2.2 Расчет свойств газовоздушных смесей для целей газоснабжения

В качестве резервного топлива для покрытия пика неравномерности газопотребления к газоиспользующему оборудованию, предназначенному для работы на природном газе, поступают пары СУГ. Но горелки для природного газа имеют сопла большего диаметра и работают при меньшем давлении, чем сопла горелок для паров СУГ. Чтобы газоиспользующее оборудование для природного газа было пригодно без переделок для использования СУГ, необходимо значительно снизить теплоту сгорания и уменьшить плотность паров СУГ. Это можно достичь путем разбавления паров СУГ воздухом.

Природный газ (метан) и разбавленные воздухом пропан-бутановые смеси взаимозаменяемы, в связи с чем не требуется переналаживать горелки котлов и другого газоиспользующего оборудования и изменять давление в газовых сетях.

В качестве критерия, с помощью которого оценивается взаимозаменяемость природного газа газовоздушными смесями, используется число Воббе [11, 32, 39]

, (2.16)

где Wo - число Воббе, МДж/м³;

Q_нр - низшая рабочая теплота сгорания природного газа или газовоздушной смеси, МДж/м³;

 - относительная плотность газа по воздуху.

Все газовые горелки рассчитаны на сжигание газа с определенными величинами теплоты сгорания и плотности, поэтому значительные отклонения величин Q_нр и  от расчетных приводят к ухудшению работы горелок. Надежная и экономичная работа газовых горелок обеспечивается постоянством значения числа Воббе Wo. Поэтому при приготовлении газовоздушной смеси необходимо, чтобы соблюдалось равенство чисел Воббе природного газа и газовоздушной смеси (ГВС)

Wo_пг = Wo_гвс . (2.17)

Низшая рабочая теплота сгорания природного газа при стандартных условиях (P_ст = 760 мм рт.ст. = 1,033 кгс/см² = 0,1013 МПа, T_ст = 293,15 K) по ГОСТ 5542-87 [11] составляет 31,8 МДж/м³. ГОСТ 5542-87 [11] устанавливает диапазон изменения числа Воббе Wo_в , рассчитанного по высшей рабочей теплоте сгорания Q_вр , в пределах от 41,2 до 54,5 МДж/м³. Отклонения чисел Воббе допускаются в пределах не более 5%.

Для смеси паров пропан-бутана с воздухом число Воббе может быть рассчитано по формуле [37]

, (2.18)

где y_г - молярная концентрация паров пропан-бутановых фракций в составе газовоздушной смеси, доли %;

_г и _в - плотности газа и воздуха соответственно, кг/м³;

Q_нр - низшая рабочая теплота сгорания, МДж/м³.

Допустимый состав газовоздушной смеси, исходя из возможного по ГОСТ 5542-87 [11] отклонения числа Воббе взаимозаменяемых газов в пределах 5%, может быть определен по формуле (2.18), после некоторых преобразований имеющей следующий вид

. (2.19)

При использовании СУГ, отвечающих требованиям ГОСТ Р 52087-2003 [7], допустимая молярная концентрация паров пропан-бутана в составе газовоздушной смеси, взаимозаменяемой с природным газом, составляет: для марки ПБТ 56,5 – 60,9%, для марки БТ 50,8 – 54,2% [37].

Рассчитаем основные физические свойства газовоздушной смеси, в составе которой до 40% молярных занимает воздух. Молекулярная масса воздуха _в = 28,966 кг/кмоль, критические параметры P_кр = 3,84 МПа и T_кр = 134,0 K [36, 40].

В таблице 2.11 представлен молярный состав газовоздушной смеси, полученной при разбавлении паров СУГ воздухом.

Таблица 2.11 - Молярные составы паровой фазы СУГ и газовоздушной смеси

Компоненты	Этан С2Н6	Пропан С3Н8	Пропен С3Н6	н-Бутан n-С4Н10	Изобутан i-С4Н10	Бутен-1 С4Н8	Воздух
Паровая фаза СУГ
y, % мол.	2,15	77,08	3,51	11,11	4,92	1,23	-
Газовоздушная смесь
y, % мол.	1,29	46,25	2,10	6,67	2,95	0,74	40,0

Компонентный состав газовоздушной смеси (в % молярных) в виде круговой диаграммы изображен на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Компонентный состав газовоздушной смеси (в % молярных).

Результаты расчетов основных физических свойств газовоздушной смеси для заданного компонентного состава сведены в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Результаты расчетов основных физических свойств газовоздушной смеси

№№ п/п	Наименование параметров	Обозначение	Ед. изм.	Величина	Расчетная формула
1.	Среднемолекулярная масса	см	кг/кмоль	39,259	(2.5)
2.	Газовая постоянная	R	Дж/(кг·K)	211,8	(2.6)
3.	Плотность паров СУГ при стандартных условиях	ст	кг/м3	1,632	(2.7)
4.	Относительная плотность газа по воздуху		-	1,355	(2.8)
5.	Псевдокритическое давление	Pпк	МПа	4,06	(2.9)
6.	Псевдокритическая температура	Tпк	K	279,7	(2.10)
7.	Низшая рабочая теплота сгорания	Qнр	МДж/м3	53,12	(2.11)
8.	Число Воббе	Wo	МДж/м3	45,63	(2.14)
9.	Концентрационные пределы воспламенения	НКПВ ВКПВ	%	3,73 15,65	(2.15)

Выполненные расчеты показали, что:

• газовоздушная смесь и природный газ взаимозаменяемы, так как число Воббе газовоздушной смеси Wo = 45,63 МДж/м³ и находится в пределах диапазона от 41,2 до 54,5 МДж/м³ по ГОСТ 5542-87 [11];

• газовоздушная смесь, благодаря наличию воздуха, стала легче, относительная плотность газа по воздуху снизилась до  = 1,355;

• нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения газовоздушной смеси составляют 3,73 и 15,65% по объему соответственно.

Применение СУГ в зимний период при отрицательных температурах окружающей среды приводит к возникновению технологических трудностей, вызванных выпадением газовых гидратов и конденсацией пропан-бутановых фракций в газопроводах и на запорно-регулирующей арматуре.

Газовоздушные смеси имеют ряд преимуществ по сравнению с неразбавленными воздухом пропан-бутановыми смесями. Точка росы (температура конденсации) газовоздушной смеси значительно ниже, чем у паров СУГ.