Zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych W/C zasilanych gazem ziemnym grupy E oraz podgrupy Lw i Ls

Zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych W/C zasilanych gazem ziemnym grupy E oraz podgrupy Lw i Ls
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W celu zapewnienia prawidłowej pracy stacji redukcyjnej wysokiego ciśnienia i właściwego doboru pod względem ekonomicznym układu grzewczego wymagane jest określenie dokładnej ilości energii do podgrzewania gazu ziemnego.

W artykule określono w jaki sposób skład gazu ziemnego, głównie zawartość azotu, wpływa na zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne. W wyniku przeprowadzonych obliczeń szacuje się, że obecnie układy grzewcze zamontowane na stacjach redukcyjnych zasilanych gazami ziemnymi zaazotowanymi są znacznie przewymiarowane.

Uwagi wstępne

W 䅳 Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 26 kwietnia 2013 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe i ich usytuowanie [1] zapisano: "Przed zamontowanym urządzeniem redukcyjnym o maksymalnym ciśnieniu roboczym (MOP) wejściowym powyżej 0,5 MPa należy zainstalować urządzenie do podgrzewania gazu ziemnego, o ile mogą wystąpić niekorzystne zjawiska mogące zakłócić proces redukcji ciśnienia tego gazu".

Z treści tego zapisu wynika, że na stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia należy instalować układ podgrzewania gazu, który pozwoli na wyeliminowanie ujemnych skutków zjawisk zachodzących podczas redukcji ciśnienia gazu.

W celu zapewnienia prawidłowej pracy stacji redukcyjnej wysokiego ciśnienia i właściwego doboru pod względem ekonomicznym układu grzewczego (kocioł, wymiennik ciepła) wymagane jest określenie dokładnej ilości energii do podgrzewania gazu ziemnego o określonym składzie.

Potrzebna jest do tego znajomość własności termodynamicznych gazów zasilających daną stację gazową.

Przy projektowaniu stacji gazowych wymienniki ciepła dobiera się korzystając z programów obliczeniowych dostarczonych przez producenta armatury. Programy opracowane są dla gazu wysokometanowego, który jest najpopularniejszym rodzajem gazu ziemnego zarówno w Polsce jak i całej Europie. Tymczasem w Polsce oprócz gazu ziemnego wysokometanowego grupy E dystrybuowany jest gaz ziemny zaazotowany podgrupy Lw i Ls o własnościach zdefiniowanych w normach PN-C- 04752:2002 [2] i PN-C-04753:2002 [3] oraz w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej [4].

W artykule określono w jaki sposób skład gazu ziemnego (zawartość azotu i wyższych węglowodorów) wpływa na zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia (ilość ciepła niezbędnego do podgrzania gazu przed redukcją ciśnienia).

Przemiany termodynamiczne zachodzące podczas redukcji ciśnienia gazu

Podczas redukcji gazu mamy do czynienia z przemianą termodynamiczną zwaną dławieniem izentalpowym. Jest to przemiana, podczas której czynnik ekspanduje (gaz zwiększa swoją objętość) nie wykonując pracy zewnętrznej [5].

W wyniku tej przemiany gaz obniża swoje ciśnienie i w zależności od współczynnika Joule’a- -Thomsona zmienia się jego temperatura.

W przemyśle gazowniczym operujemy w obszarze ciśnień, w którym współczynnik Joule’a-Thomsona podczas dławienia gazu ziemnego ma wartość ujemną. Oznacza to, że w wyniku redukcji gazu (dławienia) temperatura gazu obniża się.

Dla zagadnień technicznych ważne jest o ile zmieni się temperatura gazu ziemnego po jego redukcji z ciśnienia p1 do p2.

Odpowiedź na to daje całkowity (średni) współczynnik Joule’a-Thomsona: W przybliżeniu można powiedzieć, że w zależności od składu gazu ziemnego (w obszarze ciśnień i temperatur jakie występują na stacjach redukcyjnych) współczynnik ten wynosi około: 0,40C do 0,50C/1 bar Dokładne wyznaczenie tego współczynnika wymaga wykonania skomplikowanych obliczeń termodynamicznych i zależy od składu gazu ziemnego oraz obszaru ciśnień i temperatury gazu przed i po redukcji.

Przemiany termodynamiczne w reduktorze są jednak o wiele bardziej skomplikowane niż wynikałoby to z przemiany dławienia.

Przebieg przemian termodynamicznych podczas redukcji gazu przedstawiono na rys. 1.

Składa się on z dwóch adiabat nieodwracalnych (rzeczywistych) i przemiany izobarycznej.

Proces ekspansji odbywa się w dwóch etapach: a) w gnieździe elementu dławiącego do ciśnienia pkr (prędkość gazu osiąga prędkość bliską prędkości dźwięku), b) poza elementem dławiącym do ciśnienia p2 (ekspansja wtórna) Na wykresie znajdują się trzy punkty ważne dla pracy reduktora, są to: a) gniazdo elementu dławiącego oznaczone na wykresie punktem 2k. Gaz w tym punkcie uzyskuje temperaturę krytyczną Tkr, która może osiągać wartość poniżej temperatury punktu rosy. Jeśli w gazie znajduje się woda może następować jej wykraplanie, a przy temperaturze poniżej punktu krzepnięcia zamarzanie.

b) obszar poza elementem dławiącym oznaczony punktem 2k1. Następuje tam wtórna ekspansja gazu, temperatura w tym miejscu może spaść poniżej punktu rosy węglowodorów, co może powodować ich wykraplanie i powstanie hydratów.

c) w odpowiedniej odległości za reduktorem przemiana dochodzi do punktu 2 gdzie może występować temperatura poniżej 0oC, a temperatura punktu rosy gazu jest niższa niż przed redukcją.

Sprawność rzeczywistego procesu ekspansji (pierwsza adiabata) określa się jako stosunek strat energii wyrażonych poprzez straty entalpii:
Podobnie można określić sprawność rzeczywistego procesu ekspansji dla drugiej adiabaty.

Negatywne zjawiska wywołane efektem Joule’a-Thomsona

Przy dużych redukcjach ciśnienia jakie zachodzą w stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia, efekt Joule’a-Thomsona może powodować obniżenie się temperatury gazu poniżej wartości 0oC.

Tak niska temperatura może spowodować następujące problemy eksploatacyjne: a) wykroplenie się pary wodnej, którą może zawierać gaz oraz jej skrystalizowanie w gnieździe reduktora, skutkuje to jego oblodzeniem, niestabilną pracą lub całkowitym zablokowaniem przepływu.

b) wykroplona para wodna może powodować oblodzenie wewnątrz oraz na zewnątrz orurowania, ma to znaczący wpływ na przyspieszanie procesu korozji instalacji i urządzeń.

c) w reduktorach membranowych wraz ze spadkiem temperatury zwiększa się sztywność elementu dławiącego.

Niska temperatura może spowodować odkształcenie się membrany, co może doprowadzić do braku szczelności podczas domknięcia reduktora oraz wzrost wymaganej wartości ciśnienia sterującego.

d) przy bardzo niskiej temperaturze gazu mogą powstawać hydraty, co może mieć niekorzystny wpływ na funkcjonowanie urządzeń pomiarowych oraz powodować zmniejszenie przepustowości stacji.

Hydraty mogą również powstać w odcinku za reduktorem, przypadek ten jest wyjątkowo niebezpieczny, ponieważ grozi to ograniczeniem przepustowości lub całkowitym zatrzymaniem przepływu w gazociągu.

W celu wyeliminowania ujemnych skutków zjawisk zachodzących podczas dławienia izentalpowego gazu w reduktorze należy go wstępnie podgrzewać.

Natomiast w przypadku awarii układu podgrzewania można doraźnie utrzymać stację w eksploatacji wkraplając do gazu czynniki antyhydratowe np. metanol, denaturat.

Obliczanie zapotrzebowania ciepła na stacjach redukcyjnych

Obliczenie ilości ciepła niezbędnego do podgrzania gazu przed redukcją ciśnienia można wyznaczyć wg następującego wzoru:  Wyznaczenie wartości współczynnika Joule’a- Thomsona (μ) oraz ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu (cp) dla gazów złożonych z wielu składników wymaga zastosowania odpowiednich programów komputerowych opartych o fenomenologiczne równania stanu.

Do obliczeń zastosowano program GERG- 2004 stworzony w Ruhr Universität Bochum, który opiera się o równania stanu rozwiniętych na podstawie szerokiej bazy danych eksperymentalnych dla czystych substancji oraz mieszanin.

Przykładowe wykresy współczynnika Joule- ’a-Thomsona (μ) oraz ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu (cp) dla gazu ziemnego wysokometanowego grupy E rozprowadzanego w polskim systemie gazowniczym o składzie podanym w tab.1 przedstawiono na rys. 2 i 3.

Obliczanie ilości ciepła niezbędnego do podgrzania gazu przed redukcją ciśnienia wykonuje się w sposób iteracyjny [5, 10].

Obliczenia zapotrzebowania ciepła dla wybranych gazów ziemnych dla przykładowej stacji redukcyjnej

W celu określenia w jaki sposób skład gazu ziemnego, głównie zawartość azotu i wyższych węglowodorów, wpływa na zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne przeprowadzono odpowiednie obliczenia dla stacji redukcyjnej wysokiego ciśnienia o następujących parametrach:
- objętościowy strumień gazu V = 10. 000 m3/h
- ciśnienie gazu przed stacją redukcyjną p1 = 64 bar
- ciśnienie gazu za stacją redukcyjną p2 = 4 bar
- temperatura gazu na wlocie do stacji redukcyjnej t1 = 4oC
- wymagana temperatura gazu na wyjściu z reduktora t2 = 8oC
- warunki normalne Tn = 273,15 K, pn = 101325 Pa oraz dla gazów ziemnych (grupy E oraz podgrupy Ls i Lw) rozprowadzanych w systemie gazowniczym w Polsce i dla gazu ziemnego z Kataru (w roku 2009 firma Qatargas, jeden z największych na świecie dostawców LNG, podpisała Umowę Ramową z PGNiG SA na dostawy skroplonego gazu ziemnego z Kataru do Polski [8]) - tab. 1.

W wyniku przeprowadzonych obliczeń uzyskano następujące wartości zapotrzebowania ciepła na cele technologiczne Q - [kW] oraz współczynnika zapotrzebowania ciepła na podgrzanie 1 m3 gazu - τ [kJ/m3], co przedstawiono w tab. 2.

W porównaniu do gazu ziemnego wysokometanowego E rozprowadzanego w Polsce ilość ciepła technologicznego potrzebnego do podgrzania 1 m3 gazu ziemnego zaazotowanego podgrupy Ls przed redukcją jest mniejsza o ponad 18 %, a dla gazu podgrupy Lw mniejsza o ponad 13 %. Natomiast dla gazu ziemnego wysokometanowego z Kataru wyższa o ponad 18 %.

Rys. 2. Przykładowy wykres współczynnika Joule’a-Thomsona (μ) dla gazu ziemnego grupy E o składzie podanym w tab. 1 w funkcji ciśnienia i temperatury Rys.3. Przykładowy wykres ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu (cp) dla gazu ziemnego grupy E o składzie podanym w tab. 1 w funkcji ciśnienia i temperatury .


Z powyższego wynika, że im większa zawartość azotu w gazie tym niższy współczynnik Joule’a-Thomsona, natomiast najwyższą wartość współczynnika posiada gaz z Kataru, który ma najwyższą zawartość wyższych węglowodorów.

W większości przypadków przy projektowaniu stacji gazowych zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych w/c dobiera się korzystając z programów obliczeniowych dostarczonych przez producenta armatury. Programy opracowane są dla gazu wysokometanowego, który jest najpopularniejszym rodzajem gazu ziemnego zarówno w Polsce jak i całej Europie. W równaniach zastosowanych do tego programu obliczeniowego nie występuje żaden człon zależny od składu gazu, więc wyniki obliczeń przeprowadzone dla gazu innego niż E mogą być nierzetelne. Jedynym wprowadzanym parametrem zależnym od składu gazu jest gęstość, Powoduje to, że zapotrzebowanie ciepła technologicznego dla gazów zaazotowanych jest jeszcze wyższe (gaz ziemny zaazotowany jest cięższy od gazu wysokometanowego).

Nieuwzględnienie wpływu azotu na ilość ciepła technologicznego powoduje znaczne przewymiarowanie układu grzewczego.

Podobnie wprowadzenie parametru gęstości gazu powoduje nieuzasadniony wzrost zapotrzebowania ciepła technologicznego dla gazów ziemnych zaazotowanych odpowiednio dla Lw o ponad 12 %, a dla Ls aż o ponad 17%.

Różnice w wartościach ciepła potrzebnego do podgrzania gazu są na tyle duże, że należało by je uwzględnić podczas projektowania stacji redukcyjnej.

W przypadku gazu zaazotowanego można by zastosować kocioł o mniejszej mocy oraz wymiennik ciepła o mniejszej powierzchni grzewczej, uzyskując wymierne efekty ekonomiczne.

Wnioski końcowe

1) Skład gazu ziemnego (zawartość azotu i wyższych węglowodorów) ma duży wpływ na zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia (ilość ciepła niezbędnego do podgrzania gazu przed redukcją ciśnienia), przy czym: a) wzrost zawartości azotu w gazie ziemnym powoduje obniżenie zapotrzebowania ciepła, b) wzrost zawartości ciężkich węglowodorów w gazie ziemnym wymaga zwiększenia ilości ciepła niezbędnego do podgrzania gazu przed redukcją ciśnienia, c) wpływ zawartości ciężkich węglowodorów na zapotrzebowanie ciepła do podgrzewu technologicznego jest znacznie większy niż dla azotu.

2) Różnice w wartościach strumienia ciepła potrzebnego do podgrzania gazu są na tyle duże, że należy je uwzględnić podczas projektowania stacji redukcyjnej (obecnie projektanci dobierają układ grzewczy dla gazów zaazotowanych o podobnej mocy jak dla gazu ziemnego grupy E).

3) W porównaniu do gazu ziemnego wysokometanowego E rozprowadzanego w Polsce wartość ciepła potrzebnego do podgrzania 1 m3 gazu ziemnego zaazotowanego podgrupy Ls przed redukcją jest mniejsza o ponad 18 %, a dla gazu podgrupy Lw o ponad 13 %.

4) Programy na obliczanie ilości ciepła technologicznego oferowane przez firmy dostarczające urządzenia do stacji redukcyjnych nie uwzględniają wpływu azotu i wprowadzają poprawkę od gęstości gazu, która dodatkowo powoduje przewymiarowanie układu grzewczego (moc kotła i wymiennika ciepła) dla stacji redukcyjnych zasilanych gazami ziemnymi zaazotowanymi.

Uwzględnienie powyższych wniosków pozwoli na nieprzewymiarowanie instalacji podgrze- Rodzaj gazu ziemnego Q - zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne [kW] τ - współczynnik zapotrzebowania ciepła na podgrzanie 1 m3 gazu [kJ/m3] wysokometanowy E (rozprowadzany w Polsce) 145,24 52,29 wysokometanowy z Kataru 177,50 63,90 zaazotowany podgrupy Lw 125,92 45,33 zaazotowany podgrupy Ls 118,81 42,77 Tabela 2. Zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne i współczynnika zapotrzebowania ciepła na podgrzanie 1 m3 gazu .

wania gazu (ekonomiczniejszy dobór urządzeń grzewczych) na stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia zasilanych gazami ziemnymi o dużej zawartości azotu.

Biorąc pod uwagę programy oferowane przez firmy dostarczające urządzenia do stacji redukcyjnych szacuje się, że obecnie układy grzewcze zainstalowane na stacjach redukcyjnych w/c są przewymiarowane dla gazu ziemnego zaazotowanego podgrupy Lw o 23%, a dla Ls o około 30%.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 kwietnia 2013 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe i ich usytuowanie (Dz.U. z 2013 r. poz. 640) 2. PN-C-04752:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej.

3. PN-C-04753:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej 4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 6 kwietnia 2004 r. w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz. U. 105 poz.1113).

5. Barczyński A.: "Procesy termodynamiczne zachodzące w reduktorze gazu". Materiały II Krajowego Sympozjum, Błażejewko k/Poznania, 1995.

6. Praca dyplomowa obroniona na Politechnice Poznańskiej w roku 2014 r. pt: "Zjawisko Joule’a-Thomsona na stacjach redukcyjnych wysokiego ciśnienia zasilanych gazem ziemnym" (dyplomant: J. Reszewski, promotor: Andrzej Barczyński) 7. Tuliszka E.: "Termodynamika techniczna".

Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa- Poznań 1980.

8. Ochęduszko S.: "Teoria maszyn cieplnych".

Państwowe Wydawnictwo Techniczne, Warszawa 1957.

9. http://gazeo.pl/na-biezaco/wiadomosci/ 2009/PGNiG-podpisalo-Umowe- Ramowa-z-Qatargas,wiadomosc,365.html 10. Vademecum Gazownika tom II "Infrastruktura przesyłowa i dystrybucyjna gazu ziemnego" Praca zbiorowa pod redakcją Andrzeja Barczyńskiego, SITPNiG, Kraków 2013 r.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Zapotrzebowanie ciepła na cele technologiczne na stacjach redukcyjnych W/C zasilanych gazem ziemnym grupy E oraz podgrupy Lw i Ls

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!