1. Scharakteryzuj pomiar ilościowy gazu ziemnego. Scharakteryzuj rodzaje pomiarów oraz omów niepewności pomiarowe.
Pomiar ilościowy gazu - prowadzi się go przyrządami objętościowymi i prędkościowymi (pomiar strumienia objętości przepływającego medium). Do wykonywania pomiarów służą dwa zasadnicze rodzaje urządzeń: gazomierze objętościowe i zwężki pomiarowe z przepływomierzami.
a) przyrządy objętościowe:
- gazomierz laboratoryjny (mokry):używany do cechowania innych przyrządów, do dużych przepływów gazu
-gazomierz miechowy (suchy): służy do pomiaru niższych przepływów gazu w warunkach przemysłowych
- gazomierz cykloidalny (rotorowy): służy do pomiaru większych ilości gazu i pod większym ciśnieniem
- gazomierz turbinowy: służy do pomiarów rozliczeniowych gazu sieci przemysłowej wysokiego ciśnienia. Objętość przepływającego gazu mierzona jest pośrednio poprzez pomiar liczby obrotów turbiny. Prędkość obrotowa turbiny jest proporcjonalna do strumienia gazu.
b) przyrządy i metody prędkościowe:
-rotametr (przepływomierz pływakowy)
- anemometry: służą do pomiaru prędkości przepływu gazu gdy niewymagana jest dokładność pomiaru
-gazomierz elektryczny Thomasa: mierzy różnicę temperatur gazu wywołaną prędkością strumienia gazu przepływającego przez ogrzewaną siatkę na przekroju rurociągu
- rurki spiętrzające
- gazomierz zwężkowy: służy do pomiaru dużych strumieni. Elementem pomiarowym jest zwężka, wstawiona w prosty i gładki odcinek gazociągu powodując zmniejszenie jego przekroju. Odpowiednia obudowa zwężki pozwala na pomiar ciśnienia różnicowego (Δp) od którego zależy: wydatek masowy-, objętościowy-
Ze względu na cel, jakiemu mają służyć pomiary, można je podzielić na grupy:
pomiary bieżące, których celem jest bieżąca kontrola prawidłowości przebiegu zjawisk fizycznych zarówno w przyrodzie, jak i w urządzeniach zbudowanych przez człowieka. Kontrolę realizuje się przez pomiar charakterystycznych parametrów. niezbędnymi do kontroli przepływającego w sieci gazu są mierzone na bieżąco ciśnienie i temperatura;
pomiary badawcze, których celem jest uzyskanie informacji o nowo zbudowanych prototypowych maszynach i urządzeniach oraz nowo odkrytych zjawiskach i procesach;
pomiary kontrolne lub sprawdzające, które przeprowadzą się w celu sprawdzenia jakości wskazań użytych przyrządów i metod pomiarowych;
pomiary odbiorcze, które przeprowadza się przy przekazywaniu maszyn i urządzeń (mierzy się w umowny sposób określone parametry, wiedząc z góry, w jakich mają się one zawierać granicach). Pomiary te są sprawdzeniem parametrów nowych lub remontowanych urządzeń przed ich przekazaniem użytkownikom do dalszej eksploatacji.
Rodzaje i charakterystyka niepewności i błędów pomiarowych:
Rodzaje niepewności:
- Obliczanie niepewności standardowej – metoda A
Metodę typu A stosuje się, gdy dostępne są wyniki n pomiarów wielkości Xk , wykonywanych w takich samych warunkach. Różnice pomiędzy poszczególnymi wynikami pomiarów wielkości Xk są spowodowane efektami przypadkowymi.
Metoda typu A polega na oszacowaniu wielkości wejściowej poprzez obliczenie średniej arytmetycznej z wykonanych pomiarów, a następnie obliczenie odchylenia standardowego:
Średnia arytmetyczna Xkśr :
Odchylenie standardowe eksperymentalne s(Xk) :
Odchylenie standardowe eksperymentalne s(Xkśr) średniej:
- Obliczenie niepewności standardowej – metoda B
W metodzie typu B oblicza się odchylenie standardowe w oparciu o posiadane informacje o zmienności wielkości Xk , takie jak :
- dane z poprzednio wykonanych pomiarów
- posiadane doświadczenie lub ogólną wiedzę o zachowaniu i właściwościach odnośnych materiałów i przyrządów
- dane metrologiczne podane przez producenta przyrządu pomiarowego
- dane zawarte w świadectwach wzorcowania i innych certyfikatach
- niepewności przypisane danym z literatury
Jeśli możliwe jest jedynie oszacowanie granic (dolnej a1 i górnej a2) wielkości Xk, definiujących przedział, w którym z prawdopodobieństwem P = 100% znajduje się wartość Xk , przyjmuje się, że rozkład możliwych wartości jest równomierny.
Jeśli różnica pomiędzy symetrycznymi granicami a1 i a2 zostanie oznaczona jako 2a, wówczas odchylenie standardowe wielkości Xk oblicza się z zależności:
2. Podaj definicję i charakterystykę hydratów gazu ziemnego. Omów warunki powstawania i podaj sposoby inhibitorowania procesu tworzenia hydratu.
Hydraty - związki węglowodorów i wody. Związek ten może być w fazie ciekłej, gazowej i stałej. Najniebezpieczniejszy hydrat ze względu eksploatacji jest hydrat stały, białe krystaliczne ciała stałe złożone z węglowodorów i wody, z wyglądu podobne do lodu, mogące spowodować poważne przeszkody w ruchu. Mają one postać trwałą przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach. Z chwilą odpowiedniego zmniejszenia ciśnienia lub podwyższenia temperatury rozpadają się na płynna wodę i gazowe względnie płynne węglowodory. Hydraty tworzą cztery pierwsze węglowodory i CO2 i H2S. Rozróżniamy mono- i polo hydraty. Metan tworzy z wodą heksahydraty CH4*6H2O, etan – heptahydrat C2H6*7H2O, propan i butan tworzą również heptahydraty C3H8*7H2O oraz C4H10*7H2O. Typowe miejsca występowania to strefa przyodwiertowa, zwężki, separatory ekspansyjne i miejsca nagłej zmiany kierunku przepływu. Hydraty powstają przy niskiej temperaturze i wysokim ciśnieniu. Warunkiem powstawania hydratów jest niska temperatura i wysokie ciśnienie oraz obecnosc wody Szczególnie wiosną występuje niejednokrotnie częściowe lub całkowite zamarzanie gazociągów, co jest bardzo groźnym zjawiskiem dla ciągłości ruchu. Już w zimie często tworzą się białe lub szare kryształy, osadzające się koncentrycznie wewnątrz gazociągu, co powoduje ciągłe zmniejszanie się jego przekroju. Wiosna jest najgrożniejsza, ponieważ najniższa temperatura ziemi na głębokości ułożenia gazociągu osiąga mniej więcej w tym czasie swoje minimum. Ponadto partie lodu względnie hydratów, oddzielone od ścian rurociągu przez chwilowe ocieplenie w niektórych odcinkach, mogą nagromadzić się w innych miejscach, powodując niekiedy nawet całkowite zakorkowanie gazociągu. Miejsca podejrzanie wykrywa się przez systematyczny pomiar spadku ciśnień. Obniżenie wilgotności gazu łączy się z obniżeniem punktu rosy i jeżeli najniższa temperatura ruchowa gazu jest wyższa od temperatury rosy, wówczas nie nastąpi wydzielenie się hydratów. Aby zapobiegać ich powstaniu powinno się utrzymywać temperaturę gazu powyżej temperatury krytycznej hydratów(ogrzewanie parowe albo elektryczne) lub obniżyć prężność pary wodnej w gazie poniżej prężności pary hydratów w danej temperaturze. Drugi warunek może być spełniony przez obniżenie zwilgocenia gazu na drodze odwadniania. Zapobiegamy powstawaniu hydratów także wtryskując inhibitor, najczęściej używany jest metanol albo glikol(alkohol wyższego rzędu). Są to związki których obecność w gazie powoduje ze powstały hydrat nie zestali się. Można również zastosować mechaniczną metodę usuwania hydratów np. sondy czyszczące. ‘ Kolejną z metod jest obniżenie ciśnienia, jest to metoda stosowana tylko w warunkach awaryjnych. Stosuje się głownie do likwidacji już powstałych hydratów poprzez zamknięcie zaworów na danym odcinku i kolejno zmniejszenie ciśnienia przez wypuszczenie pewnej ilości gazu do atmosfery. Następuję zjawisko sublimacji przejścia ciała stałego w gaz.
3. Podaj postaci I zasady termodynamiki. Pokaż postać różniczkową i całkową równań I zasady termodynamiki.
W układzie zamkniętym zmiana energi wewnętrznej układu może być spowodowana wymianą ciepła lub/i pracą zmiany objętości czynnika
Ed = Eu + Ew
Ed – suma energii dopływającej do układu w czasie;
ΔEu – przyrost energii układu w czasie;
Ew – suma energii opuszczających układ w czasie.
Jest to zasada zachowania energii w termodynamice – równoważność pracy i ciepła. Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie ciepła pobranego (oddanego) przez układ i pracy wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne:
U2 − U1 = Q + W
U1 – energia początkowa układu,
U2 – energia końcowa układu,
Q – energia pobrana (oddana) w wyniku ciepła,
W – energia pobrana (oddana) w wyniku wykonanej pracy nad układem przez siły zewnętrzne.
Rozważmy proces adiabatyczny sprężania gazu od V1 do V2. Wykonanie pracy powoduje przyrost energii wewnętrznej układu:
∫V1V2dWzew, ad = U2 − U1
We wzorze U1 jest początkową energią wewnętrzną gazu a U2 jest energią końcową.
Jeśli uwzględnimy, że energię możemy dostarczyć zarówno w postaci ciepła jak i pracy, możemy napisać:
U2 − U1 = U = Wzew + Qzew
dU = dWzew + dQzew
Układ zamknięty – jest to taki układ termodynamiczny do którego nie dopływa ani nie wpływa żadna energia.
Układ otwarty – jest wówczas jeżeli przez osłonę kontrolną do układu wpływa lub wypływa energia. Dla układu adiabatycznego zamkniętego energia jest niezmienna. Ed=Ew.
4. Podaj kryteria ustalania wydatku dozwolonego odwiertu.
Wydatek dozwolony jest określony w oparciu o analizę węzłową. jest to taki wydatek z którym eksploatacja uważana jest za bezpieczną. powinien gwarantować możliwie wysoki stopień zczerpania złoża w optymalnym czasie eksploatacji. Głównym kryterium wydatku jest tak zwana depresja dopuszczalna czyli różnica ciśnień pomiędzy ciśnieniem średnim złożowym a ciśnieniem dennym dynamicznym, której nie należy przekraczać w trakcie eksploatacji. Średnie ciśnienie złożowe jest to ciśnienie denne statyczne czyli określane na dnie odwiertu przy zamkniętej głowicy po odczekaniu czasu stabilizacji. Natomiast denne dynamiczne jest złożeniem ciśnienia dennego statycznego z uwzględnieniem oporów przepływu. Podczas ustalania depresji dopuszczalnej brane pod uwagę są następujące czynniki:
- intensywność dopływu wody w rejon strefy oddziaływania odwiertu
- stopień piaszczenia złoża czyli intensywność wynoszenia cząstek stałych przez wypływające płyny złożowe.
- stan techniczny odwiertu- głównym elementem jest stan zacementowania rur okładzinowych oraz drożność wykonanej perforacji
-stan techniczny głowicy- mogą być przypadki gdzie głowica nie jest właściwie dobrana do danego odwiertu
- przepustowość urządzeń napowierzchniowych
Z wymienionych czynników największe znaczenie posiadają dwa pierwsze tj. intensywność dopływu i stopnień piaszczenia ponieważ na te czynniki mamy najmniejszy wpływ.
Na podstawie próbnej eksploatacji odwiertu ustalana jest tzw. depresja dopuszczalna, która ma zapewnić ekonomicznie opłacalny wydatek przy minimalnej dopuszczalnej ilości wynoszonej wody
Krzywe wydajności złoża jest to zależność matematyczna pomiędzy ciśnieniem dennym dynamicznym a wydatkiem odwiertu. Dla złoża gazowego:
$P_{w} = \sqrt{{P_{sr}}^{2} - aq - bq^{2}}$ a, b –współczynniki formuły dwuczłonowej
Dla wykreślenia krzywej wydajności złoża zakładamy wartość średniego ciśnienia złożowego.
Krzywa wydajności złoża pozwala określić wartości wydatku przy zadanych wartościach ciśnienia dennego lub odwrotnie, stanowi ona element tzw.: analizy węzłowej pozwalającej na wyznaczenie dowolnej wartości wydatku. W tym celu dla każdego odwiertu określa się wartość depresji dopuszczalnej zapewniającej minimalizacje dopływu wody jak też zjawiska piaszczenia złoża. Dla złoża gazu krzywa wydajności ma kształt paraboli.
W przypadku złóż ropno-gazowych należy rozpatrzyć dwa obszary:
Pierwszy obszar dotyczy przepływu jednofazowego w złożu gdy ciśnienie złożowe jest powyżej ciśnienia nasycenia oraz obszar przepływu dwufazowego, gdy do odwiertu dopływają dwie fazy gaz i ropa. W inżynierii złożowej dla obszaru dwufazowego często jest używane równanie Vogela w postaci.
$$\frac{q_{0}}{q_{\max}} = 1 - 0,2\left( \frac{P_{\text{wf}}}{P_{r}} \right) - 0,8\ \left( \frac{P_{\text{wf}}}{P_{r}} \right)^{2}$$
Na początku eksploatacji przecięcie krzywej IPR z osią y wykresu daje początkowe ciśnienie złożowe, którę w miarę ekspl. maleje a przecięcie osi x z krzywą IPR odwzorowuje wartość wydatku potencjalnego. Wykreślenie krzywej IPR w układzie Pw v sq z nałożoną krzywą przepustowości odwiertu VLP jest podstawą analizy węzłowej , która ma za zadanie określić wydatek dozwolony. Krzywa IPR dla każdego złoża w danej chwili czasowej jest tylko jedna
Równanie dopływu cieczy do odwiertu które jest wyrażone przez różnicę ciśnień między ciśnieniem w złożu i ciśnieniem w odwiercie
$$p = \frac{\text{qμ}}{2\text{πk}h}P_{D}(t_{D})$$
Równanie dopływu gazu do odwiertu,jest ono wyrażone przez kwadrat różnicy ciśnień
p2 = aq + bq2
p2 = pzl2 − pd2
S = Sm + SnD
SnD = Dt • q
$$a = \frac{\mu \bullet p_{n} \bullet z \bullet T}{\pi \bullet k \bullet h \bullet T_{n}}\left( P_{D}\left( t_{D} \right) + S_{m} \right)$$
psr − pw $P_{D}\left( t_{D} \right) = \ln\frac{r_{e}}{r_{w}} - \frac{3}{4}$
$$b = \frac{\mu \bullet p_{n} \bullet z \bullet T}{\pi \bullet k \bullet h \bullet T_{n}} \bullet D_{t}$$
$$D_{t} = \frac{\beta \bullet p_{n} \bullet k}{2\pi \bullet h \bullet \mu_{w} \bullet r_{w}}$$
pΨ-ciśnienie na dnie odwiertu Dt-współ. turbulencji przepływu [m3/s]
β- współczynnik odstępstwa od przepływu Darcy[1/m] µg-lepkość dynamiczna w warunkach na dnie odwiertu[Pa·s]
rw-promień odwieru[m] re-promień zasięgu odwiertu[m]c-współ. ściśliwości skały[1/Pa]
Bezwymiarowa funkcja ciśnienia jest uzależniona od czasu stabilizacji ciśnienia w odwiercie
$$t_{s = \frac{\varnothing \bullet \mu \bullet c \bullet {r_{e}}^{2}}{4 \bullet k}}$$
Jeśli ts > t = >mamy stan semi ustalony
6. Scharakteryzuj obiegi termodynamiczne ( silnik cieplny, chłodziarka, pompa cieplna). Scharakteryzuj obieg Carnota i jego sprawność. Zdefiniuj sprawność techniczną silnika cieplnego, chłodziarki i pompy cieplnej.
Obieg termodynamiczny jest to szereg następujących po sobie w sposób cykliczny przemian. Obiegi realizujące zmianę ciepła na pracę to obiegi prawo-bieżne (silniki cieplne), kolejne przemiany zachodzą zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W obiegach lewo-bieżnych praca jest zamieniana na ciepło (chłodziarki, pompy ciepła). W obrębie każdego obiegu muszą pracować, co najmniej 2 źródła ciepła o różnych temperaturach.
W obiegu prawo-bieżnym ciepło pobierane jest w źródle górnym – grzejniku i oddawane do źródła dolnego – chłodnicy. Procesowi temu towarzyszy zamiana ciepła na pracę.
Sprawność obiegu: η=$\frac{l_{v}}{g_{d}}$= 1- $\frac{g_{w}}{g_{d}}$ (1-η)
W obiegach lewo-bieżnych ciepło pobierane jest ze źródła dolnego i oddawane do źródła górnego, przy jednoczesnej zmiany pracy wykonywanej na czynniku obiegowym na ciepło
- współczynnik wydajności obiegu chłodniczego ε = $\frac{g_{d}}{l_{v}}$ = $\frac{g_{d}}{(g_{w - \ g_{d})}}$
- współczynnik wydajności pompy ciepła ε = $\frac{g_{d}}{(g_{w - g_{\text{d\ }})}}$ (ε >1)
Obieg prawo-bieżny Obieg lewo-bieżny
Obieg Carnota – czynnik w prawo bieżnym obiegu Carnota znajduje się w cylindrze zamkniętym tłokiem, pobiera ciepło z źródła górnego o temp. T1. Następuje równoczesne sprężenie czynnika obiegowego w układzie. Proces ten realizowany jest pomiędzy 1-2 punktami obiegu. Czynnik ulega izentropowemu rozprężeniu do stanu 3. Następnie poprzez oddanie ciepła dolnego do temp. T2 układ ten osiąga stan 4. Zamknięcie obiegu następuje poprzez izentropowe sprężenie czynnika do stanu 1.
1-2 izotermiczne
2-3 izentropowe
3-4 izotermiczne
4-1 izentropowe
Sprawność prawo-bieżnego obiegu Carnota:
ε = $\frac{T2}{T1}$
Sprawność wydajności obiegu Carnota lewo-bieżnego:
ε = $\frac{T1}{T2 - T1}$
Współczynnik wydajności pompy ciepła:
ε = $\frac{T2}{T2 - T1}$
7.Omów budowę i zasadę działania ciągów redukcyjnych oraz układów pomiarowych i korekcji stosowanych w stacjach rozdzielczo-redukcyjno-pomiarowych.
Ciągi redukcyjne stosowane w stacjach gazowych mają za zadanie redukcję ciśnienia gazu i utrzymanie go na stałym poziomie niezależnie od wahań ciśnienia dolotowego i zmiany przepustowości.
Ciągi redukcyjne powinny być wyposażone w następujące elementy:
- reduktor, który zmienia ciśnienie wejściowe na ciśnienie wyjściowe,
- zawór szybkozamykający,
- wydmuchowy zawór upustowy,
- drugi zawór szybkozamykający lub drugi reduktor pełniący rolę monitora, w przypadku gdy Pwyj – Pwej>1,6 MPa
- aparatura kontrolno-pomiarowa,
- przewód odpowietrzający.
Stacje gazowe redukcyjne wysokiego ciśnienia powinny być wyposażone w co najmniej dwa ciągi redukcyjne z regulacją automatyczną. Przepustowość ciągu powinna być równa przepustowości nominalnej stacji. Jeden z ciągów redukcyjno-pomiarowych powinien być ciągiem rezerwowym.
Wyjątkowo dopuszcza się stosowanie w stacjach redukcyjnych jednego ciągu redukcyjnego z regulacją automatyczną i jednego ciągu z regulacją ręczną pod warunkiem, że awaryjne wyłączanie się stacji z ruchu nie spowoduje zakłóceń u odbiorców gazu. Stosowanie ciągu z regulacją ręczną powinno być ograniczone do minimum.
Układy pomiarowe w stacjach gazowych
Pomiar w stacjach rozdzielczych gazu realizowany jest przy wysokim ciśnieniu oraz na wszystkich gazociągach wlotowych i wylotowych ze stacji. W większości stacji gazowych, pomiar ilościowy gazu realizowany jest za pomocą gazomierzy zwężkowych. W stacjach wysokiego ciśnienia, gazomierze instaluje się na dolocie do stacji lub po redukcji na średnim ciśnieniu.
W stacjach gazowych średniego ciśnienia najczęściej stosowane są gazomierze rotorowe montowane na dolocie do stacji lub gazomierze miechowe montowane w małych stacjach po stronie wylotowej o przepustowości do 160 mn3/h.
-Układ pomiarowy U1 stosuje się do wydatku przepływu gazu 5000mn3/h. W układzie tego typu powinien znajdować się jeden odcinek pomiarowy z bajpasem. W odcinku pomiarowym powinien być zamontowany gazomierz.
-Układ pomiarowy U2 powinien składać się z jednego lub kilku odcinków pomiarowych, a także z jednego odcinka kontrolnego. Odcinek kontrolny pełni także rolę odcinka pomiarowego rezerwowego w przypadku awarii. Układ pomiarowy U2 służy do pomiarów przepływającego gazu w ilości 5000 – 50 000 mn3/h. Jako gazomierz pomiarowy i kontrolny stosuje się przemiennie gazomierz zwężkowy lub turbinowy.
- Układ pomiarowy typu U3 służy do pomiarów przepływającego gazu w ilości 50 000 – 250 000 mn3/h. Powinien składać się on z jednego lub kilku odcinków pomiarowych oraz jednego odcinka rezerwowego. Na odcinkach pomiarowych montuje się gazomierze pomiarowe oraz kontrolne. Przy czym zaleca się, aby gazomierz kontrolny był innego rodzaju od gazomierza pomiarowego.
Korektory objętości
Obecnie są powszechnie stosowane elektroniczne korektory sterowane mikroprocesorem. Mogą być montowane bezpośrednio na gazomierzu, gazociągu lub oddzielnie na ścianie. Zapisywane są elektroniczne impulsy objętościowe gazomierzy. Z zapisanych impulsów numerycznych i zaprogramowanej wartości impulsowej oblicza sie objętość w warunkach ruchowych Vr
N - ilość impulsów,
vi - objętość 1 impulsu, m3
Wbudowane w układ pomiarowy gazomierza przetwornik ciśnienia i temperatury przenoszą do przelicznika odpowiednie sygnały analogowe. Dzięki temu można obliczyć objętość gazu w warunkach normalnych (korekcja typu PTZ).
W przypadku zastosowania korekcji typu GNG układ korekcyjny jest wyposażony w przetwornik gęstości roboczej i przetwornik gęstości normalnej.
Współczynniki korekcyjne są liczone przez elektroniczne korektory objętości współpracujące z gazomierzami różnych typów. Dobór rodzaju korekcji do danego układu pomiarowego zależy od zmienności ciśnienia, temperatury i składu mierzonego gazu.
Poniżej 5 kPa-T
Powyżej 5 kPa-PTZ
Powyżej 1MPa-PTZ lub GNG
8. Omów krzywą spadku ciśnienia w gazociągach wysokoprężnych – wyprowadź równanie dla jej wykreślenia.
Wzdłuż gazociągu wysokoprężnego ciśnienie zmienia się od ciśnienia początkowego p1 do końcowego p2. Średni hydrauliczny spadek ciśnienia na elementarnym odcinku le wynosi:$i_{sr} = \frac{p_{1 -}p_{2}}{l_{e}}$. Przy przesyle praktycznie nieściśliwych mediów gęstość ich w przewodzie jest stała. Dlatego i hydrauliczny spadek ciśnienia jest niezmienny, to jest ciśnienie wzdłuż przewodu zmniejsza się proporcjonalnie do odległości od początku przewodu według prawa linii prostej. Natomiast przy przesyle gazu hydrauliczny spadek ciśnienia wzrasta według krzywej parabolicznej.Na rysunku przedstawiony jest schemat gazociągu przesyłowego. Odległość dowolnego punktu B od początku gazociągu oznaczamy przez x. Na podstawie wzoru Weymoutha można dla odcinka AB napisać zależność., a dla odcina BC:. Założenie: średni współczynnik ściśliwości dla obu odcinków jest jednakowy. Kładąc znak równości między prawymi stronami obu równań, rozwiązujemy to równanie względem px otrzymujemy:,
Px– ciśnienie w dowolnym punkcie gazociągu między punktami A i B.Gdy x=0, px=p1, gdy x=1, px=p2. Powyższy wzór wyraża zmianę ciśnienia wzdłuż czynnego gazociągu. Spadek ciśnienia, początkowo nieznaczny, wzrasta coraz szybciej za wzrostem odległości od punktu początkowego. Ciągły wzrost spadku ciśnienia w gazociągu tłumaczy się tym, że ze spadkiem ciśnienia gęstość gazu zmniejsza się i objętość jego wzrasta, co powoduje zwiększenie się oporów tarcia.Zakładając długość gazociągu l=lkr i ciśnienie odpowiadające tej długości p2=0 oraz oznaczając długość gazociągu przez l i odpowiadające tej długości ciśnienie px przez p2 otrzymujemy wzór:.
Który uogólnia charakterystykę dowolnego gazociągu i wyraża prawo zmiany ciśnienia wzdłuż gazociągu. Wstawiając na miejsce l/lkr różne wartości w granicach od 0 do 1 otrzymujemy krzywą o bezwymiarowych współczynnikach, przedstawiającą zmianę ciśnienia gazu wzdłuż trasy dowolnego gazociągu (rys.). Analiza uogólnionej charakterystyki (rys. ) wykazuje, że prace dowolnego gazociągu, w którym początkowe ciśnienie absolutne p1 [at] spada do ciśnienia końcowego p2 [at], przebiega według następującego schematu: 1. Na części trasy gazociągu o długości odpowiadającej l/lkr<0,75 ciśnienie gazu, określone stosunkiem p2/p1, zmienia się prawie według prawa linii prostej przy powolnym spadku ciśnienia, jak dla ośrodka nieściśliwego. 2. Na części trasy gazociągu odpowiadającej l/lkr>0,75, ciśnienie spada prędko na krótkim odcinku, przy czym strata ciśnienia stanowi znaczną część ciśnienia początkowego i ma zupełnie odmienny charakter niż w przypadku przesyłu medium nieściśliwego. 3. Z krzywej (rys.) wynika, że na odcinku gazociągu o długości l/lkr=0,75 licząc od stacji sprężania, zużywa się prawie połowa ciśnienia początkowego p1, a na pozostałej części gazociągu o długości odpowiadającej l/lkr = 0,25 zużywa się druga połowa tego ciśnienia.
9.Omów rodzaje gazomierzy stosowanych w układach automatyki na stacjach gazowych. Podaj schemat blokowego układu korekcyjnego, przeliczniki.
Gazomierzem nazywa się przyrząd przeznaczony do pomiaru wielkości objętości gazu.
Gazomierze zwężkowe –podstawowym elementem pomiarowym jest zwężka pomiarowa. Zwężka pomiarowa wstawiona jest w prosty i gładki odcinek gazociągu powodujący zmniejszenie jego przekroju. Zwężki pomiarowe dzielimy na: kryzy, dysze pomiarowe, zwężki krytyczne, zwężki ograniczające.
Gazomierze turbinowe – elementem pomiarowym jest wirnik ze skrzydełkami, obracający się z prędkością proporcjonalną do strumienia objętości przepływającego gazu. Gzomierze turbinowe stosuje się do najniższego natężenia przepływu wynoszącego 0,8m3/h przy zakresowości obciążenia 1:50
Gazomierze rotorowe – są precyzyjnymi urządzeniami do pomiaru objętości gazu do celów rozliczeniowych i technologicznych. Są one optymalnym urządzeniem do pomiaru w małych i średnich stacjach pomiarowych lub redukcyjno-pomiarowych. Gazomierze rotorowe są maszynami objętościowymi. Przepływ gazu przez komorę pomiarową wymusza ruch dwóch przeciwbieżnych rotorów połączonych parą kół synchronicznych. Pełen obrót o 360 st. Odpowiada przepływowi 4 objętości gazu w komorze pomiarowej. Zestaw montażowy gazomierza rotorowego kłada się z: prostego odcinka rurociągu po stronie dopływowej, Gazomierza rotorowego, prostego odcinka rurociągu po stronie odpływowej.
Gazomierze miechowe – kompaktowe przemysłowe urządzenie pomiarowe spełniające najwyższe wymagania dotyczące dokładności pomiaru i bezpieczeństwa. Gazomierze miechowe stosowane są przy pomiarach gazu u odbiorców indywidualnych, a także u odbiorców przemysłowych. Gazomierz miechowy zbudowany jest z dwóch komór pomiarowych z odkształcalnymi membranami (mieszkami). Mieszki wykonane są z tkanin syntetycznych. Mechanizm pomiarowy pracuje na zasadzie swobodnej membrany. Ruch mechanizmu wywołany jest różnicą ciśnień między króćcem wlotowym a wylotowym gazomierza. Komorą pomiarową jest przestrzeń między ruchomą membraną a obudową gazomierza.
Gazomierze ultradźwiękowe – znajdują coraz częściej zastosowanie zarówno do pomiarów objętości przepływających cieczy jak i gazów. Zasada działania polega na wysyłaniu tysięcy krótkich wiązek impulsów ultradźwiękowych na sekundę od przepływającego płynu o stałej częstotliwości. Fala zostaje odbita od cząstki przepływającej w medium i powraca. Na podstawie różnicy częstotliwości między falą wysyłana a 16 odbitą wyznacza się prędkości osiową gazu. Prędkości przelicza się na strumień masowy.
Gazomierze działające przy wykorzystaniu siły Coriolisa – zasada działania polega na pozornym zakrzywieniu się toru ruchu ciała poruszającego się w wirującym układzie współrzędnych. Odchylenie toru ciała w takim układzie zależy od prędkości ruchu ciała i prędkości wynikającej z ruchu wirowego układu odniesienia. Zjawisku temu towarzyszy siłą bezwładności nazwana siłą Coriolisa.
Gazomierze termiczne działają w oparciu o pomiary temperatury gazu w dwóch lub więcej punktach umieszczonych w strudze. Sygnał wyjściowy z gazomierza, jest uzależniony od strumienia masy. Gazomierze termiczne cechują się znacznie mniejszymi wymiarami i prostszą budową. Są znacznie tańsze, ale też mniej dokładne. Dokładność pomiaru jest na poziomie 1% dla rozwiązań kapilarnych i 2% w przypadku zastosowania wstawek do gazociągu.
Przeliczniki:
- sieciowe: Przelicznik MacMATIIA MID i MacMATIIE-
- bateryjne:
· Korektor objętości MacBAT II - Przelicznik objętości gazu MacBAT II
· Korektor objętości MacBATe - Przelicznik objętości gazu MacBATe - przetworniki:
· Przetwornik ciśnienia MacP II.
· Przetwornik temperatury MacT II
- korektor objętościowy CMK-02
Do sprężania gazu służą specjalne maszyny różnego typu zwane sprężarkami. Instalacja składająca się z zespołu sprężarek i urządzeń pomocniczych, zmontowana zwykle w specjalnym budynku lub kilku budynkach i służąca do sprężania gazu w celu przesyłania go gazociągami, nazywa się tłocznią gazu.
Podział i charakterystyka maszyn do sprężania gazu
Zależnie od wielkości stosunku sprężania, czyli stosunku absolutnego ciśnienia wylotowego gazu do absolutnego ciśnienia wlotowego , maszyny do sprężania gazu dzielą się na:
1. wentylatory, dla których stosunek sprężania = 1,0-1,1
2. dmuchawa, dla których stosunek sprężania = 1,1-3,0
3. sprężarki, dla których stosunek sprężania > 3,0
Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi sprężarkę są:
1. wydajność, czyli natężenie przepływu przetłaczanego gazu [Nm3/h]
2. stosunek sprężania, czyli stosunek absolutnego ciśnienia wylotowego do absolutnego ciśnienia wlotowego i związany z tym przyrost ciśnienia, to jest różnica między ciśnieniem wylotowym i wlotowym Δp = p2 - p1
3. Sprawność η, to jest stosunek mocy potrzebnej do sprężania gazu w warunkach wyidealizowanych do mocy rzeczywiście pobieranej
We współczesnych tłoczniach zainstalowanych w systemie przesyłowym gazu stosuje się trzy typy sprężarek:
-sprężarki tłokowe napędzane silnikiem gazowym
-sprężarki tłokowe napędzane silnikiem elektrycznym
-sprężarki odśrodkowe (przepływowe) napędzane silnikiem gazowym, elektrycznym lub turbiną gazową.
Pod względem konstrukcyjnym rozróżnia się:
-sprężarki tłokowe, jedno- i wielocylindrowe z cylindrami dwustronnego działania w układzie szeregowym lub typu „bokser” jedno- i dwustopniowe,
-sprężarki przepływowe (wirowe) jedno- i wielowirnikowe oraz sprężarki śrubowe.
Sprężarki tłokowe powinny być stosowane przy przepustowościach nie przekraczających 40 000 mn3/h i przy większych stopniach sprężania. Do ich wad należą duże gabaryty i nierównomierne podawanie gazu.
Sprężarki przepływowe stosuje się przy małych stopniach sprężania 1,2÷1.4 i przy dużych przepustowościach, przekraczających 40 000 mn3/h z napędem silnikiem elektrycznym, gazowym lub turbiną gazową
Do rodzajów napędu zaliczamy:
-napęd silnikiem elektrycznym (zalety: łatwe zdalne sterowanie, małe wymiary czyli powierzchnia zabudowy, łatwość utrzymania i uruchamiania; wady: stałe obroty silnika, mała elastyczność obciążeń, duże silniki wytwarzają dużą ilość ciepła)
-silniki gazowe (zalety: napędzane gazem z gazociągu, możliwość regulacji wydajności (przez zmianę obrotów silnika), silnik może być montowany na tym samym wale co układ sprężający; wady: duże wymiary, koszty budowy, duże zużycie oleju do smarowania, duże zużycie wody chłodzącej, skomplikowana budowa)
-turbiny gazowe (zalety: małe wymiary, prosta budowa, małe zużycie oleju, brak drgań; wady: koszt inwestycyjny, skomplikowany układ cieplny, skomplikowane sterowanie i regulacja)
11. Omów metody obliczania ilości dopływającej wody do złoża oraz dokonać ich oceny dla praktyki przemysłowej.
Fetkovitcha
Strefa wodonośna jest ograniczona. Opisuje skumulowany dopływ wody do złoża radialnego dla skończonych aquiferów. Nie wymga użycia metody superpozycji. Stały spadek ciśnienia. Metoda ta opiera się na założeniu, że dopływ wody do złoża z „aquifera” skooczonego, może byd opisany przez tzw. indeks wydajności w strefie wodonośnej (J). Metoda ta zakłada również, że dopływ wody do złoża jest wprost proporcjonalny do depresji ciśnienia pomiędzy ciśnieniem w strefie wodonośnej a ciśnieniem na konturze ropa (gaz)-woda
WZOOOOOOOOOOOOOOOOR
van Everdingena i Hursta
Złoże traktowane jest, jako otwór wielkośrednicowy, zaś otaczająca woda pełni rolę złoża. Dla przestrzeni ograniczonej i nieograniczonej i depresja ciśnienie pomiędzy ciśnieniem średnim w złożu a ciśnieniem na konturze ropa (gaz)-woda (ciśnieniem w strefie wodonośnej) ma wartośd stałą
WZOOOOOOOOOOOOOOOOR
Havlena Odeha
Najczęściej używana. Oparta o równanie bilansu masowego, wymaga określenia zasobów inna metodą (G) oraz ilośći gazu wydobywanego (Gp) a także współczynników Bg i Bw.
WZOOOOOOOOOOOOOOOOR
Z równania tego wynika że ilość wody jaka dopłynęła do strefy gazowej jest różnicą objętości płynów wydobytych oraz objętości ekspansji. Początkowa ilość gazu w złożu musi być wiarygodna tak jak ciśnienie i temperatura w złożu dla obliczenia Bg i Bw
12. Omów metody prognozowania zapotrzebowania na gaz i obciążeń obliczeniowych sieci gazowych.
Obliczanie zapotrzebowania na gaz:
Zużycie gazu charakteryzuje pewna zmienność w czasie, są to cykle: godzinowe, dobowe (związane z przygotowaniem posiłków, ogrzewaniem wody), tygodniowe, miesięczne i sezonowe (związane z sezonem grzewczym).
Obliczanie godzinowego poboru gazu metodą współczynników jednoczesności działania urządzeń gazowych
Nie wszyscy posiadacze urządzeń gazowych korzystają z nich w tym samym momencie. Rzeczywiste obciążenie przewodu będzie znacznie mniejsze niż wynikałby to z sumowania nominalnych poborów urządzeń. Dlatego stosuje się wsp. jednoczesności – jest to stosunek rzeczywistego poboru gazu przez daną grupę odbiorców (gospodarstwa domowe) do sumarycznego obciążenia nominalnego zainstalowanych urządzeń gazowych. Zależy on od:
- jednostkowego zużycia gazu przez zainstalowane urządzenia
- liczbę zainstalowanych urządzeń
- liczbę odbiorców
Współczynniki nierównomierności czasowej
Współczynniki nierównomierności czasowej maksymalnego poboru gazu znajdują zastosowanie przy obliczaniu poboru do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych oraz zakładów przemysłowych i komunalno – usługowych.
Nierównomierność poboru gazu odnosi się do jednostek czasu, jak: godzina, doba, miesiąc, i wyraża stosunek maksymalnego zużycia gazu do zużycia średniego. Są następujące rodzaje wsp. nierównomierności:
km – wsp. nierównomierności miesięcznej w cyklu rocznym – dla danej grupy odbiorców w mieście można ustalić, analizując wyniki pomiarów zużycia w poszczególnym miesiącach
kd – wsp. nierównomierności dobowej w cyklu miesięcznym – dla zakładów usługowych czy przemysłowych zależy od rodzaju produkcji lub usługi, współczynnika zmianowości itp.
kg – wsp. nierównomierności godzinowej w cyklu dobowym – zależy od rodzaju urządzeń gazowych.
Współczynnik roczny jest równy:
kr = km* kd* kg
Obliczanie zapotrzebowania na gaz do ogrzewania pomieszczeń
Qr – roczne zapotrzebowanie na gaz
Q – moc cieplna kotła, kWh
Hi – wartość opałowa gazu, kw/m2
– sprawność znormalizowana instalacji kotłowej (0,8 – 0,91)
– roczna liczba godzin pracy palnika, zależy od sposobu regulacji ukł. centralnego ogrzewania
Instalacje z wyposażeniem podstawowym
Instalacje z zaworami termostatycznymi
Instalacje z regulacją centralną pogodową
Instalacje z regulacją centralną pogodową i zaworami termostatycznymi
Obliczanie zapotrzebowania na gaz metodą uproszczoną z zastosowaniem wskaźników urbanistycznych- ustalenia liczby mieszkańców zaopatrywanych w gaz przez odcinek gazociągu lub układ sieciowy .
Obciążenie obliczeniowe sieci gazowej Q0
jest to ilość gazu wyrażona w metrach sześciennych na godzinę przepływająca określonym przewodem w danej sieci. Sposób obliczania obciążenia obliczeniowego jest zależny od rodzaju obciążenia, usytuowania odbiorców, konfiguracji sieci i sposobu zasilania. Ze względu na sposób zasilania rozróżnia się gazociąg z odbiorem skupionym na końcu rozdzielczy z odbiorem po drodze oraz rozdzielczo przesyłowy.
Obliczanie obciążeń przesyłowych.
Przy obliczaniu obciążeń obliczeniowych poszczególnych odcinków sieci metodami tradycyjnymi konieczne jest ustalenie kierunków przepływu gazu. Zaczynając sumowanie od ostatniego odcinka i posuwając się w kierunku przeciwnym do strzałek dochodzi się do odcinka l. Otrzymana wartość powinna być identyczna z obliczonym wcześniej obciążeniem dla całego układu. Dla ułatwienia obliczeń stosuje się zapis w formie podwójnego ułamka.
13.OMÓW POJĘCIA: GAZ DOSKONAŁY, PÓŁDOSKONAŁY, RZECZYWISTY. OMÓW PODSTAWOWE WŁASNOŚCI. ZDEFINIUJ CIEPŁO WŁAŚCIWE, ENERGIĘ WEWNĘTRZNĄ, ENTALPIĘ.
Gaz doskonały jest modelem fizycznym stworzonym w celu uproszczenia opisu fizycznego gazów rzeczywistych, spełniający równanie stanu Clapeyrona. Gaz doskonały ma następujące cechy: brak oddziaływań między cząsteczkami gazu, znikoma objętość cząsteczek (cząsteczki gazu rozważane są jako punkty materialne) posiadające jednakową masę, cząsteczki gazu poruszają się prostoliniowo będąc w ciągłym ruchu zmieniając kierunek wskutek przypadkowych zderzeń, zderzenia sa doskonale sprężyste. RÓWNANIE CLAPEYRONA: tj. zależność f(p,V,T)=0 można zapisać w jednej z trzech postaci pV=nRT, pV=mRiT, pv=RiT gdzie: p-ciś. gazu; V-obj.; T-tem.; n-liczność w molach; Ri-indywidualna stała gazowa; v-obj. właściwa(v=V/m=1/ρ)[m3/kg]
Gaz półdoskonały- różni się tym że atomy są powiązane ze sobą sprężyście i występują w nim drgania cząsteczek. Dlatego jego ciepło właściwe zmienia się wraz z temperaturą, od niej zależą właściwości opisujące ten gaz.
Gaz rzeczywisty- gaz który nie zachowuje się ściśle z prawami ustalonymi dla gazu doskonałego. W praktyce wszystkie gazy istniejące w realnym świecie. Można stosować przybliżenie do nich gazu doskonałego jednak zawodzi ono w skrajnych warunkach temperatury i ciśnienia, gdy trzeba dokonać dokładnych obliczeń w warunkach zbliżonych do normalnych. Miarą odchylenia zachowania gazu rzeczywistego od gazu idealnego jest współczynnik ściśliwości „Z”. Z=(pVm/RT) Vm-obj. molowa gazu; R-uniwersalna stała gazowa. Dla gazu doskonałego w każdych warunkach Z = 1 dla rzeczywistego przyjmuje wartości <1-0>.
Ciepło właściwe-(pojemność cieplna) danej substancji jest zdefiniowana jako pochodna ciepła wymienianego przez układ z otoczeniem względem temperatury. c=dq/dt[J/kgK][J/molK]; q-jednostkowa ilość ciepła(ilość czynnika)[J/kg][J/kmol]. W zależności od sposobu wyrażanego czynnika wyróżniamy ciepło molowe „C” i masowe „c”. C=cM. Wielkość ciepła właściwego zależna jest od sposobu wymiany ciepła. Przy stałej objętości „cv” lub ciśnieniu „cp” . cp/cv=Cp/Cv
Energia wewnętrzna- całkowita energia układu będącą sumą energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu, a także energii ruchu cieplnego cząsteczek oraz wszystkich innych rodzajów energii występujących w układzie. Energia wewnętrzna jest jednym z potencjałów termodynamicznych. Według I zasady termodynamiki energia wewnętrzna stanowi jednoznaczną funkcję stanu, którą dla danej porcji gazu można wyrazić przez dowolne dwa parametry stanu, np. ciśnienie, temperaturę, objętość właściwą, entalpię, entropię i inne
Entalpia-(H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, H=pV+U; U-energia wewnętrzna układu. Entalpia jest równa sumie energii wewnętrznej, czyli energii jaka jest potrzebna do utworzenia układu gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni oraz iloczynu pV, który jest równy pracy jaką należy wykonać nad otoczeniem by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ
14.OMÓW PROCESY ABSORPCJI W ODSIARCZANIU GAZU ZIEMNEGO.
Procesy absorpcyjne oczyszczania gazu ziemnego polegają na pochłanianiu H2S i CO2 w ciekłych absorbentach. Zjawisko absorpcji wykorzystuje się przy większych stężeniach siarkowodoru w gazie (20-40 g/m3). Odsiarczanie gazu ziemnego jest przeprowadzane w sposób ciągły w instalacjach działających w oparciu o kolumny absorpcyjne z wypełnieniem.
Wyróżnia się następujące metody absorpcyjne odsiarczania:
absorpcja chemiczna:
W tym procesie stosowanymi absorbentami są roztwory etanoloamin (MEA, DEA), które mają dużą zdolność absorpcyjną. Sam proces polega na przeciwprądowym kontakcie zanieczyszczonego gazu w absorberze z wodnym roztworem etanoloaminy w wyniku czego siarkowodór zawarty w gazie jest wiązany w siarczki, natomiast oczyszczony już gaz odprowadza się ze szczytu absorbera. Obciążony roztwór kierowany jest do kolumny regeneracyjnej, w której następuje rozpad powstałych siarczków w temp. 120OC, z wydzieleniem H2S. Zregenerowany metodą gorącą roztwór etanoloamin kierowany jest ponownie do absorpcji, a H2S poddawany jest utylizacji.
metoda absorpcji fizycznej:
Przy dużych zawartościach siarkowodoru w gazie stosuje się procesy polegające na fizycznej absorpcji składników kwaśnych w rozpuszczalnikach organicznych. Procesy te charakteryzują się małą krotnością cyrkulacji absorbentu i są zalecane do oczyszczania gazów o dużym ciśnieniu. Sam proces absorpcji przebiega podobnie jak przy użyciu amin, tzn. zanieczyszczony gaz kontaktuje się przeciwprądowo z absorbentem w wyniku czego dochodzi do odsiarczenia gazu, natomiast regeneracja przebiega poprzez dwustopniowe odprężanie nasyconego roztworu i wydzielenie gazów kwaśnych (H2S i CO2).
absorpcyjno-utleniające procesy odsiarczania:
Metoda ta polega na odsiarczaniu gazu z jednoczesnym utlenianiem siarkowodoru w fazie ciekłej do siarki elementarnej. Utleniająco-absorpcyjne procesy odsiarczania gazu można podzielić na dwie grupy:
Procesy polegające na absorbowaniu siarkowodoru przebiegającym z wytworzeniem siarczków lub tiosoli, które w trakcie regeneracji prowadzonej z przedmuchiwaniem roztworu powietrzem związki te rozkładają się z wydzieleniem elementarnej siarki.
Procesy, w których stosuje się roztwory alkaliczne zawierające związki organiczne odgrywające rolę katalizatorów utleniania siarkowodoru.
Metody absorpcyjno-utleniające są metodami przyjaznymi dla środowiska, a produktami finalnymi są gaz ziemny i siarka elementarna.
15. Omów rodzaje i cel nawaniania gazu ziemnego
Gaz ziemny jest gazem bezzapachowym, dlatego celem nawaniania gazu ziemnego jest wykrywanie nieszczelności w instalacjach i ostrzeganie użytkowników o niezamierzonym wypływie gazu z sieci, urządzeń lub aparatów gazowych. Stopień nawaniania powinien być taki by w 1% mieszaninie z powietrzem gaz posiadał średnio-ostrzegawczą wyczuwalność zapachu. Co odpowiada 1/5 dolnej granicy wybuchowości gazu. Jako środki nawaniające stosuje się siarczki, merkaptany. W krajowym systemie przesyłowym aktualnie stosowany jest siarczek o nazwie THT.
Wyróżniamy dwa systemy:
Centralny- w którym nawaniania się cały gaz do przesyłu kierowany dla przemysłu i użytkowników indywidualnych
Lokalny- nawania się tylko gaz do użytkowników indywidualnych
Wyróżnia się następujące rodzaje nawaniania gazu:
Nawanianie kroplowe- odorant dozowany w formie spływających kropel, parujących później w gazociągu w strumieniu przepływającego gazu
Nawanianie z ciśnieniową pompą wtryskową, dozującą w zależności od natężenia przepływu gazu
Nawanianie dyfuzyjne- część gazu np. 10% całości przepływa nad powierzchnią zbiornika w którym umieszczony jest nawaniacz i po nasyceniu się jego parami mieszany jest z głównym strumieniem gazu
Nawanianie przebudzające- niewielka ilość gazu przepływa najpierw przez kolumnę z ciekłym nawaniaczem, a następnie jest mieszana z właściwym strumieniem gazu
16. Omów sposób pomiaru gazu z wykorzystaniem zwężki pomiarowej; podaj zasady jej stosowania oraz krótko omów metodykę obliczeń natężenia przepływu.
Zwężka jest to element, który zabudowany w rurociągu powoduje zmniejszenie jego przekroju poprzecznego, wzrost prędkości przepływu i energii kinetycznej kosztem spadku ciśnienia statycznego. Ten spadek ciśnienia zależny jest od zmian prędkości, a zatem od ilości płynu przepływającego przez zwężkę. Pomiar spadku ciśnienia statycznego na zwężce oraz znajomość średnicy zwężki i rurociągu pozwala wyznaczyć strumień objętościowy lub masy płynu. Na tym polega sposób pomiaru zwężką pomiarową. Wbudowana w gazociąg kryza(zwężka) powoduje, że między jej stroną dopływową a stroną odpływową w przepływającym gazie powstaje różnica ciśnie statycznych ∆p. Na podstawie zmierzonej wartości różnicy ciśnień za pomocą aparatury pomiarowej można wyznaczyć strumień objętościowy lub masy przepływającego gazu, wykorzystując informacje dotyczące własności paliwa gazowego oraz geometrii kryzy. Zasada pomiaru oparta jest na wbudowaniu zwężki pomiarowej (kryzy lub zwężki Venturiego) w rurociąg o przekroju kołowym całkowicie wypełniony przepływającym płynem. Na zwężce pomiarowej wbudowanej w rurociąg powstaje różnica ciśnień statycznych między stroną dopływową a stroną odpływową zwężki pomiarowej.,
Zasada pomiaru oparta jest na wbudowaniu zwężki pomiarowej (kryzy lub zwężki Venturiego) w rurociąg o przekroju kołowym całkowicie wypełniony przepływającym płynem. Na zwężce pomiarowej wbudowanej w rurociąg powstaje różnica ciśnień statycznych między stroną dopływową a stroną odpływową zwężki pomiarowej.
Wydatek przepływu płynu można wyznaczyć na podstawie zmierzonej wartości różnicy ciśnień, wykorzystując informacje dotyczące płynu przepływającego przez zwężkę i warunków jej użycia. Po ustaleniu się przepływu, prędkość płynu w danym punkcie strumienia nie zmienia się w czasie. Masowe natężenie przepływu w dowolnym przekroju strumienia jest, więc wielkością stałą. Pomiar przepływu oparty jest na zasadzie, że podczas przepływu płynu przez rurociąg i zwężkę nie zachodzi strata energii mechanicznej na skutek tarcia wewnętrznego w płynie oraz o powierzchnię zwężki i rurociągu. Przyjmujemy, że prędkości przepływu w każdym punkcie są takie same. Obliczenie natężenia przepływu polega na obliczeniu średnicy kryzy. Najpierw trzeba dokonać obliczeń własności gazu, a następnie obliczeń iteracyjnych dla kryzy, wyznaczając i sprawdzając warunki dla liczby ekspansji E, przewężenia kryzy oraz obliczenia współczynnika przepływu C. Natężenie przepływu:
Gaz ziemny wydobywany ze złóż jest w znacznym stopniu zawilgocony, co w określonych warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury może prowadzić do wykroplenia wody i powstania stałych gazohydratów. Aby nie dopuścić do tego zjawiska, utrudniającego transport gazu rurociągami, należy osuszyć gaz do wartości określonych przez PN. Kolejnym celem osuszania gazu jest zapobieganie korozji wewnętrznej powierzchni gazociągu.
Wyróżnia się trzy metody osuszania gazu ziemnego:
Metoda niskotemperaturowa z wykorzystaniem efektu Joule’a-Thomsona ekspansyjna
( niskotemperaturowa separacja)- jest to wstępne osuszanie gazu. Działa o efekt dodatni J-T (zmiana temperatury przy zmianie ciśnienia)
Metoda absorpcji fizycznej w glikolach (DEG lub TEG)- tzw. średnie osuszanie gazu do TPR w zakresie (-30o do 50oC). w pełni zabezpiecza przed powstaniem gazohydratów. O efektywności osuszania rozwinięcie powierzchni kontaktu faz gaz- ciecz w kolumnie absorpcyjnej oraz koncentracja stosowanego glikolu do absorpcji pary wodnej. Wysoką koncentrację (ok. 99,5%) można uzyskać prowadząc regenerację zawodnionego glikolu metoda destylacji próżniowej z przedmuchem.
Metoda adsorpcyjna – tabletkowa - na sitach molekularnych lub żelu krzemionkowym. Jest to tzw. głębokie osuszanie gazu ziemnego ( do TPR -80oC), która musi być bezwzględnie realizowane do oczyszczania gazu kierowanego do instalacji kriogenicznej, np. odazotowania lub skraplania tego gazu. Regenerację sorbentów stałych prowadzi się okresowo w dwóch etapach: wygrzewania i chłodzenia
Opiera się najczęściej na działaniu sorpcyjnym chlorku wapnia z pewnym udziałem reakcji chemicznych
18.Podaj definicję długości zastępczej gazociągu i sposoby jej wyznaczania. Podaj zastosowania w obliczeniach.
Długość zastępcza jest to taka długość gazociągu na której następuje taki sam spadek ciśnienia jak na gazociągu o innej średnicy którym przesyłamy tą samą ilość gazu. Obliczenie polega na takim doborze parametrów przepływu, aby spadek ciśnienia na długości zastępczej był taki jak na gazociągu wcześniej przesyłającym gaz.
Oprócz oporów tarcia na odcinkach prostych, na spadek ciśnienia w gazociągu mają także wpływ opory powstające na wszelkich innych elementach gazociągu (połączenia rur, odgałęzienia, zmiany przekroju, załamania itd.), które nazywane są oporami miejscowymi. W gazociągach przesyłowych do uwzględnienia kwalifikują się jedynie opory połączeń rur, czyli opory spawów. Natomiast w sieciach rozdzielczych niskiego i średniego ciśnienia uwzględniać należy oba rodzaje oporów, przy czym dąży się do wyznaczenia statystycznie uśrednionej wartości oporów miejscowych przypadających na jednostkę długości gazociągu.
Spadek ciśnienia, jaki następuje na przeszkodzie miejscowej określa się wzorem:
ξ - współczynnik oporów miejscowych dla danych elementów armatury, zależny od geometrii i wymiarów tych elementów.
Aby ułatwić rozwiązywanie zadań hydraulicznego obliczania rurociągów opory miejscowe wprowadza się do równań ogólnych na spadek ciśnienia. Opory te oblicza się jako długość ekwiwalentną Le, czyli długość odcinka o takiej samej średnicy i liczbie oporu przepływu jak w rozpatrywanym odcinku gazociągu, na którym opory przepływu są liczbowo równe oporom miejscowym w rozpatrywanym odcinku.
Δp- spadek ciśnienia na oporach miejscowych [Pa], n - liczba przeszkód jaka występuje na rozpatrywanym odcinku, ρ- gęstość gazu [kg/m3], D - średnica gazociągu [m], w - prędkość przepływu gazu [m/s], λ- liczba oporu przepływu (współczynnik oporu liniowej części gazociągu),
ξ i- współczynnik oporu miejscowego dla poszczególnych przeszkód.
Obliczając z powyższego wzoru długość ekwiwalentną otrzymuje się:
Długość ekwiwalentną dodaje się do długości gazociągu, powstaje w ten sposób długość zastępcza, która uwzględnia straty na oporach liniowych oraz straty na oporach miejscowych w rozpatrywanym odcinku. którą posługujemy się przy obliczaniu gazociągów Lz=L+Le
Jak wystarczy czasu można to poniżej.
Opory spawów Opory złączy spawanych spowodowane są wyciekami spoiwa i mogą być określone według następującego wzoru:
ξ sp- współczynnik oporu miejscowego dla złącza spawanego (spoiny), ϕ- wysokość wycieku spoiwa [m], D - średnica rurociągu [m].
Aby otrzymać współczynnik oporu na metr długości gazociągu, dzieli się współczynnik oporu spoiny przez odległość między spawami Lsp:
Opory węzłów
ξw= ξ wodc / Lodc
Jak wcześniej wspomniano odgrywają większą role jedynie w sieciach rozdzielczych. Opory te możemy rozpatrywać indywidualnie, jednak w celu uproszczenia obliczeń dąży się do statystycznego wyznaczenia uśrednionej wartości dla rozpatrywanego odcinka lub np. całej sieci rozdzielczej. Wyliczone w ten sposób średnie współczynniki oporów można z pewnym przybliżeniem stosować na innych odcinkach sieci lub nawet na innych sieciach o podobnej strukturze. Otrzymane średnie współczynniki oporów miejscowych mnożymy przez długość rozpatrywanego odcinka, określając całkowity współczynnik oporów danego typu, ξsp ξ w na danym odcinku.
19. Podaj kryteria przepływów laminarnych i turbulentnych – zdefiniuj współczynnik oporów liniowych przepływu – podaj metodykę jego obliczania.
Kryterium do oceny czy mamy do czynienia z przepływem laminarnym czy też z turbulentnym jest bezwymiarowa liczba nazywana liczbą Reynoldsa:
Jak widać ze wzoru wielkość liczby Reynoldsa zależy od prędkości przepływającego płynu jego gęstości i lepkości oraz od średnicy rurociągu. Wielu różnych badaczy podaje nam kryteria według których kwalifikujemy o turbulentnym bądź laminarnym charakterze przepływu.
Przepływ laminarny występuje przy małych prędkościach przepływu, oraz charakteryzuje się znaczną przewagą sił lepkości nad siłami bezwładności. Przy niedużych prędkościach przepływu cząsteczki poruszają się ruchem postępowym w kierunku równoległym do osi rury . Nie występują składowe ruchy w kierunku do niego prostopadłym, prędkość liniowa lokalna zmienia się sposób paraboliczny. Największa prędkość występuje wzdłuż osi przewodu, a przy jego ściance spada do zera. Przy przepływie uwarstwionym strumień gazu składa się z warstw. Zewnętrzna warstwa jest unieruchomiona przy ściance rury siłami adhezji. Każda następna jest hamowana przez działanie sił lepkości gazu jednocześnie pociągana przez szybciej płynący strumień wewnętrzny. Kształt przepływu przez rurociąg, dla płynu rzeczywistego różni się od przepływu płynu idealnego. Różnice te są tym większe, im bardziej własności płynu rzeczywistego odbiegają od własności płynu idealnego.
Z przepływem laminarnym mamy do czynienia dla wartości liczby Reynoldsa do 2300 lub 2000. Pomiędzy wartościami 2000-4000 następuje przepływ przejściowy. Dzięki współczesnym badaniom i doświadczeniom wykazano, że pomiędzy cienką warstewką laminarną a w pełni turbulentnym jądrem strumienia występuje jeszcze obszar przepływów przejściowych już nie o charakterze laminarnym, lecz jeszcze nie w pełni turbulentnym
Przepływ turbulentny – występuje przy większej prędkości przepływu gazu. Wprawdzie przy ściance rury cienka warstwa gazu pod wpływem sił lepkości porusza się dalej ruchem uwarstwionym, ale w centralnej części rury cząstki gazu poza ruchem w kierunku osi maja też kierunek do niej prostopadły. Ruch jest przyspieszany bądź opóźniany co wpływa na bardziej wyrównany rozkład prędkości w przekroju poprzecznym strumienia gazu z wyjątkiem obszaru w pobliżu ścianek. Rozkład prędkości przepływu zależy od liczby Reynoldsa i im ta liczba jest większa tym rozkład prędkości w poprzecznym przekroju strumienia jest bardziej płaski
Współczynnik oporów liniowych – współczynnik tarcia wewnętrznego płynu (uwzględnia wpływ rodzaju ruchu i chropowatości materiału przewodu na wysokość strat energii)
Współczynnik oporów liniowych jest funkcją dwóch wielkości – liczby Reynoldsa i chropowatości względnej. Im przepływ jest bardziej turbulentny tym istotniejsze znaczenie odgrywa chropowatość materiału przewodu. Z kolei przy niskich liczbach Re współczynnik oporów zależy wyłącznie od wartości tej liczby, a nie zależy od chropowatości
Przy przepływach laminarnych współczynnik λ nie zależy od chropowatości i jest równy:
.
Przy przepływach turbulentnych w przewodach gładkich (ε = 0) współczynnik λ dla
3 ∙ 103 < Re < 8 ∙ 104 ze wzrostem liczby Reynoldsa maleje. Zależność λ= f (Re) aproksymuje:
.
Wzór na bezwymiarowy współczynnik oporu:
.
gdzie: Δp - liniowa strata ciśnienia w badanym przewodzie [Pa];
D – średnica badanego przewodu [m];
L – długość odcinka pomiarowego badanego przewodu [m];
ρ - gęstość powietrza [kg/m3] (około 1,15 [kg/m3]);
v – średnia prędkość przepływu powietrza w badanym przewodzie [m/s].
(potrzebne do wzoru)
20. Podaj metodykę obliczania oporów przepływów płynów nieściśliwych. Podaj metodykę obliczeń przepływów w gazociągach niskociśnieniowych.
Równanie na opory przepływu płynów nieściśliwych dla prostych i poziomo ułożonych odcinków rurociągu ma postać: , gdzie:
w – średnia szybkość przepływu [m/s];
L – długość rurociągu [m];
– gęstość płynu w danych warunkach [kg/m3];
d – średnica rurociągu [m];
λ – współczynnik oporu [-].
Jeżeli na rozważanym odcinku rurociągu: to uważa się, że gazy na krótkich odcinkach rurociągu jako nieściśliwe. Na sumę oporów w całym rurociągu składają się opory poszczególnych prostych odcinków rurociągu, następnie opory łuków, zaworów, kurków, zasuw itp.
Dla:
Re <2320; λ =64/Re. Re=
Jeżeli:
2320 < Re < 100000: λ= 0,3164∙Re;
Dla 100000 < Re < 1500000 λ – oblicza się z równaniaNikuradsego:. Do obliczania przepływów w gazociągach niskociśnieniowych wychodzi się z równania Darcy’ego – Weisbacha, które po przekształceniach wyraża się w postaci wzoru: .
Gdzie:
q – wydatek w warunkach normlanych,
T – średnia temp gazu w gazociągu,
S – gęstość względna gazu,
d – średnica wewnętrzna gazociągu,
L – dł. gazociągu,
– współczynnik oporów liniowych.
Wzór ten jest prawdziwy dla przepływów gazów czystych w rurociągach hydraulicznie gładkich. Żeby obliczyć przepływ w gazociągach uwzględniając chropowatość, wprowadza się do równania podstawowego różne wzory empiryczne, które służą do obliczania współczynnika oporu liniowego. Obliczenia oporów w gazociągach niskiego ciśnienia przeprowadzane są w sposób identyczny jak dla przepływu cieczy. Korzystamy z równania Darcy-Weisbacha w postaci:.
Jednak, aby stosować to równanie spełniony musi być warunek: (p1-p2)/p2 <0,03, wtedy liczba ekspansji gazu =1. Występująca prędkość w powyższym wzorze jest odniesiona do warunków rzeczywistych, toteż w celu jej zmiany stosujemy równanie stanu gazu rzeczywistego oraz równanie redukcyjne i doprowadzamy do postaci otrzymujemy zależność: lub z równania
Gdzie:
R- stała gazowa dla powietrza.
Równanie służy do obliczania przepływów w gazociągach niskiego ciśnienia hydraulicznie gładkich i dla czystego gazu. W celu obliczenia przepływów w gazociągach niskoprężnych, w których uwzględnia się chropowatość rurociągu wprowadzane są do równania podstawowego różne wzory empiryczne, które służą do obliczania współczynnika oporu liniowego λ.
21. Podaj podstawy procesu adsorpcji, omów równanie izotermy adsorpcji oraz wymień rodzaje i scharakteryzuj sorbenty stałe stosowane w procesach uzdatniania gazu ziemnego.
Adsorpcja polega na wydzielaniu i zatrzymywaniu składników płynu na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej (w porach) ciała stałego zwanego adsorbentem (sorbentem). Zatrzymywanie cząsteczek na powierzchni zachodzi w wyniku działania sił fizycznych i chemicznych bliskiego zasięgu
Adsorpcja chemiczna (chemisorpcja) – cząsteczki wiążą się wiązaniami chemicznymi w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej na granicy dwóch faz.
Adsorpcja fizyczna (fizysorpcja) – za związanie cząsteczek odpowiadają siły van der Waalsa (np. dyspersyjne).
Adsorpcja chemiczna i fyzyczna. Adsorpcją nazywa się przenikanie jednej substancji w całą masę drugiej fazy. Substancja adsorbująca, na powierzchni, której następuje zagęszczenie cząsteczek adsorbowanych, nazywa się adsorbentem. Substancja adsorbowana znajdująca się w fazie ciekłej lub gazowej, nazywa się adsorptywem, a po przejściu w stan zaadsorbowany – adsorbatem.
Izoterma adsorpcji Langmuira.
Założenia:
powierzchnia ciała stałego posiada określoną liczbę miejsc, zwanych centrami aktywnymi,
na jednym miejscu aktywnym może zaadsorbować się jedna cząsteczka adsorbatu,
wiązania mogą być chemiczne lub fizyczne,
zaadsorbowane cząsteczki tworzą warstwę monomolekularną i nie występuje między nimi żadne oddziaływanie,
cząsteczki nie przemieszczają się w płaszczyźnie adsorbatu,
proces adsorpcji ma charakter dynamicznej równowagi pomiędzy adsorpcja i procesem odwrotnym do adsorpcji – desorpcją.
Sorbenty stałe do uzdatniania gazu ziemnego
Powszechnie stosowane:
żel krzemionkowy (SiO2),
sita molekularne (zeolity),
węgiel aktywny
Rzadko stosowane
tlenek żelaza III
aktywny tlenek cynku
tlenek glinu
ad. a)
żel krzemionkowy – to dwutlenek krzemu o różnym stopniu uwodnienia. Cechy charakterystyczne to:
duża porowatość (do 700 m2/g),
stosowanymi rozmiarami porów (mikropory – 1-1,5nm, makropory – do 5nm),
duża hydrofilowość,
łatwa regeneracja,
ad. b) sita molekularne – to krystaliczne glinokrzemiany (zeolity) mające w swej strukturze kanały o określonych, niedużych wymiarach. Wewnętrzna powierzchnia komór wynosi 600- 1200 m2/g zeolitu (najczęściej 900-1000 m2/g). Charakteryzują je okna występujące w sieci krystalicznej prze które to przenikają adsorbowane cząsteczki. Przez okna te przenikają jednak (zostają zaadsorbowane) tylko te cząsteczki, których rozmiar jest odpowiednio mniejszy od prześwitu okna. Pozostałe cząsteczki przepływają prze obszar zeolitu nie ulegając adsorpcji. Dzięki temu mieszanina zostaje rozdzielona, a zeolit odgrywa rolę specyficznego sita, zatrzymując cząsteczki o małych rozmiarach, a przepuszczając cząsteczki o rozmiarach dużych.
ad. c) węgiel aktywny – grafitopodobny w 90% węgiel pierwiastkowy o bardzo dużych właściwościach sorpcyjnych. Powierzchnia czynna osiąga nawet 2500 m2/g. łatwo się regeneruje.
22.Omów rolę przetłoczni w systemie przesyłu gazu oraz podaj sposób określenia jej miejsca na trasie gazociągu.
Zadaniem tłoczni jest kompensacja strat ciśnienia gazu spowodowanych oporami przepływu. Istotnym zagadnieniem przy projektowaniu tłoczni gazu jest ustalenie dopuszczalnego spadku ciśnienia przed tłocznią. Niekorzystne jest stosowanie dużych spadków ciśnień, gdyż sprężanie gazu od niskich ciśnień wymaga
większego wkładu energii oraz dużych gabarytów urządzeń kompresorowych, co wiąże się ze znacznie większymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. W przypadku, gdy istnieje potrzeba transportowania gazu na większe odległości zachodzi konieczność wielokrotnego jego sprężania, wzdłuż trasy gazociągu. Odpowiednia lokalizacja tłoczni gazu pozwala na jego dostarczanie gazu do odbiorców w określonych ilościach i o wymaganych ciśnieniach z efektywnym obciążeniem gazociągu oraz minimalizacji kosztów przesyłu gazu.
Tłocznie przesyłowe pośrednie buduje się wzdłuż trasy gazociągów przesyłowych w przypadku, gdy ciśnienie złożowe lub ciśnienie wytworzone w tłoczni złożowej nie wystarcza do przetłoczenia gazu do odbiorcy. Liczbę tłoczni, odległości między nimi oraz moc zainstalowanych sprężarek dobiera się na podstawie wartości
ciśnienia maksymalnego oraz maksymalnego spadku ciśnienia. Za pomocą analizy optymalizacyjnej ustala się dla gazociągu przesyłowego, o określonej długości i wymaganej przepustowości, optymalne parametry układu przesyłowego, takie jak:
- ciśnienie gazu na dopływie do tłoczni,
- ciśnienie gazu na wypływie z tłoczni,
- przepustowość tłoczni,
- moc znamionową tłoczni,
- maksymalną temperaturę gazu sprężanego,
- liczbę tłoczni,
- odległość między tłoczniami oraz stosunek sprężania.
Tłocznie gazu rozmieszczane są wzdłuż trasy gazociągu dalekosiężnego zazwyczaj w regularnych odstępach wynoszących od kilkudziesięciu do kilkuset kilometrów (80 – 200km). Jak wspomniano wcześniej, praca układu przesyłowego przy nadmiernym spadku ciśnienia na odcinkach gazociągu pomiędzy sąsiednimi tłoczniami jest nieekonomiczna, gdyż powoduje zwiększenie ilości energii potrzebnej do sprężania gazu i wyższe koszty inwestycyjne. Miejsce posadowienia tłoczni określa się z wykresu amplitudowego spadku ciśnienia w gazociągu:
23. Podaj rodzaje filtracji i charakterystykę filtrów stosowanych w transporcie i dystrybucji gazu
Filtry służą do zatrzymywania zanieczyszczeń obecnych w przepływającym gazie przed punktami pomiarowymi i redukcyjnymi w celu ochrony reduktorów i innych elementów przed zanieczyszczeniami i erozją, a w konsekwencji wadliwym działaniem reduktorów, zaworów szybkozamykających się i aparatury pomiarowo kontrolnej. Budowa filtrów powinna zapewnić bezpieczne wykonanie operacji odgazowania, otwarcia i opróżnienia z zanieczyszczeń.
Dobrze skonstruowany filtr powinien mieć cechy:
Wytrzymałość na ciśnienie równą co najmniej ciśnieniu nominalnemu części wlotowej stacji
Ograniczone do minimum spadki i ciśnienia gazu przy przepływie
Łatwość i szybkość wymiany wkładów filtracyjnych
Odporność na działanie gazów palnych i ich zanieczyszczeń
Typ wkładu o dużej dokładności filtrowania i odporności na ciśnienie
Maksymalną prędkość przepływu gazu w króćcach przyłączeniowych 20 [m/s]
Maksymalny spadek ciśnienia przy czystym wkładzie 10 [kPa]
Maksymalny spadek ciśnienia przy zanieczyszczonym wkładzie 30-50 [kPa]
Maksymalna prędkość przepływu przez wkład 2 [m/s]
Filtry dzielimy na:
Filtry z okładkami z włosia- stosowane w małych stacjach gazowych
Cyklonowe- stosowane przed stacjami gazowymi, przetłoczniami o dużym ciśnieniu
Olejowe- stosowane dla dużych przepływów, wadą jest konieczność regeneracji oleju
Tkaninowe- dobra skuteczność ale nie mogą być stosowane do gazów kondensatowych i zawilgoconych
Ceramiczne
Filtry z Tworzywem szklanym- stosowane do bardzo dużych przepływów oraz dla gazów gdzie wymagane jest bardzo duże oczyszczenie
Elektrostatyczne, magnetyczne
Rodzaje filtracji:
Powierzchniowa- zanieczyszczenia osadzają się na powierzchni wkładu filtracyjnego
Wgłębna (objętościowa) –zanieczyszczenia wnikają w warstwę filtracyjną o większej grubości i stopniowo zatrzymują się
Olejowa- strumień gazu pozostaje w kontakcie z mgłą i pianą olejową do której cząsteczki zanieczyszczeń przylegają i opadają na dno zbiornika
Cyklonowa- cząstki pyłu jako cięższe od gazu pod wpływem sił odśrodkowych odrzucone są na ścianę cylindra, a następnie opadają na dno cyklonu
Mieszana- jest kombinacją podwyższonych rodzajów filtracji.
Cyklonowa- cząstki pyłu jako cięższe od gazu pod wpływem sił odśrodkowych odrzucone są na ścianę cylindra, a następnie opadają na dno cyklonu
Mieszana- jest kombinacją podwyższonych rodzajów filtracji.
24. Podaj charakterystykę istniejącego systemu gazowniczego i perspektywy rozwoju. Podaj krajowe źródła gazu, import gazu z uwzględnieniem LNG.
Charakterystyka istniejącego systemu gazowniczego
Na krajowy system gazowniczy składa się ponad gazociągów, 4178 stacji redukcyjno-pomiarowych zasilających w gaz ponad 6.900.000 odbiorców. Dominującą rolę w krajowym systemie gazowniczym i bilansie paliw gazowych odgrywa od wielu lat gaz ziemny wysokometanowy, dostarczany do systemu z wydobycia krajowego i z importu. System ten obejmuje swym zasięgiem obszar niemal całego kraju. System przesyłowy gazu ziemnego zaazotowanego obejmuje teren zachodniej części Polski, zasilany jest gazem z złóż zlokalizowanych na Niżu Wielkopolskim.
Za przesył gazu ziemnego na terenie Polski odpowiedzialna jest spółka Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A. Właścicielem spółki jest w 100% skarb państwa. Spółka posiada koncesje do 2014 roku.
Perspektywy rozwoju:
Rozbudowa krajowych gazociągów przesyłowych
Połączenia transgraniczne
Budowa Terminalu LNG w Świnoujściu
Krajowe źródła gazu
Głównym regionem występowania złóż gazu ziemnego w naszym kraju jest Niż Polski. Złoża gazu ziemnego znane są również z przedgórza Karpat. Niewielkie zasoby gazu występują także w małych złożach obszaru Karpat oraz w polskiej strefie ekonomicznej Bałtyku. Około trzy czwarte zasobów gazu znajduje się w utworach miocenu i czerwonego spągowca, a pozostałe w osadach kambru, dewonu, karbonu, cechsztynu, jury i kredy.
W złożach Niżu Polskiego występuje obecnie 69 % wydobywalnych zasobów gazu ziemnego. Na przedgórzu Karpat znajduje się 26 % tych zasobów. Zasoby strefy morskiej Bałtyku oraz Karpat odgrywają rolę podrzędną.
Produkcja gazu pokrywa około 40 % krajowego zapotrzebowania.
Import gazu z uwzględnieniem LNG
Import gazu ziemnego
W 2009 roku import gazu ziemnego do Polski wyniósł 9,1 mld m sześc. i był o 9,5% mniejszy niż w 2008 roku kiedy do Polski sprowadzono 10,3 mld m3 gazu. Gaz ziemny pochodzący z importu pochodził głównie z Rosji oraz Niemiec, ale także: z krajów Azji Środkowej: Uzbekistan, Turkmenistan.
Udział poszczególnych krajów w zaopatrzeniu w roku 2009:
Rosja 89,07%
Kraje Azji Środkowej 0,00% ale w roku 2008 było to 23,16%
Niemcy 7,25%
Import LNG
Polska w 2009 r. podpisała z Katarem umowę na dostawy skroplonego gazu ziemnego (LNG - Liquefied Natural Gas) w latach 2014-2034.
Terminal importowy LNG ma powstać do 2013 r. w Świnoujściu. Polski terminal będzie mógł – w pierwszej fazie - odebrać do 5 mld m3 gazu ziemnego rocznie. Obecnie w Polsce zużywa się co roku ok. 14 mld m3 gazu ziemnego, co oznacza, że gaz ze Świnoujścia będzie mógł zaspokoić nawet 1/3 krajowego popytu. Po rozbudowie terminal LNG będzie mógł dostarczać nawet 7,5 mld m3. Przyjęta przez rząd „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku” prognozuje, że w tym czasie zapotrzebowanie na gaz wzrośnie do 20,2 mld m3.
25. Podaj definicję współczynnika ściśliwości gazu Z i sposoby wyznaczania tego współczynnika:
W celu skorygowania różnic występujących pomiędzy rzeczywistymi danymi eksperymentalnymi i wielkościami, które można uzyskiwać stosując równanie stanu gazu doskonałego wprowadza się pojęcie współczynnika ściśliwości Z (gas compressibility factor, gas deviation factor, z-factor). Równanie definicyjne współczynnika ściśliwości może zostać zapisane w następującej postaci:
$$Z = \frac{\text{Vactual}}{\text{Videal}}$$
Vactual - rzeczywista objętość moli gazu w warunkach p, T
Videal- objętość n moli gazu w warunkach p, T wynikająca (wyznaczona) z równania stanu gazu doskonałego.
Dzięki wprowadzeniu pojęcia współczynnika ściśliwości równanie można przekształcić do równania stanu gazu rzeczywistego: pV=ZnRT
mając na uwadze, to iż Z = Z(p,T)
Dwuparametrowe twierdzenie o stanach wzajemnie odpowiadających (theorem of corresponding states) sformułowane z makroskopowego punktu widzenia mówi iż:
Wszystkie płyny porównywane przy tych samych ciśnieniu i temperaturze zredukowanych będą posiadały taką samą wartość współczynnika ściśliwości (lub objętości zredukowanej), a ich odstępstwo od gazu doskonałego będzie w przybliżeniu jednakowe.
Rozszerzeniem twierdzenia dwu-parametrowego jest trój-parametrowe twierdzenie o stanach wzajemnie odpowiadających. Uwzględnia ono a-sferyczność cząsteczek płynu poprzez wprowadzenie czynnika acentrycznego Pitzera.
Bazując na dwuparametrowym twierdzeniu o stanach wzajemnie odpowiadających, oraz przyjmując, że układ wieloskładnikowy będzie charakteryzowany za pomocą parametrów pseudo-zredukowanych możemy napisać zależność: Z = f (Ppr, Tpr)
Wykres Standinga - Katza
Zależność ta została przedstawiona w formie uniwersalnego wykresu przez Standinga i Katza w 1942 r. Wykres ten może być stosowany do wyznaczania współczynnika ściśliwości lekkich gazów ziemnych, o niewielkiej zawartości węglowodorów cięższych, oraz o małej zawartości składników nieorganicznych. Wykres Standinga-Katza jest jedną z najszerzej zaakceptowanych korelacji w przemyśle naftowym i gazowniczym.
Równanie stanu Redlicha-Kwonga:
Podstawienie w równaniu $p = \ \frac{\text{RT}}{V - b} - \ \frac{a}{V\left( V + b \right)T^{0,5}}$
za objętość molarną V wielkości pozwala otrzymać rozwinięcie równania Redlicha-Kwonga ze względu na Z:
Z3-Z2+(A-B-B2)Z- AB = 0
$$A = \frac{\text{ap}}{R^{2}T^{2.5}}$$
$$B = \frac{\text{bp}}{\text{RT}}$$
Równanie stanu Soave-Redlicha-Kwonga
Współczynnik ściśliwości według równania SRK:
Z3-Z2+(A-B-B2)Z- AB = 0
$$A = \frac{\left( \text{aα} \right)p}{(R{T)}^{2}}$$
$$B = \frac{\text{bp}}{\text{RT}}$$
- Równanie stanu Van der Waalsa – w 1873 roku Van der Waals udoskonalił równanie Clapeyrona wprowadzając dodatkowy człon. VdW przyjął, że molekuły gazu zajmują skończoną część układu zwłaszcza w przypadku wyższych ciśnień. Ogólne równanie, z którego można obliczyć „Z”
Z3-(1+B)Z2+AZ-AB=0
Równanie to może posiadać jeden pierwiastek rzeczywisty w obszarze jednofazowym, oraz do trzech pierwiastków w obszarze dwufazowym. Przyjmuje się, że największy pierwiastek tego równania odpowiada współczynnikowi ściśliwości fazy gazowej, najmniejszy dodatni współczynnikowi ściśliwości fazy ciekłej, natomiast pierwiastek o wartości pomiędzy dwoma wymienionymi nie posiada znaczenia fizycznego.
26. Omów podstawowe równania mechaniki płynów: zasadę zachowania masy, pędu i energii. Zdefiniuj równanie Bernoulliego dla płynu doskonałego i jego zastosowanie.
ZASADA ZACHOWANIA MASY.
„W żadnym punkcie pola masa nie może się tworzyć ani znikać”. W płynie nieściśliwym (= const) tylko takie pole będzie spełniało tę zasadę, w którym w każdej chwili do obszaru ograniczonego powierzchnią kontrolną będzie wpływało tyle płynu, ile w tej samej chwili wypływa.
Warunek ten jest identyczny dla przepływów ustalonych i nieustalonych. Podczas przepływu płynu ściśliwego (const) w ruchu ustalonym musi być zachowany powyższy warunek, bo masa zawarta wewnątrz powierzchni kontrolnej jest niezmienna w czasie.
(postać całkowa równania ciągłości wynikająca z zasady zachowania masy).
(różniczkowa postać równania ciągłości).
ZASADA ZACHOWANIA PĘDU.
„ Prędkość zmiany pędu płynu zawartego w poruszającej się objętości V(t) równa jest wypadkowej sił zewnętrznych działających na ten płyn”.
Gdzie:
Pio- siła zewnętrzna działająca na i-tą cząstkę o masie mi i przyśpieszeniu ai
Pij- siła wewnętrzna z jaką j-ta cząstka działa na i-tą
Gdzie:
dV/dt- przyśpieszenie elementu o masie dV
f- jednostkowa siła masowa
- jednostkowa siła powierzchniowa
(równanie przedstawia zasadę zachowania pędu w newton-owskiej mechanice ośrodków ciągłych, które mówi: „ zmiana pędu w czasie jest spowodowana przez siły masowe i siły powierzchniowe”).
,
( Przedstawione równania opisują ruch dowolnego ośrodka ciągłego, którego rodzaj określa macierz S tensora naprężeń. Jest to najogólniejsza różniczkowa postać równania wynikającego z zasady zachowania pędu.)
Równanie zachowania pędu cieczy doskonałej.
Ciecz doskonała jest nielepka i nieściśliwa, a zatem nie występują w niej naprężenia styczne. Wobec tego naprężenie (n) jest normalne do powierzchni (współliniowe z wektorem n i z przeciwnym kierunkiem)
(równanie ruchu cieczy doskonałej- równanie Eulera).
ZASADA ZACHOWANIA ENERGII.
Energia przypadająca na jednostkę masy jest sumą energii kinetycznej v2/2 oraz energii wewnętrznej e.
Energia całkowita płynu zawartego w obszarze płynnym V(t) w danej chwili jest równa:
Zmiana tej energii w czasie może nastąpić na skutek działania sił zewnętrznych (powierzchniowych i masowych) podczas przemieszczanie się obszaru płynnego oraz w skutek doprowadzenia z zewnątrz do obszaru energii cieplnej.
(różniczkowa forma równania wynikająca z zasady zachowania energii całkowitej).
RÓWNANIE BERNOULLIEGO.
Ponieważ każdy ze składników równania ma wymiar długości, noszą one odpowiednio nazwę wysokości prędkości, wysokości ciśnienia i wysokości położenia. Sumę tych wysokości nazywamy wysokością rozporządzalną.
Zastosowania równania Bernoulliego:
Z równania Bernoulliego wynika wiele na co dzień obserwowanych zjawisk, zależności, a także zasad działania licznych urządzeń technicznych:
pomiary prędkości i strumienia objętości
zasada działania sondy Pitota
zasada działania sondy Prandla
zasada działania sondy Venturiego
paradoks hydrodynamiczny
wypływ cieczy ze zbiornika przez mały otwór (wzór Toricelliego: )
27 .Omów przemiany charakterystyczne gazu doskonałego (izochoryczna, izobaryczna, izotermiczna, adiabatyczna, politropowa).
Przemiana politropowa – proces termodynamiczny, który realizowany jest przy stałej pojemności cieplnej układu. Równanie politropy może zostać zapisane w jednej z postaci.
pVm = idem
TVm-1 = idem
Tm p1-m = idem
Szczególnymi przypadkami przemiany politropowej są przemiany:
Izochoryczna – zachodzi, gdy objętość gazu nie ulega zmianie, czyli warunek przemiany V = idem
Równanie przemiany izochorycznej (Prawo Charlesa) ma postać:
Czyli
Izobaryczna – zachodzi, gdy ciśnienie gazu nie ulega zmianie. Objętość i temperatura gazu zmieniają się wprost propocjonalnie do siebie. p = idem.
Równanie przemiany ma postać (Prawo Gay Lussaca)
Izotermiczna – zachodzi gdy temperatura jest stała.
Równanie przemiany ma postać (Prawo Boyle’a Mariotte’a)
p1V1=p2V2 czyli pV=idem
Adiabatyczna – to przemiana, w której nie ma wymiany ciepła z otoczeniem i wszystkie parametry określające stan gazu ulegają zmianie. Warunek przemiany S=idem.
Równanie przemiany:
pVK = idem
TVk-1 = idem
TK p1-K = idem
GDZIE: K – kappa wykładnik adiabaty
WYKRESY PRZEMIAN GAZU DOSKONAŁEGO W p-V T-S
28.Scharakteryzuj rodzaje przepływów dwufazowych w odwiercie. Omów sposoby wspomagania procesu wynoszenia wody z odwiertu.
Przepływ dwufazowy występuje wówczas gdy w czasie eksploatacji w odwiercie na powierzchnię wynoszone są dwie fazy np: gaz i ropa lub woda i para wodna. W zależności od prędkości przepływu oraz od ilości przepływających faz można wyróżnić następujące rodzaje przepływów:
-dla niewielkich prędkości przepływu w strumieniu przepływającego gazu mamy prawie równomiernie rozmieszczone cząstki fazy ciekłej. W czasie tego przepływu następuje na dnie odwiertu wymieszanie się gazu z cieczą, powstaje mieszanina gazu z cieczą. Gdzie fazą ciągłą jest gaz, a porywany płyn jest rozproszony.
-przy większych prędkościach następuje tworzenie się w większym stopniu fazy ciekłej, która jest rozmieszczana nieregularnie w przepływającym gazie. Część tego płynu jest wynoszona na powierzchnię a część opada na dno odwiertu
-przy zwiększaniu prędkości przepływu w odpowiednich warunkach przepływu może nastąpić łączenie się fazy ciekłej w duże elementy o wymiarach zbliżonych do średnicy odwiertu. Następuje wówczas nieregularny wypływ, następują przerwy w wypływie gazu, a na zewnątrz wyrzucane są duże ilości wody. Mamy do czynienia wówczas z tzw. tłokowaniem.
-przy bardzo dużych prędkościach przepływu wypływająca faza ciekła utworzy tzw film (warstewkę) na ściance otworu. Gaz będzie wypływał centralną częścią rur wydobywczych, w tym przypadku faza ciekła nie jest wynoszona na zewnątrz i tworzy tzw film i jest nieruchoma lub ścieka na dno.
Wspomaganie wynoszenia wody z odwiertu polega na:
- dodawaniu środków pianotwórczych które powodują spienienie fazy ciekłej a następnie lepsze wynoszenie z dna odwiertu,
- czasowym syfonowaniu odwiertu poprzez chwilowe znaczne zwiększenie wydatku
-stosowanie róznych metod pomopowania wody lub stosowania gazo dźwigów.
29. Omów proces spalania gazu, wyjaśnij pojęcie współczynnika nadmiaru powietrza. Podaj definicje granic wybuchowości gazu
Spalanie gazu jest to zespół złożonych procesów aerodynamicznych, chemicznych i cieplnych. Pierwszy z nich, proces mieszania gazu z niezbędnym do spalania powietrzem, może odbywać się przed spalaniem lub równocześnie nim. Proces ten przebiega według praw turbulentnej lub molekularnej dyfuzji. Konieczny warunek to istnienie kontaktu między cząsteczkami gazu i tlenem przy temperaturze dostatecznie wysokiej do wywołania samozapłonu.
Jeżeli zachodzi wstępne mieszanie gazu z niedostateczną ilością powietrza , to pełne spalanie jest możliwe tylko przy uzupełniającym doprowadzeniu powietrza do przestrzeni spalania. W procesie kinetycznym spala się tylko ta część paliwa gazowego , która odpowiada ilości powietrza zmieszanej uprzednio z gazem. Reszta paliwa gazowego przed spalaniem nazywa się powietrzem pierwotnym, a powietrze doprowadzane do przestrzeni spalania w trakcie spalania dyfuzyjnego nazywa się powietrzem wtórnym.
Spalanie otrzymuje się też przy wstępnym mieszaniu gazu z powietrzem pierwotnym w pełnej ilości potrzebnej do spalania, ale przy niedostatecznym mieszaniu.
Współczynnik nadmiaru powietrza λ - stosunek rzeczywistej ilości (masy) powietrza, w której spalane jest paliwo, do ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa (ilość stechiometryczna). W celu uzyskania całkowitego spalania konieczne jest zwykle doprowadzenie większej ilości powietrza, niż to wynika z równań stechiometrycznych. Stechiometryczną ilość powietrza można obliczyć na podstawie analizy równań reakcji chemicznych zachodzących podczas spalania określonego paliwa. Jeśli powietrza wykorzystywanego do spalania jest więcej od ilości stechiometrycznej, to współczynnik λ jest większy od 1 (mieszanka uboga), jeśli mniej, to λ < 1 (mieszanka bogata).
Wzór definicyjny:
Dolna granica wybuchowości (LEL) jest minimalnym stężeniem gazu, oparu lub pyłu w powietrzu przy którym mieszanka taka może podlegać zapłonowi.
Górna granica wybuchowości (UEL) jest maksymalnym stężeniem gazu, oparu lub pyłu w powietrzu poniżej którego mieszanka taka może podlegać zapłonowi.
Metan- granica wybuchowości 5-15% objętościowych
Propan- 2,1-9,5% objętościowych
Butan- 1,5-13,5% objętościowych
30. Omów rolę podziemnych magazynów gazu w przemyśle gazowniczym.
Zużycie gazu ziemnego w kraju w ostatnich latach kształtuje się na poziomie około
14 mld m3n. W związku z własnym wydobyciem rzędu około 4,2 mld m3n, około 70% rocznego zużycia tego surowca musi być importowane do Polski. Gaz w ostatnich latach stał się ważnym surowcem stosowanym do ogrzewania zarówno w gospodarstwach domowych jak i wykorzystywanym w przemyśle. Powoduje to znacznie wzmożone zapotrzebowanie na ten surowiec w okresie zimowym, które amortyzowane jest poprzez wykorzystanie gazu zmagazynowanego w podziemnych magazynach gazu.
W Polsce obecnie eksploatowanych jest obecnie 8 magazynów gazu ziemnego, 7 w wyeksploatowanych złożach(PMG WIERZCHOWICE, PMG HUSÓW, PMG SWARZÓW, PMG BRZEŹNICA, PMG STRACHOCINA, PMG DASZEWO, PMG BONIKOWO) i 1 w kawernach solnych (KMPG MOGILNO).
Funkcje podziemnych magazynów gazu:
- Strategiczna rezerwa gazu na wypadek przerwania dostaw (np. z powodów politycznych, awarii itp.), zwiększająca znacząco bezpieczeństwo energetyczne państwa i gwarancję nieprzerwania pracy systemu energetycznego kraju.
- Sezonowe równoważenie obciążenia w celu zaspokojenia sezonowego i szczytowego popytu przypadającego na miesiące zimowe (gaz jest zatłaczany do magazynów od kwietnia do października, a zwykle odbierany od listopada do marca).
- Umożliwienie prowadzenia racjonalnego i ekonomicznego wydobycia gazu ziemnego z włąsnych złóż.
- Umożliwienie bilansowania dobowego.
Przewody z rur stalowych:
Rury stalowe pokryte powłoką antykorozyjną. Do budowy gazociągów wysokiego ciśnienia stosuje się zwykle rury z następujących gatunków stali:
- stali niskowęglowej R 35 i R 45,
- stali niskostopowej o podwyższonej wytrzymałości 18 G2A
Rury stalowe bez szwu walcowane na gorąco ogólnego zastosowania:
Rury stalowe ze szwem przewodowe
Rury stalowe ulegają korozji elektrochemicznej. Gazociąg stalowy musi być zabezpieczony przed korozją tzw. ochroną czynną katodową, a miejsca spawane rur chronione są taśmami izolacyjnymi.
Przewody z rur polietylenowych:
Dla gazociągów średniego i niskiego ciśnienia. Nadają się do rozprowadzania gazu ziemnego i propanowego. Przewody o mniejszych średnicach, ponieważ są elastyczne, mogą być dostarczane na budowę w postaci zwojów. Mają ponadto szereg cennych zalet, jak gładkość powierzchni, odporność na korozję, lekkość, łatwość montażu i stosunkowo niski koszt. Polietylen jest materiałem, który nie pęcznieje i nie rozpuszcza się. Rur z PE nie można więc łączyć przez klejenie. Materiałem do produkcji rur jest polietylen (CH2 – CH3)n o gęstości nominalnej powyżej 930 kg/m3 z dodatkiem antyutleniaczy, stabilizatorów i pigmentów, dzięki czemu uzyskuje się wymagane własności mechaniczne i zgrzewalność. Materiał bazowy do produkcji rur występuje pod różnymi nazwami, jak hostalen, vestalen, finanthene, marlex i telex.
Rury PE przeznaczone dla gazownictwa powinny być w kolorze żółtym. Oznakowanie rur musi być wykonane w sposób trwały, w kolorach kontrastujących z tłem i naniesione w odstępach powinno zawierać następujące informacje:
- nazwę lub symbol producenta,
- słowo „Gaz”,
- średnicę zewnętrzną x grubość ścianki (SDR),
- nazwę i typ surowca,
- grupę wskaźników płynięcia,
- datę produkcji,
- numer normy jakości.
32. Scharakteryzuj i przedstaw graficzną interpretację stanów hydrodynamicznych złóż.
Stan ustalony- dotyczy przepływu płynu ze stałym wydatkiem przez cały element ośrodka porowatego o z góry określonych wymiarach aby taki przepływ był możliwy do realizacji na końcach elementu porowatego przyłożona jest różnica ciśnień, która przez cały czas jest stała. W tym stanie w ośrodku porowatym odbywa się „czysty” przepływ bez naprężenia. W rzeczywistości takiego stanu się nie spotyka. Przybliżone warunki można spotkać w złożu ropy lub gazu o dobrej przepuszczalności i dużej miąższości w stanie nie ustalonym oraz złoża pracującego w warunkach czysto wodno naporowych.
Stan semiustalony-z chwilą osiągnięcia przez falę zaburzonego ciśnienia strefy oddziaływania odwiertu dalsza eksploatacja trwająca nieprzerwanie odbywa się ze skończonej objętości złoża. Zaburzenie ciśnienia objęło całą strefę oddziaływania, zatem założyć można że w jednakowych odstępach czasu następuje jednakowa obniżka ciśnienia przy odwiercie i w strefie oddziaływania. Zakładamy że krzywe przebiegu ciśnienia zaczną układać się do siebie równolegle. Stan semiustalony następuje po zakończeniu stanu nieustalonego.
Stan nieustalony- strefa spadku ciśnienia wokół odwiertu nie sięga granic złoża, a powiększający się "lej depresyjny" jest relatywnie mały w porównaniu z rozmiarem złoża, zatem złoże można traktować jako nieskończone (r → ∞) . Wykres zmian ciśnienia w złożu pracującym w stanie nieustalonym ze stałą wydajnością q pokazuje poniższy rysunek.
Tst- czas stabilizacji
Ø – Współczynnik porowatości
µ- Współczynnik lepkości dynamicznej
c- współczynnik ściśliwości
re- promień strefy oddziaływania odwiertu (promień drenażu)
k – współczynnik przepuszczalności
t < ts → stan nieustalony,
t > ts → stan semi-ustalony
33. Wyjaśnij pojęcie konturu ostrego i rozmytego przy wzajemnym wypieraniu się płynów. Wyjaśnij pojęcie dyfuzji i dyspersji przy wzajemnym przemieszczaniu się płynów w złożu.
Z wypieraniem się płynów mamy do czynienia gdy są wtórne metody eksploatacji lub metody intensyfikacji wydobycia, które stosuje się by zwiększyć współczynnik szczerkania złoża.
Kontur wspierania- granica między płynem wypieranym a wypierającym. Może być ostry lub rozmyty.
Kontur ostry – gdy w sposób bezprecedensowy możemy określić granicę występowania obu cieczy, czyli nie ma strefy przejściowej.
Kontur rozmyty – jest wówczas gdy w czasie wypierania płynów złożowych nie ma ostrej granicy występującej między cieczami. Ciecz wypierająca w pewnej strefie jest zmieszana z cieczą wypieraną czyli istnieje strefa przejściowa.
Kontur zależy od płynów jakie będą się ze sobą mieszać. Czynniki:
-lepkość
-gęstość
-hydrofilność i hydrofobowość
-przepuszczalność
Dyspersja- rozpraszanie, brak ostrej granicy przenikania, stan lub proces rozdrobnienia cząsteczek w roztworze koloidalnym.
Dyfuzja- wzajemne przenikanie się gazów w wyniku przemieszczania się cząsteczek jednego gazu pomiędzy cząsteczki drugiego.
Dyspersja i dyfuzja powodują powstanie konturu rozmytego na granicy płynów.
Równania dyfuzji i dyspersji opisują nam wypieranie się dwóch płynów. W czasie wypierania się płynów mamy do czynienia z dwoma zjawiskami:
-transportem konwekcyjnym – przepływ płynów
-transport związany z wymianą międzyfazową
Wymiana międzyfazowa powoduje tzw. rozmycie czyli powstaje strefa przejściowa, występuje wówczas brak ostrej granicy wypierania a związane to jest z efektem dyspersji hydrodynamicznej. Podstawowe równanie dyspersji:
k- dyfuzja molekularna
k=D1+F|u|
D-wsp. dyfuzji molekularnej
1-macierz jednostkowa
F-funkcja macierzy opisująca wpływ dyspersji mechanicznej
34.Wyjaśnij pojęcie zasady superpozycji w inżynierii złożowej – podaj, co najmniej dwa przykłady jej zastosowania w tym modelowanie granic.
Zasada superpozycji-jest to metoda matematyczna polegająca na obliczeniu efektu końcowego zjawiska składającego się ze zjawisk elementarnych. Efekt końcowy zjawiska złożonego ze zjawisk elementarnych jest sumą efektów powodowanych przez zjawiska elementarne, obserwowanych na końcu całego zjawiska.
W inżynierii złożowej metoda superpozycji możemy zastosować w kilku zagadnieniach i problemach np.:
1.Obliczenie spadku ciśnienia w odwiercie, który jest eksploatowany ze zmiennymi wydajnościami.
Pc = P1 + P2 + ... …… + Pn
$$P_{1} = \frac{\text{μB}}{2\pi kh} \bullet \lbrack q_{1} \bullet P_{D}(t_{c})_{D} - q_{1} \bullet P_{D}(t_{c} - t_{1})_{D}\rbrack$$
P4 = 0
2. Określenie odległości odwiertu od bariery nieprzepuszczalnej.
35. Podaj zasady projektowania i budowy przyłączy gazowych do budynków.
Początkiem przyłącza gazowego jest miejsce przyłączenia z gazociągiem zasilającym, natomiast jego zakończeniem kurek główny. Dobór średnicy przyłącza gazowego wymaga niezbędnych obliczeń natężenia przepływu gazu. Nieprawidłowy dobór średnicy może spowodować złe funkcjonowanie instalacji gazowej co objawia się głównie niskim ciśnieniem przy dużych poborach gazu
Dobierając średnice należy uwzględnić
Maksymalne obliczeniowe natężenie przepływu gazu
Długość przyłącza
Lokalizację obiektu budowlanego w stosunku do punktu zasilania
Wysokość ciśnienia w sieci rozdzielczej
Charakterystykę poboru gazu w danej grupie odbiorców
Projekt techniczny zawiera
- część opisową
- część rysunkową
- kosztorys
Warunki techniczne doprowadzenia gazu do budynku
Instalacja powinna dostarczyć paliwa w ilości odpowiadającej potrzebom użytkowników oraz odpowiednią wartość ciśnienia zależna od rodzaju gazu zastosowanego do zasilania budynków
Instalacja wykonana z rur stalowych powinna być zabezpieczona przez prądami błądzącymi
Uzgodnienie i zatwierdzenie projektu przez dostawcę
Zapewnienie dostawy gazu
Gaz doprowadzony do budynków nie może mieć wyższego ciśnienia od 0,4MPa
W przypadku instalacji gazowych o ciśnieniu do 0,4MPa za urządzeniami redukcyjnymi należy zastosować kurek odcinający
Kurek główny powinien być zainstalowany na zewnątrz budynku w wentylowanej szafce przy ścianie, wewnątrz ściennej lub w odległości nei przekraczającej 5m od zasilanego budynku, w miejscu łatwo dostępnym i zabezpieczonym przed wpływami atmosferycznymi, uszkodzeniami mechanicznymi i dostępem osób niepowołanych. W przypadku domów jednorodzinnych odległość może być zwiększona do 10m
Odległość kurka głównego od poziomu terenu oraz od krawędzi okna, drzwi lub innego otworu w budynku powinna wynosić co najmniej 0,5m
Urządzenie redukcyjne może być instalowane wyłącznie na zewnątrz budynku i odpowiednio zabezpieczone
W miejscu w którym rura przewodowa wychodzi ponad ziemie montuje się rurę ochronną
Montuje się specjalna szafkę do zainstalowania kurka głównego, kurka głównego z gazomierzem lub zespołem reduktora ciśnienia z gazomierzem i kurkiem głównym
Po zewnętrznej stronie ścian budynku nie może być prowadzona instalacja gazowa zasilana gazem zawierającym parę wodną, zasilana mieszaninami A i B propanu i butanu, wykonana z rur miedzianych
36. Zdefiniuj rury hydraulicznie gładkie, podaj kryteria przepływów laminarnych i turbulentnych w rurach gładkich i chropowatych. Podaj definicję chropowatości bezwzględnej gazociągu, omów sposób jej określenia.
Rury hydraulicznie gładkie są to rury, które nie mają na całej powierzchni wewnętrznej występów i porów które powodują powstawanie dużych sił tarcia przepływającego płynu o ścianki rurociągu. Jako rury hydraulicznie gładkie przyjmuje się rurociągi wykonane z nowych rur gdzie nie występuje korozja materiału. Dla przepływów laminarnych nie ma znaczenia czy przepływ odbywa się w rurach hydraulicznie gładkich czy też chropowatych ze względu na to, że na ściance tworzy się warstwa cieczy przepływającej. W związku z tym chropowatość nie wywiera żadnego wpływu. Dla przepływów turbulentnych ma to większy wpływ. W przepływie tym również tworzy się warstewka, która jest cieńsza niż w przepływie laminarnym.
Strefy przepływów – w przepływach płynów w rurociągach wyróżnia się 5 stref przepływów.
Strefa przepływu laminarnego (strefa I).
Strefa przepływu przejściowego (strefa II).
Strefa przepływu turbulentnego w rurach hydraulicznie gładkich (strefa III).
Strefa przepływu turbulentnego przejściowego (strefa IV).
Strefa przepływu turbulentnego rozwiniętego (strefa V).
Strefa I. Re=(2000 – 2300); λ=f(Re)
λ = 64/Re – wzór ten służy do obliczania współczynnika oporu liniowego w strefie przepływu laminarnego dla rur hydraulicznie gładkich.
Strefa II. Charakteryzuje się nieustabilizowanym przepływem, w którym może istnieć przepływ laminarny, lecz zaburzony nie wraca do przepływu laminarnego jak w Stefie I. Obszar mieści się w granicach Re = (2000 – 4000). Opory obliczamy z wzoru Zajcenki:
Strefa III. Charakteryzuje przepływy o Re = (4000 – 100 000) i dotyczy przepływów turbulentnych w rurociągach hydraulicznie gładkich. Opory z wzoru Blasiusa: . Dla przepływów turbulentnych w rurociągach hydraulicznie gładkich w zakresie Re = (100.000 – 5*106 ), opory z wzoru Nikuradse:. Dla Re > 106 opory z wzoru Prandtla – Karmana:
Strefa IV. Strefa przepływu w rurach chropowatych dzieli się na strefę przepływu przejściowego (IV) oraz strefę z rozwiniętym wpływem chropowatości (V). W strefie IV współczynnik liniowego oporu przepływu zależy od Re i ε. W strefie tej stosunek promienia rurociągu do chropowatości bezwzględnej wynosi r/k > 20 oraz przy wzroście Re, współczynnik opru liniowego najpierw maleje, a następnie łagodnie rośnie do stałej wartości. Natomiast dla r/k < 20, λ stale rośnie, do pewnej granicznej wartości.Opory przepływu z wzoru Colebrook i Whita:
Dla gazociągów wysokoprężnych wzór Waldena:
Strefa V. Jest obszarem przepływu z rozwiniętym wpływem chropowatości. Współczynnik oporu liniowego λ w tej strefie nie zależy od prędkości lecz tylko od chropowatości względnej ε. Opory przepływu z wzoru Nikuradse:, wg normy stosuje się tu wzór Colebrook i Whita jak wyżej, lub Prandtla – Nikuratze,
Chropowatość bezwzględna gazociągu jest to ilość porów, wżerów przypadająca na jednostkę powierzchni lub na jednostkę długości. Praktyczne określenie chropowatości bezwzględnej jest praktycznie niemożliwe. W tym celu z równania Darcy Weisbacha oblicza się współczynnik oporu przepływu oraz ze wzoru Prandtla w postaci:
Z równania tego możemy wyliczyć chropowatość k.
37. Omów charakterystykę dyszy Bendemana w gazownictwie ziemnym. Zdefiniuj przepływ krytyczny.
Dysza zbieżna (Bendemana)
Dysza o polu przekroju malejącym w kierunku przepływu (przepływ beztarciowy, izentropowo-adiabatyczny). Warunki pracy dyszy zależą od ciśnienia ośrodka za dyszą.
a) ciśnienie pa za dyszą jest większe od ciśnienia krytycznego p* (pa > p*)
Prędkość wypływu z dyszy
a dla gazów doskonałych
równanie Saint Vananta
Masowe natężenie wypływu z dyszy:
[kg/s]
a dla gazów doskonałych
[kg/s]
b) ciśnienie za dyszą pa jest równe lub mniejsze od ciśnienia krytycznego p*
(p2 = p* ≥ pa). Prędkość wypływu jest prędkością krytyczną (wzór podany
wcześniej.
Masowe natężenie wypływu:
[kg/s]
dla gazów doskonałych
[kg/s]
Przebieg ciśnień czynnika w różnych przypadkach przepływu przez dyszę zbieżną.
Jeżeli ciśnienie ośrodka za dyszą jest niższe od ciśnienia krytycznego (pa<p*),
wówczas strumień płynu wypływającego z dyszy gwałtownie się rozpręża.
Początkowo jego ciśnienie spada poniżej ciśnienia otoczenia, a następnie jest
on sprężany przez ciśnienie otoczenia. Zjawisko to powtarza się okresowo
wywołując efekt akustyczny.
38. Scharakteryzuj zasady budowy gazociągów na gruntach niestabilnych.
Gazociągi na gruntach górniczych(niestabilnych) podlegają działaniu obciążeń wewnętrznych (ciśnienie, temperatura), zewnętrznych (ciężar gruntu i nawierzchni).
W sieciach niskiego i średniego ciśnienia dominujący jest wpływ ośrodka gruntowego, w sieciach średniego, podwyższonego i wysokiego ciśnienia – Ciśnienie gazu. Prawidłowe ustalenie rozkładu i wielkości obciążeń jest niezbędne do wyznaczenia sił wewnętrznych w gazociągu – sił osiowych, sił poprzecznych i momentów zginających. Znajomość wszystkich sił działających w osi gazociągu jest podstawa skutecznego zabezpieczenia sieci przed szkodami górniczymi.
Gazociągi mogą być budowane na terenach górniczych o kategorii do IV włącznie. Zabronione jest budowanie gazociągów przez tereny kategorii V
Oprócz terenów górniczych do gruntów niestabilnych zalicza się tereny o tzw. naturalnie niestabilnym podłożu. Na tych terenach podstawowy warunek stabilności, jaki musi być spełniony opisuje zależność:
Qow≤Qop/Wnw
Qow – całkowite obciążenie obliczenie gazociągu skierowane w góre, jako wypór
Qop – całkowite obciążenie obliczeniowe gazociągu
Wnw – współczynnik zapewniający stabilność gazociągu na wypłyniecie
Do najczęściej stosowanych metod ochrony gazociągów przed niekorzystnym działaniem niestabilności podłoża należy stosowanie balastowania gazociągu, wykonywanie podsypek z gruntu naturalnego, stabilizowanie za pomocą kotew.
Przechodzenie gazociągiem przez tereny o naturalnej zmiennej stabilności może być realizowane, jako podziemne lub nadziemne. W konstrukcjach podziemnych istnieje konieczność zabezpieczania gazociągu przed wypłynięciem. Można to osiągnąć poprzez: mocowanie gazociągu za pomocą specjalnych kotew, obciążenie zagęszczonym gruntem, zainstalowanie na gazociągu specjalnych balastów w postaci obciążników żelbetowych. We wszystkich niemal sytuacjach do balastowania gazociągów mogą być stosowane żelbetowe obciążniki wykonane są one, jako żelbetowe zbrojone bloki betonowe zakładane lub wieszane na gazociągu przy pomocy specjalnych pasów. Ze względu na kształt, masę i zdolność balansująca obciążniki są siodłowe, klinowe, obejmujące i pierścieniowe. W przypadku zastosowania kotew do stabilizacji gazociągu należy pamiętać ze nośność gruntu naturalnego musi gwarantować ich niezawodne zamocowanie.
39. Scharakteryzuj znane układy skojarzone do produkcji energii (kogeneracja, trójgeneracja)
Kogeneracja - to proces technologiczny jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej w elektrociepłowni. Ze względu na mniejsze zużycie paliwa, zastosowanie kogeneracji daje duże oszczędności ekonomiczne i jest korzystne pod względem ekologicznym - w porównaniu z odrębnym wytwarzaniem ciepła w klasycznej ciepłowni i energii elektrycznej w elektrowni. Systemy kogeneracyjne są zbudowane przede wszystkim na podstawie agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki spalinowe zasilane biogazem, m.in. gazem składowiskowym, oczyszczalnianym lub konwencjonalnymi paliwami gazowymi, np. gazem ziemnym, propanem. Głównymi elementami składowymi instalacji kogeneracyjnych są: silnik spalinowy, najczęściej gazowy, generator prądu, system wymienników ciepła oraz układ automatycznej regulacji i sterowania. Energia elektryczna wytwarzana jest przez prądnicę agregatową, napędzaną silnikiem spalinowym. Ciepło natomiast pochodzi od procesów spalania w silniku. Ciepło to jest odzyskiwane poprzez wymienniki ciepła, włączone w układ chłodzenia oraz w układ wydechowy silnika. Poprzez system wymienników ciepła energia cieplna przekazywana jest gorącej wodzie, która staje się jej nośnikiem. Woda ta nominalnie o temperaturach: na wlocie do układu, na wylocie układu odbioru ciepła może być dalej wykorzystana jako źródło ciepła w układzie centralnego ogrzewania lub też wykorzystana do różnego rodzaju procesów technologicznych. Zalety stosowania układów kogeneracyjnych: zmniejszenie zużycia paliwa na wytworzenie jednostki energii; redukcja emisji zanieczyszczeń; obniżenie kosztów energii dla użytkowników; zmniejszenie strat energii w sieciach przesyłowych (ze względu na mniejsze odległości pomiędzy źródłem a odbiorcami).
Trójgeneracja - jest to skojarzone technologicznie wytwarzanie energii cieplnej, mechanicznej (lub elektrycznej) oraz chłodu użytkowego, mające na celu zmniejszenie ilości i kosztu energii pierwotnej niezbędnej do wytworzenia każdej z tych form energii odrębnie. Jest technologicznym rozszerzeniem kogeneracji. Układy trójgeneracyjne stosuje się wszędzie tam, gdzie występują potrzeby grzewcze i chłodnicze. Układ skojarzony możemy połączyć z chłodziarką sprężarkową bądź absorpcyjną. Produkcja chłodu polega na zasilaniu chłodziarki ciepłem, które powoduje desorpcję czynnika roboczego. Zazwyczaj jest to ciepło odpadowe. Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest niewielkie w porównaniu z układami sprężarkowymi i jest przeznaczone w przeważającej części na zasilanie pomp. Najbardziej popularne są chłodziarki absorpcyjne bromolitowe i amoniakalne.
Przyjmuje się że gazy są wymienne między sobą jeżeli palą się bez zakłóceń w tych samych przyborach, przy tym samym ciśnieniu i gdy zachowane są następujące warunki:
obciążenie cieplne przyboru nie ulega zmianie. Skład gazu jak i ilość zasysanego powietrza mają istotny wpływ na zachowanie powyższych warunków. Zachowanie tego warunku natomiast jest zapewnione w przypadku gdy liczba Wobbego dla obu gazów ma tą samą wartość , dopuszcza się jej odchylenia w granicach ±5%
płomień pali się stabilnie, nie wykazuje skłonności do odrywania się lub przeskakiwania do wnętrza palnika. Stabilność płomienia zależy od maksymalnej prędkości spalania gazu oraz współczynnika zasysania powietrza - przy jego wzroście stabilność płomienia maleje
spalanie powinno być zupełne. W spalinach zawartość tlenku węgla nie powinna przekroczyć ilości dopuszczalnej. Niecałkowite spalanie objawia się występowaniem w spalinach tlenku węgla oraz żółtymi końcami płomieni. Dopuszczalne stężenie tlenku węgla w nierozpuszczonych spalinach wynosi 0,1÷0,05% obj. Graniczną wartość tego gazu określa się również stosunkiem stężeń tlenku węgla do dwutlenku węgla, który nie powinien przekraczać wartości 0,01
Sposoby określające wymienności gazów charakteryzują dany gaz w odniesieniu do podanych wyżej zjawisk za pomocą wskaźników liczbowych lub za pomocą diagramów wymienności, na których gaz jest scharakteryzowany przez położenie punktu w układzie współrzędnych.
Najbardziej znaną metodą określania zamienności gazów jest metoda Delbourga w której gaz charakteryzowany jest przez :
skorygowaną ( rozszerzoną ) liczbę Wobbego
potencjał spalania
współczynnik tworzenia się sadzy
współczynnik powstawania żółtych końców
Dwa ostatnie współczynniki zależą od ilości węglowodorów zawartych w gazie
Kryteria wymienności gazu umożliwiają sprawdzenie jakości spalania gazu w urządzeniach gazowych, gdy do sieci wprowadzamy gaz o innym składzie (tzw. gaz zamienny) w miejsce gazu ziemnego (tzw. podstawowy). Kryteria wymienności pozwalają na sprawdzenie takich parametrów jak: stabilność płomienia, zapotrzebowanie powietrza oraz tworzenie tlenku węgla oraz sadzy. Kryteria wymienności np. za pomocą liczby Wobbego oraz liczby Weavera
Liczba Wobbego $W_{0} = \frac{H_{0}}{\sqrt{d}}$ Gdzie: H0 – wartość kaloryczna d- gęstość względna (ρg/ρp)
Wyróżnia się:
dolną Liczbę Wobbego – gdy za wartość kaloryczną przyjmuje się jego wartość opałową
Liczbę Wobbego – gdy za wartość kaloryczną przyjmuje się jego ciepło spalania
W przypadku zamiany gazu podstawowego na gaz zamienny liczba Wobbego powinna zostać na stałym poziomie (wartość kaloryczna oraz gęstość względna powinna być tak dopasowana, żeby liczba Wobbego się nie zmienila), tolerancja wynosi 5%. W takim przypadku spełnione są następujące warunki:
- zawartość $\frac{\text{CO}}{CO_{2}} < 0,01$
- stabilność spalin
- stałe obciążenie palnika
Uniwersalnym sposobem określenia zamienności gazów jest metoda rachunkowa Weavera. Nie wymaga ona określenia gazu odniesienia. Przeznaczona jest dla gazów użytku domowego i dla ciśnień gazu rzędu 1,25 kPa. Zamienność określa się poprzez obliczenie sześciu wskaźników dla dwóch gazów, z których jeden przyjmuje się jako gaz odniesienia. Jeżeli wymienione wskaźniki zamienności wymienione poniżej z których dwa dotyczą obciążenia cieplnego przyboru , dwa stabilizacji płomienia , dwa jakości spalania ( tworzenia się sadzy oraz tlenku węgla ) mieszczą się w podanych przez Weavera granicach gazy są zamienne względem siebie:
Liczba Weavera
-współczynnik dla obciążenia cieplnego:
Gdzie: Wzam-liczba Wobbego dla gazu zamiennego [kcal/Nm3]
Wpodst- liczba Wobbego dla gazu podstawowego [kcal/Nm3]
-zapotrzebowanie na powietrze pierwotne:
Gdzie: Lzam- zapotrzebowanie powietrza dla gazu zamiennego
Lpodst-zapotrzebowanie powietrza dla gazu podstawowego
-odrywanie płomienia
Gdzie: Q2zam-ilość tlenu w gazie zamiennym
Q2podst-ilość tlenu w gazie podstawowym
Uzam-względna szybkość zapłonu gazu zamiennego
Upodst-względna szybkość zapłonu gazu podstawowego
-odrywanie płomienia
-liczba sadzy
Gdzie:
-liczba CO
Gdzie: R=ilość wodoru w gazie / ilość węgla w węglowodorach