TEMA

Sa se proiecteze o conducta pentru transportul gazelor naturale, cu urmatoarele date initiale, tinand cont de numarul de ordine j =15.

Debitul de gaze

Q_g j [Stm³/zi] ;

Q_g [Stm³/zi]

Lungimea conductei

L = 120+ 0,1 · j [km] ;

L [km]

Presiunea finala

p₂ = 6 + 0,1·j [bar] ;

p₂ = 6+0.1·15 =7,5[bar] ;

Diametrul conductei

D = 12 in ;

D = 304,8 [mm] = 0,3048 [m]

Densitatea relativa a gazelor

= 0,554 ;

Vascozitatea relativa a gazelor

μ = 0,012 cP ; μ = 0,012 ·10 ‾ ³ [N/m²]

Densitatea aerului

ρ_aer = 1,293 [kg/m³] ;

Rugozitatea conductei

k_s = 0,03 [cm] ;

Factorul de neidealitate

Z = 0,9 + 0,001·j

Z = 0,9 + 0,001·15 = 0,915;

Calculam Z cu relatia lui Istomin:

Recalculam pe Z pentru CH₄ cu relatia lui Dranchuk si Abou-Kassem:

in care:

ρ_r

T_r = temperature pseudoredusa;

P_r = presiunea pseudoredusa;

A₁ = 0,3265; A₂ = -1,0700; A₃ = -0,5339; A₄ = 0,01569; A₅ = -0,05165; A₆ = 0,5475;

A₇ = -0,7361; A₈ = 0,1844; A₉ = 0,1056; A₁₀ = 0,6134; A₁₁ = 0,7210.

T_cr = 190 [K]

T_abs= 15°C

P_cr = 4,54[MPa]

P_abs= 7,9 [bar]

=

Z=0,9673

I. Calculul hidraulic

I.1 Stabilirea regimului de curgere

Pentru stabilirea regimul de curgere trebuie calculat numarul lui Reynolds.

Luand drept criteriu numarul lui Reynolds, in functie de marimea acestuia se pot distinge 3 regimuri fundamentale de curgere: laminar, instabil si turbulent.

Calculul debitului

Q = [Stm³/s]

Q = = 1,331 [Stm³/s]

Calculul vitezei medii

v_m = [m/s]

v_m = [m/s]

Determinarea densitatii gazelor transportate

ρ_g = δ · ρ_aer [kg/m³]

ρ_g [kg/m³]

Calculul numarului lui Reynolds

Re ==331719.936 > 2300

In urma calcularii numarului Reynolds se observa ca regimul de curgere este turbulent.

I.2 Calculul coeficientului de rezistenta

D = [m]

k_s = [m]

Verificarea cu formula lui Weymouth:

_v

_v

R_crI

Re_crII

Re_crII = 1389301,04

Re_crII > Re> Re_crI

Regim turbulent mixt.

I.3 Calculul presiunii de intrare in conducta - relatia lui Weymouth

p₁ = ;

unde:    Q - debitul [Stm³/h] ;

L - lungimea conductei [km] ;

D - diametrul conductei [cm] ;

Z - factor de neidealitate;           - presiune [bar].

p₁ = = 8,2956[bar]

Pentru S.I.:

p₁₌

p₁ =7.5

Conform Normativului departamental 3915-94 pentru proiectarea si construirea conductelor colectoare si de transport gaze naturale emis in anul 1995.

p₁ =

P₀ = P_a→P₀=1bar=10⁵ Pa

T₀ = K→T₀=273,15 K

L = m→L = 121,5 Km=121,5·10³ m

T = K →T =288,15 K

R_a=J/KgK→R_a=278,041 J/KgK

Q = Stm³/h→Q= Stm³/h

D= cm→ D=30,48 cm

P₁ = 7,5 bar

Pentru Z 0,9673→P₁ 7,5 bar

p₁ =

T = 288.15 K

L = 121,5 ·10³ m

Q= Stm³/h

D=30.48 cm

p₁ =

p₁ = 750008,63 Pa.

Pentru determinarea coeficientului λ normativului departamental 3915-94 face trimitere la formula Colebrook- White.

Q- Stm³/s

μ - N/m

D ,48 cm = 304,8 mm

I.4 Calculul pantei hidraulice

i = = 0,006548; ;

I.5 Calculul presiunii medii

p_m = [bar]

I.6 Calculul caderii de presiune pe tronsoane

x_i=1

Impartim conducta in zece bucati adica L/10:

p_x =                    

p_x1 = = 8.2195 [bar]

p_x2 = = 8.1427 [bar]

p_x3 = = 8.0584 [bar]

p_x4 = = 7.9868[bar]

p_x5 = =7.9078 [bar]

p_x6= =7.8279[bar]

p_x7 ==7.7472[bar]

p_x8 = =7.6657 [bar]

p_x9 = =7.5833[bar]

p_x10 = =7,5 [bar]

I.7 Calculul volumului de gaze stocat in conducta

Conducta se poate folosi si pentru stocarea temporara a gazelor, ea comportandu-se ca un rezervor orizontal cu un diametru mai redus.

[SI]

unde: D - diametrul interior al conductei [m] ;

V - cantitatea de gaze stocata in conducta [Stm³] ;

p₀ - presiunea normala ; p₀ = 101325 Pa ;

T₀ - temperatura normala ; T₀ = 273,15 [K] ;

T - tempertura gazelor din conducta ; T = 15 °C ;

p₁,₂ - presiunea initiala, respectiv finala ;

L - lungimea conductei [m] ;

= 64282.46727 [Stm³]

[MKFS]

II. Calculul mecanic al conductei de transport gaze

II.1 Calculul grosimii peretelui tevii conductei de transport gaze

unde:

e-grosimea nominala a peretelui

D_ext-diametrul exterior al conductei;

D_ext 323,8mm;

P_{r max} presiunea maxima de regim a gazelor [bar]

φ - coeficientul de calitate ale imbinarilor sudate;

σ_c - rezistenta minima la curgere a otelului materialului tubular [N/m²];

σ_c 3870 N/m²;

S - coeficient de siguranta care se ia functie de clasa de locatie a traseului conductei;

S

a - adaos la grosimea de perete a conductei pentru coroziune,abraziune,toleranta de fabricatie;

a = a₁+a₂+a₃

a = 0.

Se alege din STAS A.P.I. specificatia 5L:

e = 7.6mm

II.2 Calculul cantitatii de metal necesar pentru o conducta de transport gaze

G = V_met·10³·2,467 [t/km] ;

unde:    G - cantitatea de metal [t/km] ;

D_int - diametrul interior al conductei [cm] ;

D_ext- diametrul exterior al conductei [cm] ;

G [t/km] .

II.3 Calculul temperaturii in conducta de transport gaze

Spre deosebire de gazele ideale, gazele reale se pot lichefia prin comprimare si/sau racire. Lichefierea are loc numai la anumite presiuni si temperaturi, specifice pentru fiecare gaz in parte.

Temperatura la care apare prima picatura de condens se numeste temperatura punctului de roua.

;

unde: T_x - temperatura in conducta de transport gaze la distanta x de punctul initial al conductei [K];

T_s - temperatura solului [K];

T₀ - temperatura intiala a gazelor [k]; T₀ = 288,15[k];

k - coeficientul de transfer al caldurii [kcal/m²hK]; k = 1,3 [kcal/m²hk];

D_ext - diametrul exterior al conductei [m]; D_ext = 0,3238 m

Q - debitul de gaze [stm³/h] ;Q = 4183[stm³/h]

- densitatea gazelor [kg/m³] ; ,7112[kg/m³]

c_p - caldura specifica la p₀ [kcal/kgk] ;

c_p = 0,36 + 0,599 10^-3T [kcal/kgk] ;

c_p 10^-3 288,15 = 0,533 [kcal/kgk] ;

Determinarea distantei corespunzatoare aparitiei punctului de roua:

unde x este distanta de la punctul initial pana la punctul in care se formeaza punctul de roua.

- temperatura punctului de roua:T_x = 285,15 [k]

temperatura solului pentru iarna: T_s = 275,15 [k] ;

temperatura solului pentru vara: T_s = 284,15 [k] ;

Pentru iarna :

Pentru vara :

Calculul debitului:

debitul de gaze [Stm³/s]

T₀ - temperatura normala ; T₀ = 273,15 [K] ;

p₁,₂ - presiunea initiala, respectiv finala [Pa]

λ - coeficient de frecare hidraulica;

L = 121,5 Km = 121,5·10³ m;

D = 0,3048 m;

Z = 0,9673;

R_a 278,041[J/kgK].

II.4 Calculul conductelor de gaze cu ramificatii care primesc sau livreaza gaze pe traseu

Conform schemei de mai jos, sa se evalueze care ar fi presiunile in punctele: B, C, D, E ale conductei de transport gaze daca:

[m]

q₁ =    

q₂ = [m³·h^-1]

q₃ = [m³·h^-1]

Q_A=Q Q_A=4791.66 [m³ ora

Q_B=Q - q₁ Q_B=2395.83 [m³ ora

Q_C=Q_B - q₂ Q_C=1197.9134 [m³ ora

Q_D=Q_B + q₃ Q_D=5989.58 [m³ ora

Q_E=Q_D Q_E=5989.58 [m³ ora

Q = 1,331 [Stm³/s]=1,331·3600 [Stm³/h]

L = 121,5 Km = 121,5·10³ m

D = 0,3048 m = 30,48 cm

Z = 0,9673

[SI]

Pentru tronsonul L₄

Pentru tronsonul L₃

Pentru tronsonul L₂:

Pentru tronsonul L₁

Pentru sistemul tolerant de unitatii de masura

Q = 1,331 [Stm³/s]=1,331·3600 [Stm³/h]

L = 121,5 Km

D = 0,3048 m = 30,48 cm

Z = 0,9673

Pentru tronsonul L₄

Pentru tronsonul L₃

Pentru tronsonul L₂:

Pentru tronsonul L₁:

III. Comprimarea gazelor

Presiunea necesara penru transportul gazelor naturale prin conducte se realizeaza in statii de comprimare.

Cand presiunea gazelor nu mai este suficienta pentru a asigura debitul prevazut se instaleaza o statie de compresoare in punctul initial al conductei si o serie de statii intermediare pe traseul conductei.

Procesul de comprimare al gazelor se realizeaza cu ajutorul compresoarelor care pot fi de mai multe tipuri. Se instaleaza o statie de comprimare a gazelor cu piston in punctul final al conductei.

Se cunosc:

Coeficientul transformarii politrope: n= 1,28

Spatiul mort: m = 0,15

Raportul de comprimare: r = 2,3

Cursa pistonului: s = 0,38[m]

Diametrul pistonului: D_C = 0,15[m]

Turatia compresorului: n_C = 310[rot/min]

Diametrul tijei: d_t = 0,025[m]

Numarul de cilindrii: N_C

Volumul de aspiratie: V_A = 1[m³]

Coeficientul transformarii adiabate: k

III.1 Calculul lucrului mecanic

III.1.1 Lucrul mecanic in destinderea izoterma

L_iz = p_aV_aln                      

Unde: L_iz - lucrul mecanic in destinderea izoterma;

p_a - presiunea de aspiratie:

III.1.2 Lucrul mecanic in destinderea adiabata

L_ad =             

L_ad =

III.1.3 Lucrul mecanic in destinderea politropa

L_pol =

III.2 Randamentul volumetric al compresorului

Raportul dintre volumul de gaze aspirat V_a si plasamentul pistonului V_c reprezinta randamentul volumetric al pistonului.

III.2.1 Randamentul compresorului in detenta izoterma

η_v^izt = 1 - m (r - 1) = 1 - 0,15 (2,3 -1) = 0,805 = 80,5 % ;

III.2.2 Randamentul compresorului in detenta adiabata

η_v^ad = 1 - m ( - 1) = 1 - 0,15 ( -1) = 0,859 =85,9 % ;

III.2.3 Randamentul compresorului in detenta politropa

η_v^pol = 1-m ( - 1) = 1 - 0,15 ( -1) = 0,862 = 86,2 % ;

III.2.4 Randamentul efectiv al compresorului

include mai multe pierderi:

Pierderi cauzate de neetanseitatea supapelor, segmentilor

Se alege η₁ =0,97

Pierderi la aspiratie si refulare

Se alege η₂ =0,97

Pierderi de debit datorita pierderii gazului aspirat

Se alege η₃=0,98

Pierderi de gaze datorita umiditatii gazului aspirat

sau

η_e = η₁· η₂· η₃· η₄

η_e = 1-m ( - 1) - 0,01r = 1-0,15 ( -1) -0,01

sau:

η_e = 0,97-m ( - 1) 0.97-0,15 ( -1)=0.832=83.2%

III.3 Temperatura gazelor la intarea in compresor

unde :

T₀ este temperatura de referinta T₀ = 288,15 [ K ] ;

T_s - temperatura solului [K];

k - coeficientul de transfer al caldurii [kcal/m²hK]; k = 1,26 [kcal/m²hk];

D_ext - diametrul exterior al conductei [m]; D_ext = 0,3238 m

Q - debitul de gaze [stm³/h] ;Q = 1,331[stm³/s]

c_p - caldura specifica la p₀ [kcal/kgk] ; c_p= [kcal/kgk];

III.3.1 Temperatura gazelor la intarea in compresor vara

Temperatura solului: T_s=284,15[K]

III.3.2 Temperatura gazelor la intarea in compresor iarna

Temperatura solului: T_s=275,15[K]

Calculul randamentului efectiv al compresorului calculat cu:

Sau:

III.4 Debitul masic al compresorului

G=Q _g [kg/s] ;

III.5 Calculul puterii compresorului

III.5.1 Puterea pentru comprimarea izoterma

N_iz = L_iz ·G = 624681.8422[J/kg] · 0,9533[kg/s] = 595509.2002[W] = 595.5092 [kW]

III.5.2 Puterea pentru comprimarea adiabata

N_ad = L_ad ·G = 681399.2947 [J/kg] · 0,9533[kg/s] = 649577.9476[W] =649.5779 [kW]

III.5.3 Puterea pentru comprimarea politropa

N_pol = L_pol ·G = 685209.5508[J/kg] · 0,9533[kg/s] = 653210.2648 [W] = 653.2102[kW]

III.6 Calculul debitul compresorului monoetajat

cu simplu efect

                      

vara

iarna

cu dublu efect

vara

iarna

III.7 Calculul debitul total al compresorului monoetajat

cu simplu efect

vara

q = q^'·N_c=14.438·5=72.19

iarna

q = q^'·N_c=14.8987·5=74.4935

cu dublu efect

vara

q = q_d·N_c=28.9451·5=144.7255

iarna

q = q_d·N_c=29.7974·5=148.987

III.8. Calculul puterii compresorului monoetajat

III.8.1 Calculul puterii compresorului monoetajat cu simplu efect

1. Neluand in calcul influenta factorului Z

MKfs

V_c - volumul geometric al cilindrilor descris de piston

               

Daca se considera ca acest compresor are 5 cilindri atunci:

V₅ = 5·V_c = 5·2,08 = 10,4 [m³/min]

P_a = 7,5·1,02 = 7.65 at

P_a = 7.65 +1 = 7.75 ata

N = 193.665 [cP]

N=193.665·735,5= 142440.6281 [W]

S.I.

Luand in calcul influenta factorului Z

vara:

iarna:

III.8.2 Calculul puterii compresorului monoetajat cu dublu efect

1)Luand in considerare influenta factorului Z:

MKfs:

S.I.:

N= 429173.942[W]

2)Neluand in considerare influenta factorului Z:

Vara:

Iarna:

IV. Calculul de racire al compresorului

Vom considera ca transformarea gazelor in compresor este politropa si se realizeaza cu un compresor cu piston.

Sa se calculeze cantitatea de caldura ce trebuie evacuata din cilindrul compresorului si cantitatea de apa necesara pentru racirea compresorului.

Temperatura gazului la intarea in compresor T₁=T_r

Temperatura gazului la iesirea din compresor T₂

IV.1. Calculul de racire al compresorului cu piston

IV.1.1. Cantitatea de caldura ce se degaja la racirea cilindrilor

Vara:

Qc=96319.0233 [KJ/h]

Iarna:

Qc=92060.7312 [KJ/h]

IV.1.2. Cantitatea de caldura ce trebuie evacuata din cilindru intermediar

Vara:

Qi=1765501.049 [KJ/h]

Iarna:

Qi=1687447.733 [KJ/h]

IV.1.3. Cantitatea totala de caldura ce trebuie evacuata

Unde x este nr de trepte al compresorului.

1)Pentru compresorul cu piston intro singura treapta:

Vara:

=96319.0233 [KJ/h]

Iarna:

=92060.7312 [KJ/h]

2)Pentru compresorul cu piston cu doua treapte:

Vara:

[KJ/h]

Iarna:

[KJ/h]

IV.1.4. Cantitatea de apa necesara pentru racirea compresorului

                 

1)Pentru compresorul cu piston intro singura treapta:

Vara:

Iarna:

2)Pentru compresorul cu piston cu doua trepte:

Vara:

Iarna:

IV.1.5. Cantitatea de apa necesara pentru racirea motorului

Pentru simplu efect:

Pentru dublu efect:

Racirea se realizeza numai vara deoarece iarna temperatura este mentinuta sub 60 C si motorul nu are nevoie de racire suplimentara.

IV.2. Calculul numarului de agregate separate pentru fiecare treapta

C

c-coeficient.

IV.3. Calculul puterii absorbite de un compresor centrifugal

Puterea absorbita de un compresor:

-cresterea entalpiei gazelor

Vara:

Iarna:

IV.4. Calculul puterii absorbite totala

Vara:

Iarna:

IV.5. Calculul randamentului termic al turbocompresorului

                     

Hi=8500 KJ/kg;

Vara:

Iarna:

V. PREGATIREA GAZELOR PENTRU TRANSPORT

Continutul de apa in gazele naturale este in functie de presiunea si temperatura lor, parametrii care variaza pe parcurs. Acest continut este maxim in zacamant, apoi o parte din vaporii de apa condenseaza si se separa, iar gazul ramane saturat.

Extragerea vaporilor de apa din gazele naturale se poate realiza prin:

comprimare, racire si separare;

absorbtie cu o solutie higroscopica (glicoli);

adsorbtie cu un desicant solid (silicagel).

Deshidratarea prin adsorbtie:

In procesul de adsorbtie retinerea vaporilor de apa din gazele naturale se face prin concentrarea lor pe suprafata adsorbantului care este foarte mare pe unitatea de greutate.

Cand suprafetele s-au saturat cu vapori de apa si se ajunge la un echilibru, desicantul trebuie regenerat, ceea ce se realizeaza prin scaderea presiunii gazului care trece prin el sau prin cresterea temperaturii. Acest procedeu este raspandit in toate instalatiile industriale.

Utilizarea desicantilor solizi ofera urmatoarele avantaje:

o       se pot obtine depresiuni mari ale punctului de roua;

o       se pot exploata cu parametrii variabili;

o       simplicitate in proiectare si exploatare;

o       nu pun probleme de coroziune, spumare etc.;

o       se pot realiza instalatii pentru debite foarte reduse.

Principalele dezavantaje constau in suscebilitatea de contaminare si pierderea capacitatii de adsorbtie, consumul de caldura mai ridicat decat in cazul instalatiilor de absorbtie si in sfarsit, caderile de presiune mai mari la trecerea gazelor prin masa adsorbantului, decat prin coloana cu talere.

Se considera o instalatie de deshidratare prin adsorbtie cu site moleculare avand urmatoarele caracteristici:

Debitul masic de gaze: Q = 1,15 10⁵ [m³/zi]

Temperatura de intrare a gazelor: T_gi = 288,15 [K]

Punctul de roua: T_r = 285,15 [K]

Presiunea in coloana de adsorbtie: p_ab = 80 [bar]

Durata unui ciclu: t_ad = 6 [ore]

Capacitatea reala de adsorbtie: a = 18 %

Continutul de umiditate la intrare: u₁ = 1,7 [g/m³_N]

Continutul de umiditate la iesire: u₂ = 0,055 [g/m³_N]

Diametrul coloanei de adsorbtie: D_ad = 1,2 [m]

Densitatea sitelor moleculare : [kg/m³]

V.1 Debitul maxim

V.2 Volumul ocupat de adsorbant in coloana

              

V.3 Inaltimea coloanei de adsorbtie

CONCLUZII

Proiectarea unui sistem de transport gaze si de comprimare a gazelor este un calcul complex care are in vedere realizarea unei scheme tehnice de transport astfel incat cheltuielile efectuate pentru acestea sa fie cat mai reduse, dar cu un randament maxim.

Unii dintre parametri care intervin in calcul, depind de proprietatile gazului transportat, deci proiectarea sistemului de transport tine seama de acesti parametri, deci de respectivele proprietati(densitate, vascozitate, presiune, temperatura etc.) si este valabila numai pentru gazul transportat pentru care s-a facut calculul.

Tratarea gazelor pentru transport se face prin procesul de adsorbtie a apei din gaze pe site moleculare. Fenomenul de adsorbtie se bazeaza pe proprietatea pe care o au unele corpuri solide de a concentra pe suprafata lor anumite substante in stare de vapori sau lichid. Tratarea gazelor se face pentru a preveni formarea criohidratilor care blocheaza conducta.

BIBLIOGRAFIE

Oroveanu, T., David, V., Stan, Al., Trifan, C., - Colectarea, transportul, distributia si depozitarea produselor petroliere si gazelor - Editura Didactica, Pedagogica, Bucuresti, 1983;

Soare, Al., - Transportul si depozitarea fluidelor - vol.II - Editura Unviresitatii din Ploiesti

Puscoiu, N. - Extractia gazelor naturale. Aplicatii de calcul. Editura Tehnica Bucuresti 1989

Grigoras, D. - Note de curs

*** - STAS 715/2-82 ;