ, стала Одеса. 7 квітня 1864 р. Одеською міською думою та підданим Баварії інженером Августом Рідінгером був підписаний контракт, згідно з яким підприємець брав на себе зобов'язання побудувати газовий завод, освітити центральну частину міста та деякі вулиці, встановивши 1800-2000 газових ліхтарів і забезпечуючи їх горіння протягом 2500 годин на рік. Термін привілею встановлюється на 39 років, після чого завод, труби і всі апарати мали бути передані безкоштовно у власність міста.

У 1887 р. протяжність міських газопроводів досягла 76 верст, загальна кількість ліхтарів на вулицях Одеси складала 2133, а в громадських будинках, торгових закладах, готелях, ресторанах та житлових будинках - 20586. Світильний газ використовувався також як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Якщо в 1887 р. їх було одиниці загальною потужністю 30 кВт, то через 10 років їх стало 50 загальною потужністю 96 кВт. Мережа газопроводів споруджувалась з чавунних труб з розтрубами, герметичність стикових з'єднань досягалась ущільненням просмоленим шнуром і заливкою розплавленого свинцю. Трубопровід випробовувався на герметичність тиском у 6 атмосфер. Ріст споживання газу вимагав збільшення потужностей газового заводу, який працював на англійському висококалорійному вугіллі. На кінець минулого століття на заводі діяло 20 печей. З початком першої світової війни виникли серйозні проблеми в роботі газового заводу, у 1918 році він зупинився і знову був пущений після реконструкції у 1932 р. У 1936 р. після введення в експлуатацію другого блоку камерних печей потужність заводу досягла 18 млн. м³ на рік. Завод продовжував працювати до 1964 року, коли до Одеси прийшов природний газ з Шебелинського газоконденсатного родовища.

Одне із найстаріших в Україні і харківське міське газове господарство. Історія його розвитку розпочинається 23 грудня 1871 року, коли штучний газ вперше почав застосовуватись для освітлення вулиць, для чого був побудований невеликий газовий завод. Пізніше газ став використовуватись і для побутових потреб. Але потужність заводу не забезпечувала зростаючих потреб міста в газі. І тільки з пуском дослідного коксохімічного заводу у 1938 році було покладено початок плановому розвитку газопостачання міста. На початок 1941 року в Харкові нараховувалось близько 50 км газових мереж, до яких було підключено 7 тис. квартир, кілька промислових підприємств, 100 комунально-побутових об'єктів. Споживачам в середньому подавалось 24 тис. м³ газу на добу. Під час війни газова мережа була сильно пошкоджена і газопостачання споживачів припинилось. Після війни газове господарство було повністю відновлено і вже у 1948 році виробництво газу перевищило довоєнний рівень.

З розвитком газифікації міста росло і виробництво штучного газу. В 1955 р. споживання газу містом складало 24 млн. куб. м на рік. Користувались ним 15 підприємств, 182 комунально-побутові об'єкти і 17300 квартир. У 1956 році до Харкова прийшов природний газ із Шебелинського родовища і протягом кількох років місто було переведене на використання природного газу.

Штучний газ широко використовувався і в промисловості. Так, в 1930-1935 рр. коксогазові заводи Дніпропетровського, Криворізького, Донецького і Приазовського промислових районів виробляли значну кількість штучних газів, які в основному використовувались в металургії, але частина спалювалась у факелах. Тільки в Донецькому басейні в 1934 р. ресурси коксового газу визначались в 2,5 млрд. м³ , а доменного - 18,5 млрд. м³ .

Для більш раціонального використання штучних газів були побудовані газопроводи: Рудченково - Донецьк (1933-1934 рр.); “Азовсталь”- завод ім. Ілліча (1937-1938 рр.); Горлівський коксохімічний завод - Горлівка (1940 р.), що дозволило у 1934-1935 рр. почати газифікацію Донецька, пізніше Макіївки і Маріуполя (1938 р.), Горлівки (1940 р.). У Донецьку і Горлівці у 1937 р. вперше в країні були побудовані газонаповнювальні станції для заправки автомобілів стисненим газом.

Хоча газифікація Донецька розпочалась у 1934 р., через обмежені ресурси коксового газу, наявність одноступеневої систему газопостачання, низьку теплотворну здатність газу темпи газифікації були дуже низькими. На початок 1959 року в місті було побудовано всього 75 км газопроводів, газифіковано близько 10 тис. квартир, кілька підприємств громадського харчування, дитячих та лікарських закладів. Газоспоживання складало 7 тис. куб. м за годину. З 1959 року, коли місто одержало природний газ, газопостачання споживачів продовжувало розвиватись з використанням нового висококалорійного енергоносія.

Штучний газ використовувався і в інших містах України. Так, після введення в експлуатацію газових заводів ним почали користуватись у Дрогобичі (з 1901 р.), Стрию (з 1910 р.), Станіславові (з 1936 р.) та інших великих і малих містах, газопостачання яких пізніше було переведене на природний газ.

На кінець 1940 р. в Україні газом користувались 17 міст: Бережани, Болехів, Борислав, Долина, Донецьк, Дрогобич, Жидачів, Станіслав, Калуш, Коломия, Маріуполь, Макіївка, Львів, Одеса, Стрий, Харків і Ходорів та кілька селищ міського типу і сіл. При цьому природний газ використовувався тільки у Болехові, Бориславі, Долині, Дрогобичі, Жидачеві, Калуші, Львові, Стрию і Ходорові, в інших же містах використовувався штучний газ, що вироблявся на місцевих газових заводах або транспортувався від найближчих коксохімічних заводів.

Прокладення у 1948 році магістрального газопроводу Дашава-Київ, відкриття Шебелинського та інших газових родовищ і будівництво газопроводів Шебелинка-Харків, Шебелинка-Кривий Ріг-Одеса з відгалуженнями до Дніпропетровська, Запоріжжя, Миколаєва; Шебелинка-Київ з відводами до Полтави, Кременчука, Черкас та інших міст зумовили високі темпи газифікації народного господарства з використанням природного газу, який зайняв провідне місце в паливно-енергетичному балансі України.

В сучасній науці відомо дві теорії походження вуглеводнів - органічна і неорганічна.

Органічну теорію походження газу ініціювали такі вчені, як М.В. Ломоносов, І.М. Губкін, Н.Д. Зелінський. В 1888 році німецький вчений К. Енглер провів наукові дослідження, в результаті яких обгрунтував органічну гіпотезу походження природних вуглеводневих газів.

Теорія походження газу із органічних речовин має наступне наукове пояснення. Утворення вуглеводневих газів пов‘язане з формуванням порід, які накопичуються на днищі водоймищ, морів та океанів. Мікроорганізми, що відмирали, разом з мінеральними частинами осідали на морському дні. Завдяки діяльності бактерій проходив розклад органічної речовини. В результаті нашарування органічного осаду послаблювались біохімічні процеси і в утвореній органічній масі під впливом наростаючих температур і тисків проходили хімічні реакції. Вони і призводили до утворення вуглеводнів.

За теорією неорганічного походження покладів вуглеводнів поверхнева вода, просочуючись в надра Землі, реагувала з карбідами металів, утворюючи окисли металів і вуглеводнів. Останні в пароподібному стані піднімались вверх по тріщинах Землі, згущувались і заповнювали пустоти порід. Утворювались родовища газу. Така гіпотеза неорганічного походження газу була викладена у 1906 р. Д.І. Менделєєвим у праці “Основи хімії ”.

На сьогодні вважають, що вуглеводні можуть бути як органічного, так і неорганічного походження, але теорія походження вуглеводневих газів ще недостатньо обґрунтована і залишає місце для подальших наукових пошуків.

Природний газ в Україні широко використовується в промисловості, будівництві, електроенергетиці, сільському господарстві та для комунально-побутових потреб.

В Україні на сьогодні газифіковано 16,5 млн. квартир, в т.ч. 10,5 млн. – природним газом решту – зрідженими вуглеводневими газами. Обсяг газифікації квартир становить 87 %. Загальна протяжність розподільних газових мереж перевищує 152 тис. км. Зростає обсяг споживання газу населенням і комунально-побутовими споживачами, а їх частка в загальному балансі споживання природного газу зросла до 40 %. Розподіл та постачання природного газу споживачам здійснюють 42 регіональні відкриті акціонерні товариства. Розрахунки за реалізацію природного газу здійснює ДК „Торговий Дім „Газ України”.

1 Загальна характеристика систем газопостачання населених пунктів

1. Основні елементи сучасної системи газопостачання

В системі газопостачання населених пунктів можуть використовуватись такі енергоносії:

• природний газ;

• зріджені вуглеводневі гази (далі ЗВГ);

• суміш парів пропану і бутану з повітрям.

Основним паливом в системах газопостачання України є природний газ.

Розглянемо основні елементи традиційної системи газопостачання у масштабі країни.

Природний газ із газового родовища надходить на установку підготовки газу до транспорту (далі ПГТ). Очищений газ надходить в газотранспортну систему (далі ГТС), основним елементом якої є магістральні газопроводи. Сучасні магістральні газопроводи характеризуються значною протяжністю, великим діаметром (700-1400 мм), складною геометричною структурою (наявність кількох ниток, з’єднаних перемичками, лупінгів, простих і складних за структурою відгалужень до споживачів газу тощо). По газопроводах газ транспортується за рахунок енергії тиску газу. Необхідний тиск газу (до 7,5 МПа) створюють головна (що знаходиться в голові газопроводу ) і проміжні компресорні станції (далі КС).

У кінці магістрального газопроводу, а також у кінці відводів, там, де газ необхідно передати споживачу, передбачаються газорозподільні станції (далі ГРС). ГРС, як правило, споруджуються поблизу міст або інших населених пунктів. Основна їх функція - зниження тиску газу і автоматичне його підтримання на заданому рівні (0,3-1,2) МПа залежно від схеми газопостачання).

Після ГРС газ надходить в систему газопостачання населеного пункту.

Система газопостачання населених пунктів складається із джерела газопостачання (магістральний газопровід або газонаповнювальна станція ЗВГ), складної за структурою газової розподільної мережі і внутрішнього газового устаткування для використання газу.

Принципова схема газопостачання у масштабі країни наведена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – Принципова схема транспортування та розподілу газу

Газові мережі населених пунктів залежно від величини максимального робочого тиску підрозділяться на газопроводи високого, середнього і низького тиску. Газопроводи різного тиску зв'язуються між собою системою газорегуляторних пунктів (далі ГРП).

Фактичне споживання газу є різко нерівномірне протягом доби, місяця і року. Найскладнішу проблему складає сезонна нерівномірність споживання газу. Найбільш ефективним та економічним способом компенсації цієї нерівномірності є включення в систему газопостачання підземного сховища газу (далі ПСГ). Найширшого використання набули пластові ПСГ, які створені у виснажених газових і нафтових родовищах або водоносних горизонтах.

Пластове ПСГ складається із пласта-колектора, розміщеного на глибині кількох сотень метрів, парку нагнітально –експлуатаційних свердловин для закачування і відбору газу із пласта, установок для очищення, осушення газу, охолодження та компримування газу. Відбір газу із сховища і подача споживачу ведеться через ГРС.

Всі елементи загальної системи газопостачання гідравлічно пов’язані між собою. Зміна режиму роботи одного з них (наприклад, зміна обсягів видобутку газу, зміна продуктивності газопроводу, тиску газу у ньому тощо) викликає відповідні зміни режиму роботи всіх інших елементів, в тому числі системи газопостачання населених пунктів.