теор / Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов

скорость распространения пламени достигает сотни метров в секунду. Например, температура самовоспламенения метановоздушной смеси находится на уровне 700 °С, а метан является основным компонентом природного газа. Его содержание в газовых месторождениях колеблется в диапазоне 92-98%.

При взрыве газовоздушной смеси, находящейся под давлением 0,1 МПа, развивается давление около 0,80 МПа. Газовоздушная смесь взрывается, если в ней содержится 5-15 % метана; 2-10 % пропана; 2-9 % бутана и т.д. При повышении давления газовоздушной смеси пределы взрываемости сужаются. Следует отметить, что примесь кислорода в газе увеличивает опасность взрыва.

Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Пределы и интервал взрываемости газов в смеси с воздухом при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа

1.2. Законы идеальных газов. Области их применения

Идеальными газами принято считать газы, подчиняющиеся уравнению Клапейрона ( Pv = RT ). Одновременно под идеальными подразумеваются газы, в которых отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а объем самих молекул равен нулю. В настоящее время можно утверждать, что ни один из реальных газов не подчиняется этим газовым законам. Тем не менее эти специфические газовые законы достаточно широко используются в технических расчетах. Эти законы

просты и достаточно хорошо характеризуют поведение реальных газов при невысоких давлениях и не очень низких температурах, вдали от областей насыщения и критических точек вещества. Наибольшее практическое распространение получили законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро и на их основе полученное уравнение Клапейрона-Менделеева.

Закон Бойля-Мариотга утверждает, что при постоянной температуре ( t = const) произведение

абсолютного давления и удельного объема идеального газа сохраняет постоянную величину ( Pv = const), т.е. произведение абсолютного давления и удельного объема зависит только от температуры. Откуда при t = const имеем:

Закон Гей-Люссака утверждает, что при постоянном давлении ( P = const) объем идеального газа

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

где v - удельный объем газа при температуре t °С и давлении P;v0 - удельный объем газа при

температуре t0 = 0 °С и том же давлении P ; α - температурный коэффициент объемного

расширения идеальных газов при 0 °С, сохраняющий одно и то же значение при всех давлениях и одинаковый для всех идеальных газов:

Таким образом, содержание закона Гей-Люссака сводится к следующему утверждению: объемное

расширение идеальных газов при изменении температуры и при P = const имеет линейный характер, а температурный коэффициент объемного расширения α является универсальной постоянной

идеальных газов.

Сопоставление законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака приводит к уравнению состояния

Физический смысл удельной газовой постоянной R - это удельная работа в процессе P = const при изменении температуры на один градус.

Закон Авогадро утверждает, что объем одного моля идеального газа v не зависит от природы газа и вполне определяется давлением и температурой вещества ( P,T ). На этом основании

утверждается, что объемы молей разных газов, взятых при одинаковых давлениях и температурах, равны между собой. Если v - удельный объем газа, а μ - мольная масса, то объем моля (мольный

объем) равен v = μv . При равных давлениях и температурах для разных газов имеем:

Из уравнения (1.33) следует, что удельные газовые постоянные отдельных газов R определяются через их мольные массы. Например, для азота ( N2 ) удельная газовая постоянная будет

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Пример 1.3. Определить количество метана как идеального газа в резервуаре объемом 50 м 3 при следующих условиях: температура газа в резервуаре t = 20 °С, манометрическое (избыточное)

давление в резервуаре - 5,1 МПа, абсолютное давление в помещении P = 99,08 кПа.

Решение. Абсолютная температура газа в резервуаре

T = T0 + t = 273,16 + 20 = 293,16 К.

Абсолютное давление газа в резервуаре

P = Pm + P0 = 5,1 + 99,08 · 10 −3 = 5,2 МПа.

Удельная газовая постоянная метана

R = R /m = 8314/16,04 = 518,36 Дж/(кг К).

Количество метана в резервуаре

G= ρ ·V = 34,22 · 50 =1711 кг.

1.3.Технологические характеристики природных газов и их компонентов

Вприродных газах чисто газовых месторождений страны основным компонентом смеси является метан СН 4 , содержание которого в смеси составляет от 92 до 98% по объему. Остальные 2-8%

приходится на "производные" метана - гомологи метана и азота. Как отмечалось выше, кроме чисто газовых месторождений, имеются так называемые газоконденсатные месторождения. Конденсат состоит из легких бензиновых фракций и сжиженных углеводородных газов, обладающих способностью к выпадению из смеси.

Кроме двух названных типов газовых месторождений, различают еще понятие нефтепромысловых газов, сопутствующих месторождениям нефти. Содержание метана в таких газах колеблется от 30 до 90% по объему. Этот газ выделяется из нефти, поднимаемой на поверхность, в специальных

ловушках-трапах. Обычно в 1 тонне добываемой нефти содержится 200-400 м 3 газа при нормальных физических условиях.

Теплофизические свойства метана, содержащегося в большом количестве в природных газах,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

перекачиваемых по газопроводам, практически полностью и определяют свойства природных газов.

Метан СН 4 - наиболее легкий из углеводородов, плотность его при нормальных физических условиях составляет 0,717 кг/м 3 . Отношение его плотности к плотности воздуха равно 0,554.

Метан - это бесцветный газ, не имеющий запаха. Он нетоксичен, но при большой концентрации в воздухе вызывает удушье. При давлении 0,1 МПа и температуре - 162°С он сжижается.

Вслед за метаном в гомологическом ряду идет этан С 2 Н 6 . По плотности этот газ близок к

воздуху; при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С он может рассматриваться как идеальный газ. В природных газах чисто газовых месторождений содержатся лишь доли процента этана. Увеличение содержания этана в составе природного газа повышает его теплоту сгорания. В соответствии с этим этан является ценным компонентом газообразования топлива.

Следующий насыщенный углеводород - пропан С 3 H 6 . Пропан в 1,5 раза тяжелее воздуха.

Различие в составе пропана и этана сводится к наличию в молекуле пропана одной группы СН 2 .

Каждый последующий углеводород данного гомологического ряда отличается от предыдущего на одну группу СН 2 , называемую группой гомологической разности. Пропан содержится в сравнительно

незначительном количестве в природных газах чисто газовых месторождений. Значительно больше его содержится в природных газах газоконденсатных месторождений.

Пропан легко сжижается. Температура сжижения его при атмосферном давлении равна -43 °С. При снижении давления сжиженный пропан легко испаряется, что позволяет хранить и транспортировать его в сжиженном виде при небольшом давлении, а перед использованием регазифицировать и сжигать в газообразном состоянии.

Бутан С 4 Н10 - газ, имеющий два изомера - н. бутан и изобутан. Оба изомера при давлении 0,1

МПа легко переходят в жидкое состояние. При этом давлении н. бутан становится жидкостью при температуре - 0,5°С, а изобутан при температуре - 10,5°С. Следовательно, бутан, как и пропан, легко сжижаются и составляют основу сжиженных углеводородных газов. Парциальные давления этана, пропана и бутана очень малы, и в газовой смеси они могут рассматриваться как идеальные газы.

Кроме углеводородов, в состав природных газов входят негорючие газы, к которым относятся азот, диоксид углерода, или углекислый газ, и кислород.

Азот N 2 является двухатомным бесцветным газом, не имеющим запаха и вкуса. Азот практически

не реагирует с кислородом, поэтому его рассматривают как инертный газ. В большинстве природных газов его содержание составляет 0,5-3%.

Диоксид углерода СО 2 является бесцветным тяжелым газом со слегка кисловатым запахом и

вкусом. Этот газ не способен к горению. При высоком содержании углекислого газа в воздухе (5-10% по объему) этот газ вызывает удушье. Содержание диоксида углерода в природном газе обычно не превышает 1% по объему.

При давлении 0,1 МПа диоксид углерода, минуя жидкое состояние, переходит в твердое состояние при температуре - 78 °С. Твердый диоксид углерода называют сухим льдом и используют для хранения пищевых продуктов.

Кислород О 2 является бесцветным газом без запаха и вкуса. Плотность кислорода при

нормальных физических условиях равна 1,34 кг/м 3 . В процессе горения кислород играет роль окислителя. Примесь кислорода в газообразном топливе допускается не более 1 % по объему как по соображениям взрывобезопасности, так и в целях предохранения оборудования от коррозии.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.4. Термодинамическое обеспечение решения энерготехнологических задач трубопроводного транспорта природных газов

В теплотехнических расчетах процессов трубопроводного транспорта газа и определении показателей работы газоперекачивающих агрегатов используется большой набор

термодинамических величин: плотность газа, изобарная (Ср ) и изохорная (Сv ) теплоемкости,

коэффициент Джоуля-Томсона Dh коэффициент Джоуля-Гей-Люссака Du и ряд показателей термодинамических процессов, таких как адиабатический, изоэнтальпийный, изотермический и др.

Теплотехнические характеристики природных газов обычно определяют с использованием уравнения состояния и дифференциальных соотношений термодинамики, связывая соответствующие параметры процесса с независимыми переменными уравнения состояния.

Определение характеристик природных газов всегда можно полностью осуществить, если исходные параметры позволяют определить удельную работу в рассматриваемом процессе.

Действительно, из уравнения первого начала термодинамики для адиабатического процесса ( δg = 0) следует:

Для реального газа его энтальпия ( h ) определяется как функция двух переменных - температуры ( t ) и давления ( P ), h = h(t, P) ; для идеальных газов - как функция только одной температуры (t ),

h= h(t) .

Всвязи с этим для реального газа, когда энтальпия h = h(t, P) , удельная работа в интегральной форме будет определяться соотношением:

Dh = CPm (t2 - t1) - (CP × Dh )(P2 - P1) , (1.43)

где t1 и t2 - начальная и конечная температуры процесса соответственно; P1 и P2 - начальное и конечное давление газа в процессе, соответственно; Dh - коэффициент Джоуля-Томсона или характеристика дроссельного процесса, показывающая изменение температуры газа при изменении его давления в изоэнтальпийном (дроссельном) процессе ( h = const).

Для идеальных газов эта величина равна нулю и, следовательно, удельная работа по уравнению (1.43) для идеальных газов будет определяться только первым слагаемым правой части:

Численные значения коэффициента Джоуля-Томсона для метана приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Значение коэффициента Джоуля-Томсона ( Dh ) для метана в зависимости от

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

температуры и давления

Положительное значение коэффициента Джоуля-Томсона характеризует дросселирование большинства природных газов при обычных температурах и давлениях. Поэтому при движении газа через разные сопротивления (регулирующие клапаны, фильтры и т.п.), особенно при резком падении давления, снижается и его температура, что вызывает обмерзание трубопроводов, запорных, регулирующих и измерительных устройств. Это явление и называют эффектом дросселирования.

Следует отметить, что при некоторых условиях дросселирование сопровождается и нагреванием газа. Коэффициент Джоуля-Томсона в этом случае принимает отрицательное значение.

При решении ряда технологических задач, в частности при построении приведенных характеристик центробежных нагнетателей, в расчетах процессов сжатия необходимо располагать

скорее не первичными термодинамическими величинами Сp ,Cv , Dh , Du , а их комплексами

Сp Dh , Cv Du , Pv и др.

Использование указанных комплексов не только упрощает проведение расчетов, но и позволяет в каждом конкретном случае выбрать правильный подход к их осреднению в данном процессе, избежать дополнительной ошибки при построении комплекса по осредненным величинам, например

C pm × Dhm и т.д.

Комплекс C p Dh для реальных газов зависит главным образом от температуры. Для природных

газов с содержанием метана в диапазоне 90-100% можно пользоваться следующим эмпирическим уравнением для его определения:

C p Dh = (C p Dh )СН4 ×(1,37 - 0,37× rСН4 ) , (1.45)

где rСН4 - мольное содержание метана в газе, доли единицы.

Имея значение C p Dh для реальных газов, несложно определить, например, работу сжатия газа

в нагнетателе по уравнению (1.43), имея данные о перепаде температур и давлений газа по нагнетателю.

На рис. 1.2-1.5 приведены основные термодинамические величины и комплексы, обычно используемые при проведении теплотехнических расчетов, связанных с транспортом природного газа по газопроводу. Именно поэтому диапазон изменения давлений и температур для них выбран применительно к условиям, характерным для режимов работы магистральных газопроводов.

Диаграммы на рис. 1.2-1.5 построены для двух составов природного газа. Первый состав, отраженный на диаграммах штриховой линией, состоит из метана - 98,6%, пропана - 0,2%, бутана -

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

0,15%, н. бутана - 0,05%, азота - 1%. Газ второго состава, отраженный на диаграммах сплошной линией, содержит метана - 94,36%, этана - 2,2%, пропана -1,2%, н.бутана - 0,5%, н.пентана - 0,2%, азота - 0,7%, кислорода - 0,5%, диоксида углерода - 0,4%.

Рис. 1.2. Зависимость изобарной теплоемкости Ср от давления P и температуры T для природных газов первого (1) и второго (2) составов

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com