Глава 1 характеристики природных газов

1.1. Исходные понятия и определения

Современный уровень решения целого ряда технологических задач по эксплуатации и обслуживанию энергопривода компрессорных станций магистральных газопроводов связан с использованием законов как идеальных, так и реальных газов. В связи с этим специалистам газотранспортных предприятий, использующих те или иные методы тепловых расчетов, связанных с определением характеристик оборудования компрессорных станций (КС), прежде всего необходимо четко усвоить основные понятия и определения природных газов, знать границы применяемости законов идеальных газов, уметь определять теплофизические свойства природных газов.

В зависимости от способа получения и физико-химических свойств все газы условно можно разделить на природные и искусственные. Природный газ в настоящее время является основным видом топлива в системе городов и поселков, ценным сырьем для химической промышленности. Различают три основных группы природных газов:

газы, получаемые из чисто газовых месторождений (сухие газы); состоят в основном из метана СН до 98%;

газы, получаемые из газоконденсатных месторождений; состоят из сухого газа и примеси конденсата (бензина, лигроина, керосина);

попутные газы, получаемые из скважин нефтяных месторождений вместе с нефтью, состоят из смеси газов с газовым бензином и пропан-бутановой фракции.

Искусственный газ получают в результате термической обработки твердых и жидких топлив, а также подземной газификации углей. Основной состав этих газов - окись углерода, водород и азот.

Состояние любого газа принято характеризовать величинами, которые называются параметрами состояния. Наиболее распространенными параметрами состояния являются: плотность, давление, температура. Кроме того, широко используются такие понятия, как масса, теплоемкость, работа, теплота, энтальпия, энтропия и т.д.

Масса газа ( ) характеризует свойство его инертности, т.е. свойство сохранять приобретенное движение или состояние покоя. Масса газа измеряется в килограммах.

Плотность газа принято определять как отношение массы газа к его объему или массу газа, содержащуюся в единице его объема:

. (1.1)

Плотность газа измеряется в кг/м или в г/см . При решении целого ряда задач трубопроводного транспорта природных газов пользуются понятием относительной плотности газа, т.е. отношением плотности газа к плотности сухого воздуха при одних и тех же условиях:

. (1.2)

Плотность газа при 0°С и атмосферном давлении может быть определена по его мольной массе :

, (1.3)

где 22,41 - объем одного киломоля любого газа при 0°С и атмосферном давлении, м .

Киломоль это количество вещества в килограммах, численно равное его мольной массе. Так, например, киломоль кислорода О равен 32 кг, киломоль углекислого газа СО - 44 кг и т.д. (1 киломоль = 1000 моль).

При решении задач трубопроводного транспорта газов часто приходится иметь дело с изменением плотности газа в результате его сжатия, нагревания, охлаждения и т.д. При этом масса газа , естественно, остается постоянной, а плотность изменяется только в связи с изменением объема газа . В этом случае удобнее бывает оперировать с понятием удельного объема газа - величины, обратной плотности газа:

. (1.4)

Давление принято определять как отношение силы, действующей перпендикулярно к поверхности тела, на единицу этой поверхности:

, (1.5)

где - сила, действующая по нормали к поверхности тела; - площадь поверхности тела, перпендикулярная к действующей силе.

Если силу , приложенную к поверхности тела, измерять в ньютонах (Н), а площадь поверхности - в квадратных метрах (м ), то единицей давления будет ньютон на квадратный метр (Н/м ). Эта единица давления называется паскалем (Па). Наряду

с паскалем, в практике проведения расчетов употребляются и более крупные единицы - килопаскаль (кПа), равный 1000 Па, и мегапаскаль (МПа), равный 10 Па.

Давление жидкостей и газов измеряют приборами барометрического типа для определения абсолютного давления или приборами манометрического типа для определения избыточного давления. Абсолютное давление, например, в резервуарах, трубопроводах и т.п. будет определяться как сумма манометрического давления и абсолютного давления окружающей среды , измеренного, например, барометром:

. (1.6)

Если приборы манометрического типа используются для измерения разрежения в сосудах, то их называют вакуумметрами. Абсолютное давление газа в этом случае определяется соотношением:

, (1.7)

где - разность давления окружающей среды и давления в сосуде, называемая разрежением и измеряемая вакуумметром.

Следует хорошо помнить, что во все расчетные соотношения входят только значения абсолютных давлений газа и жидкости .

Температура является важнейшим термодинамическим параметром, определяющим состояние газа, степень его нагретости. В инженерной практике при измерении температуры газа используются две температурные шкалы: шкала Цельсия и шкала Кельвина. Показания температуры в градусах Кельвина больше температуры, измеренной в градусах Цельсия, на 273,16 градуса. Так, например, если газ имеет температуру = 20 °С, то его абсолютная температура будет = 273,16 + 20 = 293,16 К и т.д.

Работа в обычном определении механики - это произведение силы , действующей в направлении движения, на путь перемещения тела (газа). В условиях перемещения газа в газопроводах, работа газоперекачивающих агрегатов (ГПА) идет на изменение его кинетической энергии, изменение положения центра тяжести потока и преодоление сил трения газа о стенки трубопровода:

**, (1.8)

где и - линейные скорости газа в соответствующих сечениях 1 и 2; - ускорение свободного падения; - расположение рассматриваемой точки газопровода по высоте; ** - удельная работа трения.

В технических расчетах транспорта газа и определении показателей газоперекачивающих агрегатов важное значение имеет понятие термодинамического процесса. Под термодинамическим процессом принято понимать любое изменение состояния тела. При этом процесс может определяться условием о постоянном значении какого-либо параметра газа (например, = const, = const и т.п.) или условием о равенстве нулю какого-либо эффекта в процессе (например, равенство нулю теплообмена в процессе работы и т.п.). Часто пользуются обобщенным понятием процесса, называя его в этом случае политропным процессом. Политропный процесс - где одновременно могут изменяться все параметры тела (давление, объем, температура), осуществляться подвод или отвод теплоты и т.п.

Массовым расходом газа называется масса газа, проходящая через поперечное сечение трубы в единицу времени (кг/с):

, (1.9)

где - масса газа (за время ); - время, в течение которого через данное сечение проходит газ. Отсюда возникает понятие массовой скорости потока, определяемой как количество газа, проходящего через единицу поперечного сечения газопровода в единицу времени (кг/м с):

, (1.10)

где - массовый расход газа; - площадь поперечного сечения газопровода.

Объемным расходом газа называется количество газа в единицах объема, проходящего через сечение газопровода в единицу времени (м /с):

, (1.11)

где - объем газа, м ; - время, в течение которого через рассматриваемое сечение проходит объем газа.

Объем и объемный расход обычно относят к определенной температуре и определенному давлению. В расчетах систем газоснабжения объемный расход определяют при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст. (1,03 ата или 0,101 МПа) или при температуре 20 °С и давлении 0,101 МПа.

Соответственно линейная скорость определяется как объемный расход газа в условиях потока через единицу поперечного сечения газопровода (м/с):

, (1.12)

где - линейная скорость газа в газопроводе; - объемный расход газа в условиях потока при данном давлении и температуре.

Между массовой и линейной скоростью существует простая взаимосвязь: . Использование в расчетах понятия массовой скорости удобно тем, что в отличие от линейной скорости она для газопровода постоянного сечения остается неизменной.

Влажность газов характеризует количество водяных паров, содержащихся в единице количества газа. Транспортируемый по газопроводам газ, к сожалению, всегда содержит какое-то количество влаги, что приводит к образованию конденсата, снижает количество перекачиваемого газа, вызывает коррозию трубопровода. Различают понятия абсолютной и относительной влажности газа. Абсолютную влажность можно рассматривать как массовую абсолютную влажность и как объемную абсолютную влажность. В первом случае влажность определяется как отношение количества водяного пара к количеству газа: ; во втором - как отношение количества водяного пара к объему газа: . Относительную влажность газов определяют как отношение фактически содержащегося количества водяных паров к максимально возможному при определенных условиях:

. (1.13)

Относительную влажность определяют по соотношению плотностей пара и насыщенного пара, а также по соотношению парциального давления водяного пара и давления насыщенного пара при той же температуре. Влажный пар называется насыщенным, когда он содержит максимально возможное количество пара при данной температуре и давлении:

, (1.14)

где - плотность пара; - плотность насыщенного пара; - парциальное давление водяного пара; - давление насыщенного пара.