Gaz jako nośnik energetyczny

25% zużycia nośników pierwotnych w krajach wysoko uprzemysłowionych

8% zużycia nośników pierwotnych w Polsce

Używane gazy dzielimy na 4 grupy:

1)GS- gaz sztuczny, efekt przetworzenia paliw stałych, ciekłych i ich mieszanin z gazem ziemnym i propanbutanem

2)GZ- gaz ziemny, pochodzenia naturalnego, którego gł. składnikiem jest metan

3)GPR- mieszaniny propanu i butanu

4)mieszaniny C3 i C4 z powietrzem

Własności gazów:

1)ciepło spalania lub wartość opałowa

2)gęstość właściwa- stosunek masy gazu do jego objętości, wyraża masę 1m3 gazu w warunkach normalnych

3)gęstość względna- stosunek mas jednakowych objętości gazu i powietrza w jednakowych warunkach temp. i ciśn.

4)liczba Wobbego- stosunek ilości ciepła gazu do pierwiastka kwadratowego gęstości względnej gazu.

5)prędkość spalania-określa z jaką prędkością przesuwa się płomień względem mieszaniny palnej gazu

6)granica zapłonu-określa taką graniczną zawartość paliwa gazowego w mieszaninie z powietrzem pomiędzy którymi zachodzi spalanie tej mieszaniny

Główne przyczyny wzrostu zużycia gazu ziemnego to:

-ekologiczny charakter gazu-spalanie gazu w porównaniu z innymi nośnikami energii(w. kam, brun, olej) powoduje pomijalną uciążliwość dla środowiska; poniższe zestawienie przedstawia porównanie emisji zanieczyszczeń powstałych w wyniku spalania gazu ziemnego i węgla kam. dla żródła o mocy 1MW przy założeniu średnich parametrów jakościowych węgla; dla gazu jest ona wielokrotnie niższa niż w przypadku węgla; problem odpadów przy spalaniu węgla zw. z popiołem i żużlem, przy spalaniu gazu praktycznie nie istnieje, ograniczona jest też emisja SO2 i NO2, powodujących kwaśne deszcze; zresztą metale ciężkie oraz sadze to zanieczyszczenia powstające tylko przy spalaniu węgla

Spalanie gazów w porównaniu z innymi nośnikami energii

	Gaz[g/h]	Węgiel[g/h]
SO2	9	4440
NO2	240	900
CO	30	9900
pył	-	8800

-konkurencyjność cenowa w stosunku do innych nośników energii

-większa sprawność kotłów gazowych(85-90%) od węglowych(70-75%)

W Polsce większe jest zużycie paliw stałych, jednak zmierzamy do jego ograniczenia na korzyść spalania gazu, które obecnie stanowi 10%. W tym celu trzeba rozbudować polską sieć przesyłową, do czego niezbędny jest udział zagranicznego kapitału. Ze względu na ograniczone krajowe zasoby tego surowca, większość zużywanego przez nas gazu będzie importowana.

Gaz wysokometanowy(99% metanu)

Gaz zaazotowany(70% metanu i do 20%azotu)

Zużycie gazu w Polsce w mld m3:

1975: 7,5

1995: 10,3

średnie roczne obecnie: 11

prognoza na 2010: 21

Prognoza pozyskiwania gazu w Polsce-import(Rosja, Norwegia, Niemcy), ponieważ nasze złoża są zbyt małe aby zaspokoić stale rosnące zapotrzebowanie

System gazowniczy w Polsce:

sieć przesyłowa (p>0,4MPa)- dł. sumaryczna gazociągów 17,5tyś km

sieć rozdzielcza(p<0,4MPa)- sieci miejskie; dł. sumaryczna gazociągów 75-90tyś km

Liczba stacji przetłocznych: 30

Liczba stacji redukcyjnych I˚: 1800

Liczba podziemnych zbiorników: 4

Droga gazu(struktura sieci):

1)źródło gazu(kopalnia, odwiert, zb. podziemny lub punkt w którym otrzymujemy gaz importowany)

2)sieć transportowa(przesyłowa)- rurociąg wysokociśnieniowy(p>0,4MPa), stalowy

3)stacje przetłoczne(SP)- stosuje się je, ponieważ występują opory, do zwiększania ciśnienia gazu za pomocą sprężarek

4)zbiornik podziemny- ze względu na różne dostawy i nierównomierne pobory gazu(sezonowe i dobowe)służy do magazynowania jego nadmiaru; zwykle nadwyżki są latem, a zimą wyższe zużycie; stabilizuje masę gazu w sieci transportowej

5)stacja redukcyjna I˚- służy do obniżania ciśnienia <0,4Mpa, za nią występuje już sieć dystrybucyjna

6)sieć dystrybucyjna(rozdzielcza)

-sieć średniego ciśnienia (p<5kPa)

-sieć niskiego ciśnienia (0,4Mpa>p>5 kPa)

7)odbiorca gazu

-odbiorcy komunalno-bytowi(mieszkańcy, drobni przedsiębiorcy)

-przemysł(jako surowiec do wytwarzania ciepła, jako surowiec do wytwarzania produktów-przem. szklarski, ceramiczny)

-energetyka- do produkcji energii elektr.(i nie tylko)

Im większe p tym lepsza efektywność rozprowadzania i mniejsze straty na długości

WG. PROGNOZ ZUŻYCIE GAZU WZROŚNIE WE WSZYSTKICH SEKTORACH

Rozprowadzanie paliwa gazowego- następuje przez sieci przesyłowe(wysokiego ciśnienia), sieci rozdzielcze(niskiego ciśnienia) i instalacje gazowe w obiektach przemysłowych i budynkach mieszkalnych

Sieć wysokiego ciśnienia- składa się z: rurociągu, tłoczni, stacji redukcyjnej I˚ i podziemnych magazynów gazu; ich charakterystyka poniżej

Rurociągi- el. liniowe, służące do przesyłu gazu

-rury stalowe o śr. wew. 500-1400mm

-wew. powierzchnia powlekana najczęściej polietylenem

-łączone przez spawanie

-z zewnątrz zabezpieczone przed korozją

-natężenie przepływu gazu w rurociągu:

Q=

-0,4MPa≥ ciśnienie ≤ 6,4Mpa

-max. ciśnienie 6,5Mpa w Polsce (8,4MPa-rurociągi Jamalskie)

Zalety stosowania gładkich rur:

-zapobiegają korozji

-zwiększają przepustowość rurociągu(nawet do 30%)

-zmniejszają koszty eksploatacji

Stacje przetłoczne(tłocznie)- zespół budynków mieszczących sprężarki; następuje w nich sprężenie gazu, służące wyrównaniu strat gazu na skutek oporów; ciśnienie musi być podnoszone aby na którejś stacji nie spadło poniżej 0,4Mpa, poza tym znajdujące się po drodze zakłady przemysłowe również wymagają odpowiedniego ciśnienia; im wyższe ciśnienie na początku rury tym mniejszy jego spadek na długości, zmniejsza to koszty eksploatacji, ponieważ mniej paliwa trzeba dokupować do sprężarek, ale ciśnienia nie można podnosić w nieskończoność(ze względu na wytrzymałość rury i zbyt wysoką temperaturę, która grozi rozszczelnieniem gazociągu i wzrostem kosztów przesyłu spowodowanym faktem, że w tej samej objętości geometr. znajdzie się mniej gazu ), wobec ntego szukamy kompromisu między temp. a ciśnieniem max.; tłocznie mogą różnić się między sobą sposobem połączenia sprężarek:

-szeregowo Qt=Qmin (max. przepustowość tłoczni=min przepustowość maszyny)- daje max. przyrost sprężenia; wady: mała przepustowość; stosowane np. przed zbiornikiem podziemnym

-równolegle Qt=Σqi - daje max. przepustowość; wada- niewielki przyrost ciśnienia

-połączenia mieszane

Sprężarki- maszyny cieplne służące do sprężania gazu(6, 8 lub 12 cylindrowe)

-tłokowe(tłok wykonuje ruch posuwisto-zwrotny)

-odśrodkowe(nowocześniejsze o lepszych parametrach eksploatacyjnych)

Rodzaje napędów:

-spalinowo-gazowy

-elektryczny

-turbiny gazowe(najnowocześniejszy)

wady/zalety sprężarek:

+elastyczne w pracy(zmiany prędkości obrotowych)

+możliwość szybkiego uruchomienia

-niezwykle hałaśliwe(1m- 100dB)

-duży ciężar (12 cylindrowa-100ton), konieczność budowania ogromnych fundamentów

-wysoka awaryjność

MOTOSPRĘŻARKA- spr. tłokowa napędzana silnikiem spalinowym-gazowym

zalety

-transportowany gaz używany jest jako paliwo

-duża elastyczność w zakresie wydajności

-możliwość regulacji obrotów

-wysoki stopień sprężania

-wysoka sprawność cieplna

wady

-mała moc(do 4MW)

-duży ciężar

-zanieczyszczenia odprowadza do atmosfery

-głośna praca silnika

-duża awaryjność

-żródło znacznych drgań

SPRĘŻARKA TŁOKOWA- napędzana silnikiem elektr.

zalety

-b. cicha praca silnika

-brak zanieczyszczeń wokół tłoczni(nie spala gazu)

-bezawaryjne krajowe silniki

-możliwość produkcji części zamiennych we własnym zakresie

-prostsza eksploatacja

wady

-konieczność doprowadzenia linii wys. napięcia

-budowa centrali elektrycznej

-uzależnienie od energetyki

-mały zakres mocy(do 4MW)

-b. ciężka

-nie można zmieniać prędkości obrotowej

-uzbrojenie silnika

-uzwojenia napędów elektr. są wrażliwe na zmiany temp. otoczenia(dopuszczalne+/-10°C)

SPRĘŻARKA WIRNKOWA- napędzana turbiną gazową(turbina lotnicza, patent radziecki)

zalety

-brak uzależnienia od elektryczności

-duży zakres mocy(do 6,5MW)

-b. wytrzymała

-możliwość częstego i szybkiego włączania do ruchu

-obudowa kontenerowa

-możliwość odzyskiwania ciepła ze spalin

wady

-wysoka cena(za 1MW ok. 1mln$)

-mały stopień sprężania

-mała sprawność turbiny

-nie używana rdzewieje

Podstawowe zależności sprężarek

-stopień sprężenia ε=Pna wejścciu/Pna wyjściu

Podziemne magazyny gazu(PMG)

Zalety:

-zabezpieczenie pełnych i nieprzerwanych dostaw gazu dla systemu gazowniczego

-zmniejszenie jednostkowych kosztów transportu

-tworzenie rezerw strategicznych

-rozwiązanie problemu stałych dostaw gazu zagranicznego(kiedy potrzeba gazu mniej niż w systemie-jego nadmiar gromadzi się w PMG a gdy potrzeba go więcej niż jest w systemie-pobiera się)

Rodzaje PMG

1)struktury wyeksploatowanych złóż węglowodorów-sezonowy

-najczęściej stosowany(75% PMG na świecie)

-kilka lat budowy

-głębokie położenie warstw zbiornika 300-1000m

-złoża dobrze rozpoznane poprzez proces eksploatacji

-koszt budowy o 30% niższy od warstw wodonośnych

2)struktury warstw wodonośnych-sezonowy

-trudniejsza i bardziej ryzykowna budowa zb.

-b. kosztowna aparatura i urządzenia naziemne(separatory, filtry, podgrzewacze gazu )

-ok. 15% PMG jest tego typu

-2 zbiorniki w Polsce

3)kawerny wypłukane w osadach solnych-szczytowy

-stosunkowo drogie

-mogą pełnić rolę magazynów szczytowych

-duża pojemność przy niewielkich rozmiarach

-ok. 3% PMG jest tego typu

4)wyrobiska górnicze starych kopalni

-nie występują w Polsce

1),2)i3) dzielą się na:

-zb. sezonowe-napełniane latem, gaz jest pobierany np. od listopada do marca

-zb. szczytowe-w b. krótkim przedziale czasu można zmagazynować w nich znaczną ilość gazu

Stacja gazowa-ostatni element sieci wysokiego ciśnienia; łączy sieć średniego i niskiego ciśnienia; zespół urządzeń do redukcji, regulacji pomiarów i rozdziału paliwa gazowego; gł. ich elementem są stacje redukcyjne(redukują ciśnienie do pożądanej wartości), podział:

-SG I˚- jest źródłem dla sieci średniego ciśnienia (p<5kPa)

-SG II˚- jest źródłem dla sieci niskiego ciśnienia (0,4Mpa>p>5 kPa)

Podstawowe elementy technologiczne SG:

-przewód wejściowy z zespołem zaporowo-upustowym

-zespół filtrów na każdym ciągu

-ciągi redukcyjne

-aparatura kontrolno-pomiarowa

-przewód wyjściowy z zespołem zaporowo-upustowym

-dodatkowe urządzenia do nawaniania gazu

Podstawowe procesy zachodzące w SG:

-eliminacja hałasu

hałas jest rezultatem przepływu gazu w przewodach, zostaje przeniesiony na przewody części wylotowej reduktora; natężenie hałasu zależy od

-nawanianie(tylko SG I°)

gaz ziemny wysokometanowy jest bezwonny, może powodować objawy niedotlenienia, posiada własności palne i wybuchowe (z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową) więc jego rozprowadzanie w czystej formie jest niebezpieczne; środkiem do nawaniania jest tetrahydrotrofen THT(C4H8S)-ciecz, posiada silny charakterystyczny zapach, jest szkodliwy dla oczu, skóry i dróg oddechowych; są 2 rodzaje nawaniana: kontaktowe (przez kontakt THT z gazem) i wtryskowe(wtryskuje się THT do rurociągu)

-podgrzewanie gazu(tylko SG I°)podczas rozprężania gazu następuje spadek temp.(zjawisko Joule`a-Thomsona ); dla gazu ziemnego spadek ciśnienia o 1bar powoduje obniżenie temp. o 0,4°C; gaz jest podgrzewany przez redukcję do temp. 5-10°C; ilość ciepła potrzebna do

podgrzania gazu Q=
,

gdzie:

ΔT- temperatura o którą chcemy podgrzać gaz

V- prędkość gazu

η- sprawność cieplna urządzenia grzewczego;

najczęściej stosowane są podgrzewacze przepływowe

-pomiary-przesyłane ilości gazu trzeba mierzyć; gł. pomiar rozliczeniowy obejmuje jednostki sprzedane i kupione; ponadto są pomiary: ciśnienia, temp., przepływu, składu gazu; urządzenia do pomiarów: gazomierze rotorowe, turbinowe, zwężkowe

Metody łączenia przewodów gazowych:

-zgrzewanie doczołowe, polifuzyjne, elektrooporowe, połączenia mechaniczne(stosowane przy łączeniu PE z rurami stalowymi)

1)ogrzewanie czołowych powierzchni łączonych elementów w styku z płytą grzewczą aż do uplastycznienia a następnie połączenie ze sobą z odpowiednio dużą siłą docisku

2)równoczesne zgrzanie zewnętrzne powierzchni końcowych rury i wewnętrznych powierzchni kształtki a następnie dociśnięcie łączonych elementów

3)odbywa się przy pomocy kształtek z wtopionym elementem elektrooporowym, w te elektrokształtki wsuwa się końcówki rur PE i przepuszcza się prąd(24 lub 39V)w określonym czasie

rury z PA- są łączone za pomocą specjalnych klejów

rury z PE i PA rozwiązują problem szczelności; nieszczelność może być skutkiem korozji rur stalowych

Instalacje wewnętrzne

inst. gazowa to układ przewodów z kurkiem gł., spełniająca określone wymagania szczelności, prowadzona wewnątrz lub na zewnątrz budynku wraz z urządzeniami do pomiaru zużycia gazu, armaturą oraz urządzeniami gazowymi zgodnie z potrzebami użytkowymi i przeznaczeniem budynku

Zalety miedzi: łatwa obróbka, odporność na korozję, łatwość i szybkość montażu, mniejszy ciężar rur i łączników w stosunku do stali, niskie straty ciśnienia, duża szczelność instalacji, duża trwałość-50 lat, możliwość ponownego przetworzenia złomu miedzi

Łączenie: do łączenia rur miedzianych produkowane są łączniki z miedzi, brązu lub mosiądzu; są 2 rodzaje łączników: do dwustronnego lutowania, jednostronnego(gdy 1 koniec jest przeznaczony do lutowania) lub dwustronnego gwintowania; szczelność łączników sprawdza się hydraulicznie: o Φ do 54mm stosujemy Ppróbne=8MPa, a dla Φ > 54mm Ppróbne=8MPa

Projektowanie inst. gazowych wymaga zastosowania:

-charakterystycznych tech. urządzeń gazowych

-wymagań tech. dot. pomieszczeń w których ustawiane są urządzenia gazowe

-zasad wentylacji pomieszczeń i sposobu odprowadzania spalin

-wymagań dot. instalacji elektr. w pomieszczeniu

-lokalizacji urządzeń gazowych

-zasad prowadzenia inst. gazowych

-wymagań związanych z odbiorem inst. gazowych

Gazomierze- instalowane oddzielnie każdemu odbiorcy liczniki poboru gazu; zapewniają łatwy dostęp w celu kontroli lub wymiany; instalowane na wys. 1,3-1,8m nad podłogą; nie można instalować: w pomieszczeniach mieszkalnych i łazienkach gzie są zagrożenia korozyjne, we wspólnych wnękach z licznikiem elektr., w odległości <1m od palnika gazowego lub innego paleniska

Lokalizacja i montaż kurków gazowych:

-każdy budynek powinien posiadać na przyłączy do sieci gazowej kurek gł. pozwalający na odcięcie dopływu gazu

-łatwy dostęp do kurka (na zewnątrz budynku w wentylowanej szafce)

-kurek powinien być wmontowany na sztywno do ściany w stałej części instalacji gazowej

-odległość 5-10m od budynku

Zasady kierowania siecią gazową- systemy dyspozytorskie

zapewniają:

• ciągłość dostaw gazu odbiorcom

• bezpieczeństwo eksploatacji sieci

• obniżenie kosztów eksploatacji sieci

-systemy SCADA- automatyczny, komputerowy system monitoringu(badanie czy parametry pracy sieci nie przekroczyły wartości dopuszczalnych w wybranych punktach), sterowania (aktywne oddziaływanie na sieć) i optymalizacji(wybór najlepszego wariantu pracy sieci, minimalizacja kosztów) sieci gazowej i obiektów; składają się na to: urządzenia pomiarowe, urządzenia teletransmisji danych(za pomocą fal radiowych), sprzęt komputerowy, oprogramowanie systemowe, oprogramowanie użytkowe

-przetworniki pomiarowe- oprócz podstawowej funkcji przelicznika natężenia przepływu i licznika gazu, umożliwiają również przekazywanie wybranych, chwilowych parametrów strumienia gazu, na większe odległości, do ośrodków dyspozytorskich; transmisja danych odbywa się przy wykorzystaniu protokołu GAZMODEM

-sterowniki procesowe PLC- programowalne sterowniki, stosowane najczęściej w dużych obiektach sieci przesyłowej jako moduły zbierające dane z poszczególnych mierników, realizują m.in. następujące funkcje: sterowanie procesem uruchamiania, planowego i awaryjnego zatrzymywania oraz nadzór nad pracą agregatów sprężarkowych, sterowanie pracą dużych stacji pomiaru ilości i natężenia przepływu gazu, sterowanie pracą dużych zespołów zaporowo-upustowych, często połączone z funkcją wyłączania odcinka gazociągu, w przypadku wystąpienia nadmiernego gradientu ciśnienia, wskazującego na możliwość większego pęknięcia, sterowanie pracą większych mieszalni gazu. W tym przypadku sterowanie polega na włączaniu i wyłączaniu z ruchu ciągów pomiarowych oraz bezpośrednie sterowanie procesem mieszania strumieni gazu celem otrzymania gazu o wymaganych parametrach

Zadania symulacji:

-badanie zachowania się sieci

-współpraca z telemetrią

-obliczanie zmian akumulacji sieci

-wydawanie zapewnień dostaw gazu

-planowanie remontów

-obliczanie strat gazu

-obliczanie możliwości przepustowych sieci

-śledzenie procesu mieszania się gazu o różnych składach

---