Хранение природного газа

Потребление газа бытовыми, коммунальными и промышленными потребителями носит неравномерный характер.Существует несколько способов покрытия пика неравномерности потребления:

1. подземное хранение газа;

2. использование баз сжиженного газа (пропана и бутана);

3. использование баз сжиженного природного газа (метана);

4. использование аккумулирующей емкости последних участков магистральных газопроводов;

5. хранение газа в трубах под высоким давлением;

6. хранение газа в газгольдерных станциях.

Для каждого из этих способов имеется определенная область, в которой применение его наиболее эффективно.

Также могут использоваться буферные потребители, котельные, которые должны быть рассчитаны на работу на двух видах топлива и быстрый переход с одного вида топлива на другой.

Покрытие сезонной, внутримесячной и внутринедельной неравномерности потребления может осуществляться с помощью подземных хранилищ и крупных буферных предприятий.

Для подземных газохранилищ обычно используется истощенные газовые и нефтяные месторождения. Вблизи большинства крупных городов нет истощенных газовых и нефтяных месторождений. Поэтому для хранения около городов используются водоносные пласты.

Газгольдеры являются сложными инженерными сооружениями, снабженными специальными устройствами для регулирования основных параметров хранимых газов (количества, агрегатного состояния, давления, температуры, состава и др.).

В зависимости от рабочего давления газгольдеры подразделяются на два класса: низкого давления (1,7¸4,0 кПа) и высокого давления (70¸3000 кПа).

Принципиальное различие между газгольдерами низкого и высокого давления заключается в том, что рабочий объем первых является переменным, а давление газа в процессе наполнения или опорожнения остается неизменным или изменяется очень значительно, тогда как геометрический объем газгольдеров высокого давления остается постоянным, а давление при наполнении изменяется от первоначального до рабочего в заранее заданных пределах, определяемых параметрами технологического процесса, а также прочностью и надежностью сооружения.

Газгольдеры низкого давления по конструктивным и технологическим особенностям делятся на 2 группы: мокрые и сухие.

Газгольдеры постоянного объема могут быть цилиндрическими (вертикальными и горизонтальными), а также сферическими.

3. Основным и наиболее экономичным способом является подземное хранение газа.

В качестве подземных хранилищ используются пласты пористых пород, истощенные газовые и нефтяных месторождения, водоносные пласты, соляные купола, искусственные выработки.

Газ, закачиваемый в подземное хранилище, подвергается сжатию в компрессорах до необходимого давления (12-15 МПа). В состав подземного хранилища входя компрессорные цехи, блоки очистки газа и газораспределительные пункты.

Хранение в истощенных нефтяных и газовых месторождениях используется для хранения больших количеств природного газа, если они расположены недалеко от районов потребления. В истощенных нефтяных залежах при хранении газа часть тяжелых углеводородов оставшейся нефти переходит в газообразное состояние и извлекается из пласта вместе с хранимым газом. В этом случае требуется проектирование установок для их разделения. При проектировании хранилищ в истощенных газовых месторождениях основываются на принципе проектирования разработки газовых месторождений.

74. Сжиженные углеводородные газы.

СУГ состоит из углеводородных соединений, которые при нормальных условиях являются газами, а при сравнительно небольшом повышении давления переходят в жидкое состояние. При снижении давления данная углеводородная жидкость легко испаряется и переходи в паровую фазу.

Основные источники для производства СУГ – попутные газы, газы стабилизации нефти, жирные газы газоконденсатных месторождений, газы нефтепереработки.

Сжиженные газы, используемые для газоснабжения потребителей, представляют собой технический пропан, технический бутан, а также их смесь. Для проектирования систем газоснабжения необходимо знать их свойства.

1. Плотность изменяется в зависимости от температуры.

,

где ρ_i – плотность i-го компонента;

х_i – массовая концентрация;

y_i- объемная (мольная) концентрация;

2. Удельный объем сжиженного газа (обратная величина плотности).

Жидкая фаза СУГ резко увеличивает свой объем при повышении температуры.и это всегда нужно учитывать при проектировании и эксплуатации.

Vж₁=Vж_0·[1+β(Т₂-Т₁)]

где Vж₁ – объем, соответствующий Т₂;

β – коэффициент объемного расширения.

3. Вязкость.

Кинематическая вязкость определяется по формуле:

υ_см = μ_см/ρ_см.

Динамическая вязкость:

μ_см=А·ехр(с/Т), (Па·с)

А, с – эмпирические коэффициенты, определяемые для каждого компонента газа.

4. Упругость насыщенных паров СУГ зависит от температуры окружающей среды и находится в равновесном состоянии когда Vконденсации = Vиспарения. При этом пары над жидкостью находятся в насыщенном состоянии, а давление, которое они оказывают на стенки сосудов называется упругим давлением насыщенных паров.

LgP_Si=A-B/(C+T), (Па)

где А, В, С – эмпирические коэффициенты.

Р_см=ΣР_i,

где P_i – парциальное давление:

P_i=x_i·Ps_i,

x_i – мольная доля компонента в жидкой фазе.

Также парциальное давление можно определить по закону Дальтона:

P_i=y_i·P_см

При наличии термодинамического равновесия междужидкость и паром должен выполняться закон Рауля-Дальтона:

x_i·Ps_i=y_i·P_см,

следовательно Ps_i/P_см=y_i /x_i=k_i – постоянная газового равновесия.

Зная данную величину и состав газа в одной фазе можно получить состав газа в другой фазе.

Специфические свойства:

1. При небольшом давлении сжиженный газ переходит из одного состояние в другое (жидкость-пар), поэтому его хранят, транспортируют и распределяют под давлением собственных паров;

2. В газообразном состоянии пары СУГ тяжелее воздуха, что и определяет многие приемы безопасной эксплуатации системы.

3. В жидком состоянии сжиженный газ почти в два раза легче воды, а коэффициент объемного расширения очень велико, поэтому при заполнении емкостей оставляют свободное пространство до 15% геометрического объема, т.е. емкости работают как сосуды высокого давления с заполнением на 85% независимо от температуры окружающей среды.

4. Вязкость сжиженного газа очень мала, что облегчает транспортировку по трубопроводам, но и благоприятствует его утечкам.

Транспорт СУГ осуществляется следующими способами:

1) по ж/д в специальных цистернах и вагонах, груженых баллонами;

2) автотранспортом в специальных автоцистернах и автомобилях, груженных цистернами и баллонами;

3) морским транспортом на специальных судах-танкерах;

4) речным транспортом на танкерах и баржах, груженных цистернами и баллонами;

5) авиатранспортом – в баллонах;

6) по трубопроводам.

Ж/д транспорт используют для перевозки СУГ, когда его невыгодно транспортировать по трубопроводу. Ж/д состав формируют из отдельных цистерн. Их устанавливают на двуосные тележки. Часто для перевозки СУГ по ж/д используют одно-габаритные цистерныобъёмом 54 м³, а также ж/д цистерны с полным объёмом 98,3 м³ и полезным объёмом 83,5 м³.

Налив и слив верхний. Слив осуществляется: 1) созданием перепада давления между цистерной и рез-ром, путём нагнетания паровой фазы из резервуара в цистерну; 2)путём перекачивания специальными насосами.

Так же возможна перевозка в крытых вагонах в баллонах 27,50л.

Автотранспорт. Возможна перевозка в автоцистернах (до 300км) и в баллонах (до 50км). По назначению выделяют два типа цистерн – транспортные и заправочные.

Водный транспорт СУГ. Наиболее дешёвым считается морской транспорт танкерами. Типы танкеров: 1) с резервуарами под давлением; 2) с теплоизолированными резервуарами под пониженным давлением; 3) с теплоизолированными резервуарами с давлением, близким к атмосферному.

Трубопроводный транспорт. Перекачка осуществляется из насоса в насос. Данный транспорт имеет следующие особенности:

1) Минимальное давление в трубопроводе должно быть больше давления упругих паров для избежания образования паровой фазы;

2) Во избежание образования гидратов (газ осушается, используются ингибиторы, применяется герметичная арматура);

3) Во избежание кавитации средняя скорость движения СУГ должна быть во всасывающем трубопроводе не более 1,2 м/сек; в нагнетательном – не выше 3 м/сек.

4) В возвышенных, перевальных точках давление должно быть больше давление упругих паров с учетом давления запаса.

75. Хранение СУГ.

Хранилища по назначению подразделяются:

1) Хранилища, находящиеся на ГПЗ и НПЗ;

2) Хранилища на кустовых базах и портовых базах, и резервуарных парках;

3) Хранилища у потребителей газа;

4) Хранилища для сглаживания сезонной неравномерности потребления.

В зависимости от температуры и давления СУГ хранятся следующими способами:

1) Под повышенным давлением и температуре окружающей среды;

2) Под давлением, близким к атмосферному и низкой температуре (изотермическое хранение);

3) В твердом состоянии.

Хранение под давлением осуществляется в баллонах, резервуарах, подземных хранилищах шахтного типа и хранилищах в соляных пластах (разрабатываются впрыскиванием или закачиванием воды; эксплуатируются с рассольной схемой и без нее).

Типы баллонов: 5-тилитровые без обечайки с воротником, 27-литровые баллоны с обечайкой и воротником, 50-литровые с обечайкой и колпаком.

Также используются резервуары стальные (вертикальные и горизонтальные, цилиндрические и сферические).

Сферические резервуары по сравнению с цилиндрическими имеют более совершенную геометрическую форму и требуют меньшего расхода металла на единицу объема емкости за счет уменьшения толщины стенки, благодаря равномерному распределению напряжений в сварных швах и, по контуру всей оболочки. Однако снабжение хранилищ этими резервуарами пока ограничено из-за трудностей, возникающих в процессе изготовления.

Сферические резервуары объемом 600 м³ применяются в основном для хранения бутана на хранилищах заводов-изготовителей.

Цилиндрические резервуары с эллиптическими днищами объемом 25, 50, 100, 175 и 200 м³ устанавливаются горизонтально и получили в нашей стране большее распространение и используются на всех видах хранилищ сжиженного углеводородного газа. Максимальное расчетное давление для пропановых резервуаров – 1,8 МПа, для бутановых – 0,7 МПа, что соответствует климатической зоне с самой высокой расчетной температурой (328 К). Минимальная температура в надземных резервуарах для территории РФ может достигать 233 К. Установку резервуаров следует предусматривать, как правило, наземную, подземная установка допускается при невозможности обеспечения установленных минимальных расстояний до зданий и сооружений, а также для районов с температурой наружного воздуха ниже минимально допустимой.

Применение изотермическое хранение достигается путем искусственного снижения упругости паров хранимого сжиженного газа, что, в свою очередь, приводит к его охлаждению или, наоборот, сжиженный газ искусственно охлаждается, что приводит к снижению упругости его паров. При температуре -42ºС сжиженный пропан можно хранить уже не при повышенном давлении, а при атмосферном, в результате чего уменьшается расчетное давление при определении толщины стенок резервуаров. Достаточно, чтобы стенки выдерживали только гидростатическое давление хранимого продукта, что дает возможность применять тонкостенные резервуары. Это позволяет сократить расход металла в 8¸15 раз в зависимости от хранимого продукта и объема резервуара.

Используются следующие технологические схемы: с комплексной холодильной установкой; с буферной емкостью; с промежуточным хладагентом и льдопородный резервуар.

Хранение в твердом состоянии осуществляется в брикетах, которые представляют собой ячеистую высококонцентрированную эмульсию, состоящую из полимера 5% и СУГ 95%. Полимер образует ячейки, в которых закупоривается СУГ. Для предохранения от воздействия внешних сил на его поверхность наносят слой раствора поливинилового спирта. После высыхания образуется твердая пленка. Брикеты выполняются весом 200, 400 и 800 грамм и упаковывается в коробки.