До какого давления можно сжимать газ

Почему под давлением? //GW №54, 2017//

Скачать статью (4.36 MБ)

Гелий, азот, кислород, водород и аргон чаще всего попадают к конечным потребителям в газовых баллонах высокого давления. Природный газ все шире применяется как моторное топливо, причем тоже в сжатом виде, и называют его в этом случае КПГ — компримированный природный газ. Большинство промышленных газов применяются потребителями в газообразном виде. Гелий применяют для сварки, в аналитике и при испытаниях оборудования на герметичность. Аргон незаменим в качестве защитной газовой среды и в электроламповой промышленности, водород в аналитике и стекольной промышленности, кислород в процессах резки и горения, а азот как защитная инертная газообразная атмосфера и в других самых разнообразных применениях.

Почему газы хранят и транспортируют под высоким давлением? Газы не имеют формы. Их можно хранить и транспортировать только в замкнутых герметичных оболочках или в сконденсированном охлажденном виде. То есть для того что работать со сколько-нибудь заметными количествами газов, необходимо существенно увеличить их плотность. Сравним, например, плотность в кг/м3 и коэффициент сжимаемости самых распространенных технических газов: азота, кислорода, метана и гелия при различных давлениях. Для сравнения так же приведена плотность этих веществ в сжиженном виде в состоянии равновесия.

При низких давлениях плотность сжатых газов практически пропорциональна давлению. Чем выше давление, тем существеннее становится отклонение свойств реальных газов от уравнения состояния идеального газа. На свойства газов начинает оказывать влияние собственный объем молекул и их силовое взаимодействие.

Изучение свойств реальных газов и жидкостей стало основным направлением научных исследований выдающегося голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван дер Ваальса (1837-1923), который прославился своими работами в области молекулярной физики. Йоханнес Дидерик родился в семье плотника, в которой он был старшим из десяти детей. Семья не имела средств и стремления к обучению своих детей в гимназии. Йоханнес окончил начальную и среднюю школу и стал, как один из лучших выпускников, школьным учителем. Он не имел права поступать в университет, но посещал лекции по математике, физике и астрономии в Лейденском университете как вольнослушатель, затем сдал сложный экзамен на право работы школьным учителем и стал директором школы в Гааге. К этому времени университетские правила в Голландии смягчились. Студентов освободили от обязательного предварительного классического образования в гимназиях, и Ван дер Ваальс смог поступить в аспирантуру. 14 июня 1873 года в Лейдене он защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояния». Ван дер Ваальс модернизировал уравнение идеального газа до уравнения состояния реального газа, которое сейчас носит его имя. Силы межмолекулярного взаимодействия ныне называют ван-дер-ваальсовыми. Уравнение состояния реального газа помогло математически объяснить одно ранее непонятное явление, а именно: если температура газа превышает некоторую критическую (для данного вещества величину), то никакие изменения давления не смогут вызвать его сжижения. Дело в том, что при критических температурах все три корня уравнения Ван дер Ваальса сливаются в один. Именно за эти работы над уравнениями состояния газов и жидкостей ученому была присуждена Нобелевская премия в 1910 году.

Из данных представленных в таблице хорошо видно, что плотность реальных сжатых газов растет при повышении давления не в соответствии с уравнением идеального газа. Для таких газов, как аргон, кислород и метан, коэффициент сжимаемости при средних давлениях от 100 до 300 бар меньше единицы и отклонения в поведении этих газов от уравнения идеального газа облегчают их хранение и транспортировку. Для других распространенных газов, таких как гелий, водород и азот, коэффициент сжимаемости при комнатной температуре больше единицы для всех значений давления.

Повышение рабочего давления стальных баллонов свыше 400 бар для целей транспортировки становится нерациональным практически для всех технических газов и ограничено значительным ростом коэффициента сжимаемости, который достигает, например для азота, значения 2.0 при давлении около 900 бар. Если для кислорода, аргона и природного газа влияние сжимаемости до давления 300 бар приводит к небольшому сокращению удельного веса тары, а при давлении 400 бар это влияние можно признать незначительным, то для гелия и азота это уже не так. Сравним для этих газов соотношение массы газа к массе баллона без учета вентиля для наиболее распространенных рабочих давлений (200, 300 и 400 бар) применительно к облегченным баллонам всемирно признанного лидера рынка — компании Worthington Cylinders. Расчет выполнен для баллонов объемом 50 литров с рабочим давлением 200 и 300 бар и объемом 55 литров с давлением 400 бар. Для азота это соотношение равно соответственно 0.24; 0.23 и 0.21, а для гелия 0.033; 0.034 и 0.033. Небольшое снижение металлоемкости тары для гелия при переходе с рабочего давления 300 бар на рабочее давление 400 бар cвязано с увеличением объема баллона и соответственно со снижением относительной доли дна и горловины баллонов в общей металлоемкости. При транспортировке азота увеличение давления приводит, хоть и к незначительному, но к явному увеличению металлоемкости тары, а при перевозке гелия металлоемкость тары практически не зависит от рабочего давления баллонов. Это означает, что увеличение рабочего давления приводит к сокращению транспортных издержек не за счет снижения металлоемкости груза, а только за счет резкого сокращения размеров пространства, занимаемого моноблоками и баллонами и сокращения количества необходимых доставок. Транспортировка гелия под давлением 400 бар облегчает его дальнейшую переработку: очистку и расфасовку в баллоны с меньшим рабочим давлением. Существует целый ряд практических применений, для которых необходимо повышенное давление газов 300-400 бар. Это применение азота, воздуха и гелия при испытаниях на прочность и герметичность. Гелий удобен для применения в низкотемпературных испытаниях на прочность при температуре жидкого азота. Гелий и аргон высокого давления применяют в медицине и других отраслях техники в связи с существенным и разнонаправленным дроссель-эффектом. Аргон при дросселировании охлаждается, а гелий наоборот нагревается.

Поршневые насосные агрегаты с насосами ACD RPB для кислорода и аргона

Из перечисленных газов только на азот и гелий есть постоянная большая потребность как на хладоносители в сжиженном виде. Жидкий аргон иногда используется для научных исследований в пузырьковых камерах. Другие газы потребители применяют, главным образом, в виде газа. Поэтому при выборе способа хранения и транспортировки руководствуются объемами потребления и экономической целесообразностью того или иного технического решения. Когда это удается, газы доставляют к месту потребления от мест производства по трубопроводам. Если такая возможность отсутствует, газы сжижают, перевозят к месту потребления и газифицируют или доставляют на наполнительные станции, а уже там заправляют в баллоны под высоким давлением и доставляют конечным потребителям в баллонах или в моноблоках (баллонных сборках).

Поршневой насосный агрегат с вертикальным насосом ACD P2K для сжиженного природного газа

Ранее все технические сжатые газы хранили и транспортировали при давлении 150 бар. И происходило это только потому, что промышленность не выпускала массово баллоны на другие рабочие давления. Теперь баллоны с таким рабочим давлением уже называют устаревшими, хотя реальный их парк еще велик. Продукты разделения воздуха и водород хранят и перевозят при давлениях 200 и 300 бар, природный газ при давлении 250 и 300 бар (рабочее давление автомобильных баллонов 200 бар), гелий транспортируется при давлении 400 бар, азот и сжатый воздух часто хранят при давлении 400 бар. Нередко в тех или иных технологических процессах требуются газы с более высоким значением давления, которое создают непосредственно на месте применения с помощью дожимающих компрессоров или криогенных поршневых насосов. Это, например, природный газ с давлением 600-690 бар при непосредственном впрыске в специализированные поршневые двигатели внутреннего сгорания; автомобильные водородные баки на рабочее давление 800 бар; аргон или азот в газостатах; азот при проведении испытаний на прочность и разрушение; азот при давлении 800 бар и более для повышения нефтеотдачи скважин; аргон как рабочая среда при получении холода в дроссельных циклах за счет эффекта Джоуля-Томпсона и т.п. Таким образом, массовое применение в технике все более высоких давлений следует сразу за разработкой соответствующих средств заправки и хранения газов. Чем выше плотность хранимого и транспортируемого вещества, тем компактнее система хранения и может быть более явным то или иное преимущество конкретного технологического процесса, обусловленного высоким давлением. По мере развития техники хранения сжатых газов меняются материалы и снижается вес тары. Углеродистая сталь, применявшаяся для производства баллонов на 150 бар, сменилась легированной. Появились и постоянно развиваются облегченные баллоны сначала второго, а затем третьего и четвертого типа. Специалисты компании Worthington Industries постоянно работают над улучшением потребительских свойств и расширением ассортимента как стальных кованных, так и металлокомпозитных баллонов высокого давления.

Пароэлектрический испаритель большой производительности с промежуточным теплоносителем в виде алюминиевого блока

Компания Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) является официальным складским дистрибьютором Worthington Industries. На совместном складе Worthington Industries и MV&F в Москве постоянно поддерживается большой ассортимент кованых стальных баллонов высокого давления с рабочим давлением 200, 250, 300 и 400 бар для гелия, водорода, кислорода, аргона, углекислоты и газовых смесей, азота, воздуха и природного газа. Наше предприятие специализируется так же на поставке и изготовлении основных компонентов наполнительных станций: криогенные емкости для приема и хранения сжиженных продуктов разделения воздуха и сжиженного природного газа; криогенные металлорукава с экранно-вакуумной изоляцией; поршневые насосные агрегаты со шкафами автоматизации и управления; атмосферные испарители высокого давления как с естественной, так и с принудительной конвекцией воздуха; электрические и паровые испарители и нагреватели, наполнительные рампы, моноблоки и баллонные аккумуляторы газа.

Поршневые насосные агрегаты предлагаются с насосами всемирного лидера отрасли — компании ACD — как горизонтального типа (RPB, ACPD), так и высокопроизводительные для тяжелых условий эксплуатации вертикального типа (P2К). Рабочие давления от 240 до 420 бар.

Для газификации продуктов разделения воздуха и сжиженного природного газа компания MV&F производит атмосферные испарители высокого давления, как с естественной, так и с принудительной конвекцией воздуха, а так же электрические и паровые испарители высокого давления.

Дожимающий двухступенчатый компрессорный агрегат MV&F с двойным пневматическим поршнем, максимальное давление 1725 бар

Если для целей конкретного технологического процесса нужны более высокие значения давления сжатых газов, то здесь существуют два решения. Для задач с высокой производительностью типа закачки азота в пласты для повышения нефтеотдачи применяют многоплунжерные криогенные насосы, а для задач с малой производительностью применяют пневматические или пневмо-гидравлические дожимающие компрессорные агрегаты. Наша компания предлагает такие агрегаты собственного производства с рабочим давлением до 4100 бар. Они успешно эксплуатируются в различных отраслях промышленности в основном для научных исследований и испытаний.

Источник

Какие давление газа в газопроводе

На чтение 8 мин. Просмотров 4.8k. Опубликовано 12.02.2020

Природный газ используется в быту и на производственных предприятиях. Для доставки его к месту назначения применяют трубопроводы. Важнейший показатель для них — давление газа в газопроводе. Эта характеристика определяет предельную мощность, обеспечивающую безопасную эксплуатацию системы.

Нормы и СНиПы на газоснабжение

Существуют стандарты, регламенты, санитарные правила, регулирующие газоснабжение. Это важно, так как транспортировка газа влечет за собой высокие риски для окружающей природы и человека. Основополагающим является СП62.13330.2011*, «Газораспределительные системы». В нем изложены требования по проектированию и строительству, ремонту и реконструкции сетей подачи газа.

Стандарты ГОСТ 5542; 20448; 52087 и 27578 регламентируют качества природного газа, используемого для промышленного производства и быта населения. В СНиП 2.04.08-87*приводится давление газа в газопроводе дома или отдельной квартиры, классификация трубопроводов по давлению. Нормативный документ указывает следующие требования:

1. Суточные нормативы потребления газа на бытовые цели (приготовление пищи, подогрев воды, отопление) составляют от 8 до 13 м3.
2. Давление во внутреннем газопроводе не выше 0,003 МПа.
3. Надземный газопровод не располагать в местах пешеходных и транспортных дорожек.
4. Минимальная высота размещения газовой трубы от земли составляет 35 см.
5. Отключающее устройство при вводе в дом размещают не выше 1,8 метра.
6. Прокладка газовой трубы в доме должна быть открытой, запрещается замуровывать ее или зашивать строительными материалами.

Соблюдение требований Правил по устройству газопровода является неукоснительным.

Что такое природный газ и как его перемещают по газопроводу

Природный газ добывают из-под земли. На различных месторождениях его химический состав отличается. Эта горючая смесь на 80 % состоит из метана. Он не имеет запаха, чтобы обнаружить утечку в газовую смесь добавляют пахучие примеси, одоронты.

От места добычи метан подают по трубам. Давление в магистрали достигает 12 МПа. В систему бытового газопровода попадает через распределительную станцию, где газ очищают от примесей и снижают сжатие до 1,2 МПа. Еще одной точкой на пути движения является газорегулятор. Здесь давление в газопроводе регулируется, смесь дополнительно очищается и распределяется по потребителям.

Классификация газопроводов по давлению

Класс газопровода определяют по степени его сжатия в трубах, для этого используют документ «Технический регламент о безопасности сетей газораспределения и газопотребления».

Классификация газопроводов по давлению имеет следующий вид:

1. Газопроводы высокого давления, категория 1а. показатель более 1,2 МПа. Используются для доставки газа к турбинам и парогазовым установкам тепловых электростанций. Здесь используются дожимные компрессоры для повышения сжатия газа.
2. Газопроводы высокого давления, категория 1. Показатель — не более 0,6 — 1,2 МПа. Применяются для распределения газа между жилыми поселками или для снабжения производственных предприятий. Обозначается Г4.
3. Газопроводы высокого давления, категория 2. Показатель — 0,3 — 0,6 МПа. Это внутриплощадочные сети заводов, газораспределительные станции, осуществляющие подачу газа бытовым потребителям. Обозначается Г3.
4. Газопровод среднего давления имеет показатели — 0,005 — 0,3 МПа. Предназначен для транспорта газа внутри населенных пунктов для производственных предприятий, к газорегуляторам, распределяющим продукт между жилыми, общественными и административными потребителями. Имеет обозначение Г2.
5. Газопроводы низкого давления характеризуются давлением менее 0,005 МПа. Обеспечивают — жилье, больницы, рестораны и прочие объекты бытового назначения. Обозначение — Г1.

Виды газопроводов могут различаться по месту прокладки — надземные, подземные, надводные, а так же по техническому назначению — бытовые и производственные.

Таблицы соотношения единиц измерения

Более наглядное и подробное понятие о категориях газопроводов получим из таблицы 1.

Таблица 1.

Здесь приведены показатели в различных системах измерения, которые часто используются в технической и нормативной литературе.

Распределительные и регулирующие установки

Газоснабжающая система состоит из следующих элементов:

• газопровода высокого, среднего и низкого давления;
• станций распределения газа ГРС, пунктов ГРП и установок управления;
• автоматической системы контроля;
• службы диспетчера;
• эксплуатационной службы.

Природный газ транспортируется до места потребления, давление в магистральном газопроводе изменяется от 6 до 12 атм. На газораспределительной станции города его снижают автоматическими регуляторами до 3 атм. Включенная в систему автоматическая защита препятствует увеличению показателя выше нормы. ГРС распределяет газ по сетям потребителей.

Газопроводы низкого давления доставляют и распределяют газ к жилым и общественным зданиям (0,03 атм) и предприятиям бытового обслуживания (0,05 атм). В данном случае регуляторы не используются. По газопроводам высокого и среднего давления газ подается к промышленным и коммунальным потребителям. Здесь для снижения давления применяются ГРУ и ГРП, после которых оно снижается до 3 атм.

Для отключения участков газопровода устанавливают задвижки. Они необходимы на входе и выходе из газораспределительных пунктов, ответвлениях к отдельным районам города, при пересечении магистралей и путепроводов. Их размещают в канализационных колодцах, защищают от доступа посторонних людей.

Давление в газопроводе жилого дома

Чтобы обеспечить комфортный образ жизни в коттедже, потребуется от 6 до 13 м3 газа или давления 0,05 атм. Для здания большего объема, где установлен мощный отопительный котел, это значение может увеличиваться.

Читайте также:

Как спрятать газовую трубу на кухне: 10 вариантов с фото, идей декорации газопровода

Вопрос о том как спрятать газовую трубу на кухне и создать на кухне стильный и уютный интерьер волнует многих владельцев квартир. Известный факт, что с газовыми коммуникациями следует обращаться с…

До регулятора, расположенного на вводе в здание, допустимое сжатие до 3 атм, это зависит от расстояния до газораспределительного пункта, при прохождении от которого возникают потери. Давление в газовой трубе в квартире составляет 0,03 атм.

Среднее или низкое давление, какое лучше

Ранее для обеспечения частных домовладений использовался газ, сжатый до 0,3 атм.. Это исключало необходимость установки дорогого понижающего регулятора на вводе в здание. При использовании современных сантехнических установок, требующих высокой мощности для работы, последний на улице дом не получит достаточного количества газа.

Отопительные котлы работают бесперебойно в холодный период и требуют для функционирования средний показатель давления, иначе их работа прекращается.

При появлении проблем с газоснабжением помогут комбинированные котлы, работающие на различном топливе.

Газопровод низкого давления (предел 0,005 МПа), используют в небольших поселках с малым числом потребителей. Превышение показателя сжатия газовой смеси приведет к повреждению трубопровода.

Требования к выбору труб

Для транспортировки газа используются трубопроводы из ПНД, стали, меди и полипропилена. Технические условия по их изготовлению оговорены в соответствующих ГОСТ. Наиболее используемые материалы для бытового газопровода — водогазопроводные трубы. Предназначены для внутренних и наружных сетей сжатием до 1,6 МПА, условный проход 8 мм. Возможно применение металлопластиковых изделий из полиэтилена марки PE-RT.

Подземные газопроводы допускается выполнять из полиэтиленовых материалов с каркасом из металлической сетки и синтетических волокон, металлопластиковых изделий.

Для трубопроводов высокого и среднего давления применяют стальные бесшовные или электросварные трубы больших диаметров.

Материал труб и соединительных частей выбирают с учетом давления газа, температуры наружного воздуха в местах прокладки, наличия грунтовых вод и вибраций.

Расчет газопровода высокого давления

Расчет сводится к определению диаметра трубопровода в зависимости от перепадов давления и различных режимов работы.

Порядок расчета следующий:

1. Давление на входе соответствует данным работы ГРС, в точке потребления определяется характеристиками приборов потребления. Каждое направление разветвленной сети рассчитывается отдельно.
2. Выбираем самую удаленную точку, измеряем расстояние L.
3. Далее с помощью методики гидравлического расчета (СП 42-101-2003) находим необходимый диаметр трубы.

Процесс выполнения сложный, применяется при проектировании газопроводов специалистами-проектировщиками. В настоящее время используют специальные компьютерные программы, упрощающие процесс.

Можно выбрать онлайн-калькулятор, позволяющий произвести упрощенный расчет газовой сети для частного дома. Вводим исходные данные:

• давление в сети, в нашем случае 0,005 МПа;
• расстояние до самой дальней точки потребления;
• норму расхода газа, для частного дома 5 м3/час.

На выходе получим диаметр трубы, необходимой для обеспечения требуемого давления. Потери для наружного трубопровода составляют: до стояка 25 линейных единиц, на стояках — 20. Для внутренней разводки принимают 450 линейных потерь на 1-2 м длины.

Для газопровода важно такое понятие, как охранная зона. Ее величина определяется степенью сжатия газа в трубе. Для трубопроводов разного назначения имеет следующий вид:

• магистралей 1 категории составляет 10 метров;
• для 2 категории — 7 метров;
• среднего давления газопровод- 4 метра;
• для внутри поселковых сетей, давлением до 0,05 атм — 2 метра.

В пределах охранной территории нельзя проводить земляные работы, осуществлять строительство зданий и других сооружений.

Как происходит транспортировка природного газа

Источник