Системы газоснабжения: устройство, монтаж и эксплуатация

УДК 696.2(075.8)
ББК 38.763
Ф75

Р е ц е н з е н т ы:

кандидаты технических наук О.Е. Федоров (Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова), В.М. Тюхматьев (Техникум отраслевых
технологий и финансов)

Фокин, С.В.
Системы газоснабжения: устройство, монтаж и эксплуатация : учебное пособие / С.В. Фокин, О.Н. Шпортько. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2014. – 288 с. : ил. –
(ПРОФИль).

ISBN 9785982812285 («АльфаМ»)
ISBN 9785160045801 («ИНФРАМ»)

Рассматриваются классификация и устройство систем газоснабжения,
газовых сетей и установок, газорегуляторных пунктов, измерительных приборов и средств автоматики, газифицированных котельных, их монтаж и
эксплуатация. Особое внимание уделяется вопросам охраны труда. Соответствует требованиям государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования.
Для студентов образовательных учреждений СПО, обучающихся по
специальности «Монтаж и эксплуатация оборудования систем газоснабжения».
УДК 696.2(075.8)
ББК 38.763

© Фокин С.В., Шпортько О.Н., 2014
© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2014

Ф75

ISBN 9785982812285 («АльфаМ»)
ISBN 9785160045801 («ИНФРАМ»)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ
ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Классификация и состав горючих газов

Классификация горючих газов. Горючие газы по
происхождению разделяются на природные и искусственные.
Природный газ образуется в недрах Земли, где он находится
под большим давлением в порах и пустотах пластов горных пород. Многие ученые считают, что природные газы образовались в результате разложения органических остатков животного или растительного происхождения, погребенных в недрах
осадочных пород.
Газ или нефть в толще земли заполняют пустоты пористых
пород, ограниченных непроницаемыми пластами. В зависимости от соотношения количества газа и нефти месторождение
эксплуатируется либо как нефтяное, либо как газовое. Природные газы добывают бурением скважин глубиной до 5–7 км.
На таких глубинах пластовое давление достигает нескольких
сотен атмосфер, и газ интенсивно выбрасывается на поверхность, увлекая за собой некоторое количество нефти, воды и
частиц породы. Иногда при выходе газа на поверхность в результате снижения температуры часть углеводородов конденсируется. Такие месторождения называют газоконденсатными.
При эксплуатации нефтяного месторождения из нефти в
результате снижения давления может выделиться газ, который
называется попутным.
На рис. 1.1 приведена схема газонефтяного месторождения.
При эксплуатации газовой скважины на поверхность выходит
газ. По мере отбора газа его давление снижается. Могут быть
случаи скопления и образования газовой залежи без признаков
нефти. Такие месторождения называют газовыми.
Искусственный газ получается при переработке на заводах
каменного угля, торфа, кокса, горючих сланцев и нефти. В зависимости от вида и способов переработки сырья получают
следующие виды искусственных газов: генераторный, коксовый, сланцевый и нефтегазы.
Выработанный на заводах газ очищают от вредных примесей (нафталина, сероводорода) и осушают для удаления влаги.
Неудаленная влага конденсируется в воду и в зимнее время замерзает, образуя в газопроводах ледяные пробки. Очищенный
и осушенный газ поступает в городские хранилища газа – газгольдеры.
Теплотворная способность искусственного и смешанного
газа 3500–4500 ккал/м3 при номинальном давлении 1,3 кПа.
Жидкий (сжиженный) газ – продукт переработки газа.
В жидком состоянии он находится только при повышенном
давлении в закрытых сосудах. При обычных условиях он переходит в газообразное состояние. Теплотворная способность
сжиженных углеводородных газов 22 000–28 000 ккал/м3 при
номинальном давлении 3 кПа.

Смесь природных и искусственных газов называют смешанным газом.

Состав горючих газов. В состав любого газообразного топлива входят горючая часть и негорючая. Чем больше горючая часть,
тем выше теплотворная способность топлива.
Различия в физикохимических и теплотехнических характеристиках газового топлива обусловлены: различием в составе
горючих компонентов; наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

6
Глава 1. Общие сведения о системах газоснабжения

Нефть
Нефть

Газ
Газ

Вода
Вода

1

2

Н
Г
В

Рис. 1.1. Схема газонефтяного
месторождения:
1 – непроницаемые пласты;
2 – пористые пласты;
Н – скважина для добычи нефти;
Г – скважина для добычи газа;
В – скважина водоносного
пласта

К горючим компонентам газообразного топлива относят
оксид углерода, водород, метан, диоксид углерода и кислород.
Оксид углерода СО – бесцветный газ, без запаха и вкуса; масса
1 м3 составляет 1,25 кг; теплотворная способность 12 637 ккал/кг
(67 590 ккал/моль). Увеличение содержания оксида углерода за
счетснижениябалласта(CO2+N2)резкоповышаеттеплотворную
способность и температуру горения низкокалорийных газов.
В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплотворную способность газа: 1 м3 оксида
углерода сгорает в теоретически необходимом количестве воздуха по уравнению

СО + 0,5О2 + 1,88 N2 = СО2 + 1,88 N2
и образует 2,88 м3 продуктов горения.
Вследствие малого объема продуктов горения углерода на
каждый 1 м3 приходится больше теплоты, чем на 1 м3 продуктов
горения углеводородов. Поэтому продукты горения оксида углерода нагреваются до более высокой температуры, хотя его
теплотворная способность ниже, чем у углеводородов.
Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04 % СО примерно 1/3
гемоглобина крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, а при содержании в воздухе около 0,1 % СО количество химически связанного гемоглобина достигает 50 % и
превышает 80 % при 0,4 % СО. Таким образом, оксид углерода
является высокотоксичным газом. Пребывание в течение 1 ч в
атмосфере, содержащей 0,2 % СО, вредно для организма. Пребывание в помещении, воздух которого содержит 0,6 % СО, в
течение 5 мин опасно для жизни. Предельно допускаемая концентрация СО в воздухе помещения при использовании газа
для коммунальнобытовых нужд составляет 2 мг/м3.
Водород Н2 – бесцветный нетоксичный газ, без вкуса и запаха. Масса 1 м3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха. Высшая и низшая теплотворные способности водорода составляют: Qв = 12 762 кДж/м3 (33 860 ккал/кг и 68 260 ккал/моль);
Qн – 10 806 кДж/м3 (28 640 ккал/кг и 57 740 ккал/моль); Qв превышает Qн на теплоту, затрачиваемую на испарение воды, которая образуется при сгорании водорода; 1 м3 водорода, сгорая в

1.1. Классификация и состав горючих газов
7

теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88 м3
продуктов горения. Реакция горения выражается формулой

Н2 + 0,6 О2 + 1,88 N2 = Н2О + 1,88 Ns.
Водород отличается высокой реакционной способностью,
водородновоздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
Метан СН4 – бесцветный нетоксичный газ, без запаха и
вкуса. В состав метана входит 75 % углерода и 25 % водорода;
1 м3 его весит 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре –162 С метан сжижается и его объем уменьшается почти в
600 раз. Поэтому ученые считают, что сжиженный природный
газ является перспективным топливом для многих отраслей
экономики. Расчеты показали, что использование и транспортирование сжиженного природного газа дает большой экономический эффект и позволяет значительно снизить металлозатраты на сооружение газопроводов. Использование сжиженного природного газа даст возможность решить проблемы,
связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах страны, а также создать большие запасы сырья для химической промышленности.
Вследствие содержания в метане 25 % водорода (по весу)
имеется большое различие между высшей и низшей теплотворными способностями: Qв = 39 788 кДж/м3 (13 200 ккал/кг,
212 860 ккал/моль); Qн = 35 825 кДж/м3 (11 957 ккал/кг,
191 820 ккал/моль).
Содержание метана в природных газах достигает 98 %, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.
Сгорание метана в воздухе протекает по уравнению

СН4 + 2 О2 + 7,52 N2 = СО2 + 2 Н2О + 7,52 N2.
В результате сгорания 1 м3 образуется 10,52 м3 продуктов
горения.
Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью, так как на разрыв четырех связей С–Н в молекуле
метана требуется большая затрата энергии.
Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан
С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Эти углеводороды помимо

8
Глава 1. Общие сведения о системах газоснабжения

связей С–Н имеют также связи С–С. Углеводороды метанного
ряда имеют общую формулу СnH2n+2, где n – углеродное число,
равное 1 для метана, 2 для этана, 3 для пропана, 4 для бутана.
С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность, теплотворная способность и
жаропроизводительность. Повышение жаропроизводительности с увеличением их молекулярной массы объясняется тем,
что разрывы связей С–С энергетически более выгоден, чем
разрыв связей С–Н.
В негорючую часть газообразного топлива входит азот N2 –
двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса. Масса 1 м3 равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле
тройной связью, и на разрыв этой связи расходуется 170,2 тыс.
ккал/моль. Эта теплота разрыва связи настолько велика, что
взаимодействие молекулярного азота и кислорода с образованием закиси азота сопровождается затратой большого количества теплоты.
Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при
расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ.
Углекислый газ (диоксид углерода) СО2 – бесцветный газ, тяжелый(в1,53разатяжелеевоздуха),низкореакционныйпринизких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. При
концентрации СО2 в воздухе 4–5 % приводит к сильному раздражению органов дыхания, 10%ная концентрация СО2 в воздухе
вызывает сильное отравление. Масса 1 м3 составляет 1,98 кг.
При температуре –20 С и давлении 5,8 МПа углекислый
газ превращается в жидкость, которую можно перевозить в
стальных баллонах. При сильном охлаждении СО2 застывает в
белую снегообразную массу. Твердый СО2 (или «сухой лед»)
широко используется для хранения скоропортящихся продуктов и для других целей.
Большинство природных газов содержит незначительную
долю СО2. Содержание СО2 в природных газах понижает их теплотворную способность, увеличивает плотность и делает неэкономичным транспортирование газа на дальние расстояния.
Кислород О2 – газ без запаха, цвета и вкуса. Масса 1 м3 составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому,

1.1. Классификация и состав горючих газов
9

согласно действующему ГОСТ Р 51330.11–99, содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % по объему.

Вредные примеси. Сероводород H2S – тяжелый газ с сильным
и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, высокотоксичный. Масса 1 м3 сероводорода равна 1,54 кг. Сероводород как газообразная кислота воздействует на металлы,
образуя сульфиды. Поэтому сероводород сильно корродирует
газопроводы, особенно если в газе одновременно содержатся
H2S, H2O и O2.
При сжигании газа сероводород сгорает, образуя сернистый
газ, вредный для здоровья. Под влиянием сернистого газа металлические поверхности легко подвергаются коррозии. Поэтому в соответствии с указанным выше ГОСТом содержание
сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м3 газа.
Цианистоводородная (синильная) кислота HCN с молекулярной массой 27. При нормальных условиях HCN представляет собой бесцветную легкую жидкость с температурой кипения 26 С. Вследствие такой низкой температуры кипения
HCN в горючих газах находится в газообразном состоянии.
Синильная кислота очень ядовита, оказывает корродирующее
воздействие на железо, медь, олово, цинк и их сплавы.
В силу этого действующим ГОСТом допускается наличие
цианистых соединений в пересчете на HCN не более 5 г на каждые 100 м3 газа.
Все природные газы бесцветны, и большинство из них не
имеет запаха. Поэтому в случае утечки их из газопроводов и
скопления в различных помещениях и сооружениях может образоваться газовоздушная смесь, которая останется незамеченной и может привести к несчастным случаям (удушье, взрыв).

1.2. Особенности сжиженных газов

Сжиженными углеводородными газами называют
углеводороды или их смеси, которые при температуре окружающего воздуха и атмосферном давлении находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении
давления (без снижения температуры) переходят в жидкости.

10
Глава 1. Общие сведения о системах газоснабжения

Основные источники получения сжиженных газов – газоконденсатные месторождения и попутные нефтяные газы. На
газобензиновых заводах из этих газов извлекают этан, пропан,
бутан и газовый бензин. Пропан и бутан, а также их смеси
представляют собой весьма ценные источники химического
сырья и газоснабжения, так как транспортировать и хранить их
можно в виде жидкостей, а сжигать в виде газа. При транспортировании и хранении сжиженных газов используется преимущество жидкой фазы, а при сжигании – газообразной.
С точки зрения газоснабжения коммунальнобытовых потребителей наиболее благоприятными свойствами обладает
технический пропан, так как при температуре от –35 до +45 С
он имеет высокую упругость паров и успешно применяется в
установках с отбором паровой фазы при естественном испарении. Это свойство позволяет устанавливать баллоны со сжиженным пропаном снаружи помещений.
Технический бутан имеет меньшую упругость паров, чем
пропан, и в установках с отбором паровой фазы его применяют
только при положительных температурах. Поэтому до последнего времени для газоснабжения коммунальнобытовых потребителей использовали технический пропан и только в летний период допускалась добавка некоторого количества технического бутана.
Нормальная работа подземных резервуарных установок на
сжиженном газе, содержащем 60 % бутана, невозможна, в связи с чем возникла необходимость дооборудования их устройствами, обеспечивающими искусственное испарение.
Свойства сжиженных газов обусловливают конструктивные особенности оборудования, в котором они транспортируются, хранятся и используются. Необходимо учитывать следующие особенности сжиженных газов:
значительную плотность паров;
невысокие температуры воспламенения;
низкие пределы взрываемости в воздухе;
возможность образования конденсата при повышении давления или снижении температуры;
высокую теплоту сгорания;

1.2. Особенности сжиженных газов
11