1.История и перспективы развития газовой отрасли России.

В дореволюционной России газоснабжение городов (кроме Баку и Грозного) осуществлялось за счет производства искусственного, так называемого светильного газа. В дореволюционной России природный газ не добывался. Попутный нефтяной газ как промышленное и бытовое топливо начали использовать в Баку в 1880-1890 гг. В России газ первоначально использовался для освещения городов и бытовых целей, его получали из каменного угля на газовых заводах. Первый газовый завод был построен в Петербурге в 1835 г., каменный уголь для него привозили из-за границы. В 1855 г. Бунзен изобрел газовую горелку. В Москве газовый завод был построен в 1865г. Газ, получаемый на газовых заводах, называли «светильным». После Великой Октябрьской социалистической революции использование попутного нефтяного газа возросло. Если в Баку до революции в год потреблялось лишь 33 млн. м3 попутного газа, то в 1927-1928 гг. было добыто и использовано в Баку и Грозном 270 млн. м3 газа. В начале XX в., после того как для освещения стали использовать керосин, газ начали применять для отопления и приготовления пищи. В 1913 г. производство искусственного газа в России составило 17 млн. м³, по существу не было газовой промышленности. 1915 г. – в Москве было газифицировано 3000 квартир, в Санкт-Петербурге – 10000 квартир. В довоенный период широко развернулось производство искусственных газов: коксового, доменного, генераторного, которые получали из каменного и бурого угля, горючих сланцев, торфа и древесины. Увеличилась добыча нефтяного (попутного) газа. В 1925 г. добыча газа составила 127 млн. м³. В 1923 г. в Баку был построен первый газобензинный завод. в 1940 г. добыча природного газа составляла более 400 млн. м³.

Первый газопровод был построен в 1940-1941 гг. от Дашавских промыслов до Львова. В 1941-1942 гг. от газовых месторождений в районе Бугуруслана и Похвистнево был построен газопровод до Куйбышева протяженностью 169 км, в 1946 г. – первый дальний газопровод Саратов-Москва протяженностью 840 км и диаметром 325 мм, по которому подавали в Москву 0,5 млрд. м³ природного газа ежегодно.

Добыча газа в 1976 г. составила 289, в 1980 – 435, в 1985 – 643, в 1990 г. – 854 млрд. м³. При этом удельный вес газа в суммарном производстве топливно-энергетических ресурсов оставался примерно одинаковым – на уровне 38%, а к началу нового тысячелетия увеличился до 45-50%. Основным центром добычи газа стала Западная Сибирь, высокие рубежи добычи газа в определяющей степени обеспечиваются промыслами Тюменской области. Впервые в мировой практике в нашей стране началось строительство газопроводов из труб больших диаметров: 1000, 1200 и 1400 мм. ____ В настоящее время сетевой и сжиженный газ в РФ получают около 1100 городов, 1800 рабочих поселков и около 100000 сельских населенных пунктов. Общая протяженность действующих на территории России газопроводов – отводов высокого давления увеличилась против 1975 г. в 1,9 раза, а на селе – в 3,1 раза. Сейчас Россия занимает первое место по запасам и добычи газа.

Коммунально-бытовые предприятия рассматриваются в нашей стране как первоочередные объекты газификации. В настоящее время газ стал основным видом топлива в быту, коммунальном хозяйстве и промышленности. К 1990 г. в России было газифицировано около 30 млн. квартир, или 85% жилого фонда. В большом количестве природный газ используется в теплоэнергетике, на долю которой приходится 55% потребляемого в стране природного газа, в том числе на электростанциях 26%, в отопительных котельных – 15% и в промышленных котельных – 14%. В 2009 г. в России запустили первый завод по сжижению природного газа. Проектируются и строятся экспортные газопроводы для поставок газа потребителям.

2.Основные физико-химические свойства газов, используемых для целей газоснабжения.

Для цели газоснабжения используются:

- газы чисто газовых месторождений или природные газы; - попутные газы;

- искусственные газы; получают при термической переработке топлива, сухая перегонка.

- газы газификации; их получают в процессе газификации твердого топлива.

природные (не имеют запаха) и искусственные газы (имеют резкий запах)

Сухие газы легче воздуха, а жирные – обычно тяжелее.

Теплотворная способность газов чисто газовых месторождений – 31000-38000 кдж/м³, а попутных газов нефтяных месторождений – 38000-63000 кДж/м³.

Плотность – единица массы объема. Плотность зависит от температуры и давления. Плотность газа имеет большое значение при проектировании и эксплуатации газопроводов. Обычно пользуются относительной плотностью по воздуху.

Относительная плотность - отношение плотности газа к плотности воздуха при одних и тех же условиях ρ относит = ρг/ρ_В

или ρг=М/22,41, где М –молярная масса(кг/кмоль).

Плотность смеси газов ρ_см=∑ρ_ia_i где a_i – молярная концентрация, ρ_i – плотность i-компонента.

Удельный объем – величина, обратная плотности. Часто пользуются относительной плотностью газа по воздуху.

Критическое давление – при котором и выше которого повышением температуры нельзя испарить жидкость.

ρ_пк=0,1737(26,831-ρ_ст)

Критическая температура при которой и выше которой при повышении давления нельзя сконденсировать пар.

Т_пк=155,24(0,564+ρ_ст).

Сжимаемость газа – коэф. Z, определяется экспериментально или по номограммам в зависимости от приведенных температуры и давления газа.

Влажность газа – Абсолютная влажность d (г/м³)- содержание водяных паров в единице объема или единице массы газа, зависит от состава газа, температуры и давления и определяется по номограмме. Относительная влажность газа – отношение фактического количества водяных паров в единице объема газа к максимально возможному при определенных давлении и температуре φ=m_п/m_T=ρ_п/ρ_Т

В любом газе есть влага, она может конденсироваться. Это опасно коррозией внутри газопровода летом; зимой могут образоваться гидратные пробки. Газ осушают таким образом, чтобы его точка росы превышала 20 С.

Вязкость газа - хар-ся коэффициентом динамической (абсолютной) вязкости µ (Па·с). Определяется количеством движения, переносимым молекулами при переходе их из одного слоя в другой.

Теплоемкость – зависит от состава газа, температуры и давления( кДж/(кг·К). Это количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы газа на один градус. Теплоемкость зависит от природы газа и от происходящего процесса.

Эффект Джоуля-Томпсона – при снижении давления по длине газопровода и при дросселировании газа на ГРС наблюдается снижение температуры D_i=1/c_p(0,98·10⁶/T³-0,5) c_p – средняя изобарная теплоемкость газа. Дросселированием в газопроводе можно считать распределенное по длине падение давления.

Теплотворная способность (низшая теплота сгорания) или калорийность – тепло, выделяемое при сгорании единицы объема (массы) газа при определенных условиях.

Пределы взрываемости и воспламенения газа. Существуют высшие и низшие пределы. Низший предел – это минимальная концентрация газа в воздухе. Высший предел – это максимальная концентрация газа в воздухе, при которой возможен взрыв или воспламенение.

Температура воспламенения газа. Чем больше плотность и чем больше теплотворная способность газа, тем ниже температура воспламенения

3.Природный газ, его происхождение. Добыча газа.

Природный газ представляет собой смесь различных углеводородов метанового ряда. Природные газы не содержат водорода, оксида углерода и кислорода. Содержание азота и диоксида углерода обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат сероводород.

Практически весь природный газ находится в подземных коллекторах, чаще всего сопутствующих месторождениям нефти. Природный газ и нефть образовались миллионы лет назад в результате разложения погибших растений и живот­ных, опустившихся на дно древних озер и океанов. Значи­тельная часть этого органического вещества разложилась на воздухе (окислилась), и продукты ушли в атмосферу, но не­которая часть, прежде чем успела разложиться, была покрыта сверху последующими отложениями либо попала в стоячую воду, не содержащую кислорода. В течение веков песок, ил и прочие отложения опускались на дно водоема и литифицировались (уплотнялись, образуя горную породу). По мере накопления этих слоев органиче­ская материя оказывалась заключенной в осадочной породе. Под действием веса залегающих сверху слоев в органиче­ской массе создавалось высокое давление, и повышалась тем­пература, в результате чего она постепенно превращалась в нефть и газ. Мно­гие осадочные месторождения содержат большое количество газа, из них добывают в основном природный газ.

В других материнских коллекторах образование нефти либо газа определяется таким фактором, как температура. На срав­нительно небольшой глубине, где температура недостаточно высока для получения нефти, за счет действия бактерий быстро образуется биогенный (микробный) газ, который пред­ставляет собой почти чистый метан. Обычно биогенный газ, который также называют болот­ным (или болотистым) газом, редко сохраняется в виде зале­жей, так как в огромных количествах улетучивается в атмо­сферу. Наиболее крупное (285 трлн фут.3, или 8 трлн м3) в мире газовое месторождение — Уренгойское (Сибирь) — имеет биогенное происхождение, в нем газ заключен в ловушку под слоем вечной мерзлоты. На большей глубине при более высоких температурах (выше 300°F, или 148,9°С) образуется термогенный газ. Этот газ может задерживаться в подземных коллекторах, часто под слоем непроницаемой покрывающей породы, которая мешает газу просачиваться вверх. В некоторых газовых коллек­торах более тяжелые жидкие углеводороды испаряются вслед­ствие высоких температур. При добыче газа температура снижается, и эти углеводороды снова переходят в жидкое состояние, образуя конденсат. Жидкость представляет со­бой преимущественно бензин, или газовый бензин. В случае отделения вместе с бутаном, пропаном и этаном конденсат называют также природный газоконденсат (или широкая фракция легких углеводородов). В коллекторе и даже в про­цессе добычи жирный газ, содержащий конденсат, нахо­дится в газообразном состоянии, но на поверхности выделя­ется жидкий конденсат. Сухой газ состоит в основном из ме­тана, он не образует жидкости ни в коллекторе, ни на по­верхности. В процессе бурения глубоких газовых скважин в коллектор, расположенный в песчанике, во многих случаях видно, что песчинки покрыты углем. По-видимому, первона­чально в коллекторе присутствовала нефть, которая находи­лась слишком глубоко и подверглась термическому крекингу, в результате чего образовался природный газ. Оригинальную абиогенную (небиологическую) теорию происхождения газа предложил астрофизик Томас Гоулд, к идеям которого нефтяники отнеслись скептически. В соот­ветствии с его теорией абиогенный газ образовался из угле­рода, занесенного на Землю метеоритами. Углерод прореаги­ровал с водородом, имеющимся в атмосфере, с образовани­ем твердых углеводородов, которые затем при нагревании превратились в метан. Если эта теория верна, то залежи пер­вичного газа могут находиться на гораздо большей глубине, чем ранее предполагалось, и места залегания должны отличаться от общеизвестных.

Различают промышленные залежи и месторождения (газовые, газоконденсатные, нефтегазовые).

Залежь нефти или газа представляет собой скопление углеводородов, которые заполняют поры проницаемых пород. Залежи, занимающие значительные площади, образуют месторождения.

Газовая скважина является основным элементом промыслов. Верх скважины называют устьем, низ — забоем. Бурят скважину быстровращающимся буром-долотом, который разрушает породы в забое. В настоящее время для этой цели применяют шарошечные долота, в которых шарошки, вращаясь вокруг своих осей, дробят и скалывают породу. В зависимости от привода различают роторное и турбинное бурение.

При роторном бурении двигатель расположен на поверхности земли, вращение от него передается долоту через промежуточные механизмы и колонну бурильных труб, имеющих диаметр 125…150 мм. В качестве бурильных труб применяют цельнокатаные (бесшовные) трубы, изготовленные из высококачественных углеродистых и легированных сталей, со стенками толщиной 8...11 мм. Трубы соединяют между собой замками на крупной конической резьбе. В верхней части бурильных труб устанавливают ведущую трубу, имеющую в поперечнике квадратное сечение. Эта труба проходит через ротор, укрепленный над устьем скважины. Ротор передает вращение от двигателя к ведущей трубе и далее к бурильным трубам.

Турбинное бурение отличается от роторного тем, что буровой двигатель (турбобур) опускают в скважину и крепят непосредственно над долотом. Турбобур вращается под действием промывочного раствора, который подают в него по бурильным трубам под большим давлением. В процессе бурения бурильные трубы остаются неподвижными, вращаются только вал турбобура и долото.

Стенки образовавшейся скважины укрепляют стальными обсадными трубами. Первую колонну обсадных труб называют кондуктором. В зависимости от геологического разреза трубы кондуктора диаметром 225...400 мм опускают на различную глубину, но обычно не ниже 300 м. Пространство между скважиной и колонной кондуктора заливают цементом. Вторая колонна обсадных труб, опускаемая внутри кондуктора, является эксплуатационной с диаметром труб 125...200 мм, их опускают в продуктивный пласт. Пространство между эксплуатационной колонной и скважиной, начиная от низа колонны, заливают цементом с выходом его в кольцевое пространство между трубами на 20...30 м. Обсадная колонна предохраняет скважину от обрушения и проникания в продуктивный пласт воды из верхних горизонтов, а также предохраняет газоносный пласт от потерь газа в вышележащие слои. Внутрь эксплуатационной колонны опускают колонну фонтанных труб, по которой происходит движение газа от забоя к устью скважины.

На устье газовой скважины устанавливают специальное оборудование, которое состоит из колонной головки, трубной головки и фонтанной арматуры. Колонная головка служит для герметизации всех колонн обсадных труб, опущенных в скважину, и является опорой трубной головки. Трубная головка герметизирует кольцевое пространство между последней колонной обсадных труб и фонтанными трубами и служит для подвески и укрепления фонтанных труб. Боковые отводы на трубной головке позволяют осуществлять необходимые операции: эксплуатацию скважины по кольцевому пространству между фонтанными и обсадными трубами, нагнетание воды или раствора при глушении скважины, замеры давления газа в межтрубном пространстве, отбор проб газа и пр.

Регулировать работу скважины задвижками нельзя, так как это приводит к их быстрому износу. Для создания на скважину противодавления применяют штуцера, т. е. суженные отверстия (диаметром 1...40 мм), на которых дросселируется давление газа. Для требуемого снижения давления подбирают штуцер необходимого диаметра. По мере отбора газа давление падает и штуцер заменяют другим — большего диаметра.

На выкидных линиях после фонтанной арматуры устанавливают предохранительные клапаны и манометры. Выкидные линии соединяют с сепараторами, в которых газ очищается от твердых и жидких механических примесей. Из сепаратора газ поступает в газосборный коллектор. Количество добываемого газа измеряют счетчиком. В месте присоединения газоотводящей линии к коллектору устанавливают задвижку, обратный клапан и отвод с задвижкой для продувки газопровода.

4.Городские распределительные схемы. Основные требования к газопроводам.

Городские распределительные системы представляют собой сложный комплекс сооружений, состоящий из следующих основных элементов: газовых сетей низкого, среднего и высокого давления, газораспределительных станций, газорегуляторных пунктов и установок. В указанных станциях и установках давление газа снижают до необходимой величины и автоматически поддерживают постоянным. Они имеют автоматические предохранительные устройства, которые исключают возможность повышения давления газа в сетях сверх нормы.

Проекты газоснабжения областей, городов, поселков разрабатывают на основе схем перспективных потоков газа, схем развития и размещения отраслей народного хозяйства и проектов районных планировок, генеральных планов городов с учетом их развития на перспективу. Система газоснабжения должна обеспечивать бесперебойную подачу газа потребителям, быть безопасной в эксплуатации, простой и удобной в обслуживании, должна предусматривать возможность отключения отдельных ее элементов или участков газопроводов для производства ремонтных и аварийных работ. Сооружения, оборудование и узлы в системе газоснабжения следует применять однотипные. Принятый вариант системы должен иметь максимальною экономическую эффективность и предусматривать строительство и ввод в эксплуатацию системы газоснабжения по частям. Основной задачей при проектировании системы газоснабжения города встает ее реконструкция и развитие, соответственно развитию города и его промышленности, необходимо выявить новую газовую нагрузку на перспективу в зависимости от схемы реконструкции городской застройки, принятых решений по их теплоснабжению, горячему водоснабжению и степени бытового обслуживания. После расчета новых нагрузок выявляются газопроводы, которые сохраняются в новой сети, проектируется новая сеть и определяются диаметры газопроводов. Городские распределительные газопроводы рассчитывают на максимальные часовые расходы газа.

Основным элементом городских систем газоснабжения являются газопроводы, которые классифицируют по давлению газа и назначению. В зависимости от максимального давления газа городские газопроводы разделяют на следующие группы: 1) газопроводы низкого давления с давлением газа до 5 кПа (500 мм вод. ст. избыточных); 2) газопроводы среднего давления с давлением от 5 кПа до 0,3 МПа (до 3 кгс/см² избыточных); 3) газопроводы высокого давления II категории с давлением от 0,3 до 0,6 МПа (от 3 до 6 кгс/см² избыточных); 4) газопроводы высокого давления I категории для природного газа и газовоздушных смесей от 0,6 до 1,2 МПа (от 6 до 12 кгс/см² избыточных), для сжиженных углеводородных газов до 1,6 МПа (до 16 кгс/см² избыточных). Газопроводы низкого давления служат для транспортирования газа в жилые, общественные здания и предприятия бытового обслуживания. В газопроводах жилых зданий разрешается давление до 3 кПа; в газопроводах предприятий бытового обслуживания непроизводственного характера и общественных зданий — до 5 кПа. Газопроводы среднего и высокого (II категории) давления служат для питания городских распределительных сетей низкого и среднего давления через газорегуляторные пункты (ГРП). Они также подают газ через ГРП и местные газорегуляторные установки (ГРУ) в газопроводы промышленных и коммунальных предприятий. По действующим нормам максимальное давление для промышленных предприятий, а также расположенных в отдельно стоящих зданиях отопительных и производственных котельных, коммунальных и сельскохозяйственных предприятий допускается до 0,6 МПа. Для предприятий бытового обслуживания производственного характера, пристроенных к производственным зданиям, давление газа допускается до 0,3 МПа. Городские газопроводы высокого (I категории) давления являются основными артериями, питающими крупный город, их выполняют в виде кольца, полукольца или в виде лучей. По ним газ подают через ГРП в сети среднего и высокого давления, а также промышленным предприятиям, технологические процессы которых нуждаются в газе давлением свыше 0,6 МПа. Питание газом жилых и общественных зданий, а также предприятий бытового обслуживания непроизводственного характера от сетей среднего и высокого давления осуществляют только через ГРП. Связь между газопроводами различного давления также осуществляется только через ГРП.

Сеть высокого давления должна быть резервированная. Резервируют сети кольцеванием или дублированием с обязательной проверкой пропускной способности при наиболее напряженных гидравлических режимах.

Городские газопроводы можно разделить на следующие три группы:

1) распределительные газопроводы, по которым газ транспортируют по снабжаемой газом территории и подают его промышленным потребителям, коммунальным предприятиям и в районы жилых домов. Распределительные газопроводы бывают высокого, среднего и низкого давления, кольцевые и тупиковые, а их конфигурация зависит от характера планировки города; 2) абонентские ответвления, подающие газ от распределительных сетей к отдельным потребителям; 3) внутридомовые газопроводы, транспортирующие газ внутри здания и распределяющие его по отдельным газовым приборам.

На территории городов и населенных пунктов газопроводы прокладывают в грунте. Для газопроводов промышленных и коммунальных предприятий целесообразно предусматривать надземную прокладку по стенам и крышам зданий, по колонкам и эстакадам. Допускается надземная прокладка внутриквартальных газопроводов на опорах и на стенах зданий. Газопроводы прокладываются по городским проездам. Рекомендуется предусматривать прокладку в технической зоне или в полосе зеленых насаждений. Расстояние от газопровода до стенок колодцев и камер подземных сооружений должно быть не менее 0,3 м. Допускается прокладка нескольких газопроводов в одной траншее. Расстояние между ними в свету должно быть принято достаточным для производства монтажа и ремонта трубопровода.

Арматуру, устанавливаемую на газопроводах, следует располагать не ближе 2 м. от края пересекаемых коммуникаций и сооружений.

При пересечении газопроводами каналов теплосети, коллекторов, тоннелей их прокладывают в футлярах, выходящих на 2 м с каждой стороны от наружных стенок пересекаемых сооружений, при этом должен быть обязательный контроль всех сварных стыков в пределах пересечения и по 5 м в стороны от наружных стенок неразрушающими методами. На одном конце футляра должна быть контрольная трубка. Глубина заложения газопроводов должна быть не менее 0,8 м до верха газопровода или футляра. Газопроводы, транспортирующие влажный газ, укладывают ниже зоны сезонного промерзания грунта с уклоном ≥ 0,002° и установкой конденсатосборников в низших точках.

Надземную прокладку газопроводов производят по наружным несгораемым покрытиям зданий, отдельно стоящим колоннам и эстакадам. По стенам газифицируемых жилых и общественных зданий допустима прокладка газопровода с давлением не более 0,3 МПа. Газопроводы, проложенные по стенам зданий, не должны нарушать архитектуру его фасада. Высоту прокладки принимают такой, чтобы газопроводы были доступны для осмотра и ремонта и чтобы была исключена возможность их повреждения.

При пересечении надземных газопроводов с воздушными линиями электропередачи они должны проходить ниже линий электропередачи. На газопроводе должны быть предусмотрены ограждения для защиты от падения на него электропровода. Газопроводы, транспортирующие осушенный газ, можно прокладывать без уклонов. Трубы и арматуру следует покрывать тепловой изоляцией.

5.Определение расходов газа.

Годовое потребление газа городом, районом города или поселком является основой при составлении проекта газоснабжения.

Расходы газа определяют выбор схемы системы, ее размеры, пропускную способность, металлоемкость и стоимость.

Расчет годового потребления производят по нормам на конец расчетного периода с учетом перспективы развития городских потребителей газа. Продолжительность расчетного периода устанавливают на основании плана перспективного развития города или поселка на 10-20 лет.

Все виды городского потребления газа можно сгруппировать следующим образом: а) бытовое потребление (потребление газа в квартирах); б) потребление в коммунальных и общественных предприятиях; в) потребление на отопление и вентиляцию зданий; г) промышленное потребление.

Расход газа зависти от численности населения и от низшей теплотворной способности газа.

Расчётная формула для определения годового расхода газа (нм³/год) при потреблении газа в квартирах на бытовые нужды записывается в виде: _{, где α1, q1, α2, q2 - коэффициент} использования газа и удельный расход газа на приготовление пищи и подогрев воды.

Системы газоснабжения городов рассчитывают на максимальный часовой расход газа, на хозяйственно-бытовые и производственные нужды следует определять как долю годового расхода: , где - коэффициент часового максимума, рассчитывают по максимальным значениям коэффициентов неравномерности газопотребления (сезонным, суточным и часовым)(вообще смотрят в таблице).

При расчете годовой расход газа на коммунально-бытовое потребление учитывают среднюю загрузку предприятий, охват обслуживания населения, удельного расхода газа на данную услугу (по нормам). (нормы количества населения, пользующегося услугой в течении года и как часто её пользуются (баня, столовая, прачечная итд);

_{Расход газа на отопление, вентиляцию и централизованное горячее водоснабжение жилых и общественных зданий определяют по удельным нормам теплопотребления.}

q₀, q_в– удельная отопительная и вентиляционная характеристика; t_в - температура в помещении; t_н- расчетная наружная температура для проектирования отопления; t_ср.м- средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки;W=75 м3 – наружный строительный объем жилых зданий; ŋ=0,85 – КПД системы отопления и вентиляции.

При расчете потребления газа городом должны быть увязаны не только каждый вид потребления по всем зданиям и сооружениям, где он имеет место (например, стирка белья в квартирах и прачечных, использование газа для нагрева воды в ваннах квартир или банях и т. д.), но и все виды энергии, используемые для каждого вида потребления. Расчет производят для каждого района отдельно, в конце расчета составляют итоговую таблицу расчета по всему городу. Крупных потребителей, которые будут присоединены к сетям высокого (среднего) давления, но уже вошедших в отдельные виды потребления, выделяют в самостоятельную группу (бани, прачечные, хлебозаводы, крупные рестораны и т. д.). Число потребителей газа по районам города выявляют из анализа их населенности, этажности застройки и ее основных характеристик, числа и характеристики предприятий и учреждений городского хозяйства, наличия централизованного горячего водоснабжения, характеристики отопительных систем, топливного и теплового баланса города.