1.4. Табиғи газдардың қасиеттерінің ерекшеліктері және гаа- дағы ағымның аэродинамикасы

Табиғи газ энергетикалық қондырғылар үшін отын ретінде. Табиғи газдың элементарлық құрамы және оның сипаттамасы. Жану жылулығы. Ауаның артық коэффинциенті. Ауаның теориялық және нақты шығындары. Отынның сығылу дәрежесі

ГТҚ- лар және басқа энергетикалық қондырғылар үшін, ең көп тараған газ тәріздес отындардың ішінде табиғи газ. Табиғи газдың құрамы қайсы кезде өндірілетін кен орнына және геологиялық қабатқа байланысты болады. Табиғи газ негізінде метаннан С­­Н₄(83…98%), этаннан С₂ Н6 (0,3…8%), пропаннан С₃ Н₆ (0,1…2%) және басқа жоғарғы көмірсутегінен (0…15%), көмірқышқыл газынан СО₂ (0…4%), азоттан N₂ (0…5%), күкіртті сутегінен (0…2%) тұрады.

ГОСТ бойынша табиғи газдың ГАА-ын есептеу үшін және басқа сығымдаушы машиналар үшін қабылданады: СН₄ 98,6; С₂ Н₆ 0,12; С₃ Н₈ 0,02; бутан С₄ Н₁₀ 0,1; СО₂ 1,01; N₂ 0,12% көлем бойынша. Газтәріздес отынның артықшылығына жататындар жану өнімділігіндегі күйенің және күлдің болмауы және термиялық тұрақтылығы.

Сондықтан табиғи газ энергожетектеушілер (ГТҚ-лар) үшін отынның идеалдық түрі болып есептеледі.

Табиғи газдың негізгі сипаттамалары болып келетіндер: жану жылулығы немесе жылулық қабілеттілігі ( төменгі жану жылулығы Q_T (кДж/кг, кДж/м³)); ыстық өндірушілік t_max(⁰С); газдың толық жануына керекті теориялық ауа шығыны L₀ (кг/кг, кг/м³); газтұрақтысы R_Г (Дж/(кг. К));энтальпия, немесе жылу сақтағыштық Н (Дж/(кг. К)); айдалатын газдың салыстырмалы тығыздығы ауа бойынша, ауаның нормалдық тығыздығында анықталушы ∆_ауа= ρ_газ / ρ_ауа = 0,6…0,75; тұтану температурасы t тұт (⁰С); улылығы; қосындылардың болуы; газдың бағасы және т.б.

Отынның жану жылулығы, немесе жылулық қаблеттілігі Q_T-оның ең маңызды сипаттамасы, бірліктік отын (кг немесе м³ ) толық жанғанда қандай мөлшерде жылу бөлініп шығатынын көрсетеді ( Q_T = 41530…49600 кДж/кг, Q`<sub>T</sub>=33240…54000 кДж/м<sup>3</sup>, ал отын ретінде Q`_T=33…38 МДж/м³). Газдың ыстық өндірушісі t _max ең жоғары температуаны анықтайды, отын толық жанғанда алынады, ол кезде бөлінген жылу жану өнімділігін қыздыруға жұмсалады.

1 м³ газ толық жануға керекті теориялық меншікті ауа шығынын (кг/м³) мына теңдеумен анықтауға болады

L`_o= ρ_ауа∙V_o, (1.7) мұндағы V_o(м³)(м³/м³) 1м³ газ тәрізді отынды жағуға қажетті теориялық ауа шығынын төмендегі формуламен есептеуге болады:

V_o=Q_T/3,8, (1.8)

мұндағы 3,8-ауа шығыны (м³) отынның 1 МДж жану жылулығына керекті.

Бұдан басқа, теориялық ауа шығынын L_o (кг) (кг/кг) немесе L_o (кг) (кг/м³) немесе 1м³ газ тәріздес отынның жануы үшін қажетті ауаны табуда отынның меншікті төменгі жану жылулығын Q_T(МДж/кг) немесе Q_T(МДж/м³) 2,94-ке бөлу арқылы табуға болады

L_o = Q_T / 2,94 және L`₀ = Q_T / 2,94, (1.9)

мұндағы 2,94-ауа шығыны (кг), отынның МДж жану жылулығына керекті, (кг/МДж).

L`₀=10…15,3 м³/м³

L₀=14…16,5 кг/кг.

Нақты ауаның мөлшерінің шамасының L_о^нақ (V_о^нақ) теориялық қажетті ауаның мөлшерінің шамасына L_o^теор (V_o^теор) қатынасын, ауаның артық коффициенті деп атайды

α=L_o^H/L_o^т немесе α=V_o^H/V₀^T (1.10) Ауаның артық коэффициентінің α мәні, отынның түріне және оны жағу әдісіне байланысты болады, әдетте табиғи газдарды жағуда α =1,15…1,20.

Әртүрлі отындардың компоненттерінің жану жылулығы Q_т

Q_T (CH₄) = 50000 кДж/кг;

Q_T (бензин) = 44500 кДж/кг;

Q_T (H₂) = 120000 кДж/кг.

Табиғи газдың газтұрақтысы R_Г оның орташа молярлық массасының М_Горт мәні бойынша анықталады:

R_Г = R/ M_ГОР = 8314/ М_Г.ОР (1.11)

немесе ауа бойынша газдың салыстырмалы тығыздығы арқылы

R_Г = R_ауа/ ∆_ауа (1.12)

Энтальпия отынның жылуды сіңіру қаблеттілігін сипаттайды; ол сондай-ақ жылудың мөлшерлік шамасын көрсетеді, отынның температурасын өзгертуге жұмсалатын.

Отынның салыстырмалы тығыздығы ∆ауа оның химиялық құрамына байланысты және мына қатынас бойынша айтуға болады ∆ауа=ρ_Г/ρ_ауа және отынның жылулық қабілеттілігін сипаттайды. Тұтану температура t_max отынның жағу шартын сипаттайды және газды тиімді жақандағы әдістерін игеруде еске алынады.

Газдың улылығы тұрмыстық отындық ретінде пайдаланудағы мүмкіншілігін және газқұбырларында техникалық қауіпсіздікті қанағаттандыратын жағдайға сәйкес болуын талап етеді.

Күкіртік қоспалардың болуы газды тазартуды талап етеді, газдық коммуникацияларда жегідеулер және ауа бассейннің ластануын болдырмау үшін.

Газдың бағасы–ең маңызды сипаттама, оны мұнай және газ кәсіпшілігіндегі және халық шаруашылығындағы салаларда кең пайдалану мақсатында.

Магистралдық газқұбырларының КС-да негізінде ГТҚ-лар пайдаланылады, айдалатын газбен жұмыс жасайтын п.э.к.-ті 24…30% болады, ал КС-нің өзіне қажетті газ шығыны жалпы тасымалданатын, айдалатын газдың 8...10% құрайды.

Табиғи газ ГТҚ-лар үшін отын ретінде ең ыңғайлы, өйткені жоғары жану жылулығына ие, ал оның өнімділігінде қатты бөлшектер, улылық және жетіделік активтік заттар болмайды.

Әртүрлі нақты газдар сияқты табиғи газдар үшінде күй теңдеуін мынадай түрде пайдалануға болады:

P_г = ρ_г*Z*R_г*T_г , (1.13)

мұндағы Z-сығылу коэффициенті, өзгермелі шама, қысымға және температураға тәуелді.

Газдың қысымы неғұрлым көп болса және оның температурасы төмен болса, нақты газдардың қасиетті идеал газдардан соншама ауысады, яғни Z-тің шамасы төмендейді. Нормалдық шарттарда Z=1.

Сығылу коэффициенті Z номаграмма бойынша анықталады [5,7]

Табиғи газдың дымқылдығы гидраттардың (көмірсутегінің және судың молекулалары кристалдық құрылғыларға) пайда болуына себепкер болады. Гидраттар ОТГА-дың күрежолының қимасына барып түсуі мүмкін, жергілікті ағынның жылдамдығының көбейуінде.

Гидраттардың пайда болуы газдардың салқындануына және олардың қысымының төмендеуіне мүмкіндік жасайды, росалы нүктеге дейін. Осыған орай табиғи газ ОТА-ға барғанша шаңдардың бөліктерінен және сұйық тамшыларынан мұқият тазартылуы керек. ОТА-дағы ағымның аэродинамикалсының ерекшеліктері жөнінде төмендегідей атап өтуге болады. Жұмыстық доңғалақтың айналымда кіреберісте сиретулік пайда болады. Қалақшалардың аралық кеңістігіндегі келген газ ортадан тепкіш күштің әсерінен бірқалыпты жұмыс доңғалағының иілген арнасында қозғалады. ОТА-тағы газдардың қозғалысының абсолюттік жылдамдығын құрастырушы үш геометриялық қосындылар ретінде қарастыруға болады: осьтік G_a, радиалдық G_r және шеңберлік Cu. Газ түйірлерінің газайдағыштың жұмыстық доңғалақтарының элементтеріне салыстырмалы қозғалу жылдамдығын салыстырмалы жылдамдық дейді және оны w белгілейді. Бұныда сондай-ақ құрастырушыларға бөлуге болады. Радиалдық құрастырушы жылдамдығының C_r шеңберлік жылдамдыққа қатынасын шығын коэффициенті дейді φ. Жұмыстық доңғалақтың радиалдық бөлігі үшін φ=C_r/U; φ_r=C_2r/U₂. Жұмыстық доңғалақтың элементтерінің қозғалу жылдамдығы ауыспалы келеді.

ОТГА-тың жұмыстық доңғалағы арқылы өткен, жұмысшы дененің өлшемдік массасына қозғалыс теңдеуін (Эйлер теңдеуін) мынадый түрде пайдаланады:

H_ag=U₂C_2и-U₁C_1и немесе ∆P=ρ(U₂C_2и-U₁C_1и).

Сатыдағы энергияның бір бөлігінің қысымының потенциальдық энергияға ауысқан, барлық энергияға жұмыстық доңғалақтағы ағымдағы қатынасын реактивтік дәреже дейді. ОТГA-да едәуірлік реактивтік дәреже қолданылады, яғни біртоғалы арынды.

Қысымдардың қатынасын Е_айд =Р_2а/Р_1а газайдағыштың сығу дәрежесі дейді.

Негізгі әдебиет: 2[38-43 бет]; 3[212-214 бет];

Қосмша әдебиет: 7[127 бет].

Бақылау сұрақтары:

1. Табиғи газ қандай элементтерден тұрады?

2. Газ тәріздес отын қандай артықшылықтарға иелінеді?

3. Газ тәріздес отынның негізгі сипаттамаларына нелер жатады?

4. Отынның төменгі жану жылулығы нені сипаттайды?

5. 1 кг және 1 м³ отын толық жану үшін, керекті теориялық ауа шығыны қалай анықталады?

6. Ауаның артық коэффициенті дегеніміз не?

7. ОТГА-дың күре жолындағы газдың негізгі қозғалу жылдамдықтарын атаңыздар?

№5 Дәріс тақырыбы

1.5 .КС-ның газқұбырларымен және ГАА-ның өзара байланысы.

КС-ның газтурбиналы ГАА-ның жұмыс режімдерінің ерекшеліктері

КС-лар қысымды көбейту және газды магистральдық газқұбырлары бойынша айдау үшін арналған. Олар магистральдық газқұбырына кіретін құрылыс жинақтарының басқарушы элементтерінің қызметін атқарды. Атап айтқанда іс жүзінде КС-дың жұмыс параметрлері газқұбырларының жұмыс режімін анықтайды. КС-ның болуы газқұбырының жұмыс режімін және ГАА-ға пайдаланатын газдың шамасын реттейді, сондай ақ газқұбырларының максималдық газжинаушылық қабілеттілігін реттейді.

Қазіргі уақытта газ кәсіпшілігінде магистральды газқұбырларында ГАА-тар ретінде ОТГА-тар қолданылады, жетектелуші ретінде ГТ-сы немесе электрқозғалтқыш пайдаланады. Поршенды газмотокомпрессорлар газды жер астында сақтайтын станцияларда қолданылады.

Ұңғыдан шығатын табиғи газдың қабаттық қысымы 10 МПа дейін және оданда көбірек болады. Сондықтан салыстырмалы қысқа ара қашықтықта газ пайдаланатын орынға газқұбыр арқылы осы көрсетілген қысым арқылы тасымалданады. Бірақ көптеген ірі газ кен орындары комуналдық және өндірістік орындардан алыс үлкен ара қашықтықтарда орналасады 1000 км және онанда көбіректе. Сондықтан тасымалдаушы газды үлкенірек ара қашықтықта ғыларға қабаттық қысыммен жеткізуге болмайды, себебі газөткізуші құбырлардың өткізу қабілеттілігінің шектелуіне байланысты. Сол себепті газқұбырының өткізушілік қабілеттілігін көбейту, магистральдық газқұбырларында аралық газайдағыштар (компрессорлер) орналастыру арқылы іске асады. Магистральдық газқұбырлары үшін тиімділік технико- экономикалық көрсеткіштері бойынша ұтымдылыққа жету, ол аралық газайдағыш станциялардың аралық орналасу қашықтығы 100...150км болғанда. Бұл кезде газқұбырының өткізу қабілеттілігі жоғарлаумен бірге, тасымалданатын газдың бағасы төмендейді, бір мезетте газды сығу дәрежесі және компрессорлық станциялардың аралық қашықтары азаяды. Магистальды газқұбырларының ірі газайдағыш станциялары ОТА-мен жабдықталады электролық немесе ГТ-лы жетектеушілі. Негізінде көп қолданылатыны ГТ-лы қозғалтқыштар. ГТҚ- лардың көбірек меншікті отын шығынына қарамастан басқа электростанциялармен салыстырғанда, ГТҚ-лы КС-лардың күрделі шығындарының және пайдаланушылық шығындарының экономикалық тиімділігі жағынан ГТҚ-лар ГАА-ды жетектеуші ретінде көп қолданылады. ОТГА-ның энергожетектеушілік типтерін таңдағанда газ құбырының жұмыс режімін еске алу керек. Газ құбырының жұмыс режіміне әсер етуші негізгі фактор, ол газпайдаланудың бірқалыпсыздығы.

Газпайдаланудағы ең үлкен бірқалыпсыздық газды тұрмыстық қажетке және жылытуға бергенде, олардың пайдалануы сыртқы ауаның температурасына тікелей байланыстылығы.

Газқұбырының экономикалық жұмыс істеуін қамтамасыздандыру үшін ауыспалы режімде КС-лар екі немесе үш бірсатылы ГА-мен жабдықталады, бұл кезде тізбектілі жұмыс істейтін ГА-тар керекті есептемелік газдың сығу дәрежесін және өнімділігін қамтамасыздандырады. Газқұбырының үлкен өнімділігінде, ГА-тар параллель қосылады тізбектілі топты қосылған айдағыштардың жұмысына.

Газқұбырының КС-ның және ГАА-дың жұмыс режімдерінің біріккен сипаттамалары.

Магистральдық газқұбыры және КС-лар біріңғай гидравликалық жүйе болып келеді. ГАА-тың жұмыс режімі КС-дағы газқұбырының жалпы учаскесімен және ОТГА-дың сипаттамаларымен анықталады, берілген газөнімділігін реттеу әдісінде.

1.10-суретте ГА-дың және газқұбырының үлгілі қосылған (біріккен) сипаттамасы көрсетілген.1.10-суреттен мынаны айтуға болады, ГА-тың керекті газ берілісін екі параллель қосылған айдағыштармен жасауға болады КС-ның толық сығылу дәрежесінде (толықарынды) және екі ГА-мен тізбектеліп қосылған(толықшығындылы).

1.10-сурет. ГА-дың және газқұбырының үлгілі (біріккен) сипаттамасы: 1- газқұбырының учаскесінің сипаттамасы; 2- екі ГА-дың қосылған сипаттамасы; 3-бір толықарынды ОТГА-тың сипаттамасы (параллельді қосылған); 4- бір толық шығынды ОТГА-тың сипаттамасы (тізбектілі қосылған); Е- газқұбырының есептелген жұмыс режімінің нүктесі; А- газқұбырның толық өткізбеудегі қабілеттілігінің режімінің нүктесі, бір толықшығынды ОТГА-ның жұмысын қамтамасыздандыратын газқұбырының толықсыз өткізу қабілеттілігінде ГТҚ-ның қажетті қуаты елеулі төмендейді, себебі қуат газдың массалық шығынының кубасына пропорциональды G³_Г.

Толықшығындылы ГА-ды тізбектілі қосқанда, олардың біреуін айырғанда газқұбырының өткізгіштік қабылеттілігі және айдағыштың өткізуші бөлігі келісімділікпен сақталады. Толықарындылы ГА-ды параллельді қосқанда олардың біреуін айырғаннан кейін, айдағыштың өткізуші бөлігі толық газ шығынын жібереді, бірақ айдағыштың төменгі п.э.к. –де . Сондықтан аздау мөлшердегі газды реттеу паралельді қосқандағы ГАА-та біреуін айырғанда кейбір қиындыққа әкеліп соғады. Егер бір жіптілік газ құбырында үш және одан көбірек толықарындылық ОТГА-тар жұмыс істесе, онда көрсетілген жағдай жақсарады, немесе егер ОТА-ды реттеу оларды айыру арқылы жүрсе екі және одан көбірек жіптілік КС-лар арқылы өткізіледі.

Тізбектілік қосылған ОТГА-дың негізгі кемшілігі – егер біреуі кенеттен тоқтағанда қалғанды (екіншісін) тез арада рециркуляциялаушы сақинаға ауыстыру керек, әйтпесе ол желісінің кедергісін жеңе алмайды және қорғаушы жүйемен айырылады газқұбырынан газайдағыш. Толықшығындылық ГА-тардың маңызды кемшілігі – құбырлық таңғыштық жүйенің көбірек қиындығы. Сондықтан көптеген КС-лар параллельді қосылған толықарындылы ГА-мен жабдықталған, себебі металлсыйымдылығы және компрессорлы цехтардағы құрылғылардың еңбек сыйымдылығы бұл кезде елеулі төмен.

ОТГА-дағы тұрақсыздық режімдер және помпаж

ОТГА-да тұрақсыздық режімдер (процестер) болады, жұмыстық доңғалықтың шеңберіндегі арналардың шегіндегі газ ағынының біркелкі еместігінен пайда болған, сондай-ақ олар диффузорда, кіргізуші және шығарушы бағыттаушы аппаратарда, кіргізуші және шығарушы келте құбырларда болады. ОТГА-дың тұрақсыздық режімдері (компаж) айдағыштың кіреберістегі және шығаберістегі кедергілерінің көбейуінен, мысалы қорғаушы тордың бітелуінен айдағыштағы, екі тізбектілі жұмыс жасаушы айдағыштардың біреуі кенет аппаттық тоқтауынан болуы мүмкін.

ГА-тағы помпаж айдағыш арқылы газшығынының, айдаушы тізбегіндегі газдың қысымының, дірілділіктің кезеңді өзгеруінде пайда болады, бұл кезде пайдаланушы қуат, төменгі қысымды турбинаның (ТҚТ) айналу жиілігі, жоғары қысымды турбинаның (ЖҚТ) алдындағы газдың температурасы өзгереді. Помпаж ГА-тың және газтурбинасының түзілімдерінің (узел) сынуын болдыруы мүмкін.

ГА-ты помпаждан шығару айдағыш арқылы өтетін газ шығынын көбейту бойынша жүзеге асырылады, бұл үшін КС-да арнаулы газ шығынын реттеуші шүмек (кран) қолданылады. КС-да ГАА-ды помпаждан қорғау үшін, арнаулы Сигнализатор пайдаланылады, қайсыда айдағыштың конфузорындағы қысымының құламалығын помпаждық сызықтан алыста бақылайтын, бұл кезде газ шығыны помпаждық шекарадан 10%-тен артық беріледі. Осымен қатар КС-да алдын ала ГТҚ-дан азуақытта ауа берілісін тоқтататын автоматты құрылғы қарастырылған отындық газдың берілуін және ГА-тың айналу жиілігін азайтатын.

ГА-дың сырттай помпажы үзілді кесілді шуммен , күшті дірілдеумн, мерзімді теңселуімен байқалады.

Қысымның помпаждық пульсациялық жиілігінің өзгеруін құбырдың газ шығардағы қимасының көлеміне V_шығ тәуелділігін төмендегі теңдеумен анықтауға болады

f = A/ , Гц (1.14)

мұндағы V_шығ -шығардағы келте құбырдың (айдағышпен) және дроссельдің (шығардағы құбырдың) арасындағы көлем, м³; А ГА-тың константы ГАА-тың айналу жиілігіне тәуелді

. ГА-тың әртүрлі айналу жиілігіндегі және әртүрлі шығардағы көлеміндегі помпаждық лүпілінің (пульсацияның) жиілігі бойынша берілген 7–кестедегілер, айналу жиілігі азайғанда пульсациялық жиіліктің кейбір көбейгендігін көрсетеді.

7-кесте

Қысымның помпаждық пульсациялық жиілігінің (Гц) ГА-тың айналу жиілігіне және шығарушы құбырдың дроссельдік қондырғыға дейінгі көлеміне тәуелділік өзгеруі.

ГА-тың айналу тиілігі, об/мин	Шығардағы құбырдың көлемі Vшығ, м3
	5,45	3,26	1,0
3000	1,7	2,38	-
4000	1,6	2,28	3,92
500	1,53	2,08	3,70

Негізгі әдебиет: 2[5-7, 19-21, 30-31];

3[230-240]; 1[40-50, 68-77].

Бақылау сұрақтары:

1. ГАА-дың және КС-ның газқұбырының біріккен сипаттамасы дегеніміз не?

2. ГА-тың помпажы дегеніміз не?

3. ГА-тың помпаждық пульсациялық жиілігін қандай формуламен анықтауға болады?

4. КС-дағы ОТГА-дың тізбектілі және параллельді қосылыстарының қандай артықшылықтары және кемшіліктері бар?

5. Толықарындылық және толықшығындылық ГА-тар дегеніміз не?

6. ГА-тың помпажының болуын негізгі себептерін атаңыздар?

Модуль №2 «Табиғи газдың ГАА-ның құрылымдылық ерекшеліктері»

№6 Дәріс тақырыбы