Szintetikus gáz betáplálása földgázelosztó rendszerekbe – a hidraulikai szimuláció fontossága
TDK konferencia 2011
Készítette: Hajdú Gergely, Műszaki Földtudományi Kar, Olaj és gázmérnöki szakirány, 4. évfolyam
Témavezető:Horánszky Beáta Kőolaj és Földgáz Intézet,Gázmérnöki Intézeti Tanszék
Tanszék: Kőolaj és Földgáz Intézet,Gázmérnöki Intézeti Tanszék
2011.11.04.
Bevezetés Napjainkban egyre inkább előtérbe kerül az alternatív forrásból származó, a földgázzal tüzeléstechnikailag egyenértékű gázok hasznosítása mind a nagyfogyasztók körében, mind az elosztói rendszerbe betáplálva. Az elosztóhálózatba történő betáplálás azonban az egész hálózat működését befolyásolhatja és az elszámolásokban is gondot okozhat. Nyári szakmai gyakorlatom során egy ilyen konkrét esettel ismerkedtem meg, és vizsgáltam meg azt a hálózatban való betáplálás lehetőségeit.
2
1.Az alapprobléma Az elosztói engedélyest ez év elején egy cég1 kereste meg, azzal a szándékkal, hogy a tevékenységük melléktermékeként keletkező gázt betáplálhassák a gázelosztó rendszerbe (s így értékesíthessék azt). A cég üzleti titokra hivatkozva csak a létesítendő telephely helyrajzát, a betáplálni kívánt gáz mennyiségét valamint az üzem tervezett indulásának dátumát közölte az elosztói engedélyessel. 1. A betáplálni kívánt gáz mennyisége: 6600 (n)m3/h évi 8040 órában folyamatos munkarendben 2. Az üzem tervezett indítása: 2015 A kérdéses cég levelében a közölt adatokon felül, kérte az elosztói engedélyest, hogy adja meg a hálózati felcsatlakozás legközelebbi lehetőségének pontos helyét valamint, közölje a betáplálandó
gázzal
szemben
támasztott
fizikai
és
kémiai
követelményeket.
A cég a betáplálni kívánt gázra „szintetikus metán” –ként hivatkozott, s ez a megnevezés semmilyen információt nem árul el sem a gáz összetételéről, sem fizikai tulajdonságairól. Így a harmatponti nyomás-és hőmérséklet feltételeiről sem, amelyek elengedhetetlenek lennének annak meghatározásához, hogy a gáz milyen nyomásfokozatba táplálható be biztonságosan. Ez tehát az alapprobléma, amellyel nyári gyakorlatom során találkoztam, a problémára az elosztói engedélyesnél a későbbiekben ismertetett megoldásokat dolgoztam ki.
A céget, mivel többszöri megkeresésemre sem tanúsított semmiféle együttműködést, nem kívánom megnevezni. 1
3
1.A betáplálható gáz Az
elosztóhálózatba
betáplálható
földgáz
minőségi
követelményeire
vonatkozó
határértékek megtalálhatóak az 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelet 11. számú mellékletében. Amennyiben nem normál földgázt táplálunk be, a betáplált gáznak is meg kell felelnie a földgázra
vonatkozó
tüzeléstechnikai,
szénhidrogén-harmatponti,
és
tisztasági,
korrózióvédelmi követelményeknek. Ezeket a követelményeket az 1. táblázat foglalja össze. 1.-1 táblázat A földgáz égési és egyéb jellemzői A gázcsoport jele 2H 2S Jellemzők Követelmények Wobbe-szám(1) MJ/m3 (kWh/m
3)
Névleges Wobbe-szám (kWh/m
(1)
MJ/m
3
3)
45,66 - 54,76
36,29 - 41,85
(12,68 - 15,21)
(10,08 - 11,55)
50,72 (14,09)
39,11 (10,86)
Felső hőérték MJ/m3
31,00 - 45,28 (8,61 - 12,58)
(kWh/m3) Alső hőérték MJ/m3 (kWh/m3) A szolgáltatott földgáz Oxigéntartalom (V/V)%, legfeljebb Vízgőztartalom, g/m3 legfeljebb Szénhidrogén harmatpont, °C, legfeljebb 4MPa nyomáson engedélyezési nyomáson Nyomás a fogyasztói átadás helyén, kPa (mbar) Kisnyomású földgáz esetén Névleges nyomás Növelt nyomású földgáz esetén Névleges nyomás (1) A felső hőértékből számítva
27,94 - 40,81 (7,76 - 11,34) Távvezetéki Szigetüzemi 0,2 0,17
1,0
4 ---
--4 1-8 - 3,3 (18-33) 2,5 (25) 7,5 - 10,0 (75 - 100) 8,5 (85)
Forrás: 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelet a földgázellátásról szóló 2008. évi XL. törvény rendelkezéseinek végrehajtásáról
A táblázatban a 2H a nagy metántartalmú, míg a 2S megjelölés a nagy inerttartalmú gázt jelöli. Mivel a betáplálni kívánt gáz összetételének ismerete szükséges a megfelelő nyomásfokozat kiválasztásához, a hiányos adatokból kiindulva a következő lehetőségeket vettem számításba:
4
1.1. Szintetikus földgáz (SNG) és csúcsletörő gáz (PSG) Az első lehetőség hogy az üzem szintetikus földgáz (SNG) és földgáz (NG) keverékéből előállított csúcsletörő gázt (PSG) fog betáplálni. A szintetikus földgáz a PB vagy a propán és a levegő megfelelő arányú keveréke, egyes esetekben (pl. az orosházi üveggyár szintetikus földgáz rendszerében) i-butánt is alkalmaznak. Csúcsletörő gáznak (PSG) a szintetikus gáz és a földgáz keverékét nevezzük, az elnevezés abból adódik, hogy az így létrejött gáz elsődleges felhasználási módja az elosztórendszerben fellépő fogyasztási csúcsok letörése. A PSG előállításhoz két keverési fázisra van szükség. Az elsőben az SNG- t, állítják elő, a másodikban pedig az SNG- t a földgázhoz keverik, „olyan arányban hogy a végtermék paraméterei megfeleljenek a közszolgáltatású földgázokra előírt feltételeknek”. Az SNG és a PSG elosztórendszerbe történő táplálásának lehetőségeivel bővebben foglalkozik Dr. Magyari Dániel, Dr. Tihanyi László és Budaváriné Magyari Rita Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban című tanulmánya, amelyet nyári gyakorlatom során megkaptam és a munkám során a benne található gázkeveredési mintapéldákat, nyomás-és harmatponti feltételeket vettem alapul. A tanulmány a szintetikus gázok összetételének meghatározásához a kereskedelmi minőségű propánt veszi alapul (1.1-1 táblázat). 1.1-1 táblázat Kereskedelmi minőségű propán gázösszetétele Komponens
mól %
Etán
0,5 %
Propán
97 %
i-Bután
2%
n-bután
0,5 %
Forrás: Dr. Magyari D., Dr. Tihanyi L. és Budaváriné M. R.: Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban
A betáplálás szempontjából az adott gáz harmatponti nyomás és hőmérséklet feltételének meghatározása nagyon fontos, mivel „a biztonságos üzemeltetés el előfeltétele hogy a rendszerben ne következzen be szénhidrogén-kondenzáció”. Egy adott gázösszetétel esetén a kondenzáció nyomás-és hőmérséklet feltételét a harmatponti görbe adja meg. A tanulmányban Peng-Robinson állapotegyenletet
használó
SUPERTRAPP
szoftver
segítségével számolták ki az SNG előállításához használt kereskedelmi minőségű propán valamint az izo és normál-bután harmatponti feltételeit. A tanulmányban megtalálhatóak ezek a harmatponti diagramok, de a TDK dolgozatomban már nem kívántam őket 5
feltüntetni, csak a belőlük leszűrhető eredményeket, mivel a dolgozat már így is elég nagy mértékben támaszkodik az említett tanulmányra. 1.1-2. táblázat Harmatponti nyomás és hőmérséklet feltételek Hőmérséklet °C
Propán
0 4 5 10 15
3,73 4,34 4,50 5,35 6,30
Propán (kereskedelmi)
i-Bután
Túlnyomás (bar) 3,51 4,10 4,25 5,08 6,00
0,55 0,79 0,85 1,19 1,57
n-Bután
0,02 0,19 0,23 0,47 0,75
Forrás: Dr. Magyari D., Dr. Tihanyi L. és Budaváriné M. R.: Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban
Az a 1.1-.2. táblázatban látható a kereskedelmi minőségű propán komponensei jogszabályban meghatározott 4°C-os szénhidrogén harmatponti hőmérsékleten mind jóval 5 bar alatt kondenzálódnak, így egy ekkora, vagy ennél nagyobb engedélyezési üzemnyomással működtetett rendszerbe már nem táplálható be. 1.1-3 táblázat SNG keveredési mintapélda Propán Levegő SNG mól % mól % mól % 0,00 % 0,00 % 0,00 % 0,50 % 0,00 % 0,30 % 97,00 % 0,00 % 58,08 % 2,00 % 0,00 % 1,20 % 0,50 % 0,00 % 0,30 % 0,00 % 0,03 % 0,01 % 0,00 % 78,09 % 31,33 % 0,00 % 20,95 % 8,41 % 0,00 % 0,93 % 0,37 % 100,00 % 100,00 % 100,00 % 61,7 % 38,3 % 44,38 28,96 38,19 1,53 1,00 1,32
Komponenesek Metán Etán Propán i-Bután n-Bután Szén-dioxid Nitrogén Oxigén Argon Keverési arány Moláris tömeg kg/kgmól Relatív sűrűség Alsó hőérték (fűtőérték) MJ/m3 Felső hőérték (égéshő) MJ/m Wobbe-szám MJ/m3
3
88,92
0,00
53,24
96,57
0,00
57,82
78,02
0,00
50,35
Forrás: Dr. Magyari D., Dr. Tihanyi L. és Budaváriné M. R.: Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban
6
A fentiekben már említett tanulmány 1.1-3. táblázatban látható SNG keveredési mintapéldát vizsgálja. Itt az SNG és a levegő térfogataránya 61,7 és 38,3 százalék. Az így nyert gáz Wobbe-száma 50,35, a keveredés hatására a kondenzációs határ 7,84-bar-ra nőtt, a relatív sűrűsége azonban nagyobb mint 1 ezért „felhasználásánál a PB ellátásánál érvényes biztonsági szabályokat kell alkalmazni”. A következő PSG keveredési mintapélda szintén ebben a tanulmányban található, a kevert gázban az SNG és a földgáz részaránya itt 60-40 % ebben a keverési arányban a gázkeverék relatív sűrűsége már kisebb, mint 1, és az oxigéntartalma is csupán 3,36% amely az alsó robbanási koncentrációhatár alatt van így nem okoz problémát az ellátás során. A szénhidrogén kondenzációra ebben az esetben 20,15-bar nyomáson lehet számítani 4°C-on így gond nélkül betáplálható az elosztói rendszerbe. Ez a gáz már minden egyéb tekintetben megfelel az előírásban foglaltaknak, sőt a fűtőértéke nagyobb a földgázénál. 1.1-4 táblázat Földgáz és SNG keverési fázis számítási eredményei
Komponenesek Metán Etán PropánA i-Bután n-Bután Szén-dioxid Nitrogén Oxigén Argon Keverési arány Napi gázáram m3/d Moláris tömeg kg/kgmól Relatív sűrűség
NG SNG mól % mól % 97,86% 0,00% 0,86% 0,30% 0,27% 58,08% 0,09% 1,20% 0,01% 0,30% 0,10% 0,01% 0,81% 31,33% 0,00% 8,41% 0,00% 0,37% 100,00% 100,00% 60% 40%
PSG mól % 58,72% 0,64% 23,39% 0,53% 0,13% 0,06% 13,02% 3,36% 0,15% 100,00%
237600 16,41 0,57
158400 38,19 1,32
396000 25,12 0,87
Alsó hőérték (fűtőérték) MJ/m3
34,17
53,24
41,87
Felső hőérték (égéshő) MJ/m3
37,90
57,82
45,87
50,35
50,35
49,25
Wobbe-szám MJ/m
3
Forrás: Dr. Magyari D., Dr. Tihanyi L. és Budaváriné M. R.: Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban
7
Az 1.1-4. táblázatból látszik, hogy bár a PSG összetétele jelentősen eltér, a földgázétól mégis teljesíti a gázok cserélhetőségére vonatkozó, a közel azonos Wobbe-szám mellett az égőnél kialakuló energiaáram, illetve hőteljesítmény csak elhanyagolható mértékben tér el. A PSG magasabb fűtőértékének és égéshőjének köszönhetően azonos elvétel mellett kisebb gázáram szükséges. A fenti táblázatba a napi gázáram mezőbe már a saját, az orosházi hálózatra vonatkozó adataimat helyettesítettem be itt látszik, hogy az üzem által előállított 6600 (n)m3/h szintetikus gázhoz 9900 (n)m3/h (a táblázatban m3/napban van megadva) mennyiségű földgázt kellene hozzáadni a teljes kihasználtsághoz, amely további kérdéseket vet fel. Ezekre a későbbiekben még visszatérek.
1.2. Nagy tisztaságú biogáz (biometán) A másik lehetőség hogy az üzem végterméke biogáz lesz, mivel nem ismerjük az előállításhoz használt technológiát ezért nem következtethetünk a nyers biogáz pontos összetételére sem. A nyers biogáz nem felel meg a közszolgáltatott gázok (2H, 2S) minőségének. Viszonylag nagy metántartalma mellett jelentős mennyiségben tartalmaz inert komponenseket (N2, CO2). Kisebb mennyiségben tartalmaz továbbá oxigént, ammóniát, kénhidrogént, különféle halogén vegyületeket és sziloxánokat. Mivel általában atmoszférikus nyomáson nedves technológiával állítják elő ezért a nyers biogáz jellemzően telített vízgőzzel is. Tisztán látható, hogy egy ilyen gáz nem alkalmas a hagyományos háztartási gázkészülékek biztonságos üzemeltetéséhez. Ahhoz, hogy ezt a gázt a gázelosztó rendszerbe be lehessen táplálni több tisztítási fázison kell keresztül mennie. Első lépésben a biogáz szilárd szennyezőit választják le illetve kén és nedvességtartalmát csökkentik. „A kéntartalmat, illetve az egyéb káros anyagok koncentrációját olyan mértékben kell csökkenteni a biogázban, hogy a gáz elégetése után keletkező égéstermék kielégítse a környezetvédelemre, a levegő szennyezésére vonatkozó (többek között a 17/2001. (VIII. 3.) KöM rendeletet-a légszennyezettség és a helyhez kötött légszennyező források kibocsátásának vizsgálatával, ellenőrzésével, értékelésével, kapcsolatos szabályokról) követelményeit.” Ha a kén és egyéb károsanyag tartalom csökkentése után a nyers biogáz inerttartalmát is az 1.3-1. táblázatban látható biometán szintjére csökkentik akkor a gáz az országos földgázhálózat gázminőségre vonatkozó előírásai szerint 2H minőségű gázként használható fel.
8
1.2-1 táblázatA tisztított biogáz (biometán) és a földgáz összetételének összehasonlítása Komponens
Nyers biogáz
Tisztított biogáz (biometán)
Közszolgáltatású földgáz
Metán (CH4)
55…70 tf%
> 97 tf%
> 95 tf%
Hidrogén (H2)
nyomokban
< 0,1 tf%
< 5 tf%
Széndioxid (CO2)
30…45 tf%
< 1 tf%
< 6 tf%
Nitrogén (N2)
< 2 tf%
< 2 tf%
< 2tf%
Oxigén (O2)
< 0,5 tf%
< 0,5 tf%
< 0,1 tf%
Kénhidrogén (H2S)
< 500 ppm
< 1 mg/m3
Sziloxánok (SiOx)
< 100 ppm
< 1 mg/m3
Szénhidrogének (CxHx)
< 500 ppm
< 10 mg/m3
Vízgőz
< 33 mg/m3
Felső hőérték (égéshő) (kW/m3)
telített 6...7,5 kW/m3
Wobbe-szám (kW/m3)
6…10 kW/m3 ~ 15 kW/m3
max 11 kW/m3
10,7…13,1 kW/m3 10,5…15,7 kW/m3
Forrás: Rajner János (2009:Biogáztüzelés lehetősége háztartási gázkészülékekben Info-Prod Műszaki Kiadványok, Biogáz előállítás és felhasználás I.évfolyam 183.szám. 42-43.o.
Mivel az így megtisztított biogáz tüzeléstechnikai és harmatponti tulajdonságai csak minimálisan térnek el a földgázétól ezért minden további nélkül betáplálható az elosztói rendszerbe. Bár a két gáz szénhidrogén harmatponti feltételei eltérők, az orosházi rendszerben előforduló nyomástartományokba mindkettő nagy biztonsággal a kondenzáció veszélye nélkül betáplálható.
9
2. A hidraulikai szimuláció A betáplálási igényre felkészülve az elosztói engedélyesnek többféle megoldású betáplálási esetet kell kidolgoznia és ezek során hidraulikai szimulációs tesztet végezni a kérdéses elosztórendszeren. A nyári gyakorlatom során ezt a feladatot végeztem el.
2.1 A hidraulikai szimulációhoz használt eszközök Carpathe A hidraulikai szimulációkat az ÉGÁZ-DÉGÁZ Földgázelosztó Zrt. által használt Carpathe V5 nevű szoftver 2.7.2-es verziójával végeztem. A szoftver francia fejlesztés, melyet az ÉGÁZ-DÉGÁZ miden évben szerződésben meghatározott összegét bérel. A DÉGÁZ anyavállalata a GDF SUEZ is ezt a szoftvert használja a francia gázhálózatok üzemeltetéséhez. Az alkalmazás használható hidraulikai szimulációk, tanulmányok készítésére hidraulikai kérdések vizsgálatára. A program alapvetően két adattípusból táplálkozik. 1. „A hálózatot leíró adatok melyek a DETER illetve a HET-MIR nevű alkalmazásokból származnak” 2. „A fogyasztási adatok a csúcsidei teljesítmény-adatokon keresztül, a fűtési küszöbhőmérséklet mellett, illetve a 2% és az 50%-os kockázati szinteknek megfelelő hőmérséklet mellett.” A 2% és 50%-os kockázati szintek azokat a legalacsonyabb hőmérsékleteket jelölik, amelyeket az adott évben 2% illetve 50% eséllyel, vagyis a 2% esetén 100 évente kétszer az 50% esetén 100 évente 50-szer, vagyis minden második évben erünk el vagy lépünk túl. Ezeket az értékeket egy adott régióban a meteorológia adatok visszamenőleges elemzésével határozzák meg. Ezek az értékek a számomra érdekes Dél-Alföldi régióban a következőképpen alakulnak. A 2%-os kockázati szint a -20°C-ra az 50%-os kockázati szint pedig -12°C-ra esik. Ugyanakkor nem szabad elfelejtenünk, hogy a 19/2009 (I.30.) Korm.rendelet 30. paragrafusáról, amely a következőképpen rendelkezik: „30. § (1) Egyetemes szolgáltatónak biztosítania kell a szolgáltatási területén vele szerződést kötő egyetemes szolgáltatásra jogosult felhasználók folyamatos gázellátását a) a szolgáltatási területre jellemző, de legalább egy gázévre összesen 2600 napfok számig, és b) legalább -12 °C közép-hőmérsékletéhez tartozó 10
fogyasztási értékig” Az elosztói engedélyesnek a törvény szerint csak -12°C ig kötelessége a szolgáltatás biztosítása, a gyakorlatban azonban nyilván arra kell törekedni, hogy minél alacsonyabb külső hőmérsékletig zavartalan maradjon a szolgáltatás. A hőmérséklet csökkenésével párhuzamosan nyilván egyre nagyobb lesz a felhasznált gáz mennyisége, ezért a hidraulikai szimuláció során mind a-12°C-os mind a -20°C-os külső hőmérsékletekkel számoltam. DETER A DÉGÁZ térinformatikai szoftvere, amelyben a tervtárban található térképek érhetők el, digitalizált formában. Tartalmazza a városok alaptérképét a vezetékek és a közművek nyomvonalát
és
hosszát,
a
nyomásszabályzókat,
az
elzárószerelvényeket,
a
nagyfogyasztókat valamint az ezekhez tartozó műszaki megírásokat (Az alkalmazás az adatokat saját koordináta-rendszer szerint tárolja). HET-MIR A DÉGÁZ műszaki adatbázisa, melyben rögzítve vannak a társaság tulajdonában lévő vezetékek, műtárgyak, nyomásszabályzók, stb..) jellemző paraméterei, karbantartási naplói és az esetleges meghibásodások. A HET-MIR ettől azonban sokoldalúbb program a DÉGÁZ sok mindent ezen keresztül valósít meg pl.: a munkautasításokat. Sólyomszem Az ÉGÁZ-DÉGÁZ Földgázelosztó Zrt. által alkalmazott távfelügyeleti rendszer amelyet egyenlőre nagyfogyasztóknál használnak de kísérleti jelleggel már háztartási fogyasztókat i bekötöttek a rendszerbe. Alkalmas a gázátadó állomásokon mért gázmennyiségének valamint a gáz összetételében bekövetkezett voltozások rögzítésére, amennyiben a megfelelő műszerek a helyszínen rendelkezésre állnak. Központja Győrben található. SAP Ezt a programot a fogyasztási adatok lekérdezésére használtam fel.
11
2.2.Az adott hálózatra vonatkozó szimuláció elkészítésének folyamata Ahhoz a hogy a számításokat elvégezzem először fel kellett állítanom egy hiteles modellt Orosháza gázhálózatáról, az több lépésből állt. Az első a vezetékadatok bevitele a Carpathe-ba melyhez a DETER nevű alkalmazásra van szükség A program segítségével exportálhatjuk a vezetékek adatait majd ezt egy speciális alkalmazás segítségével olyan formátumúvá alakítjuk, amelyet a Carpathe már be tud olvasni. Ebből a fájlból a Carpathe felépíti a vezetékhálózatot ez a hálózat a vezetékek hosszain, egymáshoz viszonyított elhelyezkedésén (koordinátáin) és csatlakozási pontjain kívül semmilyen adatot nem tartalmaz. Ezért a következő lépés az utcalista feltöltése, amikor az egyes vezetékekhez utcákat rendelünk. Az utcalistát az SAP rendszerből kérdezzük le, erre azért van szükség mivel a fogyasztók utcánként vannak nyilvántartva a rendszerben úgy, hogy az adott utcában hány db fogyasztó van. Ebből következik, hogy az utcalistán csak azok az utcák fognak szerepelni ahol a társaságnak bejegyzett fogyasztója van. Ha befejeztük az utcalista feltöltését az üres hálózatra felhelyezzük a gázátadó állomásokat és a körzeti nyomásszabályzókat majd megadjuk a szükséges jellemző paramétereiket. Orosháza a gázt két távvezetéki nyomásszabályzón keresztül kapja ezek az Orosháza I és II. es gázátadók, az I.-es 6 bar on a II.-es 3 bar on üzemel. Ekkor már kirajzolódnak a nyomásfokozatok. Az orosházi hálózatban mindhárom nyomásfokozat megtalálható.Ezt követően kezdődhet a vezetékek paraméterezése, amelyet a DETER-t és a HET-MIR-t párhuzamosan használva végzünk úgy, hogy ellenőrizzük az adatok hitelességét, ha valamilyen anomáliát tapasztalunk és a két rendszerbe felvitt adatok nem egyeznek, akkor a tervtárból kikért térkép segítségével ellenőrizzük az adott vezetéket. Ezután következik a nagyfogyasztók felhelyezése a hálózatra. Mivel az ő esetükben egyéni fogyasztási profilról beszélünk, ezért a fogyasztásukat az álaluk lekötött gázmennyiség alapján határozzuk meg, hogy az így kapott eredményre tudjuk méretezni a hidraulikai rendszert. A nagyfogyasztók fogyasztása ellenőrizhető a Sólyomszem távfelügyeleti rendszer segítségével. Az utolsó lépés a terhelés ráhelyezése a hálózatra, ehhez az SAP rendszerből lekérdezett fogyasztási adatokat (amelyek a 2 és 50%-os kockázati szinthez tartozó fogyasztási adatokat tartalmazzák utcánként) átfuttatjuk két speciális makrókat tartalmazó Excel táblán. Ezek eredménye egy olyan állomány lesz, amelyet a Carpathe képes importálni így a hálózatra rákerültek a terhelések. Ezt követően már végezhetünk hidraulikai szimulációt az elosztói rendszeren. Amennyiben az első szimulációk után a valóságtól nagyon eltérő eredményeket kapunk (pl.: az modell azt mutatja, hogy a város egy bizonyos részében 12
nincs meg a megfelelő nyomás, miközben a valóságban nem érkezett hibabejelentés erről a területről) akkor a Carpathe hipotézis funkciójával be kell állítanunk, hogy az egyes területek fogyasztói mennyivel kevesebb vagy több gázt használnak fel az SAP –ból kiolvasott adatokhoz képest. Ezt addig kell folytatnunk, amíg a modellünk meg nem felel a valóságnak. Miután felállítottam egy működőképes modellt, ami a valóságnak megfelelően szimulálja az hálózati nyomásviszonyokat, hozzáláthattam a tényleges probléma megoldásához. Több lehetséges csatlakozási pontot is vizsgáltam, hogy a befektető cégnek több alternatív betáplálási pontot is fel tudjon kínálni az elosztói engedélyes. A fő kérdés az volt, hogy melyik esetben van a tervezett üzemnek nagyobb kihasználtsága, melyik betáplálási pont esetén tud több távvezetéki gázt kiváltani. Az üzem ilyen esetben jogilag gáztermelőnek minősül, ezért a későbbiekben így is hivatkozok rá. Az üzem, szimulációját úgy oldottam, meg hogy a helyrajzi szám alapján beazonosított telephelyre elhelyeztem
egy távvezetéki
nyomásszabályzót,
amelynek
a
kimenő
nyomását
tetszőlegesen szabályozhattam, a kiadott gáz mennyiségét pedig a megkeresésben meghatározott 6600 (n)m3/h –ra állítottam.
2.3.Első megoldás betáplálás középnyomásba Az első lehetőség hogy a középnyonyomás felé táplálunk be. Először meg kellett határozni azt az üzemhez legközelebb eső pontot amely alkalmas a betáplálálásra. Tisztán látszott azonban hogy azok a vezetékek amelyek alkalamasak lennének mint betáplálási pont, mind túl szűk keresztmetszetűek ahhoz, hogy a tervezett maximális gázáramot szállítani tudják. Ezért ebben az esetben az első lépés a kiválasztott vezeték felbővítése olyan átmérőre amely biztosan képes a gázmennyiség továbbítására. Az a vonal amit a betáplálásra válaszotottam eredetileg több vezetékátmérőt tartalmazott, pontosan 114 m DN32 SDR 11 es vezetéket amelynek belső átmérője 26,2 mm és 1200 m DN 110 SDR 11 vezetéket ennek belső átmérője 90 mm a vezetékek anyaga PE 80/G. Ezekhez még hozzájön a csatlakozáshoz szükséges új vezetékszakasz amely termelőtől a meglévő vezetékkel történő csatlakozásig kerül lefektetésre ennek hossza 687 m az átmérőjét pedig első esetben pedig DN110-es re vettem. Ezen a területen a körzeti nyomásszabályzó állmások 3 bar-os értékre vannak beállítva ezért ennek a vezeték-nyomvolnalnak is ennyi az üzemi nyomása. Egyértelmű hogy a fenti vezetékek közül a DN 32 es szűk 13
keresztmetszet lesz, ezért az alső körben ezt bővítettem DN 110 esre így a teljes vezetékhosszon azonos lett az átmérő.Ha a termelőt úgy kapcsoljuk be a hálózatba hogy az összes jelenleg is működők körzeti nyomásszabályzó üzemel, akkor igen kis gázáramot tudonk csak betáplálni, mivel az orosházi gázhálózat jelenlegi kiépítésében is ellátja feladatát, nincs szükség plusz gázra. Ahhoz hogy vizsgálni tudjuk az üzem kihasználtáságát egyenként ki kell kapcsolnunk a körzeti nyomásszabályzókat és minden lépés után egy új szimulációt futtatva ellenőrizi azt hogy a gázellátás továbbra is megfelelő-e és a szükséges nyomásszintek biztosítva vannak, valamint hogy az üzem mennyi gázt képes az adott esetben betáplálni. A betáplálsi nyomást ennél a megoldásnál minden esetben 3 bar nak vettem mivel a rendszer jelenleg is ezen a nyomáson működik így ez biztos nem okoz üzemzavart valamint szénhidrogén harmatponti szempontból is kedvezőbb az alacsony nyomás. Első lépésben a Béke TSz majd az Üveggyári körzeti nyomásszabályzókat kapcsoltam le, DN 110-es vezetékátmérővel ez -12°C os külső hőmérséklet esetén a hálózat nagyrészét ellátta ugyan a de néhány helyen főleg a kisyomású részeken az előírtnál alacsonyabb volt a nyomás -20°C os külső hőmérséklet esetén azonban már a hálózat jelentős részén gázhiány lépett fel, ennek ellenére a vezetéken áthaladó gázáram nagysága mindkét esetben a vártnál alacsonyabb volt, látható volthogy ebben az összeállításban a vezeték a szűk keresztmetszet. Mivel ebben az esetben az üzem kihasználtásge igen alacsony volt ezért nem került bele a lenti táblázatba. A következő lépésként az egész vezetékszekaszt PE 80 DN 160 SDR 17,6 –os vezetékre cseréltem melynek belső átmérője 141,8 mm. Azért a 17,6-os SDR szám mert a DÉGÁZ DN 110-es vezetékátmrő fölött kis és középnyomású tartományban ezt a falvastagságot használja, mivel ára kedvezőbb mint az SDR 11 –es vezetéké. A DN 160 –as vezetékkel már mindkét vizsgált külső hőmérséklet esetén zavartalan volt a gázellátás de a maximálisan betáplált 3415,76 (n)m3/h-val nem voltam elégedett, mivel ez még mindig csak az üzem tervezett kapacitásának a fele. Bővítettem tehát a vezetékszakaszt DN 200asra amivel mind -12°C mind -20°C –os külső hőmérsékleten nagyobb kihasználtáságot sikerült elérni. Kipróbáltam még a DN 250-esre történő bővítést is de az eredmények csak minimális mértékben változtak látszott hogy ebben a tartományban már nem a vezeték átmérő a gond hanem egyszerűen a rendszer nem tud több gázt felvenni. Következő lépésként visszaálltam DN 200-as vezetékre és a vezeték végere elhelyeztem egy plusz nagyfogyasztót 2500 (n)m3/h fogyasztással. A 200 as átmérőjű vezeték ezt a megnovekedett fogyasztást is ki tudta szolgálni anélkül hogy a hálózat többi részén gázhiány lépett volna fel. A kísérlet eredménye ennnél a megoldásnál tehát azt mutatja 14
hogy a jelenleg meglévő fogyasztókkal, DN 200 –as vezetékkel -20°C-os külső hőmérséklet esetén az üzem legfeljebb 3743,95 (n)m3/h-t tud betáplálni, de mivel ilyen hideg csak tirkán fordul elő azért inkább a -12°C esetén betáplálható 3015,27 (n)m3/h a reális. Ez igen alacsony kihasználtságot jelent mivel az az üzem kapacitásának alig a fele, és
a
nyári
időszakban
ez
az
érték
jóval
alacsonyonabb,
és
a
1887m-nyi
vezetéképítés/bővítés is jelentős plusz költséget jelent. A a rendszerben viszont van annyi potenciál hogy egy esetlegesesen megnövekedett fogyasztás igényt (pl.: egy újabb nagyfogyasztót ) is kiszolgáljon.
2.3.-1. ábra a kikapcsolt körzeti nyomásszabályzó állmások és a létesítendő vezeték nyomvonala
2.3.-1 táblázat A gázáramok különböző vezetékátmérők és külső hőmérséklet esetén. (az értékek (n)m3/h-ban értendők)
3 bar
PE vezeték tipusa
PE 80 DN 160 SDR 17,6 PE 80 DN 200 SDR 17,6
nincs körzeti nyom. Szabályzó állomás kikapcsolva -12 °C 531,73 552,18
-20 °C 610,29 792,41
Üveggyári út II., Béke TSZ körzeti nyomásszabályzó állomások kikapcsolva -12 °C 2751,13 3015,27
-20 °C 3415,76 3743,95
15
2.4. Második megoldás betáplálás nagyközépnyomásba A második megoldásban az üzem talakhatárán lévő nagyközépnyomású vezetékbe tápláljuk be a gázt. A meglévő vezeték egy DN 160 SDR 11-es PE vezeték amely 6 bar-on üzemel, a gázt az Orosháza I.-es gázátadó állmoástól kapja. A csatlakozás kötlségei ebben az esetben elhanyagolhatóak hiszen termelőnek csak a telekhatárán húzódó vezetékre kell csatlakoznia. Itt csak annak a vezetéknek a mérete kérdéses amelyikkel csatlakozunk a nagyközépnyomáshoz mivel nem életszerű, hogy az egész a város gázellátásának szempontjából kulcsonfontosságú vezetéket bőívtenék. Ennél a megoldásnál nem a körzeti nyomásszabyálzók kikapcsolásával hanem az Orosháza I. átadó leállításával vizsgáltam hogy az üzem mennyi gázt képes betáplálni, a szimulációkat minden vizsgált vezetékátmérő és nyomásfokozat esetén lefuttattam ki-és bekapcsolt átadóállomással is. Először egy DN 160-as vezetékkel csatlakoztam és a termelőnél 6 bar os betáplálási nyomást állítottam be,majd ugyanezt megismételtem DN 200-as átmérőjű vezetékkel is. Jól látszik hogy ennél a betáplálási módnál az üzem alap kihasználtásga jóval nagyobb mint a kisnyomásba történő betáplálás esetén. -20°C –os külső hőmérséklet és 6 bar esetén akár a 2372,15 (n)m3/h –t elérheti a DN 200-as átmérőjű vezetékkel. Kikapcsolt átadóállomás esetén a DN 160-as vezeték -20°C –nál már nem bizonyulyt elgendőnek, a hálózat jelentős részén alacsony volt a nyomás. A DN 200-as vezetékkel a maximális kihasználtság 5562,0 (n)m3/h volt óránként. Később megisételtem a szimulációt 8 bar-os betáplálási nyomáson is, itt a kikapcsolt és bekapcsolt átadóval mért eredmények közötti különbség minimálisra csökent. Ez annak köszönhető hogy az Orosháza I. –es átadó csak 6 nyomáson táplál be míg a termelő 8 bar –on táplál be így a nyomáskülönbség miatt átveszi a terhelést a gázátadótól emiatt nem is feltétlenül szükséges annyak kikapcsolása hanem egy plusz biztonságként tovább üzemeltethető. Kikapcsolt állapotban természetesen nagyobb kihasználtásggal tud betáplálni az üzem,a 2.4.-1 táblázat adataiból tisztán látszik, hogy a 8-bar-os betáplálási nyomás mellett nem szükséges a DN 200-as vezetékátmérő mivel a megnövelt nyomás esetén, az azonos keresztmetszeten szállítható gázáram jóval nagyobb. Ebben az esetben a maximális betáplált gázmennyiség 5567,49 (n)m3/h. A 2.4.-1. ábrán látható a létesítendő vezeték nyomvonala, ezt a jobb láthatóság kedvéért hagytam meg ekkorára, a valóságban sokkal rövidebb akár néhány 10 m vezeték is elegendő lehet.
16
2.4.-1. ábra a kikapcsolt Orosháza I. –es gázátadó állomás és a létesítendő vezeték nyomvonala.
2.4.-1 táblázat A gázáramok különböző nyomásfokozatok,vezetékátmérők és külső hőmérséklet esetén. (az értékek (n)m3/h-ban értendők)
6 bar
PE 80 DN 160 SDR 11 PE 80 DN 200 SDR 11
nincs átadó Orosháza I.átadó kikapcsolvva kikapcsolva -12°C -20°C -12°C -20°C 1485,42 2047,11 4675,31 nem látta el 1626,53 2372,15 5499,68 5562,08
8 bar
PE 80 DN 160 SDR 11 PE 80 DN 200 SDR 11
nincs átadó Orosháza I.átadó kikapcsolva kikapcsolva -12°C -20°C -12°C -20°C 4679,68 5127,88 4679,68 5567,49 4679,68 5127,88 4679,68 5567,49
17
3.Konklúzió Mindkét a fentiekben bemutatott megoldás megvalósítható, bár eltérő hatékonysággal és költségekkel. A nagyközépnyomásba való betáplálás nagyobb kihasználtságot eredményez és a létesítés költségei is alacsonyabbak, ezért ez tűnik a jobb alternatívának. Azonban még az ebben a megoldásban betáplált gázmennyiség sem fedi le az üzem kapacitásának 100%-át, ráadásul ezek az értékek a téli időszakban vett legrosszabb eshetőségek esetén igazak. Akkor ha -12 illetve -20°C os külső hőmérséklet mellett az összes fogyasztó egyszerre maximális gázelvételt realizál. Figyelembe kell azonban vennünk, hogy -12°C esetén Orosháza teljes gázfogyasztása a Carpathe jelentése alapján 8644,84 m3/h. A Sólyomszem adatai szerint a 2010-es évben a legnagyobb orosházi átvétel 9454,5 m3/h volt ebből az Orosháza I. es távvezetéki nyomásszabályzó állomásra 4968,42 m3/h jutott. Ilyen fogyasztási igények mellett a második megoldás képes kiváltani az Orosháza I.-es átadón átvett teljes gázmennyiséget. Azaz fedezi az orosházi gázigény több, mint 50%-át, ami bizonyítja a megoldás létjogosultságát. Egy újabb probléma merül fel abban az esetben, ha az üzem szintetikus földgázt állít elő és megkeresésben lévő 6600 m3/h a tiszta SNG- re nem pedig a földgázzal már bekevert PSG –re vonatkozik akkor a szimulációban megalapított gázmennyiségeknek csak körülbelül a 40%-át tudja majd betáplálni mivel az elosztóhálózatba történő betápláláshoz az SNG -t 40 -60 %-os arányban földgázzal kell keverni. Fontos kérdés az is, hogy mit kezdene a termelő a be nem táplált földgázzal, valamint hogy hogyan oldanák meg az így betáplált gáz fogyasztói oldalon történő elszámolását. Ezekkel a kérdésekkel azonban TDK dolgozatom keretein belül nem kívánok foglalkozni.
18
Irodalomjegyzék Folyóiratban megjelent cikkek, tanulmányok:
Rajner János (2009):Biogáztüzelés lehetősége háztartási gázkészülékekben, Info-Prod Műszaki Kiadványok, Biogáz előállítás és felhasználás I. évfolyam 183.szám. 42-43.o. Egyéb források:
Dr. Magyari D., Dr. Tihanyi L., Budaváriné Magyari. R. (2004), Szintetikus gázok felhasználásának lehetőségei a csúcsgazdálkodásban Szunyog I: A biogázok földgáz közszolgáltatásban történő alkalmazásának minőségi feltételrendszere Magyarországon.Doktori (PhD) értekezés, Miskolci Egyetem, 2009 19/2009. (I. 30.) Korm. rendelet a földgázellátásról szóló 2008. évi XL. törvény rendelkezéseinek végrehajtásáról 11. számú melléklet a 19/2009. (I:30.) Korm. rendelethez, A földgáz minőségi követelményei Vissac Grégory, A csúcsidei teljesítmények kiszámításának módszertana és algoritmusai, A Carpathe V5 2.7.2 leírása
19
"A TDK dolgozat, és az ehhez kapcsolódó kutatás a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.„
20
