Свойства горючих газов и классификация газопроводов

При изучении свойств горючих газов целесообразно проследить, как изменяются в ряде углеводородов, начиная с метана, теплота сгорания, плотность, токсичность, вязкость, теплоемкость газа. Все перечисленные параметры используются в расчетах по транспортированию и сжиганию газов. Необходимо уметь определять эти величины для простейших газов и их смесей и различать понятия высшей и низшей теплоты сгорания газов.

Изучая классификацию горючих газов и особенности каждого из них, большое внимание следует уделить природным газам. Природные газы добывают из чисто газовых, газоконденсатных и сопутствующих нефти месторождений. Природные газы однородны по составу и состоят в основном из метана (97…98 %). При переработке нефти и попутных газов получают сжиженные пропан-бутановые газы.

Нормальная работа газовых приборов зависит от постоянства состава газа и числа вредных примесей, которые в нем содержатся. Добыча и обработка природных газов определяются характером газового месторождения. Чисто газовые месторождения содержат в основном метан. Природный газ, получаемый попутно с нефтью, в которой он растворен, составляет 10…50 % от ее массы. Выделение газа и его улавливание производят при снижении давления нефти, выходящей из скважины и поступающей в металлические резервуары – сепараторы или траппы. Полученный таким образом газ называют попутным или нефтепромысловым. Попутные газы не отличаются постоянным составом и кроме метана содержат значительное (до 60 %) количество тяжелых углеводородов.

Газопроводы классифицируют по давлению газа и назначению. В зависимости от максимального давления газа газопроводы разделяют на следующие группы:

– газопроводы низкого давления с давлением газа до 5 кПа;

– газопроводы среднего давления с давлением от 5 кПа до 0,3 МПа;

– газопроводы высокого давления второй категории с давлением от 0,3 до 0,6 МПа;

– газопроводы высокого давления первой категории для природного газа и газовоздушных смесей от 0,6 до 1,2 МПа;

– для сжиженных газов до 1,6 МПа.

По назначению газопроводы можно разделить на следующие группы:

- распределительные газопроводы, по которым газ транспортируют по снабжаемой территории и подают его промышленным потребителям, коммунальным предприятиям и в районы жилых домов. Они бывают высокого, среднего и низкого давлений, кольцевые и тупиковые, а их конфигурация зависит от характера планировки города или населенного пункта;

- абонентские ответвления, подающие газ от распределительных сетей к отдельным потребителям;

- внутридомовые газопроводы, транспортирующие газ внутри здания и распределяющие его по отдельным газовым приборам;

- межпоселковые газопроводы, прокладываемые вне территории населенных пунктов.

В небольших городах в настоящее время широкое применение нашли двухступенчатые системы газоснабжения с высоким или средним давлением в первой ступени и низким давлением во второй ступени. В одну систему обе ступени объединяются через районные газорегуляторные пункты.

Пропускную способность городских распределительных сетей и элементов системы необходимо рассчитывать на пиковые, максимальные часовые расходы газа. Надо уметь определять расчетный часовой расход газа на сети низкого давления как путем вычисления из суточного совмещенного графика газопотребления, так и путем перехода от годового расхода к расчетному часовому через коэффициент неравномерности потребления (коэффициент часового максимума), а в объектовых сетях – через коэффициент одновременности работы или коэффициенты неравномерности. Коэффициент неравномерности отражает вероятность одновременного включения газовых приборов в пик потребления. При определении расчетных расходов с использованием коэффициентов одновременности следует особенно тщательно подходить к оценке соответствия мощности газовых приборов населенности квартиры, т.е. в конечном счете, ее жилой площади. Проектную населенность квартир устанавливают по ее площади и предполагаемым нормам заселения. Годовые нормы принимают по видам потребления с учетом благоустройства квартир.

Глава 12. Системы теплоснабжения

Основные понятия процесса теплоснабжения

Система теплоснабжения - совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих теплоснабжение района, города или предприятия. Система теплоснабжения – это сложная, технологически увязанная цепочка операций, состоящая из процессов производства, передачи и потребления тепловой энергии. Основные задачи функционирования этой системы – качественное и бесперебойное теплоснабжение потребителей. При этом, в грамотно спроектированных, налаженных системах, соотношение эффективность/качество должно ответствовать наивысшим стандартам.

Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке, транспорту и использованию теплоты. Снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщения теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя.

Необходимость создания систем теплоснабжения обусловлена следующими основными причинами: суровыми климатическими условиями основных районов страны, когда в течение 200-360 дней в году необходимо отопление жилых, общественных и производственных зданий; невозможностью осуществления многих технологических процессов без затрат теплоты, например, производство электроэнергии, варка и сушка материалов, стирка белья и др.; необходимостью удовлетворения санитарно-гигиенических нужд населения в горячей воде для мытья посуды, уборки помещений и других процессов.

Системы теплоснабжения классифицируются по мощности и виду источника теплоты; виду теплоносителя; способам и схемам присоединения, количеству трубопроводов и другим признакам (рис. 12.1).

Различают централизованные и местные системы теплоснабжения. Системы местного теплоснабжения обслуживают часть или все здание на базе печного отопления или домовой котельной установки. Централизованные системы теплоснабжения - один или несколько районов города. Поэтому они включают в себя источники теплоснабжения (котельные, ТЭЦ), тепловые сети, тепловые пункты и системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий

Рис. 12.1. Классификация систем теплоснабжения

По виду потребителя системы теплоснабжения можно разделить на промышленные, промышленно-отопительные и отопительные. В промышленных системах теплоснабжения главной составляющей тепловой нагрузки является расход теплоты на технологические нужды, в отопительных системах – коммунально-бытовые нагрузки жилых и общественных зданий, а в промышленно - отопительных системах теплоту от одного источника получают как промышленные предприятия, так и жилищно-коммунальный сектор города.

По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи теплоты и числом потребителей.

Местные системы теплоснабжения - это системы, в которых три основных звена (источник тепла, сети и потребители) объединены и находятся в одном или смежных помещениях. При этом получение теплоты и передача ее воздуху помещений объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях (печи). Централизованные системы– это системы, в которых от одного источника теплоты подается теплота для многих помещений. По виду источника теплоты системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию. При системе районного теплоснабжения источником теплоты служит районная котельная, теплофикации - ТЭЦ. Теплоноситель получает теплоту в районной котельной (или ТЭЦ) и по наружным трубопроводам, которые носят название тепловых сетей, поступает в системы отопления, вентиляции промышленных, общественных и жилых зданий. В нагревательных приборах, расположенных внутри зданий, теплоноситель отдает часть аккумулированной в нем теплоты и отводится по специальным трубопроводам обратно к источнику теплоты.

Централизованные системы теплоснабжения. В зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения (ЦТС) можно разделить на четыре группы:

Групповое теплоснабжение различается на: районное (теплоснабжение городского района); городское (теплоснабжение города); межгородское (теплоснабжение нескольких городов).

Процесс централизованного теплоснабжениясостоит из трех операций – подготовка теплоносителя, транспорт теплоносителя и использование теплоносителя. Подготовка теплоносителя осуществляется в системах водоподготовки ТЭЦ и котельных. Транспорт теплоносителя осуществляется по тепловым сетям. Использование теплоносителя осуществляется на теплоиспользующих установках потребителей. Комплекс установок, предназначенных для подготовки, транспорта и использования теплоносителя называется системой централизованного теплоснабжения.

Различают две основные категории потребления тепла:

- для создания комфортных условий труда и быта (коммунально-бытовая нагрузка). Сюда относят потребление воды на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование;

- для выпуска продукции заданного качества (технологическая нагрузка).

По уровню температуры тепло подразделяется на:

- низкопотенциальное, с температурой до 150 ⁰С;

- среднепотенциальное, с температурой от 150 ⁰С до 400 ⁰С;

- высокопотенциальное, с температурой выше 400 ⁰С.

Коммунально-бытовая нагрузка относится к низкопотенциальным процессам. Максимальная температура в тепловых сетях не превышает 150⁰С (в прямом трубопроводе), минимальная – 70⁰С (в обратном). Для покрытия технологической нагрузки, как правило, применяется водяной пар с давлением до 1,4 МПа. В качестве источников тепла применяются теплоподготовительные установки ТЭЦ и котельных. На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии на основе теплофикационного цикла. Раздельная выработка тепла и электроэнергии осуществляется в котельных и на конденсационных электростанциях. При комбинированной выработке суммарный расход топлива ниже, чем при раздельной.

Комплекс оборудования источника теплоснабжения, тепловых сетей и абонентских установок называется системой централизованного теплоснабжения. Системы теплоснабжения классифицируются по типу источника теплоты (или способу приготовления теплоты), роду теплоносителя, способу подачи воды на горячее водоснабжение, числу трубопроводов тепловой сети, способу обеспечения потребителей, степени централизации.

По типу источника теплоты различают три вида теплоснабжения:

- централизованное теплоснабжение от ТЭЦ, называемое теплофикацией;

- централизованное теплоснабжение от районных или промышленных котельных;

- децентрализованное теплоснабжение от местных котельных или индивидуальных отопительных агрегатов.

По сравнению сцентрализованным теплоснабжением от котельных теплофикация имеет ряд преимуществ, которые выражаются в экономии топлива за счет комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ; в возможности широкого использования местного низкосортного топлива, сжигание которого в котельных затруднительно; в улучшении санитарных условий и чистоты воздушного бассейна городов и промышленных районов благодаря концентрации сжигания топлива в небольшом количестве пунктов, размещенных, как правило, на значительном расстоянии от жилых кварталов, и более рациональному использованию современных методов очистки дымовых газов от вредных примесей.

Породу теплоносителя системы теплоснабжения разделяются на водяные и паровые. Паровые системыраспространены в основном на промышленных предприятиях, а водяные системыприменяются для теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства и некоторых производственных потребителей. Объясняется это рядом преимуществ воды как теплоносителя по сравнению с паром: возможностью центрального качественного регулирования тепловой нагрузки, меньшими энергетическими потерями при транспортировке и большей дальностью теплоснабжения, отсутствием потерь конденсата греющего пара, большей комбинированной выработкой энергии на ТЭЦ, повышенной аккумулирующей способностью.

По способу подачи воды на горячее водоснабжение водяные системы делятся на закрытые и открытые.

В закрытых системах сетевая вода используется только как теплоноситель и из системы не отбирается. В местные установки горячего водоснабжения поступает вода из питьевого водопровода, нагретая в специальных водо-водяных подогревателях за счет теплоты сетевой воды.

В открытых системах сетевая вода непосредственно поступает в местные установки горячего водоснабжения. При этом не требуются дополнительные теплообменники, что значительно упрощает и удешевляет устройство абонентского ввода. Однако потери воды в открытой системе резко возрастают (от 0,5—1 % до 20— 40 % общего расхода воды в системе) и состав воды, подаваемой потребителям, ухудшается из-за присутствия в ней продуктов коррозии и отсутствия биологической обработки.

Достоинства закрытых систем теплоснабжения заключаются в том, что их применение обеспечивает стабильное качество горячей воды, поступающей в установки горячего водоснабжения, одинаковое с качеством водопроводной воды; гидравлическую изолированность воды, поступающей в установки горячего водоснабжения, от воды, циркулирующей в тепловой сети; простоту контроля герметичности системы по величине подпитки.

Основными недостатками закрытых систем являются усложнение и удорожание оборудования и эксплуатации абонентских вводов из-за установки водо-водяных подогревателей и коррозии местных установок горячего водоснабжения вследствие использования недеаэрированной воды.

Основные достоинства открытых систем теплоснабжения заключаются в возможности максимального использования низкопотенциальных источников теплоты для подогрева большого количества подпиточной воды. Поскольку в закрытых системах подпитка не превышает 1 % расхода сетевой воды, возможность утилизации теплоты сбросной и продувочной воды на ТЭЦ с закрытой системой значительно ниже, чем в открытых системах. Кроме того, в местные установки горячего водоснабжения в открытых системах поступает деаэрированная вода, поэтому они меньше подвержены коррозии и более долговечны.

Недостатками открытых систем являются: необходимость устройства на ТЭЦ мощной водоподготовки для подпитки тепловой сети, что удорожает станционную водоподготовку, особенно при повышенной жесткости исходной сырой воды; усложнение и увеличение объема санитарного контроля за системой; усложнение контроля герметичности системы (поскольку величина подпитки не характеризует плотность системы); нестабильность гидравлического режима сети.

По числу трубопроводов различают одно-, двух- и многотрубные системы. Причем для открытой системы минимальное число трубопроводов - один, а для закрытой - два. Самой простой для транспортировки теплоты на большие расстояния является однотрубная открытая система теплоснабжения. Однако область применения таких систем ограничена в связи с тем, что ее реализация возможна лишь при условии равенства расхода воды, необходимого для удовлетворения отопительно-вентиляционной нагрузки, расходу воды для горячего водоснабжения потребителей данного района. Для большинства районов нашей страны расход воды на горячее водоснабжение значительно меньше (в 3 - 4 раза) расхода сетевой воды на отопление и вентиляцию, поэтому в теплоснабжении городов преимущественное распространение получили двухтрубные системы. В двухтрубной системе тепловая сеть состоит из двух линий: подающей и обратной.

По способу обеспечения потребителей теплотой различают одноступенчатые и многоступенчатые системы теплоснабжения. В одноступенчатых системах потребители теплоты присоединяются к тепловым сетям непосредственно.

В многоступенчатых системах между источником теплоты и потребителями размещаются центральные тепловые пункты или подстанции, в которых параметры теплоносителя изменяются в зависимости от расходования теплоты местными потребителями. На центральных тепловых пунктах размещаются центральная подогревательная установка горячего водоснабжения, центральная смесительная установка сетевой воды, подкачивающие насосы холодной водопроводной воды, авторегулирующие и контрольно-измерительные приборы. Применение многоступенчатых систем с центральными тепловыми пунктами позволяет снизить начальные затраты на сооружение подогревательной установки горячего водоснабжения, насосных установок и авторегулирующих устройств благодаря увеличению их единичной мощности и сокращению числа элементов оборудования.

Оптимальная расчетная производительность центральных тепловых пунктов зависит от планировки района, режима работы потребителей и определяется на основе технико-экономических расчетов.