Выполненные расчеты по определению физических свойств паровой фазы СУГ при искусственной регазификации СУГ с помощью испарителей различных конструкций, приводят к следующим выводам:
1. При искусственной регазификации испарительная способность не зависит от количества жидкой фазы СУГ в резервуаре, а компонентный состав паровой фазы идентичен составу жидкой фазы СУГ, что позволяет более полно и рационально использовать ресурс бутановых фракций.
2. Пары СУГ, в отличие от природного газа, тяжелее воздуха, относительная плотность газа по воздуху D = 1,592. Нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения паров СУГ составляют 2,2 и 9,4% по объему соответственно, что необходимо учитывать при настройке газоанализаторов для обнаружения утечек паров СУГ.
3. Пары бутановых фракций (н-бутан, изобутан и бутен-1), которые за счет искусственной регазификации попадают в газопровод, будут при определенных условиях в нем конденсироваться. Поэтому при использовании СУГ следует чаще проверять состояние конденсатосборников и удалять из них конденсат паров бутановых фракций, содержание которых в парах СУГ больше, чем в природном газе.
4. Благодаря постоянству состава паровой фазы СУГ за счет искусственной регазификации, теплота сгорания паров СУГ остается неизменной, но более чем 2,5 раза превосходит теплоту сгорания природного газа. Число Воббе паров СУГ Wo = 70,17 МДж/м3 и выходит за пределы диапазона от 41,2 до 54,5 МДж/м3 по ГОСТ 5542-87 [11], что не позволяет считать СУГ полноценной заменой природного газа.
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;
Qнр - низшая рабочая теплота сгорания природного газа или газовоздушной смеси, МДж/м3;
D - относительная плотность газа по воздуху.
Все газовые горелки рассчитаны на сжигание газа с определенными величинами теплоты сгорания и плотности, поэтому значительные отклонения величин Qнр и D 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)
Woпг = Woгвс . (2.17)
Низшая рабочая теплота сгорания природного газа при стандартных условиях (Pст = 760 мм рт.ст. = 1,033 кгс/см2 = 0,1013 МПа, Tст = 293,15 K) по ГОСТ 5542-87 [11] составляет 31,8 МДж/м3. ГОСТ 5542-87 [11] устанавливает диапазон изменения числа Воббе Woв , рассчитанного по высшей рабочей теплоте сгорания Qвр , 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 yг - молярная концентрация паров пропан-бутановых фракций в составе газовоздушной смеси, доли %;
rг и rв - плотности газа и воздуха соответственно, кг/м3;
Qнр - 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 mв = 28,966 кг/кмоль, критические параметры Pкр = 3,84 МПа и Tкр = 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 |
Пропан |
Пропен |
н-Бутан |
Изобутан |
Бутен-1 |
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 |
mсм |
кг/кмоль |
39,259 |
(2.5) |
|
2. |
Газовая постоянная |
R |
Дж/(кг·K) |
211,8 |
(2.6) |
|
3. |
Плотность паров СУГ при стандартных условиях |
rст |
кг/м3 |
1,632 |
(2.7) |
|
4. |
Относительная плотность газа по воздуху |
D |
- |
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 D = 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.
В России постепенно наступает время, когда уже никого не требуется убеждать в необходимости сбережения энергетических ресурсов. Рост цен на энергоносители и целенаправленная работа по снижению себестоимости производства продукции и оказания услуг заставили многих руководителей и собственников предприятий обратить внимание на проблему снижения затрат, повышения надежности и качества энергоснабжения. Рынок подталкивает руководство предприятий к внедрению энергоэффективных систем и технологий.
Помимо общеизвестных и широко внедряемых энергоэффективных мероприятий вне зоны пристального внимания компаний, внедряющих энергоэффективные проекты, остается вопрос о резервном топливе. При правильном подходе к решению этой проблемы вскрываются немалые резервы энергосбережения для промышленных предприятий, имеющих собственные энергетические установки.
Природный газ - единственный вид топлива, централизованно поставляемый по трубам, и за долгие годы многие потребители привыкли к мысли о его постоянном наличии. Кроме того, природным газом впрок не запасешься, как можно заранее в пределах утвержденных норм запастись мазутом, дизельным топливом, дровами или углем. Нормативы создания запасов топлива на тепловых электростанциях и котельных утверждает Министерство энергетики РФ (приказ Минэнерго РФ от 04.09.2008 № 66 «Об организации в Министерстве энергетики РФ работы по утверждению нормативов создания запасов топлива на тепловых электростанциях и котельных»).
Несмотря на то, что при получении разрешения на использование газа в качестве топлива всем потребителям надлежит создать систему резервного топлива, при строительстве энергетических объектов заказчики стараются минимизировать вложение средств в систему резервного топлива, считая подобные рекомендации прихотью контролирующих и надзорных органов. Следует отметить, что в г. Москве и Московской области не удастся сдать новый объект без функционирующей системы резервного (или аварийного) топлива, а в ряде регионов еще можно ограничиться обязательством сделать это позднее или принять на себя ответственность за последствия в случае отключения газа.
Многие заказчики не имеют понятия о современных энергоэффективных технологиях и альтернативных видах газообразного топлива.
При проектировании энергетического объекта решением вопросов, связанных с резервным топливом, занимается проектная организация. Заказчик обычно не вникает в выбор технических решений, считая это второстепенным, малозначимым и обычно его пожелания сводятся к минимизации затрат по этой статье расходов. Проектировщики добросовестно исполняют волю заказчика и закладывают в проект самые дешевые (с точки зрения «стартовых» затрат) варианты резервного топливного хозяйства на основе мазута или дизельного топлива.
Когда на стадии эксплуатации объекта выясняется, что текущие затраты, например, на разогрев мазута составляют от 7-10% (по теории) до 20% (по факту) от общей выработанной тепловой энергии, то заниматься перепроектированием системы резервного топлива оказывается поздно и дорого. Применение дизельного топлива в качестве резервного также оказывается дорогим решением, так как его цена растет вместе с ценами на моторные виды топлива. Подобные решения на основе двухтопливных горелок имеют еще ряд минусов: