Аккумулирующая емкость магистрального газопровода

Последний участок магистрального газопровода от компрессорной станции до города работает с непрерывно изменяющимся отбором газа. Если подачу газа компрессорной станцией в начало газопровода можно считать примерно постоянной, то отбор газа из конца газопровода зависит от режима потребления и при отсутствии газохранилищ строго ему соответствует. Таким образом, работа последнего участка магистраль­ного газопровода характеризуется нестационарным режимом (с непре­рывно изменяющейся нагрузкой).

В ночное время, когда потребление газа меньше подачи, избыток его накапливается в газопроводе, в результате чего в нем возрастает давление. Количество аккумулированного газа зависит от максимально возможного давления в газопроводе. Если к концу ночного периода в газопроводе будет достигнут максимум давления, т. е. аккумулирующая емкость последнего участка будет исчерпана, а отбор газа из него будет меньше подачи, то придется уменьшить производительность последней компрессорной станции, остановив часть агрегатов. В этом случае на­копление газа начнется в предпоследнем участке магистрального газо­провода. В дневное время потребление газа превышает подачу, акку­мулированный газ поступает из газопровода в город и давление в газо­проводе падает.

Решение задачи определения аккумулирующей емкости газопровода основано на замене нестационарного режима движения газа стационар­ным в моменты, когда отбор газа равен потреблению. В действительности, чтобы режим стабилизировался, не­обходимо некоторое время, так как при непрерывно изменяющемся потреблении стабильная кривая давления устанавливаться не успевает. Приближенное решение предполагает, что в моменты, когда подача газа равна отбору, режим движения в газопроводе стационарен. Акку­мулирующая емкость магистрального газопровода, определенная по приближенной методике, оказывается на 10—15%' меньше действи­тельной.

Чтобы определить, какое количество газа способен аккумулировать газопровод, следует рассчитать массу газа, находящуюся в сети. Ее находят по следующим уравнениям:

dM=Fρdx;

Так как приведенные формулы дают приближенное решение, коэффициент сжимаемости не учитывают.

Расчет аккумулирующей способности последнего участка магистрального газопровода

Пример 9.5.1.Определить аккумулирующую емкость последнего участка магистрального газопровода длиной 1=150 км. По газопроводу подается природный газ. Диаметр газопровода 720×10 мм. Максимально допустимое абсолютное давление в газопроводе 55 атм., минимально допустимое абсолютное давление газа перед городом 13 атм. Пропускная способность газопровода, приведенная к нормальным условиям, Q=11000000 м³/сут.

Решение

Определяем среднее давление в газопроводе в момент максимального накопления газа. Для расчета используем формулу, приведенную в СНиП 2.04.08-87 для турбулентного режима. Вторым слагаемым, данным в скобках, в формуле пренебрегаем

.

1. Расчет производим для следующих значений:

k_э = 0,01 см; ;

d = 70 см; ρ=0,73 кг/м³; l=150000 м;

;

;

;

=4,4 МПа.

2. Определяем среднее давление в газопроводе в момент минимального количества газа в нем

=1,3 МПа;

=4,76 МПа;

=3,36 МПа.

3. Определяем геометрический объем газопровода

V = 0,785 · 0,7² ·150000 = 57700 м³.

4. Находим аккумулирующую емкость газопровода Q_ak = 57700(44 – 33,6) = 600000 м³,

или

суточной пропускной способности.

ЧАСТЬ II. СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ (СУГ)

Диаграммы состояния СУГ

Все основные характеристики пропана и н-бутана: плотность, удельный объем, теплоемкость, энтальпия жидкости, насыщенных и перегретых паров в зависимости от тем­пературы и другие — могут быть легко и с допустимой для прак­тики точностью найдены по диаграммам состояния вещества, ко­торые были предложены Институтом газа АН УССР (рис. 9.17, 9.18). Схема их построения приведена на рис. 9.16.

На горизонтальных осях диаграмм отложены значения энталь­пии, I, а на вертикальной — значения постоянного давления насы­щенных и перегретых паров р. Жирной линией нанесена погра­ничная кривая ЖКП, состоящая из двух частей: кривой ЖК, характеризующей состояние жидкости, и кривой ПК, характери­зующей состояние насыщенного пара. Между этими кривыми про­ведены из критической точки к линии постоянной сухости пара КХ (X, кг/кг). Удельные объемы (υ, м³/кг) показаны в области жидкости линиями ОБ, а в области пара О'Б'В.

Линии постоянной температуры (t, °C) показаны: в докритической зоне (ниже точки К) ломаной кривой ТЕМП, а в сверх­критической зоне (выше точки К) главной кривой Т'Е'. Линии постоянной энтропии [S, кДж/(кг·°С)] показаны кривыми АД. Пользование приведенными диаграммами состояния пока­зано на примерах.

Рис. 9.16. Схема построения диаграмм состояния

Пример 9.6.1.Определить упру­гость насыщенных паров жидкого пропана, находящегося в резерву­аре, если температура жидкости равна +20 °С.

Решение

Находят пересече­ние линии постоянной температуры, соответствующей +20 °С (линия ТЕ на рис. 9.16), с пограничной кривой насыщенного пара (линия ПК). За­тем через точку пересечения прово­дится линия; параллельная линии постоянного давления, и на оси ор­динат отсчитывается упругость па­ров насыщенного пропана. Для на­стоящего примера эта упругость равна 0,84 МПа (абс.). Упругость паров пропана при температуре +20 °С равна 0,833 МПа (абс.). Если линия постоянной температуры не пересекает пограничную кривую насы­щенного пара (линия Т'Е' на рис. 9.16), то это свидетельствует, что при этой температуре пропан никаким давлением не может быть превращен в жидкость, так как его температура выше критической.

Пример 9.6.2.Определить удельный объем и плотность жидкой и паровой фаз пропана в условиях примера 9.6.1.

Решение

Удельный объем жидкого пропана находится в точке пересече­ния линии постоянной температуры с пограничной кривой жидкости, а удельный объем насыщенных паров — в точке пересечения этих линий с пограничной кривой пара. Для данного примера удельный объем находится по рис. 9.17: υ_ж = 0,00196 м³/кг, а удельный объем насыщенного пара υ_п = 0,058 м³/кг. Точ­ные значения этих величин: υ_ж = 0,002004 м³/кг, υ_п=0,056 м³/кг. Плотности жидкости и пара определяются по известным форму­лам: ρ_ж=1:0,00186 = 510,2 кг/м³, ρ_п = 1: 0,058= 18,24 кг/м³.

Пример 9.6.3.Определить скрытую теплоту испарения жидкого пропана при условиях примера 9.6.1.

Решение

Скрытая теплота испарения определяется по разности энталь­пий насыщенного пара и жидкости. Энтальпия жидкости находится на оси абсцисс по точке пересечения линии постоянной температуры (или постоянного давления) с пограничной кривой жидкости, а энтальпия насыщенного пара — по точке пересечения этих линий с пограничной кривой насыщенного пара. Для условий примера энтальпия жидкости i_ж = 140,7 кДж/кг и энтальпия насыщен­ного пара I_н.п=495,6 кДж/кг. Скрытая теплота испарения λ=i_н.п—I_ж = 495,6—140,7=354,9 кДж/кг, ее значение 345,67 кДж/кг.

Пример 9.6.4.Определить количество тепла, необходимое для испарения 100 кг жидкого пропана и перегрева его паров до 20 °С под давлением 0,5МПа (абс.).

Решение

Энтальпия кипящей жидкости по рис. 9.17 I_ж = 100,8 кДж/кг. Энтальпия перегретого пара (точка пересечения линии постоянного давления и кривой постоянной температуры) I_п.п = 512,4 кДж/кг. Теплота

испарения 1 кг жидкости и перегрева 1 кг пара q=I_п.п—I_ж = 512,4—100,8=411,6 кДж/кг. Коли­чество тепла, необходимое для испарения 100 кг жидкого пропана и перегрева его паров до 20 °С Q = 411,6·100 = 41160 кДж/кг. Для условий примера по той же диаграмме определяют температуру кипения жидкости t_к..ж = +1 °С (при­ближенно эта же температура соответствует упругости паров). Скрытая теплота испарения λ=478,8—100,8=378 кДж/кг. Теплота перегрева па­ров q_пер = q—λ = 411,6—378 = 33,6 кДж/кг.

Рис. 8.17. Диаграммы состояния пропана

Пример 9.6.5.Определить количество пара, которое образуется при дроссели­ровании жидкого пропана от 0,8 до 0,2 МПа (абс.), и температуру в конце дросселирования.

Рис. 8.17. Диаграммы состояния бутана

Решение

Дросселирование жидкости проходит по линии постоянной эн­тальпии от точки пересечения линии постоянного давления с пограничной кривой жидкости (точка М на рис. 9.16) до точки пересечения постоянной энтальпии с заданной линией постоянного давления (точка X' на рис. 9.16). Точка пересе­чения заданной линии постоянного давления с линией постоянной энтальпии и кривой постоянной сухости пара (точка X') показывает, какое количество пара образовалось в результате дросселирования жидкости. Для заданного примера по рис. 9.17 его количество равно 0,25 кг/кг. Температура в конце дросселиро­вания

определяется точкой пересечения заданной линии постоянного давления с пограничной кривой пара (точка А на рис. 9.16). Для заданного примера эта температура по рис. 9.17 равна -25 °С.

Пример 9.6.6.Определить работу, необходимую для сжатия 1 кг насыщенных паров пропана от 0,2 до 0,8 МПа (абс.), и температуру пара в конце про­цесса. Процесс сжатия от начального до конечного давления проходит по линии постоянной энтропии.

Решение

Теоретическая работа сжатия определяется разностью энталь­пии в конце процесса (точка Д) и в начале процесса (точка А): ΔI_cж—I_д—I_A.

Температура пара (газа) в конце процесса определяется линией постоян­ной температуры, проходящей через точку Д. Для заданного примера по рис. 9.17 ΔI_cж = 512,4 - 449,4 = 63 кДж/кг. Температура пара в конце процесса сжатия равна +25 °С.

Пример 9.6.7.Критическая температура н-бутана Т_кр.=425,2⁰К и критическое давление Р_кр.=37,5 атм. Определить удельный объем н-бутана при температуре 80 ⁰С и давлении 10 кг/см².

Решение

а) Определяем приведенную температуру и приведенное давление

б) По графику рис. 9.3 определяем коэффициент сжимаемости z=0,825

в) удельный объем определяем из уравнения

,

откуда .

Задача 9.6.1.Газовая смесь, состоящая из метана - 80%; этана - 8,5%; этилена - 4.8%; пропана - 6% и пропилена - 0,7%, сжата при температуре 60⁰С до 40 ат. Определить плотность газовой смеси (рис. 9.3.)

Ответ: ρ = 27,3 кг/м³

Физические свойства СУГ

Пример 9.7.1.Имеется сжиженный газ, весовой состав паровой фазы которого равен: этана – 2,1%; этилена - 1,5%; пропана 64,4%; пропилена – 4,8%; н-бутана - 22%; Бутилена – 5,2%.

Необходимо:

а) пересчитать весовой состав газа в объемный (молярный);

б) определить среднее значение молекулярной массы и плотности, псевдокритическую температуру и давление, газовую постоянную этой смеси и состав жидкой равновесной фазы сжиженного газа.

Решение

Пересчет весового состава паровой фазы в молярный производится:

в процентах,

в долях единицы.

;

;

;

или 0,0244;

или 0,6735;

или 0,0525;

или 0,175;

или 0,0428.

Таким образом, состав паровой фазы в объемах (молярных) процентах и объемных долях будет равен:

С₂Н₆=3,18 (0,032);

С₂Н₄=2,44 (0,024);

С₃Н₈=67,35 (0,674);

С₃Н₆=5,25 (0,052);

С₄Н₁₀=17,5 (0,175);

С₄Н₈=4,28 (0,043);

(1).

Средняя молекулярная масса газовой смеси

.

Средняя плотность газовой смеси при нормальных условиях:

а) по закону Авогадро

.

б) по правилу смешения

,

где ρ₁, ρ₂,….ρ_n - плотность насыщенных паров компонентов сжиженного газа при температуре 0 ⁰С.

Псевдокритическая (среднекритическая) температура смеси

.

Среднекритическое (псевдокритическое) давление

Удельная газовая постоянная газовой смеси заданного выше состава может быть определена по правилу смещения

,

где R₁, R₂, .… R_n - удельные газовые постоянные компонентов, входящих в газовую смесь.

R_см=0,021∙28,12+0,015∙30,25+0,644∙19,24+0,048∙20,16+

+0,22∙14,59+0,052∙15,11=18,68 кГм/кг∙град, или 183,1 Дж/кг∙К.

Состав жидкой фазы сжиженного газа определяется в следующей последовательности.

а) Определяем общее давление равновесной системы пар-жидкость. Согласно объединенному уравнению законов Рауля и Дальтона

y_iP=x_iθ_i,

концентрация компонента в жидкой фазе будет

.

Так как состав жидкой фазы равен

х₁+х₂+…+х_n=1,

то из предыдущих двух уравнений можно записать

,

откуда общее давление системы пар-жидкость равно

,

кг/см²

или 0,252 МПа,

где θ₁, θ₂, ………θ_n - упругость компонентов газовой смеси в чистом виде берутся из справочных таблиц.

б) По уравнению определяем состав жидкой фазы в долях единицы и процентах:

(0,23);

(0,1);

(35,47);

(2,14);

(51,48);

(10,58).

Таким образом, состав жидкой фазы в процентах и долях единицы равен:

С₂Н₆ = 0,23 (0,0023);

С₂Н₄ = 0,10 (0,001);

С₃Н₈ = 35,47 (0,3547);

С₃Н₆ = 2,14 (0,0214);

С₄Н₁₀ = 51,48 (0,5148);

С₄Н₈ = 10,58 (0,1058);

.

Пример 9.7.2.Критическая температура н-бутана Т_кр.=425,2⁰К и критическое давление Р_кр.=37,5 атм. Определить удельный объем н-бутана при температуре 80 ⁰С и давлении 10 кг/см².

Решение

а) Определяем приведенную температуру и приведенное давление

,

.

б) По графику рис. 9.3 определяем коэффициент сжимаемости z=0,825.

в) удельный объем определяем из уравнения

,

откуда .

Задача 9.7.1.Газовая смесь находится под давлением 3 МПа. Объемная концентрация компонентов смеси: r₁=0,4; r₂=0,2; r₃=0,3; r₄=0,1. Определить парциальное давление этих компонентов в смеси.

Ответ Р=3 МПа.

Задача 9.7.2.Газовая смесь, состоящая из метана - 80%; этана - 8,5%; этилена - 4.8%; пропана - 6% и пропилена - 0,7%, сжата при температуре 60⁰С до 40 ат. Определить плотность газовой смеси.

Ответ: ρ = 27,3 кг/м³

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: