14.4. Газоснабжение населенных пунктов

Газоснабжение населенных пунктов является одной из актуальных проблем их жизнедеятельности. Потребители газа делятся на две группы. Первая группа – это потребители, обеспечиваемые в первую очередь, в том числе население, предприятия общественного питания и бытового обслуживания населения и т.д., а также котельные, газоиспользующее оборудование которых не приспособлено к работе на других видах топлива.

Вторая группа – электростанции и промышленные предприятия.

Для газоснабжения городов и промышленных предприятий широко применяют природные и искусственные газы. Природные газы добывают из недр Земли. Они представляют собой смесь различных углеводородов метанового ряда: метан (до 98%) и его гомологи – этан, пропан, бутан и др. При снабжении города искусственным газом в качестве источника газоснабжения могут быть заводы, вырабатывающие газ из угля, сланцев, нефти и других горючих материалов. Заводы обычно размещаются на территории газоснабжаемых городов или в непосредственнйо близости от них. Кроме углеводородов, в природном газе содержится некоторое количество азота, кислорода, водорода, окиси углерода, углекислого газа и других веществ в гозообразном состоянии. Газы некоторых месторождений содержат сероводород.

Природные газы можно подразделить на три группы:

1) добываемые из чисто газовых месторождений, они в основном состоят из метана и являются тощими или сухими;

2) выделяемые из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, часто их называют попутными; помимо метана они содержат значительное количество более тяжелых углеводородов (обычно свыше 150 г/м³) и являются жирными газами; представляют собой смеси сухого газа, пропан-бутановой фракции и газового бензина;

3) добываемые из конденсатных месторождений; состоят из смеси сухого газа и паров конденсата, который выпадает при снижении давления (процесс, обратный конденсации).

Сухие газы легче воздуха, а жирные легче или тяжелее в зависимости от содержания тяжелых углеводородов. Низшая теплота сгорания попутных газов выше и изменяется от 38000 до 63000 кДж/м³.

На газобензиновых заводах из попутных газов выделяют газовый бензин, пропан, бутан. Последнии используют для газоснабжения городов в виде сжиженного газа. Сжиженные газы получают также из газов конденсатных месторождений.

Основные свойства и состав газообразного топлива. Газообразное природное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов, содержащую некоторое количество примесей. К горючим газам относятся углеводороды, водород и оксид углерода. Негорючие компоненты – это азот и кислород. Они составляют балласт газообразного топлива.

К примесям относят водяные пары, сероводород, пыль. Искусственные газы в зависимости от способа производства делятся на 3 группы: газы сухой перегонки топлива, газы безостановочной газификации и сжиженные газы, могут содержать аммиак, цианистые соединения, смолу и пр.

Газообразное топливо очищают от вредных примесей. Содержание вредных примесей в граммах на 100 м³ газа, предназначенного для газоснабжения городов, не должно превышать: сероводорода – 2, меркаптановой серы – 3,6, механических примесей – 0,1.

Отклонение теплоты сгорания от номинального значения не должно быть более ±5%.

Для газоснабжения применяют, как правило, сухие газы. Если газ транспортируют на большие расстояния, то его предварительно осушают.

Большинство искусственных газов имеют резкий запах, что облегчает обнаружение утечки газа из трубопроводов и арматуры. Природный газ не имеет запаха. До подачи в сеть его одорируют, т.е. придают ему резкий неприятный запах, который ощущается при концентрации в воздухе, равной 1%.

Запах токсичных газов должен ощущаться при концентрации, допускаемой санитарными нормами. Сжиженный газ, используемый коммунально-бытовыми потребителями, не должен ощущаться при содержании в воздухе 0,5%. Концентрация кислорода в газообразном топливе не должна превышать 1%. При использовании для газоснабжения смеси сжиженного газа с воздухом концентрация газа в смеси должна составлять удвоенный верхний предел воспламеняемости. Теплота сгорания – это количество теплоты, выделяемое при сгорании 1 кг газа. Данные о теплоте сгорания некоторых газов приведены в таблице.

Данные о теплоте сгорания

Транспортирование газа. Газ из скважины поступает в сепараторы, где от него отделяют твердые и жидкие механические примеси. Далее по промысловым газопроводам газ поступает в коллекторы и в промысловые газораспределительные станции (ПГРС), где его вновь очищают в масляных пылеулавливателях, осушают, одорируют и снижают давление газа до расчетного значения, принятого в магистральном газопроводе.

Промежуточные компрессорные станции располагают примерно через 150 км. Для возможности проведения ремонтов предусматривают линейную запорную арматуру, которую устанавливают не реже, чем через 25 км. Для надежности газоснабжения и возможности транспортировать большие потоки газа современные магистральные газопроводы выполняют в две или несколько ниток.

Газопровод заканчивается газораспределительной станцией (или несколькими ГРС), которая подает газ крупному городу или промышленному узлу. По пути газопровод имеет отводы, по которым газ поступает к ГРС промежуточных потребителей (городов, населенных пунктов и промышленных объектов).

Система магистрального транспортирования газа от промыслов к потребителям является достаточно жесткой, так как ее аккумулирующая способность невелика и может лишь частично покрывать внутрисуточную неравномерность потребления. Для покрытия сезонной неравномерности используют подземные хранилища и специально подобранные потребители-регуляторы, которые в зимний период работают на другом виде топлива (газомазутные или пылегазовые электростанции).

Газопроводные трубы бывают диаметром до 1420 мм, их рассчитывают на давление в 7,5 МПа. Перед компрессорными станциями давление снижается до 3...4 МПа. Мощность применяемых газоперекачивающих агрегатов 8...10 тыс. кВт.

Городские системы газоснабжения. Современные городские распределительные системы представляют собой сложный комплекс сооружений, состоящий из следующих основных элементов: газовых сетей низкого, среднего и высокого давления, газораспределительных станций, газорегуляторных пунктов и установок. В указанных станциях и установках давление газа снижают до необходимой величины и автоматически поддерживают постоянным. Они имеют автоматические предохранительные устройства, которые исключают возможность повышения давления газа в сетях сверх нормы. Для управления и эксплуатации этой системы имеется специальная служба, обеспечивающая бесперебойное газоснабжение.

Проекты газоснабжения областей, городов, поселков разрабатывают на основе схем перспективных потоков газа, схем развития и размещения отраслей народного хозяйства и проектов районных планировок, генеральных планов с учетом их развития на перспективу.

Система газоснабжения должна обеспечивать бесперебойную подачу газа потребителям, быть безопасной в эксплуатации, простой и удобной в обслуживании, должна предусматривать возможность отключения отдельных ее элементов или участков газопроводов для производства ремонтных и аварийных работ.

Сооружения, оборудование и узлы в системе газоснабжения следует применять однотипные. Принятый вариант системы должен иметь максимальную экономическую эффективность и предусматривать строительство и ввод в эксплуатацию системы газоснабжения по частям. Основная задача при проектировании системы газоснабжения города – ее реконструкция и развитие, соответствующая развитию города и его промышленности. При решении этой задачи, прежде всего, необходимо выявить новую газовую нагрузку на перспективу в зависимости от схемы реконструкции городской застройки, принятых решений по их теплоснабжению, горячему водоснабжению и степени бытового обслуживания.

Основным элементом городских систем газоснабжения являются газопроводы, которые классифицируются по давлению и назначению. В зависимости от максимального давления газа городские газопроводы разделяют на следующие группы:

1) низкого давления с давлением газа до 5 кПа;

2) среднего давления с давлением от 5 кПа до 0,3 МПа;

3) высокого давления II категории с давлением от 0,3 до 0,6 МПа;

4) высокого давления I категории для природного газа и газовоздушных смесей от 0,6 до 1,2 МПа, для сжиженных углеводородных газов до 1,6 МПа.

Газопроводы низкого давления служат для транспортирования газа в жилые, общественные здания и предприятия бытового обслуживания. В газопроводах жилых зданий разрешается давление газа до 0,3 кПа; в газопроводах бытового обслуживания непроизводственного характера и общественных зданий – до 0,5 кПа.

Питание газом жилых и общественных зданий, а также предприятий бытового обслуживания непроизводственного характера от сетей среднего и высокого давления осуществляется только через ГРП.

Связь между газопроводами различного давления также осуществляется только через РП.

Городские газопроводы можно разделить на следующие три группы:

1) распределительные, по которому газ транспортируют по снабжаемой газом территории и подают его промышленным потребителям, коммунальным предприятиям и в районы жилых домов; распределительные газопроводы бывают высокого, среднего и низкого давления, кольцевые и тупиковые, а их конфигурация зависит от характера планировки города;

2) абонентские ответвления, подающие газ от распределительных сетей к отдельным потребителям;

3) внутридомные газопроводы, транспортирующие газ внутри здания и распределяющие его по отдельным газовым приборам.

Для средних и небольших городов обычно применяют двухступенчатую по давлению газа систему с газопроводами высокого (до 0,6 МПа) и низкого давления.

В сеть низкого давления газ может подаваться не только от газопровода среднего давления, но также и из газопровода высокого давления, для чего регуляторные пункты строят двухступенчатые: высокое давление снижают до среднего и низкого или высокое – на среднее и среднее – на низкое. Городские газорегуляторные пункты, предназначенные для снижения высокого давления на среднее, часто называют головными газорегуляторными пунктами (ГГРП).

Схема газоснабжения города по трехступенчатой системе представлена на рис. 14.11.

При наличии в системе газоснабжения города газгольдерных парков высокого давления (более 0, 6 МПа) систему газоснабжения неизбежно приходится дополнять четвертой ступенью давления – газопроводами с давлением от 0,6 до 1,2 МПа. По этим газопроводам с ГРС города газ поступает на газгольдерные станции. Обычно такие газопроводы прокладываются по незастроенным или окраинным районам города. Четырехступенчатая схема газоснабжения города представлена на рис. 14.12.

Давление свыше 0,6 МПа, как уже отмечалось, приходится применять и при отсутствии газгольдеров, когда по городским газопроводам необходимо подавать газ крупными промышленным предприятиям, технологические процессы которых требуют применения высокого давления. Нередко газопроводы с давлением до 1,2 МПа используют для подачи газа с одной ГРС в несколько населенных пунктов, расположенных на относительно небольшом расстоянии (5-10 км). В этом случае исключается необходимость строительства нескольких ГРС и в то же время представляется возможным обойтись небольшими диаметрами газопроводов. Схема газоснабжения нескольких населенных пунктов о одной ГРС дана на рис. 14.13.

Многоступенчатые системы газоснабжения с газопроводами давлением более 0,6МПа применяют только в крупных городах и областных системах. Для крупных и средних городов сети проектируют колцевыми, а для мелких городов, как высокая ступень давления, так и низкая может быть запроектирована тупиковой.

Диаметры распределительных газопроводов обычно изменяются в пределах 50...400 мм. Газорегуляторные пункты (ГРП) располагают в отдельно стоящих зданиях с отоплением и вентиляцией, их удобно эксплуатировать и проводить ремонтные работы.

Газоснабжение зданий. В жилые, общественные и коммунальные здания газ поступает по газопроводам от городской распределительной сети. Эти газопроводы состоят из абонентских ответвлений, подводящих газ к зданию и внутридомовым газопроводам, которые транспортируют газ внутри здания и распределяют его между отдельными газовыми приборами. Во внутренних газовых сетях жилых, общественных и коммунальных зданий можно транспортировать только газ низкого давления.

Рис. 14.13. Схема газоснабжения нескольких насленных пунктов от одной ГРС и использованием газопроводов давлением до 1,2 МПа

Газопровод вводят в жилые и общественные здания через нежилые помещения, доступные для осмотра труб. Подвод газопроводов в общественные и коммунально-бытовые здания осуществляют через коридоры или непосредственно в помещения, в которых установлены газовые приборы.

На вводе газопровода в зданиях устанавливают отключающие устройства, которые монтируют снаружи здания. Место установки должно быть доступно для обслуживания и быстрого отключения газопровода.

Газовые стояки прокладывают в кухнях, на лестничных клетках или в коридорах. Нельзя прокладывать стояки в жилых помещениях, ванных комнатах и санитарных узлах. На стояках и разводящих газопроводах устанавливают задвижку. В одно- пятиэтажных зданиях отключающие аппараты на стояках не устанавливают.

Транзитные газопроводы прокладывать через жилые помещения нельзя. Перед каждым газовым прибором устанавливают краны. На газопроводах после кранов по ходу газа предусматривают сгоны. При наличии газовых счетчиков кран устанавливают также и перед ним. Газопроводы внутри здания выполняют из стальных труб, соединенных сваркой. Резьбовые и фланцевые соединения допускают только в местах установки отключающих устройств, арматуры и приборов.

Газопроводы в зданиях прокладывают открыто. При соответствующем обосновании допускают скрытую прокладку в бороздах стен, которые закрывают щитами с отверстиями для вентиляции.

Газопроводы для осушенного газа прокладывают без уклона, а для влажного газа – с уклоном не менее 0,003. При наличии газового счетчика уклон имеет направление от счетчика к стояку и газовым приборам.

В жилых зданиях газопроводы крепят к стенкам с помощью крюков. При диаметре трубы более 40 мм крепление выполняют с помощью кронштейна. Расстояние между опорами принимают не более: 2,5 м при диаметре трубы 15 мм и 3,5 м при 50 мм. Зазор между трубой и стеной принимают 1,5-2 см.

Расстояние между открыто проложенными электропроводами и стенками газопровода должно быть не менее 10 см.

Основными приборами, которые применяют для газоснабжения зданий, являются плиты, водонагреватели, кипятильники, пищеварочные котлы, духовые шкафы и холодильники. Работа газовых приборов характеризуется следующими показателями:

1) тепловой нагрузкой или количеством теплоты в газе, которая расходуется прибором, кВт;

2) производительностью или количеством полезноиспользуемой теплоты, которая передается нагреваемому телу, кВт;

3) КПД, представляющим собой отношение производительности к тепловой нагрузке прибора.

Продукты сгорания от каждого газового прибора (водонагревания, отопления печи и т.д.) отводят по обособленному дымоходу в атмосферу. В зданиях старой постройки разрешается присоединять к одному дымоходу истопные газовые приборы, расположенные на одном этаже. Вводы продуктов сгорания в дымоход устраивают на разных уровнях с расстоянием между ними не менее 50 см. Если ввод с несколькими уровнями устроить нельзя, то применяют ввод с одним уровнем, но в дымоходе устанавливают вертикальную рассечку 50...70 см. К одному дымоходу разрешается присоединять один нагревательный прибор и отопительную печь, если они расположены в одной квартире и пользуются ими в разное время.

Коммунально-бытовые газовые приборы (ресторанные плиты, пищеварочные котлы и т.п.) можно присоединять как к обособленному, так и к общему дымоходу.

Защита газопровода от коррозии. Коррозией называется постепенное разрушение металла под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды.

Коррозии могут подвергаться как внутренние так и наружные поверхности труб. Внутренние подвергаются химической коррозии за счет наличия в транспортируемом газе влаги, кислорода, сероводорода и других химических элементов, способствующих разрушению металла. При химической коррозии внутренняя поверхность газопровода разрушается равномерно. Основными способами борьбы с химической коррозией являются улучшение степени очистки газа от вредных примесей или нанесение на внутреннюю поверхность газопровода антикоррозийных покрытий. Последний способ применяется редко по экономическим соображениям и из-за сложности ведения технологического процесса.

Наружные поверхности газопровода подвергаются почвенной, атмосферной или электрохимической коррозии. Почвенная коррозия возникает за счет соприкосновения газопровода с грунтом, наличия в грунте влаги, солей, кислот, щелочной, а также наличия токов утечки от источников постоянного тока (блуждающих токов).

Атмосферной коррозии подвергаются надземные газопроводы под воздействием атмосферных осадков, содержания в воздухе коррозионных примесей, изменения температуры окружающей среды.

Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия неоднородных поверхностей металла, выполняющих роль электродов, и водных растворов грунта, выполняющих роль электролита. Анодно поляризуются те участки наружной поверхности газопровода, которые имеют повреждения (раковины, вмятины). Образующаяся гальваническая пара способствует разрушению анодной зоны. Электроны протекают от анода к катоду по металлу газопровода. В грунте катионы передвигаются к катоду, а анионы – к аноду. Металл подвергается коррозии в анодных зонах, так как в них ионы металла выходят в раствор, содержащийся в грунте. На катодных зонах будет осуществляться восстановление водорода и кислорода и они разрушаться не будут. Гальванические пары могут достигать длины до 100 м. Местная электрохимическая коррозия может привести к образованию сквозного отверстия в газопроводе, а сплошная – к равномерному разрушению металла.

На газопровод через грунт могут подходить блуждающие токи от источников постоянного тока (рельсы электрифицированного транспорта, выпрямительные подстанции и т.п.). Коррозия блуждающими токами намного опаснее электрохимической коррозии, так как зависит от силы этих токов. Разрушение происходит в местах выхода блуждающих токов из газопровода (анодные зоны). Зоны входа блуждающих токов в газопроводы получили название катодных зон.

Электрохимическая коррозия и коррозия блуждающими токами зависит от коррозионной активности грунта, т.е. способности грунта проводить электрический ток. Наибольшую активность имеет грунт при влажности 11-13%.

Для решения вопроса о способе защиты проектируемого газопровода от почвенной коррозии определяется характер распространения блуждающих токов и коррозионная активность грунта по трассе газопровода.

Коррозионную активность грунта оценивает либо с помощью замеряемого удельного сопротивления грунта Rгр (Ом/м), либо по потере массы эталонного стакана Мст(г). При определении потери массы эталонный стакан (определенных размеров) предварительно взвешивается и затем помещается в предварительно подготовленный исследуемый грунт. После пропускания постоянного тока напряжением 6В через стакан и исследуемый грунт в течение 24ч стакан снова взвешивают и по потерянной массе судят о коррозионной активности грунта. Различают низкую (R_гр =100 Ом/м или М_ст =1г), среднюю (R_гр = 20 – 100 Ом/м или М_ст = 1 – 2 г), повышенную (R_гр = 20 – 10 Ом/м или М_ст = 2 – 3 г), высокую (R_гр = 5 – 10 Ом/м или М_ст = 3 – 6 г) и весьма высокую (R_гр 5 Ом/м или М_ст = 6 г) коррозийную активность грунта.

Защита газопровода от почвенной коррозии подразделяется на пасивную (изолирование газопровода от прилегающего грунта) и активную (создание катодной поляризации защищаемого участка газоповода).

Пассивная защита осуществялется с помощью нанесения на наружную поверхность газопровода защитных (противокорризийных) покрытий нормального, усиленного или весьма усиленного типов. Покрытия должны быть диэлектрическими, водонепроницаемыми, прочными, эластичными и дешевыми.

В качестве защитных покрытий и армирующих материалов пременяют: полимерную ленту, стекловолокнистый холст, полиэтилен, бризол, крафтбумагу, рубероид, толь, а в качестве связывающих материалов – мастику (битумно-полимерную, битулен-30, битулен-90, битумно-минеральную, битумно-ризиновую), поливинилхлоридную липкую ленту. Технология нанесения изоляционных покрытий следующая. Наружная поверхность трубы очищают от пыли, ржавчины, шлака сварных соединений, неровностей. Наносится слой грунтовки 0, 05-0, 12 мм, изготовленной на битумной, клеевой или эпоксидной основах. После просушки грунтовки наносятся мастика, оберточные и защитные покрытия. Процесс нанесения изоляционных покрытий осуществляется на трубозаготовительных базах с помошью технических средств. Отдельные работы могут выполняться непосредственно при укладке труб.

Вид изоляционного покрытия и его толщина выбирается в зависимости от коррозийной активности грунта, места прокладки газопровода, его назначения и диаметра.

Газопроводы населенных пунктов изолируют покрытием нормального, усиленного и весьма усиленного типов согласно СНИП 11-37-76 и “Инструкции по защите газопровода от коррозии”. В грунтах со средней коррозийной активностью применяется изоляция усиленного типа, а высокой активностью – весьма усиленного типа. Магистральные газопроводы изолируют покрытием нормального и усиленного типов. При переходе газопроводов через водные преграды и места с повышенной влажностью, под железнодорожными магистралями, трамвайными путями, автомагистралями наносятся изоляционные окрытия весьма усиленного типа.

Активная (электрическая) защита осуществляется после определениия анодных участков газопровода и величины анодного потенциала газопровод – земля, направления блуждающих токов. Для измерения величины падения напряжения U на участке применяются высокоомные милливольтметры.

При активных методах защиты применяют электрический дренаж, катодную и протекторную защиту. Электрический дренаж является основным методом электрической защиты. Он заключается в организованном отводе тока (снятии анодного потенциала) к источнику. Отвод осуществляется через проводник, соединяющий анодный участок газопровода с минусовой шиной тяговой подстанции или с рельсом электрифицированного транспорта. Схемы электрических дренажей могут быть различные. Наиболее распространенная схема поляризованного электрического дренажа, по которой ток пропускают только в одну сторону. Одна дренажная установка способна защитить несколько километров газопровода.

Принцип катодной защиты основан на катодной поляризации защищаемого участка газопровода. В схему катодной защиты (рис. 14.14) входят источник постоянного тока 1, анодный заземлитель 3 и соединительные проводники 2. При такой схеме газопровод длиной от 1 до 20 км (в зависимости от качества изоляционного покрытия) катодно поляризуется и не разрушается. В качестве анодных заземлителей применяют графитовые, чугунные и другие электроды, которые постепенно разрушаются, так как положительные ионы переходят в грунт. Напряжение источника 1,2-1,5 В. В качестве источника постоянного тока применяются выпрямители, собранные на кремниевых вентилях. При протекторной защите катодная поляризация газопровода достигается за счет применения в качестве анода металлов, обладающих более отрицателным электрохимическим потенциалом, чем железо (цинк, алюминий, магний и их сплавы). В схему протекторной защиты (рис. 14.15) входят протектор 1, активатор 4, контрольный пункт 2 и соединительные проводки 3. Протектор изготавливается в виде цилиндра из сплава Mg, Al, Zn, и Mn. Активатор состоит из смеси сернистых солей Mg, Na, или Ca с глиной и служит для растворения продуктов коррозии протектора, что снижает переходное электрическое сопротивление от протектора к грунту. Защитная зона одной протекторной установки составляет до 70м.

Электрические дренажи, катодные станции, протекторные установки и контрольные пункты выпускаются серийно.

Работа электрических средств защиты нуждается в периодическом контроле от одного раза в месяц (при протекторной защите) и до четырех раз (при электрическом дренаже). Для защиты надземных газопроводов от атмосферной коррозии на них наносятся алюминиевые, цинковые, жировые или лакокрасочные покрытия.

Техника безопасности при эксплуатации газовых сетей. К газопасным относятся такие работы, которые выполняют при наличии в окружающей среде газа или когда имеется возможность его внезапного появления. Опасность производства, работ в отмеченных условиях связана с токсическими свойствами газа и его способностью образовывать смеси с воздухом. Подавляющее большинство работ по эксплуатации городского газового хозяйства относительно к газоопасным. Присоединение газопроводов к действующим газовым сетям, ликвидацию утечек газа, продувку газопроводов, ремонт арматуры и оборудования на действующих газопроводах – все работы, выполняемые в колодцах и помещениях ГРП, производят в газоопасной среде.

Газоопасные работы выполняют не менее двух человек. Наиболее ответственные работы производят под руководством инженерно-технических работников; рабочие и инженерно-технический персонал проходят специальную подготовку и тренировку. Место, где производят газоопасные работы, ограждают и охраняют. Курить и разводить огонь в таких местах категорически воспрещается, при появлении газа следует надевать противогаз. Тип используемого противогаза зависит от характера работ. Для работы в котлованах и колодцах наиболее пригодны шланговые противогазы, а при работе в помещениях – изолирующие. Рабочие, производящие работы в котлованах и колодцах, должны надевать пояса с веревками, концы которых остаются снаружи в руках у наблюдающих за работой.

Сварочные работы можно производить на газопроводах, находящихся под небольшим давлением (200...1200 Па), или на выключенных и продутых воздухом газопроводах. Запрещается производить сварку на отключенных, но непродутых газопроводах. Проверку герметичности соединений и арматуры следует производить только мыльной эмульсией. Использовать огонь для этой цели категорически запрещается. Сложные газоопасные работы выполняют по специально разработанному плану.