2. Характеристика города и потребителей газа

В данном проекте разрабатывается двухступенчатая схема газоснабжения среднего города, расположенного в Гродненской области, природным газом с газопроводом среднего (5 кПа - 0,3 МПа) и низкого (до 5 кПа) давления. В данном случае газопровод среднего давления проектируется кольцевым, т.к. он является основной артерией питающей газом город. Газопровод прокладывается по окраинам города, в районах с малой плотностью населения и меньшим количеством подземных коммуникации. Сети низкого давления состоят из тупиковых газопроводов и отдельных ответвлений.

Связь между газопроводами среднего и низкого давления осуществляется через сетевые ГРП, где давление снижается до необходимой величины и поддерживают постоянным автоматически. Газораспределительная станция находится на востоке города на расстоянии 300 м.

Расчетная температура отопительного периода t_н.о= -22°C, преобладающее направление ветра западное [2].

Основными потребителями газа являются: бытовой сектор (жилые дома), предприятия общественного питания (столовые, кафе, рестораны), мелкие предприятия бытового обслуживания населения, предприятия коммунального хозяйства (банно-прачечный комбинат, больница, хлебозавод, районные и квартальная котельные), промышленные объекты.

Число жилых кварталов в городе – 13. Этажность застройки 3–5 этажей. Согласно расчету в городе проживает 40708 жителей, которые используют основную часть газа на коммунально-бытовые нужды. В пятиэтажных домах установлены газовые плиты и водоподогреватели, в 6-9 этажных домах – только газовые плиты.

3. Определение свойств газообразного топлива

Состав газа:

СН₄=94,1 %;

С₂Н₆=2,5%;

С₃Н₈=1,5 %;

С₄Н₁₀=0,5 %;

C₅Н₁₂ = 0,7%;

СО₂=0,2 %;

N₂=0,5 %.

При известном составе газообразного топлива теплофизические характеристики его определяются по свойствам простых газов - компонентов смеси.

Плотность газообразного топлива при нормальных условиях , определяется по формуле:

(3.1)

где y_i – объемное процентное содержание i-го компонента в газовой смеси, %;

ρ_0i – плотность i-го компонента смеси при нормальных условиях, кг/м³.

принимаем по справочным данным или определяем по формуле:

(3.2)

где – молекулярная масса i-го компонента смеси, кг/кмоль, [7,9]

– объем одного киломоля i-го компонента, м³/кмоль, [7,9]

Для определения плотности газовой смеси , ,находим по таблице 9.1 значения плотности отдельных компонентов и подставляем их в формулу 3.1

СН₄: V_M =22,38 м³/кмоль М=16 кг/кмоль

С₂Н₆: V_M =22,17 м³/кмоль М=30 кг/кмоль

С₃Н₈: V_M =21,99 м³/кмоль М=44 кг/кмоль

С₄Н₁₀: V_M =21,50 м³/кмоль М=58 кг/кмоль

C₅Н₁₂: V_M =20,87 м³/кмоль М=72 кг/кмоль

СО₂: V_M =22,26 м³/кмоль М=44 кг/кмоль

N₂: V_M =22,4 м³/кмоль М=28 кг/кмоль

Найдем плотности отдельных компонентов по формуле 3.2:

ρ_СН4=16/22,38=0,717 кг/м³

ρ_С2Н6=30/22,17=1,356 кг/м³

ρ_С3Н8=44/21,99=2,004 кг/м³

ρ_С4Н10=58/21,50=2,702 кг/м³

ρ_С5Н12=72/20,87=3,457 кг/м³

ρ_СО2=44/22,26=1,977 кг/м³

ρ_N2=28/22,4=1,251 кг/м³

Плотность газовой смеси ( см. формулу 3.1) :

ρ_смеси=0,01*(94,1*0,717+2,5*1,356+1,5*2,004+0,5*2,702+0,7*3,457+0,2 *1,977+0,5*1,251)=0,79 кг/м³

• Низшая теплота сгорания газообразного топлива:

(3.3)

где Q_н.i – объемная низшая теплота сгорания i-го компонента, входящего в смесь, кДж/м³, [7,9]

Теплота сгорания компонентов [7,9]:

Q_нсмеси=0,01*(94,1*35760+2,5*63650+1,5*91140+0,5*118530+0,7*146180)=

=38224,42 кДж/м³

•Находим нижний и верхний пределы воспламенения горючей части газа, учитывая наличие балластных примесей [7,9]

(3.4)

где – верхний или нижний пределы воспламенения смеси с балластными примесями, об.%;

­– верхний или нижний пределы воспламенения горючей части смеси, об.%;

Б – содержание балластных примесей(CO и N ) в газообразном топливе, доли единицы.

Табл.3.1Пределы воспламенения отдельных компонентов горючей смеси, %

	Нижний	Верхний
L(СН4)	5	15
L(С2Н6)	3	12,5
L(С3Н8)	2	9,5
L(С4Н10)	1,7	8,5
L(C5Н12)	1,35	8,0

Б – балласт газообразного топлива:

_{Б=СО2+N2=0,2+0,5=0,7%.}

Для определения пределов воспламенения находим состав горючей части газа без балластных примесей находится по формуле:

(3.4)

y’(CH₄)=94,1 /(100-0,7)*100%=94,76%.

y’(C₂H₆)=2,5 /(100-0,7)*100%=2,52%.

y’(C₃H₈)=1,5 /(100-0,7)*100%=1,51%.

y’(C₄H₁₀)=0,5 /(100-0,7)*100%=0,5%.

y’(C₅H₁₂)=0,7/(100-0,7)*100%=0,7%.

= 100об.%

Определяем верхние и нижние пределы воспламенения для смесей горючих газов,не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности по формуле Ле Шателье:

• Теоретическое количество сухого воздуха, необходимого для полного сгорания 1 м³ природного газа, составляет:

(3.5)

где СnНm – объемное процентное содержание углеводородов, входящих в состав газовой смеси, %;

n и m – соответственно число атомов углерода и водорода в каждом углеводороде;

H2S – объемное процентное содержание сероводорода в газовом топливе, %.

V0=0,0476*((1+4/4)*94,1+(2+6/4)*2,5+(3+8/4)*1,5+(4+10/4)*0,5+(5+12/40)*0,7+ +0,7*0)=0,0476*211,41=10,06 м3/м3.

Теоретический расход влажного воздуха:

(3.6)

_{где 0,00124 – объем 1 г водяного пара, м3/г;}

d_в – влагосодержание воздуха, определяется по I-d диаграмме;d_в≈10 г/м³

V₀^вл=10,06+0,125=10,19 м³/м³.

Вследствие несовершенства смешения горючих компонентов с окислителем в процессе горения топочные процессы ведутся с некоторым избытком воздуха (для исключения химической неполноты сгорания), поэтому действительное количество воздуха, необходимого для сжигания газа, составит:

(3.7)

где α – коэффициент избытка воздуха. Его величина зависит от условий смесеобразования газа и воздуха и обычно принимается в пределах 1,05…1,2. Принимаем α=1,1.

V_д=1,1*10,19=11,21 м³/м³.

• Выход продуктов сгорания.

В состав продуктов сгорания входят углекислый газ, водяные пары, азот, кислород, а иногда и сернистый ангидрид,если в составе газа содержится сероводород.

Полный объем продуктов сгорания 1 м³ газообразного топлива составляет:

(3.12)

Количество углекислого газа, образующегося при сгорании 1 м³ газообразного топлива, зависит от содержания углерода в компонентах смеси и в балласте топлива:

(3.8)

где n – количество атомов углерода;

CO – объемное процентное содержание углекислого газа в составе смеси;

=0,01*(1*94,1+2*2,5+3*1,5+4*0,5+5*0,7+0,2)=1,093 м³/м³.

Количество образующихся водяных паров слагается из объема паров, получающихся в результате сгорания водорода, входящего в состав углеводородов и других соединений, водяных паров, содержащихся в газовом топливе в виде балласта и поступивших с воздухом:

(3.9)

где H₂S – объемное процентное содержание сероводорода в топливе;

d_г – влагосодержание газа, г/м³, принимаем, что газ осушенный и d =0.

=0,01*(( м³/м³.

Количество кислорода в продуктах сгорания определяется коэффициентом избытка воздуха, при котором ведется процесс горения:

(3.10)

=0,21*(1,1-1)*10,06=0,2113 м³/м³.

Содержание азота в продуктах сгорания также зависит от коэффициента избытка воздуха и наличия азота в балласте топлива:

(3.11)

=0,79*1,1*10,06+0,01*0,5=8,747 м³/м³.

Полный объем продуктов сгорания 1 м³ газообразного топлива составляет:

(3.12)

=2,09+8,747+0,2113+1,093=12,14 м³/м³.