РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕФТЯНОГО ГАЗА ^^^^^^^^^^^^^^^^^
УДК 622.276.8:665.622.22 © С.С. Иванов, М.Ю. Тарасов, 2011
Требования к подготовке растворенного газа для питания газопоршневых двигателей
С.С. Иванов, М.Ю. Тарасов, к.т.н. (ОАО «Гипротюменнефтегаз»)
Requirements for the associated gas treatment for gas-cylinder engines supply
S.S. Ivanov, M.Yu. Tarasov (Giprotyumenneftegaz OAO)
The properties of the associated petroleum gas are considered. Power gas qualifying standards from producers of gas-cylinder engines, running on the associated gas, are analyzed. The necessity of developing standard or technical conditions, regulating the quality of the fuel gas, produced from the associated gas and determining possible ways of gas treatment for gas-cylinder engines, is shown.
Ключевые слова: растворенный газ, требования к подготовке топливного газа, метановый индекс (MN). Адрес для связи: ivanov@gtng.ru
В связи с реализацией нефтяными компаниями программ энергосбережения и использования растворенного газа до уровня 95 % в последнее время все большее распространение получают газопоршневые двигатели ГПД (двигатели внутреннего сгорания), работающие на растворенном газе. Они используются в качестве силовых для генераторов (газопоршневые электростанции ГПЭС), привода компрессоров и насосов. Опыт эксплуатации таких ГПД показывает, что иногда их устойчивая работа наблюдается при пониженной мощности - 60-70 % номинальной. При наборе двигателем нагрузки, близкой к номинальной, возникает детонация, вызывающая его аварийную остановку. Детонация может быть обусловлена несоответствием качества топливного газа требуемому.
Показатели качества топливного (растворенного) газа, источником которого является первая ступень сепарации нефти, можно разделить на два категории: зависящие от термобарических условий сепарации (содержание метана, влаги, метановый индекс М^ низшая теплота сгорания, плотность); зависящие от качества сепарации нефти и очистки газа (содержание капельной жидкости и механических примесей). Требования к качеству топливного газа задаются производителями ГПД и могут различаться в зависимости от типа и конструкции двигателя. Ниже приведены типичные требования, предъявляемые к качеству топливного газа в зависимости от его состава (единица измерения мг/м3 СН4 нормализована к 1 м3 СН4, где 1 м3 эквивалентен газу теплотворной способности 36,4 МДж) [1]. Содержание серы (общая сера в пересчете
на сероводород), мг/м3 СН4.........................................................................0-30
Объемное содержание углеводородного
конденсата, ррт......................................................................................................<20
Относительная влажность, %........................................80 со 100 %-ным
удалением капель
Минимальное содержание метана, % ........................................................70
Плотность газа, кг/м3...................................................................................0,7-1,2
Минимальный метановый индекс ...............................................................52
Минимальная теплотворная способность, МДж/м3 .............30-36
Состав топливного газа, плотность
1. Содержание серы. Данное требование характеризует экологические свойства топливного газа, газ с высоким содержанием серы без специальной подготовки (обессеривания) сжигать нельзя.
2. Углеводородный конденсат. Под данным требованием понимается содержание углеводородов С5+высш. Это требование косвенно характеризует детонационные свойства («тяжелые» углеводороды более подвержены детонации), а также возможность конденсации углеводородов в топливной аппаратуре, что ухудшает работу ГПД.
3. Относительная влажность. Данное требование характеризует возможность конденсации влаги в топливной аппаратуре, что негативно влияет на работу ГПД.
4. Содержание метана характеризует энергетические свойства топливного газа и обеспечение процесса сгорания топлива.
5. Плотность обеспечивает стехиометрическое соотношение топливо - воздух для создания условий для нормального горения топлива.
Метановый индекс. Метановый индекс (метановое число, индекс детонации) - это условный показатель, который характеризует способность газов к бездетонационному сгоранию. В отечественных нормативных документах, регламентирующих качество топливного газа, детонационное свойство представ-
лено расчетным октановым числом (РОЧ), указанным в ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия», используемым при переводе двигателей с бензина на газовое топливо.
В работах [2, 3] на основе длительных исследований для оценки детонационных качеств газообразных топлив предложено использовать не октановую шкалу, в которой детонационные качества изооктана приняты за 100, гептана за 0, а метановую шкалу, в которой за 100 приняты детонационные качества метана, за 0 - детонационные качества водорода. Таким образом, метановое число 75 соответствует антидетонационным свойствам смеси, состоящей из 75 % (по объему) метана и 25 % водорода. Для определения антидетонационных свойств газов, более стойких, чем метан, в качестве эталона использовали его смеси с углекислотой, добавка которой оказывает сильный антидетонационный эффект. Метановое число, равное 125, соответствует смеси, состоящей из 80 % метана и 20 % углекислоты.
Для различных газов метановые числа определяли экспериментально на близкой к стандартной установке, служащей для определения октановых чисел, при частоте вращения w=900 мин-1, коэффициенте избытка воздуха а=1, угле опережения зажигания 0=15°, температуре воздуха перед двигателем t,=20 °С и температуре охлаждающей жидкости на выходе из двигателя tw=80 °С. Форма камеры сгорания ^/0=92/96,8) изменена по сравнению с той, которую применяют при определении антидетонационных качеств бензинов: свеча сдвинута к центру, камера куполообразная (более близкая по форме к применяемой в газовых двигателях). Метановые числа различных газов приведены в табл. 1, из которой следует, что с увеличением массы углеводорода снижается детонационная стойкость.
В настоящее время отсутствует единая методика расчета М^ почти у каждого изготовителя имеется своя методика [4], например, компания Waukeshа ввела авторский индекс детонации
Таблица 1
Компонент Метановое число (индекс-MN)
Метан СН4 100
Этан С2Н6 44
Пропан С3Н8 34
Изобутен / С4Н8 27
н-Бутен пС4Н8 21
Пропилен С3Н6 20
Изобутан /С4Н10 17
Этилен С2Н4 16
н-Бутан n С4Н10 10
Водород Н2 0
(Waukesha Knock Index), с помощью которого определяется способность топлива противостоять детонации. Для расчета метанового числа можно использовать следующие корреляционные зависимости.
1. Американским исследовательским институтом газа (American Gas Research Institute) предложены зависимости
MON = 137,78 MCH4 + 29,948 MC2H6 - 18,193 MC3H8 -167,062 MC4++ 181,233 MCO2 + 26,994MN2, (1)
MN= 1,624+ mon- 119,1, (2)
где MON - октановое число газа; MCH4, MC2H6, MC3H8, MCO2, MN2 - мольный объем соответственно метана, этана, пропана, углекислого газа и азота; MC4+ - суммарный мольный объем «тяжелых» фракций от С4 и выше [5].
2. Расчетные формулы, приведенные в работе [6],
MON = -406,14 + 508,04 (H/C) - 173,55 (H/C)2 + + 20,17 (H/C)3, (3)
MN= 1,624 MON- 119,1, (4)
где H/C - соотношение водород/углерод (энергетическое свойство газового топлива).
3. Диаграммы для приближенной оценки (см. рисунок) [7, 8]. Наиболее распространен расчет метанового индекса с помощью ПО AVL Methane (version 3.10a) производства AVL List GmbH, которым пользуются компании Cummins, GE Jenba^er, Deutz.
Диаграмма приближенной оценки метанового индекса по содержанию метана - этана - н-бутана (а) и метана - пропана - н-бутана (б)
Низшая объемная теплотворная способность. Ее значение используется для таких показателей, как расход топливного газа и к.п.д. Работа на топливном газе с высоким значением теплотворной способности при нагрузках, близких к номинальной, характеризуется высоким температурным режимом цилиндров, граничащим с уставками аварийной остановки энергомашины, что повышает износ двигателя и снижает срок его службы. Работа на топливном газе с низким значением теплотворной способности характеризуется невысоким к.п.д. и невозможностью работы на номинальной нагрузке.
Низшая теплотворная способность зависит от состава газа и рассчитывается по правилу аддитивности. Теплота сгорания идеального газа, рассчитанная на основе объемной доли компонентов для температуры сгорания ^ смеси известного сос -тава, измеренной при температуре ¡2 и давлении p2, вычисляется по формуле
Р2
в% У (2, Р2)]=2 в, (г) , (5)
1=1 2
где бн V(t2, p2)] - идеальная низшая объемная теплотворная способность смеси; Q¡(f1) - идеальная низшая объемная теплотворная способность г-го компонента; Л=8,314510 Дж-моль-1 К-1 -универсальная газовая постоянная; Т2=12 + 273,15 - абсолютная температура, К; С{ - мольная (объемная) доля г-го компонента газа в смеси.
Низшая теплотворная способность реального газа для температуры сгорания ^ смеси известного состава, объемная доля компонентов которой измерена при температуре ¡2 и давлении р2, вычисляется по формуле
Я ^V(к,Рг)] _
_ Я в- V(г-Рг)]
(6)
где (¡2, р2) - коэффициент сжимаемости смеси при стандартных условиях измерений.
Качество очистки газа нормируется показателями, приведенными ниже.
Относительная влажность, %.............80 со 100%-ным удалением
капель
Содержание нефти, мг/м3 ..................................................................................... 5
Содержание твердых частиц, мг/м3 ...........................................................30
Максимальный размер твердых частиц, мкм ........................................ 1
Содержание капельной жидкости и механических примесей. Высокое содержание этих компонентов негативно влияет на топливную аппаратуру газопоршневого двигателя, забивает жиклеры карбюратора, форсунки, вызывает нагарообразование на стенках цилиндров, абразивный износ, металлические частицы мог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.