Sieci Gazowe (PPTminimizer

GAZOWNICTWO
Sieci gazowe podstawowe informacje,
obliczenia, optymalizacja.
Wrocław, 15.12.2010
ZAKRES WYKŁADU
1. Informacje podstawowe o sieciach gazowych,
2. Obliczenia hydrauliczne: zasady oraz oprogramowanie,
3. Optymalizacja sieci gazowych,
4. Przykłady analiz
SIEĆ PRZEYŁOWA WYSOKIEGO CIŚNIENIA W POLSCE
ELEMENTY SYSTEMU GAZOWNICZEGO
Źródła gazu
Sieć gazowa, przyłącza
- ZłoŜa gazu,
- Podziemne
Magazyny Gazu,
- Odazotownie,
- Punkty importu
- Mieszalnie.
- Terminale np. LNG
- 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
WSPÓŁPRACA SIECI GAZOWYCH
STRUMIEŃ KOSZTÓW DOSYŁU GAZU DO PODMIOTU - ŚCIEśKA ZASILANIA
dystrybucja miejscowa
przesył w układzie wysokiego ciśnienia
wydobycie / import
sieć lokalna
w/c
tłocznia
magazyn
SR-2 st.
SRP-1 st.
system podstawowy
śr/c
n/c
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.
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.
UREGULOWANIA PRAWNE
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,
b) gazociągi z tworzyw sztucznych.
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
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 63 – 125 v = 14 m/s
de 160 – 225 v = 18 m/s
de 250 – 300 v = 22 m/s
ZAŁOZENIA DO OBL. SIECI GAZOWYCH
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
2. Określenie klasy lokalizacji gazociągu zgodnie z
3. Grubość ścianki 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.
OBLICZENIA SIECI GAZOWYCH
Obliczenia hydrauliczne „Gazoprojekt” wykonuje przy uŜyciu programów
komputerowych opartych na postaci ogólnej równania na spadek ciśnienia
p12 − p22 γ 2Q 2
p1
L γ 2Q 2
=
ln
+λ
2 ZRT
gF 2
p2
D 2 gF 2
F=
D – wewnętrzna średnica gazociągu
g –przyspieszenie ziemskie
L – długość rury
p – ciśnienie
Q – natęŜenie przepływu
πD 2
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 PN76/M-34034 w zaleŜności od charakteru przepływu:
• - w zakresie przepływów laminarnych wg wzoru Hagena – Poliseuill’a:
λ=
•
64
Re
• - w zakresie przepływów turbulentnych ze wzoru
Colebrooka – White’a:
−2

 2,51

 Re
λ =  − 2 log 
λ
+
e  

3,72  
(Re liczba Reynoldsa; e – względna chropowatość rury)
OBLICZENIA SIECI GAZOWYCH
WSPÓŁCZYNNIK TARCIA RUR
PROGRAMY DO OBLICZANIA SIECI i
INSTALACJI GAZOWYCH
PlantFLOW
SIMONE
Obliczenia sieci, i instalacji gazowych
realizujemy przy pomocy programów:
Plynos
GAZ SC
ChemCAD
HYSYS
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.
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
PlantFLOW 6.0
Prezentacja wyników analiz hydraulicznych
• raport tekstowy zawierają
zawierający peł
pełne informacje dla wszystkich punktó
punktów modelu
• odczyt wynikó
wyników wprost z modelu w oknie pracy programu
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.
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
z uwzględnieniem pojemności cieplnej otoczenia
gazem
a
otoczeniem
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.
Napełnianie kolektora tłocznego:
Napełnianie kolektora tłocznego
Napełnianie kolektora tłocznego – wykres temperatur
Napełnianie instalacji agregatów TUCO:
Napełnianie instalacji agregatów – wykres temperatur:
Charakterystyka turbiny GT 10B
dp/dt=0,005
Wykres zmiany zapotrzebowania
mocy podgrzewu wstępnego
w czasie rozruchu turbiny (kW)
Maksymalna zmiana ciśnienia w czasie 1s.
( gradientu ciśnienia ) podczas rozruchu turbiny
Termodynamiczne obliczenia hydrauliczne układów gazociągowych
Analiza hydrauliczna Systemu Gazociągów Tranzytowych
Rozkład ciśnień i temperatur gazu
w układzie SGT w okresie zimowym
Rozkład ciśnień i temperatur gazu
w układzie SGT w okresie letnim
GAZSC
GAZSC
Analiza sieci rozdzielczej śr/c
GAZSC Dobór średnic dla gazociągów sieci
rozdzielczej śr/c
PLYNOS
Analiza sieci wysokiego ciśnienia
PLYNOS
Prezentacja wyników analiz
hydraulicznych – wykresy Sankey’a
STRATA
PLYNOS
Analizy termodynamiczne
gazociągów
Odc. 1
Odc. 2
316000 [m]
365500 [m]
Wej.
Filt. Kompr.Chlod.Gazociag
Wej.
Filt.
Kompr.Chlod.Gazociag
Wyj.
22.0
tł.Włocławek
29.9
tł.Kondratki
temp. [co]
34.2
DN1380
DN1380
22.0
12.0 12.0
7.0
7.0
7.1
HYSYS i CHEMCAD
Projekt procesowy
Co jest potrzebne do stworzenia projektu procesowego?
• Dane materiału wejściowego oraz produktu
- Temperatura
- Ciśnienie
- Skład chemiczny
- NatęŜenie przepływu
HYSYS i CHEMCAD
Projekt procesowy
Projekt procesowy obejmuje:
• Koncepcję procesu
• 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
Raporty z obliczeń
zawierająChemcad
Projekt procesowy
AspenTech Hysys
szczegółowe dane
kaŜdego ze strumieni:
• temperaturę
• ciśnienie
• przepływ
• skład chemiczny
• własności
fizykochemiczne
Optymalizacja
ilości powietrza
Optymalizacja
ilości gazu
OPTYMALIZACJA SIECI GAZOWYCH
Konfiguracja sieci
Ilość, zasięg oddziaływania i przepustowość
stacji redukcyjno – pomiarowych,
Dobór ciśnienia roboczego:
średnie
niskie ciśnienie
niskie
Dobór tworzywa na rury przewodowe:
D
B
C
stal
polietylen
B
Warianty zasilania odbiorców z sieci dystrybucyjnej:
- bezpośrednio z sieci wysokiego ciśnienia
średnie ciśnienie
A
- z sieci średniego ciśnienia
- z sieci średniego ciśnienia z redukcją na ciś. niskie
- z sieci niskiego ciśnienia
wysokie ciśnienie
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:
system przesyłowy wysokiego ciśnienia:
budowy nowych sieci
- gazociągi,
- tłocznie,
- węzły pomiarowe,
- PMG.
układy dystrybucyjne:
modernizacji sieci istniejących
- gazociągi,
- stacje redukcyjno-pomiarowe.
SPECYFIKA OPTYMALIZACJI SIECI GAZOWYCH
DAWNIEJ
• Minimalizacja czasu projektowania i budowy
• Oszczędność nakładów na budowę,
• Oszczędność kosztów eksploatacyjnych,
• Minimalizacja materiałochłonności i energochłonności
w czasie budowy i eksploatacji,
OBECNIE
• Ochrona środowiska.
• Minimalizacja kosztów przesyłu
• Maksimum dyspozycyjności układu
DLA KAśDEGO Z WYśEJ WYMIENIONYCH KRYTERIÓW
MOśE BYĆ PRZEPROWADZONA ANALIZA WRAśLIWOŚCI
PRZYKŁADY ANLIZ SIECI GAZOWYCH
PRZYKŁAD 1 – OPTYMALIZACJA UKLADU
PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE
Trasa
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
Rodzaj próby rozruchowej
Dobór materiałów
- gatunek stali
- powłoki wewnętrzne
Stosowanie tłoka diagnostycznego
(inteligentnego)
- czy zawsze i w jakim zakresie
- czy i kiedy test napręŜeniowy
PRZYKŁAD 1 – OPTYMALIZACJA UKLADU
PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE
Rozwiązanie 1
DN 1000 – 1 etap
R1
Rozwiązanie 2
DN 900 – 1 etap
Odolanów
R2
DN 600 – 2 etap
Rozwiązanie 3
DN 700 – 1 etap
R3
DN 700 – 2 etap
DN 600 – 3 etap
6km
31, 1
=
L
2
3
PMG Wierzchowice
nty
ria zań
a
w
wi ą
roz
PRZYKŁAD 1 – OPTYMALIZACJA UKLADU
PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE
PROPONOWANE ROZWIĄZANIA:
Rozwiązanie I
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
Rozwiązanie II
Zakłada dwuetapową budowę gazociągu
Etap I - budowa gazociągu DN 900
Etap II - budowa drugiego gazociągu DN 600 (do 2006 r. )
Rozwiązanie III
Zakłada trzyetapową budowę gazociągu
Etap I - budowa gazociągu DN 700
Etap II - budowa drugiego gazociągu DN 700
Etap III - budowa trzeciego gazociągu DN 600
PRZYKŁAD 1 – OPTYMALIZACJA UKLADU
PODŁACZENIA PMG WIERZCHOWICE
ANALIZA EKONOMICZNA WYKAZAŁA śE NAJKORZYSTNIEJSZYM
ROZWIĄZANIEM JEST JEDNOETAPOWA BUDOWA GAZOCIĄGU
DN 1000 pr8,4 MPa
Analiza załoŜeń do opracowania i budowa modelu analitycznego
PRZYKŁAD 2 – ANALIZA BUDOWY SIECI GAZOWEJ
DLA ZASILANIA ODBIORCÓW ENERGETYCZNYCH
ZAŁOśENIA WYJŚCIOWE
Średnica rur
do określenia w zakresie DN 400 – DN 600
Współczynnik chropowatości k
Wersja – bez powłoki - standardowa
Wersja – z powłoką obniŜająca współczynnik chropowatości
Warianty trasy gazociągu
Warianty odbioru gazu gazu
WI
-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
WII
-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
i wytrzymałościowa
Analiza kosztowa
Analiza hydrauliczna
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
ANALIZA HYDRAULICZNA GAZOCIAGÓW I TŁOCZNI
ROZKŁAD CIŚNIEŃ I STRUMIENI GAZU
PRACA TŁOCZNI GAZU
PRZYKŁAD 3 – ANALIZA ROZBUDOWY SIECI
PIERSCIENIOWEJ DLA ZASILANIA ODBIORCY W
REJONIE KIELC
odbiorca
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
PRZYKŁAD 3 –ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE
KIELC
PRZYKŁAD 3 –ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE
KIELC
PRZYKŁAD 3 –ZASILANIA ODBIORCY W REJONIE
KIELC