GAZOWNICTWO. Sieci gazowe - podstawowe informacje, obliczenia, optymalizacja.

Transkrypt

1 GAZOWNICTWO Sieci gazowe - podstawowe informacje, obliczenia, optymalizacja. Wrocław,

2 ZAKRES WYKŁADU 1. Informacje podstawowe o sieciach gazowych, 2. Obliczenia hydrauliczne: zasady oraz oprogramowanie, 3. Optymalizacja sieci gazowych, 4. Przykłady analiz

3 SIEĆ PRZEYŁOWA WYSOKIEGO CIŚNIENIA W POLSCE

4 ELEMENTY SYSTEMU GAZOWNICZEGO Źródła gazu - ZłoŜa gazu, - Podziemne Magazyny Gazu, - Odazotownie, - Punkty importu - Mieszalnie. - Terminale np. LNG Sieć gazowa, przyłącza - wysokiego ciśnienia, - podwyŝszonego średniego ciśnienia -średniego ciśnienia - niskiego ciśnienia. Elementy sieci gazowej - ZZU, - Tłocznie gazu - Stacje red-pom - Węzły gazowe, -Śluzy tłoka czyszczącego, - Kompensatory, - Odwadniacze, - Stacje ochrony katodowej, -Światłowody Odbiorca - gazomierze, - reduktory, - instalacje wewnętrzne

5 WSPÓŁPRACA SIECI GAZOWYCH STRUMIEŃ KOSZTÓW DOSYŁU GAZU DO PODMIOTU - ŚCIEśKA ZASILANIA przesył w układzie wysokiego ciśnienia dystrybucja miejscowa wydobycie / import system podstawowy sieć lokalna w/c SRP-1 st. śr/c SR-2 st. n/c tłocznia magazyn śr/c w/c Dostawy gazu do odbiorcy końcowego: - pod wysokim ciśnieniem (np.elektrociepłownie, Elektrownie, Zakłady Azotowe, Huty itp.), - pod średnim ciśnieniem: odb. przemysłowi, kotłownie i ciepłownie lokalne, odb. domowi (z układem reduktora ciśnienia), - pod niskim ciśnieniem: odb. domowi, drobny przemysł, usługi, małe kotłownie.

6 UREGULOWANIA PRAWNE ROZPORZĄDZENIE MINISTRA GOSPODARKI z dnia 30 lipca 2001 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe. (Dz. U. z dnia 11 września 2001 r.) SIEĆ GAZOWA - gazociągi wraz ze stacjami gazowymi, układami pomiarowymi, tłoczniami gazu, magazynami gazu, połączone i współpracujące ze sobą, słuŝące do przesyłania i dystrybucji paliw gazowych, naleŝące do przedsiębiorstwa gazowniczego, Przy projektowaniu i budowie sieci gazowej naleŝy uwzględniać warunki geologiczne, hydrologiczne, wymagania ochrony przeciwpoŝarowej oraz ochrony środowiska i zabytków. Sieć gazowa powinna być projektowana i budowana zgodnie z przepisami prawa budowlanego, w sposób zapewniający jej bezpieczną eksploatację oraz dostawę paliwa gazowego w ilościach wynikających z bieŝącego i planowanego zapotrzebowania. Projektujący i budujący sieć gazową powinni stosować system zarządzania jakością. Sieć gazowa powinna być sterowana i kontrolowana przez operatora sieci gazowej.

7 Gazociągi dzieli się według: 1. Maksymalnego ciśnienia roboczego na: a) gazociągi niskiego ciśnienia do 10 kpa włącznie, b) gazociągi średniego ciśnienia powyŝej 10 kpa do 0,5 MPa włącznie, c) gazociągi podwyŝszonego średniego ciśnienia powyŝej 0,5 MPa do 1,6 MPa włącznie, d) gazociągi wysokiego ciśnienia powyŝej 1,6 MPa do 10 MPa włącznie, 2. Stosowanych materiałów na: a) gazociągi stalowe, UREGULOWANIA PRAWNE b) gazociągi z tworzyw sztucznych.

8 ZAŁOZENIA DO OBL. SIECI GAZOWYCH Dobór parametrów ciśnienia pracy sieci gazowych: 1. Ciśnienie obliczeniowe dla sieci wysokiego ciśnienia: a) Ciśnienie dyspozycyjne źródła:, - ciśnienie uzyskiwane z kopalni gazu, - ciśnienie importu gazu (wynikające z umów i kontraktów), - ciśnienie tłoczenia tłoczni systemowych, - ciśnienia oddania gazu z PMG, Odazotowani, Mieszalni gazu b) Minimalne ciśnienie na wejściu do st. red-pom I-go stopnia: - dla odbiorców z sieci dystrybucyjnej ok.1,1 1,5 MPa, - dla odb. bezpośrednich (np.. Zakłady Azotowe) wg umowy 2. Ciśnienie obliczeniowe dla sieci średniego ciśnienia: a) Ciśnienie dyspozycyjne źródła:, - ciśnienie wyjścia ze stacji red-pom I-go stopnia 0,3 0,4 MPa, b) Minimalne ciśnienie dostawy do odbiorców: - przed układem reduktora i zaworu głównego 0,1 MPa

9 ZAŁOZENIA DO OBL. SIECI GAZOWYCH Dobór parametrów ciśnienia pracy sieci gazowych: 3. Ciśnienie obliczeniowe dla sieci niskiego ciśnienia: a) Ciśnienie dyspozycyjne źródła:, - ciśnienie wyjścia ze stacji red-pom II-go stopnia ok. 5,0 kpa, b) Minimalne ciśnienie dostawy do odbiorców: - za układem gazomierza i kurka głównego ok. 1,5 1,6 kpa Zakres prędkości maksymalnych przesyłu gazu Dla gazociągów niskiego ciśnienia zaleca się stosować prędkości 5 do 10m/s Dla gazociągów wysokiego ciśnienia 10 do 25m/s. W gazociągach średniego ciśnienia zwyczajowo stosuje się prędkości do 20m/s. Występują jednak róŝnice w podejściu poszczególnych firm do dopuszczalnych prędkości w gazociągach śr/c: de v = 14 m/s de v = 18 m/s de v = 22 m/s

10 Parametry rur gazowych 1. Orientacyjna chropowatość bezwzględna k (z doświadczeń biura): - rury stalowe nowe bez powłoki wewnętrznej: ok. k = 0,07 mm - rury stalowe nowe z powłoka epoksydowa wewnętrzną ok. k=0,01 mm, - rury stalowe eksploatowane bez powłoki wewnętrznej k=0,1 mm - rury PE k=0,01 mm ZAŁOZENIA DO OBL. SIECI GAZOWYCH 2. Określenie klasy lokalizacji gazociągu zgodnie z 3. Grubośćścianki rurociągu: obliczenia wytrzymałościowe i dobór grubości ścianki dla róŝnych materiałów 4. Opracowanie grafu sieci gazowej tj. lokalizacji w terenie na podkładach mapowych w odpowiedniej skali.

11 p p γ Q OBLICZENIA SIECI GAZOWYCH Obliczenia hydrauliczne Gazoprojekt wykonuje przy uŝyciu programów komputerowych opartych na postaci ogólnej równania na spadek ciśnienia L γ Q = ln + λ 2 2 2ZRT gf p2 D 2gF D wewnętrzna średnica gazociągu g przyspieszenie ziemskie L długość rury p ciśnienie Q natęŝenie przepływu p F = πd 4 T temperatura gazu Z współczynnik ściśliwości R stała gazowa γ cięŝar właściwy λ współczynnik strat liniowych ν kinematyczny współczynnik lepkości Współczynnik strat liniowych obliczany jest zgodnie z Polską Normą PN- 76/M w zaleŝności od charakteru przepływu: - w zakresie przepływów laminarnych wg wzoru Hagena Poliseuill a: - w zakresie przepływów turbulentnych ze wzoru Colebrooka White a: λ = 2log 64 λ = Re 2,51 e + Re λ 3,72 (Re liczba Reynoldsa; e względna chropowatość rury) 2 2

12 OBLICZENIA SIECI GAZOWYCH WSPÓŁCZYNNIK TARCIA RUR

13 PROGRAMY DO OBLICZANIA SIECI i INSTALACJI GAZOWYCH PlantFLOW SIMONE Plynos Obliczenia sieci, i instalacji gazowych realizujemy przy pomocy programów: GAZ SC ChemCAD HYSYS

14 PlantFLOW 6.0 Charakterystyka programu Program PlantFLOW oblicza: spadki ciśnienia rozkład prędkości i wydatki przepływu rozkład temperatur w sieciach rurociągów dla stanów ustalonych przepływów jednofazowych wielkości mocy cieplnej i spadków temperatury dla zadanych parametrów wymienników ciepła równomierność rozpływów w instalacji W przeciwieństwie do tradycyjnych metod analizy przepływu płynu program PlantFLOW wykorzystuje geometrię 3D co umoŝliwia komunikację z programami: AutoPIPE, AutoPLANT, Intergraph PDS, Candcentre PDMS. Do unikalnych elementów przepływowych uwzględnionych w programie naleŝą kryza, filtr siatkowy, przepływomierz turbinowy i kierownice łopatkowe.

15 PlantFLOW 6.0 Program umoŝliwia zamodelowanie i obliczenia: zaworów zwęŝki redukcyjnej miejscowej zmiany ciśnienia spręŝarki lub pompy o znanej charakterystyce pracy parametrów wymiennika ciepła (chłodnicy i nagrzewnicy) kryzy przepływomierza turbinowego kierownicy łopatkowej filtra siatkowego Aplikacja PlantFLOW zawiera bibliotekę gazów i cieczy z kilkoma modelami równania stanu w celu uwzględnienia ściśliwości gazów i ich mieszanin w obliczeniach spadku ciśnienia. W programie moŝliwa jest analiza wymiany ciepła obejmująca: - obliczenie wielkości mocy cieplnej - sprawdzenie zadanych parametrów chłodnicy/nagrzewnicy gazu - obliczenie temperatury gazu na wylocie z wymiennika ciepła

16 PlantFLOW 6.0 Prezentacja wyników w analiz hydraulicznych raport tekstowy zawierający pełne informacje dla wszystkich punktów w modelu odczyt wyników w wprost z modelu w oknie pracy programu

17 SIMONE SIMONE (SIMulation and Optimization of NEtworks), wiodący pakiet oprogramowania stosowany do symulacji i optymalizacji przepływów gazów w sieciach gazowych wszystkich ciśnień w stanach statycznych i dynamicznych (zmiennych w czasie), Program SIMONE wykorzystywany jest równieŝ przy rozwiązywaniu problemów związanych z eksploatacją i nadzorem sieci przesyłowych oraz rozliczeniami. UŜywany przez Gazprom, Ruhrgas oraz polskie firmy gazownicze.

18 SIMONE Modelowanie pracy sieci gazowych dynamiczne modelowanie krzywych poboru gazu, modelowanie dynamiczne włączania i wyłączania fragmentów sieci (zaworów odcinających), wykorzystanie akumulacji gazociągów. Modelowanie dynamiki procesów termicznych MoŜliwe jest modelowanie szczegółowego rozkładu temperatur na rurociągu (n.p. dla podwodnych rurociągów, przy symulacji przepływów w tłoczni) Uwzględnione są następujące zjawiska termodynamiczne: - dynamika przemian wynikających z efektu Joule a Thompsona - przepływy ciepła związane z wymianą pomiędzy gazem a otoczeniem z uwzględnieniem pojemności cieplnej otoczenia

19 SIMONE Przykłady dynamicznych analiz hydraulicznych 1. MODELOWANIE SIECI GAZOWYCH Analiza pracy sieci przy zmiennych w dobie, tygodniu, sezonie odbiorach gazu. 2. NAPEŁNIANIE INSTALACJI Analiza uderzeń hydraulicznych, rozkłady temperatur, określenie czasów napełniania. 3. OPRÓśNIANIE INSTALACJI Analiza czasów opróŝniania, temperatur, prędkości wylotowej gazu z kolumny wydmuchowej. 4. SYTUACJE AWARYJNE SIECI GAZOWEJ Modelowanie rozszczelnienia gazociągu. 5. ROZRUCH URZĄDZEŃ GAZOWYCH Analiza chwilowych spadków ciśnienia przy rozruchu turbin silników gazowych stacji redukcyjno pomiarowych. 6. ANALIZA PRACY TŁOCZNI Modelowanie dynamiczne układów, analiza charakterystyk prac, ocena zuŝycia gazu paliwowego. 7. MODELOWANIE UKŁADÓW REDUKCYJNYCH Analiza pracy zaworów redukcyjnych, spadków temperatur na reduktorach. Obliczenia mocy podgrzewu wstępnego.

20 Napełnianie kolektora tłocznego: Napełnianie kolektora tłocznego

21 Napełnianie kolektora tłocznego wykres temperatur

22 Napełnianie instalacji agregatów TUCO:

23 Napełnianie instalacji agregatów wykres temperatur:

24 Charakterystyka turbiny GT 10B

25 Wykres zmiany zapotrzebowania mocy podgrzewu wstępnego w czasie rozruchu turbiny (kw) dp/dt=0,005 Maksymalna zmiana ciśnienia w czasie 1s. ( gradientu ciśnienia ) podczas rozruchu turbiny

26 Termodynamiczne obliczenia hydrauliczne układów gazociągowych Analiza hydrauliczna Systemu Gazociągów Tranzytowych

27 Rozkład ciśnień i temperatur gazu w układzie SGT w okresie zimowym Rozkład ciśnień i temperatur gazu w układzie SGT w okresie letnim

28 GAZSC Analiza sieci rozdzielczej śr/c GAZSC Analiza sieci rozdzielczej śr/c

29 GAZSC Dobór średnic dla gazociągów sieci rozdzielczej śr/c

30 PLYNOS Analiza sieci wysokiego ciśnienia

31 PLYNOS Prezentacja wyników analiz hydraulicznych wykresy Sankey a

32 PLYNOS STRATA Analizy termodynamiczne gazociągów Odc. 1 Odc [m] [m] Wej. Filt. Kompr.Chlod.Gazociag Wej. Filt. Kompr.Chlod.Gazociag Wyj temp. [c o ] tł.kondratki DN1380 tł.włocławek 22.0 DN

33 HYSYS i CHEMCAD Projekt procesowy Co jest potrzebne do stworzenia projektu procesowego? Dane materiału wejściowego oraz produktu - Temperatura - Ciśnienie - Skład chemiczny - NatęŜenie przepływu

34 HYSYS i CHEMCAD Projekt procesowy obejmuje: Koncepcję procesu Projekt procesowy Wybór modelu matematycznego (SRK, Peng-Robinson, NRTL i inne) Obliczenia termodynamiczne Obliczenia hydrauliczne rurociągów Optymalizację procesu: - jak najmniejsze zuŝycie mediów i energii - maksymalne wykorzystanie ciepła - zagospodarowanie produktów ubocznych

35 Raporty z obliczeń Projekt procesowy zawierająchemcad szczegółowe dane AspenTech Hysys kaŝdego ze strumieni: temperaturę ciśnienie przepływ skład chemiczny własności fizykochemiczne Optymalizacja ilości powietrza Optymalizacja ilości gazu

36 OPTYMALIZACJA SIECI GAZOWYCH Konfiguracja sieci Ilość, zasięg oddziaływania i przepustowość stacji redukcyjno pomiarowych, Dobór ciśnienia roboczego: średnie niskie niskie ciśnienie D Dobór tworzywa na rury przewodowe: stal polietylen B C B Warianty zasilania odbiorców z sieci dystrybucyjnej: - bezpośrednio z sieci wysokiego ciśnienia - z sieci średniego ciśnienia - z sieci średniego ciśnienia z redukcją na ciś. niskie - z sieci niskiego ciśnienia A średnie ciśnienie wysokie ciśnienie

37 SPECYFIKA OPTYMALIZACJI SIECI GAZOWYCH W procesie projektowania i realizacji inwestycji podstawowym zadaniem jest wybór rozwiązań ekonomicznie optymalnych zapewniających uzyskanie wymaganych parametrów technicznych oraz bezpieczeństwo dostaw W gazownictwie sposób podejścia zaleŝy czy dotyczy to: budowy nowych sieci modernizacji sieci istniejących system przesyłowy wysokiego ciśnienia: - gazociągi, - tłocznie, - węzły pomiarowe, - PMG. układy dystrybucyjne: - gazociągi, - stacje redukcyjno-pomiarowe.

38 DAWNIEJ OBECNIE SPECYFIKA OPTYMALIZACJI SIECI GAZOWYCH Minimalizacja czasu projektowania i budowy Oszczędność nakładów na budowę, Oszczędność kosztów eksploatacyjnych, Minimalizacja materiałochłonności i energochłonności w czasie budowy i eksploatacji, Ochrona środowiska. Minimalizacja kosztów przesyłu Maksimum dyspozycyjności układu DLA KAśDEGO Z WYśEJ WYMIENIONYCH KRYTERIÓW MOśE BYĆ PRZEPROWADZONA ANALIZA WRAśLIWOŚCI

39 PRZYKŁADY ANLIZ SIECI GAZOWYCH

40 Trasa PRZYKŁAD 1 OPTYMALIZACJA UKLADU PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE Optymalizacja przebiegu trasy i konfiguracji układu gazociągów Etapowanie realizacji 1- etapowe wieloetapowe Wybór z dyskontowaniem nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji. Parametry gazociągów Wybór ekonomicznej średnicy - rozstaw tłoczni - lokalizacja i pojemność PMG Dobór materiałów - gatunek stali - powłoki wewnętrzne Rodzaj próby rozruchowej - czy i kiedy test napręŝeniowy Stosowanie tłoka diagnostycznego (inteligentnego) - czy zawsze i w jakim zakresie

41 PRZYKŁAD 1 OPTYMALIZACJA UKLADU PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE Rozwiązanie 1 R1 DN etap Rozwiązanie 2 R2 DN etap DN etap Odolanów Rozwiązanie 3 DN etap DN etap R3 DN etap PMG Wierzchowice L=31,6km warianty rozwiązań

42 PRZYKŁAD 1 OPTYMALIZACJA UKLADU PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE PROPONOWANE ROZWIĄZANIA: Rozwiązanie I Rozwiązanie II Rozwiązanie III Zakłada jednoetapowe wybudowanie gazociągu DN 1000 L=30.6 km pr.8,4 MPa - pozwoli to na napełnianie i odbiór docelowych ilości gazu - uniknięcie długotrwałych uzgodnień Zakłada dwuetapową budowę gazociągu Etap I - budowa gazociągu DN 900 Etap II - budowa drugiego gazociągu DN 600 (do 2006 r. ) Zakłada trzyetapową budowę gazociągu Etap I - budowa gazociągu DN 700 Etap II - budowa drugiego gazociągu DN 700 Etap III - budowa trzeciego gazociągu DN 600

43 PRZYKŁAD 1 OPTYMALIZACJA UKLADU PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE ANALIZA EKONOMICZNA WYKAZAŁA śe NAJKORZYSTNIEJSZYM ROZWIĄZANIEM JEST JEDNOETAPOWA BUDOWA GAZOCIĄGU DN 1000 pr8,4 MPa

44 PRZYKŁAD 2 ANALIZA BUDOWY SIECI GAZOWEJ DLA ZASILANIA ODBIORCÓW ENERGETYCZNYCH Analiza załoŝeń do opracowania i budowa modelu analitycznego ZAŁOśENIA WYJŚCIOWE Średnica rur do określenia w zakresie DN 400 DN 600 Współczynnik chropowatości k Warianty trasy gazociągu Wersja bez powłoki - standardowa Wersja z powłoką obniŝająca współczynnik chropowatości Warianty odbioru gazu gazu W I -odbiór po 150 km 190 mln Nm3/rok -odbiór po 100 km 300 mln Nm3/rok -odbiór po 300 km 550 mln Nm3/rok -odbiór po 50 km 400 mln Nm3/rok Warianty odbioru gazu gazu W I I -odbiór po 150 km 190 mln Nm3/rok -odbiór po 100 km 300 mln Nm3/rok -odbiór po 300 km 550 mln Nm3/rok -odbiór po 50 km 400 mln Nm3/rok -dodatkowy odbiór po kolejnych 300 km W I 600 km gazociągu i cztery punkty odbioru gazu WII 900 km gazociągu i pięć punktów odbioru gazu

45 Analiza hydrauliczna i wytrzymałościowa Analiza kosztowa WARIANTOWE ANALIZY HYDRAULICZNE UKŁADU określenie poziomów ciśnień roboczych układu określenie średnicy gazociągu określenie ilość i rozstaw tłoczni na trasie określenie mocy i parametrów pracy poszczególnych tłoczni WARIANTOWE OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE RUR poziomy ciśnień roboczych z obliczeń hydraulicznych określenie materiału rur określenie minimalnych grubości ścianek rur WYBÓR TECHNICZNIE UZASADNIONYCH WARIANTÓW BUDOWY UKŁADU ANALIZA KOSZTÓW SPROWADZONYCH DLA POSZCZEGÓLNYCH WARIANTÓW wskaźniki nakładowe na realizację gazociągu i tłoczni w wariantach koszty eksploatacji układów przesyłowych USTALENIE OPTYMALNEGO WARIANTU BUDOWY UKŁADU PRZESYŁOWEGO OPRACOWANIE WSTĘPNEGO BUDśETU INWESTYCJI ORAZ KOSZTÓW EKSPLOATACJI

46 ANALIZA HYDRAULICZNA GAZOCIAGÓW I TŁOCZNI

47 ROZKŁAD CIŚNIEŃ I STRUMIENI GAZU

48 PRACA TŁOCZNI GAZU

49

50

51 PRZYKŁAD 3 ANALIZA ROZBUDOWY SIECI PIERSCIENIOWEJ DLA ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE KIELC odbiorca

52 PRZYKŁAD 3 ANALIZA ROZBUDOWY SIECI PIERŚCIENIOWEJ DLA ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE KIELC Ciśnienia w punktach wejścia: Aktualne węzeł Zarzekowice 3,0 MPa węzeł Zborów 2,8 MPa Przewidywane węzeł Zarzekowice 3,0 3,8 MPa węzeł Zborów 3,8 4,0 MPa Opcje kierunków zasilania Odbiorcy: opcja 1 tylko z węzła Zborów gazociągiem Zborów Mójcza opcja 2 tylko węzła Zarzekowice, opcja 3 dwukierunkowo z obu wymienionych powyŝej węzłów

53 PRZYKŁAD 3 ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE KIELC