2610

1. ГАЗОСНАБЖЕНИЕ

Газоснабжение – это наука и отрасль народного хозяйства, базирующаяся в настоящее время на использовании горючих (природных и искусственных) газов, запасы которых в нашей стране велики. Только разведанные запасы природного газа составляют около 50 трлн м3. Потенциальные запасы газа исчисляются в 240 трлн м3.

По прогнозам Мирового энергетического агентства, после 2010 г. газ по объемам потребления станет вторым после нефти источником энергии в мире, оттеснив уголь на третье место. К 2030 г. доля газа в структуре мировогопотребленияпервичнойэнергии повысится до25 %.

Таким образом, газопотребление характеризуется более высокими темпами роста по сравнению с другими видами энергоносителей. Газ является лучшим видом классического топлива, поэтому использование его в настоящее время технически и экономически весьма целесообразно.

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 снизить загрязнение окружающей среды.

По сравнению с другими видами топлива, природный газ имеет следующие преимущества: высокую теплоту сгорания, полное сгорание, низкую себестоимость, возможность транспортирования на большие расстояния по трубопроводам, высокую жаропроизводительность (более 2000 °С), возможность автоматизации процесса горения и достижения высоких коэффициентов полезного действия. Кроме перечисленного природный газ является ценнейшим сырьем для различных отраслей 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.

Основной задачей при использовании природного газа является его рациональное потребление, т.е. снижение удельного расхода по-

11

средством 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 газами при малых коэффициентах расхода воздуха. При работе агрегатов на газовом топливе возможно также ступенчатое использование продуктов сгорания.

Безопасность, надежность и экономичность газового хозяйства зависят от степени подготовки обслуживающего персонала.

Цель изучения дисциплины – научить эксплуатировать системы газоснабжения и газооборудование.

Задачи дисциплины:

•изучить основные физико-химические свойства горючих газов, способы их добычи, транспортирования, хранения, снабжения ими городов, поселков, промышленных предприятий и использования этого топлива в различного рода установках;

•изучить режимы и расчет потребления газа;

•изучить классификацию газопроводов, их прокладку, защиту от коррозии;

•ознакомиться с устройством газовых горелок;

•освоить современные методы эксплуатации систем газоснабже-

ния;

•научить эксплуатировать газооборудование, обосновывать способы экономии топлива, а также решать задачу защиты воздушного бассейна и сокращение токсичных выбросов.

Курс необходимо изучать последовательно по разделам в соответствии с программой.

Задача практикума – дать правильное направление самостоятельной работе студента, помочь ему выделить главное в содержании курса, облегчить подбор литературных источников для изучения курса, а также помочь в выполнении курсовой работы.

Практическая работа №1

1. Основные свойства и состав газообразного топлива

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, а также примесей. К горючим компонентам относятся все углеводороды: (CnHm), водород (H2) и оксид углерода (СО). Него-

12

рючие составляющие или балласт топлива – это: азот (N2), углекислый газ (СО2) и кислород(О2). Примеси: водяные пары (Н2О), сероводород (H2S), аммиак (NH3), цианистые соединения, смола, пыль и прочие. От вредных примесей газообразное топливо очищают, содержание их нормируется по ГОСТу.

Для газоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов применяют сухие и влажные газы. Если газ транспортируется на большие расстояния, его осушают. Искусственные газы в большинстве случаев имеют резкий запах, что облегчает обнаружение утечки газа из труб и арматуры. Природные газы не имеют запаха, поэтому до подачи в систему газоснабжения они одорируются, т.е. им придается резкий и неприятный запах. Самый распространенный одорант – этилмеркаптан (C2H5SH). К основным характеристикам горючих

газов относится теплотворная способность (Qнр , кДж/м3) и плотность

(ρ, кг/м3).

2. Основные законы газового состояния

Закон Бойля – Мариотта. При постоянной температуре объем идеального газа изменяется обратно пропорционально давлению:

где V1 – объем газа при давлении Р1; V2 – объем того же количества газа при давлении Р2.

Учитывая, что удельные объемы газа обратно пропорциональны

где ρ1и ρ2 – плотности газа соответственно при давлениях Р1 и Р2. Закон Гей-Люссака. Объем определенного количества идеального

газа при постоянном давлении увеличивается с повышением температуры. Так, если при температуре 0 °С газ занимает объем V0, м3, то при температуре t объем газа составляет

13

где at – коэффициент расширения газа при повышении температуры на 1 °С, приблизительно равно 1/273.

Для одного и того же газа при постоянном давлении, но различных температурах справедливо соотношение

где Т1, Т2 – абсолютные температуры.

Если газ находится в закрытой емкости постоянного объема, то при повышении температуры газа в ней будет возрастать давление, причем

где ар – коэффициент объемного расширения.

Соотношение между абсолютной температурой и давлением для

Для идеальных газов коэффициенты ар и аt одинаковы.

Закон Авогадро. Равные объемы различных газов при одинаковых температуре и давлении прямо пропорциональны их молекулярным весам:

Равные объемы разных газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное число молекул. Это число для 1 моля любого газа составляет N=6,025 1023 и называется числом Авогадро. Из этого следует, что при определенной температуре и давлении г/моль любого газа будет занимать почти один и тот же объем, равный частному от деления веса 1 г/моля на вес 1 м3 газа. При 0 °С и Р = 1,01 105 Па,

MV= 22,4 м3.

Закон Авогадро позволяет определить плотность любого газа при нормальных условиях по молекулярному весу, кг/нм3:

14

где М – молекулярный вес газа, кг; Vµ – молекулярный объем газа, нм3/моль; 1,293 – удельный вес воздуха, кг/нм3.

Уравнение Клапейрона.

Обозначая постоянную величину через R, получим для 1 кг газа

Для m кг газа уравнение будет

где Р – давление, Па; V – объем газа, кг; m – масса газа, кг; R – газовая постоянная, Дж/(кг·к); Т – абсолютная температура, К.

В газовом хозяйстве рабочим телом является не отдельный однородный газ, а смесь, состоящая из разных газов. Смесь газов, не вступающих между собой в химические соединения, ведет себя, как идеальный газ и подчиняется уравнению состояния (15).

Для реальных газов уравнение состояния имеет вид:

где z – коэффициент сжимаемости газа.

Каждый близкий по своим свойствам к идеальному газ, входящий в смесь, ведет себя так, как если бы в смеси не было других газов: распространяется по всему объему смеси и следует своему уравнению состояния.

Закон Дальтона. Смесь газов подчиняется закону Дальтона, согласно которому общее давление смеси равняется сумме давлений отдельных компонентов, образующих смесь, т.е. сумме парциальных давлений:

15

Парциальным давлением называется давление, которое имеет каждый газ в объеме смеси при температуре смеси. При этом парциальное давление каждого компонента равняется общему давлению, умноженного на величину объемного (молярного) содержания данного компонента в смеси:

Аналогично закону Дальтона, Амага предложил закон аддитивности парциальных объемов, согласно которому общий объем газовой смеси равняется сумме парциальных объемов компонентов смеси:

Под парциальным объемом компонента идеальной газовой смеси понимается объем, который занимал бы данный компонент при отсутствии остальных, находясь в таком же количестве, под тем же давлением и при той же температуре, что и в смеси.

Парциальный объем каждого компонента газовой смеси равно общему объему, умноженного на объемную (молярную) концентрацию его в смеси:

Соотношения между количеством отдельных газов, входящих в смесь, могут задаваться объемным или весовым составом. Объемный состав газовых смесей является одновременно и молярным составом, т.к. объем 1 кмоля углеводородного газа есть величина постоянная, равная ≈ 22,4 нм3.

3. Решение типовых задач

Задача №1. Определить парциальные давления компонентов, входящих в состав воздуха, находящегося при нормальном давлении.

Решение.

Объемный состав воздуха: О2 – 21%, N2 – 79%. Так как парциальные давления компонентов пропорциональны их объемным (молярным) концентрациям по закону Дальтона: Рi = ri Р, то:

РО2 = 760 0,21 = 160 мм рт. ст.; PN2 = 760 0,79 = 600 мм рт. ст.

Задача №2. Определить парциальные давления компонентов, входящих в газовую смесь следующего объемного состава: CH4 –

16

90%, С2Н6 – 5%, С3Н8 – 5%. Смесь находится под давлением 10 атм. = = 1 МПа.

Решение.

РCH4=0,9 1 = 0,9 МПа; РС2Н6 = 0,05 1 = 0,05 МПа; РC3H8 = 0,05 1 = 0,05 МПа.

Задача №3. Определить теплоту сгорания газообразного топлива, имеющего следующий состав (в % по объему): СH4 – 96%, С2Н6 –

0,8%, С3Н8 – 0,3%, С4H10 – 0,8%, СO2 – 0,5%, N2 – 1%.

Решение.

Qнр =0,01(96,6 35840+0,8 63730+0,3 93370+0,8 123770)= =363990 кДж/м3.

Задача №4. Баллон со сжиженным газом, имеющим Р=0,1 МПа и t = 20 °C, нагрели до t = 50 °C. Определить давление в баллоне после нагревания.

Решение.

Применим закон Шарля:

;

МПа.

Задача №5. Продукты сгорания газа охлаждаются от 926 °С до 327 °С. Определить, во сколько раз уменьшится их объем.

Решение.

Согласно закону Гей-Люссака:

.

Задача №6. По газопроводу в течение часа подается 1000 м3 природного газа при абсолютном давлении 0,2 МПа и t = 20 °C. Выразить этот объем газа при н.у.

Решение.

Используем объединенный закон Бойля – Мариотта:

17

.

Задача №7. Определить плотность газа рабочего состава.

Решение.

Плотность газа определяется как сумма произведений значений плотности компонентов на их объемные доли:

Рс=0,01(96,6 0,717+0,8 1,357+0,3 2,019+ +0,8 2,703+0,5 1,977+1 1,251) = 0,156 кг/м3.

Относительная плотность газа (по воздуху)

.

Основной характеристикой газа является сухой состав, но т.к. используемый газ бывает влажным, может возникнуть необходимость

пересчета Qнр , ρc, Sc на рабочий состав (с учетом влажности газа).

Задача №8. Определить рабочий состав газа и ρр, считая, что

d = 0,005кг/м3,

,,.

Решение.

Рабочий состав газа будет: СН4=95,993, С2Н6=0,795, С3Н8=0,298,

С4Н10=0,795, СО2=0,497, N2=0,994, Н2О=0,628.

Плотность влажного газа ρ=(0,756+0,005) 0,994=0,757 кг/м3. Теп-

лота сгорания рабочего состава =36390 0,994=36170 кг/м3.

Задача №9. Определить плотность СH4 при t = 20 °С и Р = 760 мм рт. ст. (при t = 20° и Р = 1 МПа), если ρ н.у.=0,7168 кг/нм3.

Решение.

ρ20,760=0,7168 = 0,67 кг/м3 (стандартные условия)

18

ρ20,1 = 0,7168 = 6,67 кг/м3.

Задача №10. Определить общее давление смеси сжиженных газов при t = +20°C, если молекулярный состав жидкости следующий:

С3Н8 – 80%, С4Н10 – 20%.

Решение.

Р = 0,8 0,85+0,2 0,205=0,72 МПа.

Задача №11. Определить объем паров при н.у., получающихся при испарении 1000 кг смеси следующего весового состава: С4Н10 –

50%, М = 58,12; С3Н8 – 50%, М = 44,09.

Решение.

Средний молекулярный вес смеси для состава газа, выраженного в весовых процентах:

где r1, r2 ... – весовое процентное или долевое содержание компонентов.

.

.

Задача №12. 100 м3 СН4, находящегося при давлении 10 атм., смешаны с 40 м3 С3Н8, находящегося при давлении 5 атм., и помещены в газгольдер емкостью 200 м3. Определить парциальные давления компонентов в газгольдере, общее давление газа в газгольдере и объемный состав смеси.

Решение.

Определение парциальных давлений компонентов сводится к приведению каждого газа к новому общему объему смеси после помещения ее в газгольдер.

РСН4 100 10 5атм. 200

19

40 5 РС3Н8 200 1атм.

Общее давление смеси в газгольдере:

Р = 1+5 = 6 атм.

Объемный состав смеси:

СН4 5:6=0,835=83,5%; С3Н8 1:6=0,165=16,5%.

Задача №13. Вычислить удельный вес смешанного газа, состоящего из 50% С3Н8 и 50% Н-бутана по объему при Р = 760 мм рт. ст. и t = 0 °C.

Решение.

Ρ = 0,5 С3Н8+0,5 С4Н10 = 2,35 кг/нм3.

Контрольные вопросы

1.Дайте классификацию всех горючих газов. Какие горючие компоненты входят всоставгазов?Напишитеих химическиеформулы.

2.Какие балластные компоненты могут входить в состав газов?

3.Назовитетри группы вредныхпримесей,содержащихсяв газах.

4.Какие горючие элементы преобладают в природных газах чистых и конденсатных месторождений, в попутных, а также в коксовых, нефтяных и генераторных газах?

5.Перечислите физико-химические свойства сжиженных газов.

6.Какова в среднем теплота сгорания природных газов чистых и конденсатных месторождений, попутных нефтяных, сжиженных, коксовых и генераторных газов?

7.Чем принципиально отличается низшая теплота сгорания газа от высшей? Как определяют теплоту сгорания газов?

8.Как изменяются в ряде углеводородов теплота сгорания, плотность, токсичность?

9.Какой закон термодинамики используют для определения плотности простейших газов? Как определить плотность смеси газов?

10.Дайте понятия вязкости и теплоемкости газов.

Литература: [8, 9, 13 15].

20