3.2.
Potrubní systémy dopravy plynu (plynovody)
Hořlavé plyny jsou velice důležitým energetickým mediem, s vysokým energetickým potenciálem, který je v místě spotřeby spalováním konvergován na tepelnou (topení) a případně po té na kinetickou energii (spalovací turbina). Plyny jsou dopravovány potrubím pod tlakem nebo v tlakových nádobách ve zkapalněném stavu pomocí klasických univerzálních dopravních systémů. Zde se soustředíme především na dopravu plynu potrubím. Plyny se obecně mohou v hospodářství uplatňovat nejen jako nositelé energie, ale také jako významná surovina v chemickém průmyslu. Z hlediska potenciálního ohrožení zdraví a života osob, zvířat a majetku patří prvky plynovodní soustavy mezi vyjmenovaná technická zařízení, podobně jako zařízení elektrická. Plynová zařízení jsou však řádově nebezpečnější než elektrická, protože hrozí hromadným poškozením zdraví a života, na rozdíl od zařízení elektrických, která představují zpravidla hrozbu pouze jednotlivcům.
3.2.1. Klasifikace topných plynů Základním klasifikačním faktorem je výhřevnost a hustota. Podle výhřevnosti a hustoty lze topné plyny třídit podle tzv. Wobbeho čísla (poměr výhřevnosti k druhé mocnině hustoty [MJ/m3 ]) (ČSN 38 5502) následovně: I.třída pro rozsah Wobbeho čísla 20,5 - 28,7 MJ/m3 skupina a - svítiplyn (20,5-24,8 MJ/m3 ) skupina b - koksárenský plyn (23,5-27,8 MJ/m3 ) skupina c - směs uhlovodíků (21,3-25,0 MJ/m3 ) II.třída pro rozsah Wobbeho čísla 37,1 - 52,4 MJ/m3 skupina H - zemní plyn (43,4-52,4 MJ/m3 ) skupina L - zemní plyn s nízkým Wobbeho číslem (37,1-42,1 MJ/m3 ) III.třída pro rozsah Wobbeho čísla 72,0 - 85,2 MJ/m3 do této třídy patří všechny druhy zkapalněných topných plynů, především propan a butan. Nejužívanějšími plyny jsou zemní plyn, svítiplyn a propan-butan.
3.2.2. Složení zemních plynů dle ČSN 35 8802 Svítiplyn spalné teplo
16,75 ÷ 18,42 [MJ/m3 n]
poměrná hustota ke vzduchu při 0 EC a tlaku 101,325 kPa obsah vodíku H2
minimálně 38% objemových
obsah kyslíku O2
maximálně 1%
rosný bod
- 4 až - 6 EC
190
0,4 ÷ 0,6
obsah sirovodíku H2S
maximálně 1%
obsah amoniaku
maximálně 6 mg/m3 n
obsah síry celkem
maximálně 150 mg/m3 n
Zemní plyn spalné teplo
34,7 ÷ 38,1 [MJ/m3n]
hustota při 0 EC a tlaku 101,325 kPa
0,72 kg/m3
obsah vodíku H2
minimálně 38% objemových
obsah kyslíku O2
maximálně 1%
rosný bod
maximálně - 7 EC
obsah sirovodíku H2S
maximálně 1%
obsah inertních složek N2 + CO2
maximálně 6 mg/m3 n
obsah síry celkem
maximálně 107 mg/m3 n
obsah metanu CH4
minimálně 85% objemových
obsah etanu a vyšších uhlovodíků
maximálně 9,1 % objemových
Propan-butan
léto
zima
C2 - uhlovodíky a inerty
max. 7%
max. 7%
C3 H8 - propan
min. 30%
min. 55%
C4 H10 - butan
30 ÷ 60%
15 ÷ 40%
C5 a vyšší uhlovodíky
3%
2%
nasycené uhlovodíky
max. 60%
max. 65%
sirovodík H2 S
max. 0,2 mg/kg
síra
max. 200 mg/kg
hustota plynu
2,6 kg/m3
2,2 kg/m3
3.2.3. Plynovodní soustavy 3.2.3.1. Nerovnoměrnost odběru plynu Velikost spotřeby topného plynu se v průběhu roku mění. Odběr kolísá i v průběhu dne a týdne. Nejmenší odběry jsou v červnu a červenci (7% z celoročního odběru), největší odběry jsou v prosinci (cca 10,2 %). V průběhu dne dosahují špičkové odběry 8 - 8,5 % z celodenní spotřeby. Hodnoty jsou rozdílné pro zimní a letní období. Součinitel denní nerovnoměrnosti pro zimní období je kd = = 2,0. Orientačně lze počítat s maximální hodinovou spotřebou 0,2 m3 /h zemního plynu v domácnosti s odběrem pro vaření a přípravu TUV. Pokud je plynem byt i vytápěn, uvažuje se maximální hodinová potřeba 4 - 4,5. m3/h na jednu průměrnou bytovou jednotku. Plynárenská soustava musí zajišťovat bezporuchový provoz, potřebná odběrná množství o dostatečném tlaku plynu nepřetržitě v kteroukoliv denní i noční dobu. Nerovnoměrnosti odběrů, jsou v průběhu dne vyrovnávány zásobami v nadzemních plynojemech. Sezónní odběrné výkyvy jsou vyrovnávány akumulovanými zásobami v podzemních zásobnících. K vyrovnávání odběrů pomáhá i dispečerské řízení plynárenské soustavy, špičkové denní odběry se zabezpečují ze zásob zkapalňovacích stanic.
191
Nerovnoměrnosti odběru plynu v jednotlivých měsících roku jsou vyznačeny na grafu obrázku Obr. 119 v % celoroční spotřeby.
Obr. 119 - Průběh poměrné spotřeby plynu v jednotlivých měsících roku
3.2.3.2. Systémy pro dopravu plynu Doprava topných plynů od zdroje ke spotřebiteli je realizována plynárenským systémem pro dopravu plynů. Celá soustava má tři hlavní části: - zdroj, - akumulaci, - potrubní dopravní síť, - stanice pro změnu a regulaci tlaku. Dopravovaný plyn musí vykazovat v předepsaných mezích konstantní výhřevnost, tlak a hustotu. Kolísání tlaku v plynovodních soustavách ovlivňuje průtočná množství a současně tepelnou účinnost plynových odběrných zařízení. Při nižším tlaku účinnost klesá, při vyšším tlaku dochází k nedokonalému spalování a úletu složek plynu se spalinami (výtoková rychlost plynu v hořáku musí být v souladu s rychlostí hoření plynu. Spalovací rychlost u svítiplynu je 64 cm/s, u zemního plynu 35 cm/s). Plynové dopravní soustavy rozdělujeme dle tlaku do těchto základních stupňů (kategorií) viz Obr. 7: a) vedení o velmi vysokém tlaku (vvtl) s pracovním přetlakem od 4,0 do 10,0 MPa představují vedení 1. kategorie, nadřazenou síť mezinárodního nebo celostátního významu. Propojují oblasti zdrojů s územními celky spotřeby. b) vysokotlaké soustavy (vtl) s pracovním přetlakem od 0,4 do 4,0 MPa, reprezentují přívodní zásobovací řady 2. kategorie pro města, sídliště, závody. Propojují plynárny, plynovody 1. kategorie, zásobníky plynu, regulační stanice s místy (okrsky, regiony, zóny ...) další plošné distribuce. Navazují na tranzitní přivaděče o velmi vysokém tlaku. c) středotlaké soustavy (stl) s pracovním přetlakem od 0,05 do 0,4 MPa reprezentují okrskové distribuční soustavy zásobující soustavy nízkotlaké a mohou mít někdy už i přímý kontakt se spotřebiteli. Jsou
192
vytvářeny vedeními 2. a 3. kategorie. Navazují na vysokotlaké soustavy pomocí redukčních a regulačních stanic, d) nízkotlaké soustavy (ntl) s pracovním přetlakem do 0,005 MPa (do 5 kPa), minimální tlak je 0,6 kPa. Vytvářejí místní spotřební soustavy s přímou vazbou na vnitřní plynovodní systémy v objektech. Jsou reprezentovány vedeními 3. a 4. kategorie. Navazují na soustavy středotlaké i vysokotlaké přes redukční a regulační stanice 3.2.3.3. Provedení plynovodů Především u středo- a nízkotlakých rozvodů umístěných v zastavěném území je nutno respektovat bezpečnostní požadavky vyvolané charakterem dopravovaného media. Je nutno vzít v úvahu, že může docházet k únikům a shromažďování plynu v především podzemních prostorách, což hrozí výbuchem, či hromadnou otravou osob. Ochranná pásma od lící obvodových zdí činí: ntl plynovody - 1 m stl plynovody - 4 m vtl plynovody (do 0,3 MPa) - 5 m. Hloubka uložení potrubí plynovodů je v zastavěném území v rozsahu 0,9 - 1,1 m pod úrovní terénu, mimo zastavěná území 0,8 - 1,5 m. Minimální světlost uliční větve (3.kategorie) DN 100, výjimečně DN 80 mm. Zařízení plynovodů sestává z potrubí a příslušenství. Trubní vedení je tvořeno z trub, tvarovek, armatur (uzávěry, odvodňovače, kompenzátory, apod.). K příslušenství plynovodů patří šachta, ochranné kryty a poklopy armatur, chráničky potrubí, orientační sloupky atd. Vedení jsou navrhovány převážné z ocelových trub svařovaných i bezešvých závitových s hladkými konci nebo s hrdly ke svařováni. Původní litinové trouby hrdlové s utěsňovanými hrdly měly velmi dlouhou životnost, těsnění v hrdlech však chemickou erozí složek plynu vypadávalo a únik plynu (především v předchozím období svítiplynu) způsobil občasné havárie (výbuchy) a lehké otravy. Novým materiálem pro výrobu trub se v současné době stal lineární polyethylen (LPE), především pro nízkotlaké a středotlaké rozvody. Tato potrubí jsou dobře svařitelná, vykazují chemickou odolnost, mechanickou pevnost a nekorodují. Životnost tohoto potrubí je odhadována na 50 let. Přípojky z tohoto materiálu musí být však ukončeny 1 m před budovou, dále může pokračovat pouze ocelové potrubí. Významnou součástí plynovodů jsou regulační stanice. Slouží k automatické regulaci kolísajícího vstupního přetlaku topného plynu a k redukci vstupního přetlaku na nižší úroveň při přechodu plynu do systému o nižší úrovni tlaku. Kromě regulátorů, umístěných v samostatných regulačních stanicích, jsou instalovány regulátory domovní (umístěné za hlavním uzávěrem plynu), regulátor u spotřebičů a regulátory na propan-butan.). Regulační stanice se umisťují tak, aby byly snadno přístupné po veřejných komunikacích v samostatných budovách, přístavcích, přístřešcích nebo ocelových skříních ve výklenku a to dle dispozice příslušného správce (plynárenského podniku). Nesmí se umisťovat v záplavových územích, v místech s nebezpečnými poklesy půdy a jinak nestabilními geologickými poměry. Umísťuje se zpravidla v nejnižším místě odběrné oblasti, regionu, okrsku. Umístění musí být odsouhlaseno s příslušným orgánem hygienické služby, provoz stanice nesmí ohrožovat životní prostředí nadměrným hlukem, případně plynem z odfuku pojistného zařízení. V souladu s hygienickými, požárními a bezpečnostními předpisy musí být pro lokalizaci regulačních stanic a plynovodů dodrženy následující vzdálenosti od jiných objektů: - regulační stanice středotlaké .... 5 m - regulační stanice vysokotlaké .... 10 m - regulační stanice pro velmi vysoký tlak do 10 MPa .... 20 m
193
Další technické požadavky jsou upraveny ustanoveními normy ČSN 386417 -Regulační stanice plynu. Schéma technologického vybavení středotlaké regulační stanice je vyznačeno na Obr. 120.
1 .... uzávěr 2 .... plynový filtr 3 .... bezpečnostní rychlouzávěr 4 .... manometr 5 .... regulátor tlaku plynu
Obr. 120 - Schéma regulačního zařízení stl regulační stanice
6 .... kontrolní manometr 7 .... uzávěr 8 .... pojistný ventil
3.2.4.
Poměry v dlouhých potrubích při dopravě plynů
Vyšetřit poměry v dlouhých potrubích při dopravě plynů lze jen za určitých zjednodušujících předpokladech, a to že průtok plynů je ustálený, izotermický a potrubí stálého průřezu. Tyto předpoklady se velice blíží skutečnosti, kdy teplo vzniklé třením plynu o stěny potrubí je odváděno do okolí, protože trubka nemá tepelnou izolaci. Platí tedy následující rovnice, ve kterých je stav na začátku potrubí označen symbolem 1 a na konci 2. Rovnice kontinuity:
(301)
rovnice pro izotermický průtok potrubím:
(302)
rovnice tlakových ztrát v diferenciálním tvaru:
(303) kde
[m2 ]
si je
vnitřní průřez potrubí
w
rychlost proudění plynu potrubím (nízkotlak 3-15 m/s, středotlak 5-20 m/s)
[m/s]
p
tlak plynu v potrubí
[kPa]
k
hustota plynu
λ
součinitel hydraulického tření (u svítiplynu a zemního plynu lze uvažovat ve výši 0,024)
l
délka potrubí
[m]
d
vnitřní průměr (světlost) trubky
[m]
[kg/m3 ]
Sloučením těchto rovnic dostaneme:
194
(304)
Po integraci a dosazení okrajových podmínek: l1 = 0 a l2 = l dostaneme:
(305)
Z této rovnice lze určit průběh rychlostí a tlaku v trubce v závislosti na délce potrubí a lze s ní určit i tlakovou ztrátu v určité vzdálenosti od začátku. Levou stranu (305) lze upravit rozkladem rozdílu čtverců:
(306)
Rovnice (305) bude mít pak po dosazení (306) tvar:
(307)
kde
∆pz ps
jsou
tlakové ztráty plynu v potrubí o délce l
[kPa]
střední tlak plynu v potrubí
[kPa]
Tato rovnice se řeší iterací po odhadu středního tlaku ps.
195
3.2.5. Základní charakteristiky návrhu dimenzí trub spotřebních plynovodů (středotlaké a nízkotlaké soustavy) Výpočet dimenzí trub plynovodního vedení předpokládá především stanovit hodnoty průtoků plynu v jednotlivých úsecích plynovodní sítě. Dosud neexistuje jednotný normativní postup, který by stanovil výpočtové (zatěžovací) hodnoty, tedy distribuci průtokových množství v jednotlivých úsecích soustavy tak, aby celý systém uspokojil odběratele plynu v každém časovém okamžiku. Vzhledem k nerovnoměrnosti odběrů během dne je nutné stanovit hodnoty špičkových odběrných požadavků a na tyto hodnoty dimenzovat trubky. Pro předběžné odhady při návrhu tohoto systému technické infrastruktury, je možno použít metodiku uplatňující pro stanovení průtokových hodnot plynu koeficienty soudobosti a specifické hodnoty spotřeby plynu pro urbanisticky významnou odbornou jednotku. Tuto hodnotu výpočtového průtoku lze stanovit ze vztahu:
(308) kde
[m3 /h]
Qmp je maximální výpočtová hodnota průtoku plynu qpi
specifická (jmenovitá) hodnota spotřeby plynu odběrné jednotky i-tého typu [m3 /h]
ni
počet jednotek i-tého typu
kmp i
součinitel soudobosti pro i-tý typ odběrné jednotky
m
počet typů odběrných jednotek
Velikost bytu
Odběr qo [m3 /h] v bytech se spotřebiči pro vaření
vaření a přípravu TUV
Podle charakteru energetického zásobení území (jednocestný systém nebo vícecestný) mohou být topnými plyny kryty následující energetické potřeby:
1+1
0,020
0,043
a/ bytový fond, občanská a technická vybavenost, služby
1+2
0,043
0,089
- vytápění a větrání, chlazení,
1 + 3 a větší
0,064
0,150
- příprava TUV, - příprava pokrmů,
Tab. XXV - Specifické hodnoty q p odběru plynu u bytových jednotek
- technologické odběry v drobných provozovnách služeb, výrobnách, l aboratořích , ve š ko lá c h a výzkumných ústavech, atd.
b/ průmyslové a zemědělské firmy - odběry ad a/, - technologické a v pomocných zařízeních, - odběry k úpravě produkce rostlinné výroby, např. sušičky obilí či sena, příprava krmných směsí apod. Metodika určení Qpv předpokládá znalost široké škály specifických hodnot potřeb jednotlivých odběrných jednotek a hodnot součinitelů soudobosti odběrů. Nejpodrobněji jsou tyto údaje zpracovány pro bytový fond. Pro ostatní odběratele je možné obecně tyto hodnoty stanovit rozborem, stanovením časového diagramu odběrů, jejich hodnot a stupňů současnosti. Pro obytné okrsky (bytové objekty, individuální rodinné domky, řadové, atd.) jsou hodnoty jmenovitých odběrů a koeficientů soudobosti obsaženy v Tab. XXV a Tab. XXVI.
196
Plyn pouze k vaření
Počet bytů
k vaření a přípravě TUV
1+1
1+2
větší
1+1
1+2
větší
1
35.5
21.4
17.7
58
28
16.7
2
17.8
10.7
8.9
29
14
8.4
3
11.8
7.1
5.9
19.3
9.3
7.1
4
8.9
5.4
4.4
14.5
7.6
6.5
5
7.1
4.4
3.9
11.6
6.95
6
10
5.55
3.85
3.4
8.6
5.8
4.85
20
5.1
3.55
3.05
7.3
4.95
4.3
30
5
3.45
2.95
7
4.75
4.1
40
4.9
3.4
2.9
6.9
4.3
4.04
50
4.8
3.35
2.9
6.8
4.6
4.01
70
4.8
3.35
2.85
6.65
4.52
3.97
100
4.75
3.3
2.8
6.55
4.47
3.94
Tab. XXVI - Koeficienty soudobosti odběrů plynu k p [%] v závislosti na vybavenosti a počtu bytů
Známe-li maximální výpočtovou hodnotu průtoku plynu Qmp, můžeme stanovit světlost potrubí z dovoleného poklesu tlaku vlivem tření plynu o stěny potrubí podle vzorce (272), (307). Pro nízkotlaké potrubí jej upravíme do následujícího tvaru:
(309)
kde
k = 0,0182 pro svítiplyn nebo l
k = 0,192 pro zemní plyn
délka potrubí mezi body 1 a 2
Pro středotlaká potrubí:
(310)
kde
kp je hustota plynu
[kg/m3 ]
kvz
hustota vzduchu (při 0EC a tlaku 0,101325 MPa je 1,293 kg/m3 )
3.2.6.
Náklady dopravy plynu plynovody
Dálkové plynovody se budují jako velmi rozsáhlé stavby, které vyžadují značné investiční výdaje. To spolu s dlouhou životností hmotného majetku způsobuje, že podíl kapitálových nákladů (odpisy plus úroky)
197
činí cca 70% z celkových výrobních nákladů tranzitního plynovodu. Investiční výdaje na výstavbu plynovodu se skládají z výdajů na materiál (potrubí, armatury, kompresní stanice), na jeho dopravu na stavbu a stavebních prací, z nichž největší váhu mají zemní práce. Výdaje za potrubí se pohybují od 60 do 70% celkových investičních výdajů. Z toho plyne, že optimalizaci průměru potrubí musí být věnována dostatečná pozornost (viz kapitola 6). Průměry potrubí dosahují běžně 900 mm, 1200 mm i více. Je zřejmé, že čím větší průměr potrubí, tím budou při stejném průtoku plynu menší tlakové ztráty a nebude třeba tolik kompresních stanic na trase, které spotřebují i méně energie na krytí těchto ztrát. Kompresní stanice jsou investičně poměrně náročné stavby a na počátku provozu jsou budovány dále od sebe, aby se postupně, s rostoucí poptávkou a tomu odpovídajícímu zvyšujícímu se přepravenému množství plynu, jejich počet podél trasy zvětšoval. Zvyšování pracovního tlaku přináší větší množství přenesené energie jednak zvýšením rychlosti proudění a jednak tím, že při větším tlaku roste objemový obsah energie v plynu (zvyšuje se hustota). Rostou však rychle i tlakové ztráty, a tím množství energie, které je nutno dodat pohonným jednotkám kompresních stanic. To jsou zpravidla plynové turbíny spalující přepravovaný plyn. Např. plynovod z Orenburgu dlouhý 2700 km s roční kapacitou 28 mld. m3, spotřeboval z tohoto množství téměř 4 mld.m3 k pohonu 12 kompresních stanic, každá s výbavou 7 turbokompresorů o jmenovitém výkonu 10 MW. Závislost jednotkových dopravních nákladů na množství přepraveného plynu u plynovodů různých průměrů potrubí dokumentuje obrázek Obr. 121. Pro Českou republiku má z hlediska dopravy zemního plynu zásadní význam tranzitní plynovod jehož provozovatelem je Transgas, a.s. Hlavní činností této firmy je kromě přepravy ruského plynu pro zahraniční plynárenské společnosti i nákup a prodej plynu domácím regionálním distribučním společnostem, k čemuž slouží také podzemní velkokapacitní uskladňování plynu pro krytí spotřebitelských výkyvů. Tranzitní plynovod má několik větví potrubí v průměrech od 800 do 1400 mm v celkové délce přes 2400 km (viz mapa v příloze). Při budování jeho základní části v délce 1450 km bylo v sedmdesátých letech minulého století vynaloženo přes 8 mld. Kčs. Roční provozní stálé náklady (mzdy a nakupované služby související
Obr. 121 - Závislost měrných dopravních nákladů na přepraveném množství plynu
s opravou a údržbou) tehdy činily zhruba 200 mil. Kčs, přičemž cena spáleného plynu pro pohon kompresních jednotek byla za rok také něco přes 200 mil. korun. Od té doby stouply mzdové a ostatní
198
osobní náklady i nakupované služby na 2,5 násobek. Pořizovací hodnota hmotného majetku sloužícího k přepravě a uskladňování plynu ve vlastnictví Transgasu činí cca 35 mld.Kč (stavby a stroje). Tranzitní plynovod ročně přepraví přes 50 mld. m3 plynu, z čehož je cca 9 mld. určeno pro spotřebu v České republice. Kapacita vlastních a pronajímaných podzemních zásobníků (PoZa) činí asi jednu třetinu ročního spotřebovaného množství, čili 3 mld.m3. Spotřeba zemního plynu nestoupá pouze v naší republice, ale v celé Evropě. K zásobování plynem byla vybudována a stále se rozvíjí poměrně hustá síť (viz mapka v příloze). K tomu, aby Transgas neztratil svou pozici na přepravním trhu v konkurenci s ostatními středoevropskými společnostmi, musí vyvíjet silnou investiční činnost jak doma, tak i v zahraničí. Např. v roce 1999 investoval 1,8 mld. Kč, přičemž o rok dříve to bylo něco přes 2 mld. Kč. Investiční činnost však již polevuje, v roce 2005 činila asi 700 mil.Kč. Při dálkové přepravě plynu nevznikají žádné ztráty na médiu (kromě spalování plynu pro pohon kopresních jednotek), protože se plynovody pečlivě tlakově zkouší a v průběhu provozu stále monitorují. V místním rozvodu, především ve velkých městských aglomeracích, však ztráty plynu netěsnostmi vznikají. Je to způsobeno dlouhým používáním plynových sítí bez náležité údržby a nutných rekonstrukcí, které jsou značně investičně náročné. Každý únik plynu však znamená potencionální havárii. Celkové ztráty v místní síti dosahují až 10%, z toho asi 4% vznikají netěstnostmi a zbytek jde na vrub nepřesnosti měření, obchodním ztrátám (černé odběry), apod.
199
