Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Kőolaj és Földgáz Intézet Alternatív gázforrások tüzelési-biztonsági kockázata Szerzők: Prof. Dr. Tihanyi László, egy. tanár Dr. Szunyog István, egy. adjunktus Dr. Turzó Zoltán, egy. docens Horánszky Beáta, egy. tanársegéd XX. DUNAGÁZ SZAKMAI NAPOK 2012. Visegrád, 2012. április 18.
Probléma felvetés
A propán, mint gázforrás Egyre több ipari létesítmény dönt úgy, hogy a földgáz mellett alternatív energiahordozót is alkalmaz tipikus példa a földgázt használó fogyasztók csúcsigény levágására a propán-levegő-földgáz (PSG) keveréke előny: megfelelő keverék esetén nem szükségesek új égők és az ellátó rendszer átalakítása Európában már megjelent a biometán földgázhálózati betáplálása a Magyarországon szolgáltatott földgázminőségek esetén azonban szükség lehet a biometán minőségének javítására a betáplálás előtt várhatóan hamarosan megindulnak az első betáplálási projektek nálunk is 3
A kockázat PSG alkalmazása esetén a keverékben a földgáz mellett propán és levegő is megjelenik a földgáz-sng keverékben megjelenő propán és levegő okozhat tüzeléstechnikai, vagy a relatív sűrűség emelkedéséből adóan biztonsági kockázatot, és a keverék szaghatása is gyengülhet a bekevert hígító levegő miatt a szolgáltatott gáz szénhidrogén-harmatpontjára is hatással lehet A biometán minőségjavítása esetén a keverékben a földgáz mellett csak propán jelenik meg túl nagy arányú bekeverés esetén hatással lehet az eltüzelésre Kockázat: ha a gáz szivárog, a levegőben feldúsulhat, meggyulladhat, azaz gyors, szabályozatlan energia felszabadulás formájában (robbanás) jelentkezhet! Vizsgálni kell tehát: a keverék energiatartalmát (hőértékét) a tüzeléstechnikai viselkedését (szükséges, de nem elégséges feltételként a Wobbe-számát) a relatív sűrűségét a szivárgás környezetét (helyiség geometriája, kiáramlás sebessége, iránya, stb.) 4
Felvetődő kérdések Az így előállításra kerülő, és földgázhoz adott tiszta propán, illetve propán-levegő keverék milyen arányban keverhető a földgázhoz (biometánhoz), hogy ne jelentsen tüzeléstechnikai kockázatot? milyen arányban keverhető a földgázhoz (biometánhoz), hogy ne jelentsen szénhidrogén-kondenzáció kockázatot? a keverék megváltozott relatív sűrűsége milyen megváltozó biztonságtechnikai elveket követel? hogyan befolyásolja a szivárgási hely környezete a környezetbe kikerülő gáz terjedését és koncentrációjának feldúsulását? milyen körülmények között alakulhat ki robbanás veszély? 5
Elméleti alapok Forrás: R.J. Harris: Gas explosions in buildings and heating plant; E&FN Spon, London, New York, 1989. ISBN 0-419-13220-1 Lautkaski, R.: Understanding vented gas explosions; Technical Research Centre of Finland, ESPOO, 1997. Tihanyi, L. Szunyog, I.: Csúcsfedezés szintetikus földgázzal; Magyar Energetika 2004/5. (21-27. o.)
Gázkoncentráció zárt térben Keveredés: molekuláris diffúzió révén: igen lassú (a gyakorlatban ez az eset szinte kizárható nincs levegő áramlás) turbulens módon: intenzív folyamat a szivárgási forrástól távolodva a konventráció hígul ha nagy a kiáramló gáz sebessége ( lendületi gázsugár ), levegőt injektál a sugárba, intenzívebben csökken a gázkoncentráció a sugárban, de egyúttal a helyiségben is hamarabb érhetjük el a veszélyes koncentrációt (ARH) ha a kiáramló gáz sűrűsége lényegesen eltér a környezet sűrűségétől, a gázsugár lendülete hamar elvész ( könnyű csóva ) ha kicsi a kiáramló gáz sebessége, könnyű csóvaként viselkedik 7
Terjedési viszonyok Ha nincs légáramlás a helyiségben: Levegőnél könnyebb gáz: a gázsugár vagy csóva a plafonhoz fog felemelkedni szétterjed egy réteget kialakítva majd függőlegesen lefelé terjed, mivel túlnyomást nem tud létesíteni növekedni kezd a koncentráció mind a plafonnál, mind a rétegben lassan egy egyenletes koncentrációjú réteg alakul ki a beömlési pont és a plafon között a kialakuló réteg meggátolja, hogy a gáz a helyiségben lévő teljes levegőmennyiséggel keveredjen, ez által befolyásolja azt az időt amire szükség van a robbanóképes keverék koncentráció kialakulásához a rétegben a gázkoncentráció függ a gázkiengedés mértékétől és a friss levegő betáplálás mértékétől Levegőnél nehezebb gáz: a gázsugár a padlóhoz fog süllyedni, és ott alakít ki egy réteget a többi hatás megegyezik a könnyebb gázoknál leírtakkal értelem szerűen alkalmazva azokat 8
Befolyásoló tényezők A beömlés irányának hatása levegőnél nehezebb gáz (pl. propán) esetén: a felfelé irányuló beömlés esetén intenzívebb a levegővel a keveredés, ezért kisebb koncentrációjú, de jobban kevert réteg alakul ki (magasabb réteg) a lefelé irányuló beömlés esetén nincs intenzív keveredés a teljes térfogatban, a padlóhoz közelebb magasabb koncentrációjú réteg alakulhat ki A kilépő gáz sebességének hatása: magasabb sebesség = intenzívebb keveredés A szellőztetés hatása: jellemzően a gázkoncentráció szellőztetés hatására bekövetkező hígulása tudja meggátolni a gyúlékony gázlevegő keverék kialakulását 9
Mintaösszetételek Földgáz: G20 (100% metán) Alsó hőértéke: 33,948 MJ/m 3 Relatív sűrűsége: 0,555 Felső Wobbe-száma: 50,724 MJ/m 3 Biometán: 95% metán; 5% szén-dioxid Alsó hőértéke: 32,320 MJ/m 3 Relatív sűrűsége: 0,603 Felső Wobbe-száma: 46,219 MJ/m 3 Propán: 100% Alsó hőértéke: 86,420 MJ/m 3 Relatív sűrűsége: 1,550 Felső Wobbe-száma: 76,839 MJ/m 3 Levegő: 78% N 2 ; 21% O 2 ; 1% Ar Relatív sűrűsége: 1,0 Keverési feltétel: azonos hőértékre, vagy azonos Wobbe-számra 10
1. mintapélda Határozzuk meg ipari felhasználó esetén a metán propán+levegő (SNG) keverék keverési peremfeltételeit, hogy a keverék (PSG) még éppen megfeleljen az MSZ 1648 szabvány előírásainak! Feltételek: legyen a cserélhetőség az elsőrendű feltétel (Wobbeszám azonosság) a fűtőérték nagyobb mértékű eltérése üzemben belül legyen megengedhető a keverék relatív sűrűsége legyen < 1,0 11
Mintapélda megoldása Milyen arányban kell keverni a propánt és a levegőt, hogy a metán felső Wobbe-számával legyen azonos a keverék Wobbe-száma? 61,8 : 38,2 (propán : levegő) (Wo=50,724 MJ/m 3 ) a keverék összetétele: 61,80% C 3 H 8 ; 29,80% N 2 ; 8,02% O 2 ; 0,38% Ar relatív sűrűsége: 1,333 Milyen arányban lehet ezt az SNG-t bekeverni a földgázhoz, hogy a keverék megfeleljen az MSZ 1648 követelményének? 65,5 : 34,5 (metán : SNG) H a =40,81 MJ/m 3 (MSZ 1648 határérték!) a keverék összetétele: 65,50% CH 4 ; 21,32% C 3 H 8 ; 10,28% N 2 ; 2,77% O 2 ; 0,13% Ar ekkor a tényleges Wobbe-szám: 49,52 MJ/m 3 (azaz -2,4% az eltérés) változás az alsó hőértékben: +20,2%! (MSZ 1648-ban max. +/- 5%!) relatív sűrűsége: 0,82 (EASEE-Gas ajánlásban: max. 0,70) 12
Mintapélda megoldása Következtetés: Azonos felső Wobbe-számra történő szabályozás esetén a metán részaránya min. 65,5% kell legyen! A keverést követően a propán tartalom 0,00% és 21,32% között változhat a keverési aránytól függően! Ilyen összetétel mellett CH kondenzáció 5 bar-on -42,5 0 C; 25 bar-on -4,7 0 C alatt következik be, azaz a felhasználó berendezés szempontjából nincs valós CH kondenzációs veszély! A keverékre nem alkalmazhatók 100%-ban a földgázra vonatkozó biztonsági előírások, de (később még visszatérünk a kérdésre!) 13
2. mintapélda Határozzuk meg a biometán+propán keverék keverési feltételeit, hogy az megfeleljen az MSZ 1648 szabványnak, és elérje az egyik legmagasabb fűtőértékű hazai földgáz paramétereit! Feltételek: legyen a cserélhetőség az elsőrendű feltétel (Wobbe-szám azonosság) a keverék alsó hőértéke nem térhet el +/-5%-nál nagyobb mértékben a hálózati gázétól a keverék relatív sűrűsége ne haladja meg az EASEE-Gas ajánlást (0,70) a hálózati gáz felső Wobbe-száma: 50,14 MJ/m 3 a hálózati gáz alsó hőértéke: 34,21 MJ/m 3 (+5%=35,92 MJ/m 3 ) a hálózati gáz relatív sűrűsége: 0,57 14
Mintapélda megoldása Milyen arányban kell keverni a propánt a tiszta biometánhoz, hogy a keverék felső Wobbe-számával legyen azonos a keverék Wobbe-száma? 93,4 : 6,6 (biometán : propán) (Wo=48,78 MJ/m 3 ) Megjegyzés: nem érhető el a hálózati gáz Wobbe-száma, mivel a hőérték kilép a +5%-os határból! a keverék összetétele: 88,73% CH 4 ; 6,60% C 3 H 8 ; 4,67% CO 2 alsó hőértéke: 35,92 MJ/m 3 (+5%! MSZ 1648) relatív sűrűsége: 0,665 Következtetések: Szénhidrogén-kondenzáció nem következik be az elosztás nyomás-tartományában A keverék földgáznak tekinthető! A keverékre a földgáz biztonsági előírásai alkalmazandók! Megjegyzés: a fenti megállapítások nem igazak a biogázok adalékgáz minősére történő előkészítésekor! 15
Mintapélda animációk A kiáramló gázok tényleges viselkedése
Alapadatok a helyiség mérete: 12x6x6 m a helyiség térfogata: 432 m 3 a szivárgás helye: 1 m magasságban a terem közepén a szivárgás mérete 0,1 m 2 (hogy a szimuláció látványos legyen!) a terem tetején 0,6x0,6 m szellőzőnyílás (minimális természetes szellőzés ) a szivárgási hely felfelé irányul a kiáramló gáz sebessége: 1 m/s, 10 m/s, 20 m/s a kiáramló gáz: tiszta propán az eredmények a kiáramlott gáz koncentrációit mutatják a helyiség levegőjében 17
A kiáramlás sebessége Az a kritikus 0,84 bar túlnyomás nagyon kicsi kiáramlási keresztmetszetnél (szivárgás) az áramlás hasonlítható egy adiabatikus, tartályból történő kiáramláshoz (kvázi fúvókához) ha a fúvóka két oldala közötti nyomásarányra teljesül a következő egyenlőtlenség, akkor a kiömlési keresztmetszetben kritikus állapot alakul ki, és a gáz kiáramlási sebessége egyenlő lesz a rá jellemző hangsebességgel p p 2 1 2 κ+ 1 κ κ 1 ez földgáz esetén kb. 400 m/s körülire tehető tehát fontos szerepe van a szivárgó hálózat nyomásának! 18
Tiszta propán, 1 m/s kiáramlási sebesség 19
Tiszta propán, 10 m/s kiáramlási sebesség 20
Tiszta propán, 20 m/s kiáramlási sebesség 21
Megállapítások
Minőségre vonatkozó megállapítások a propán és PB keverékek földgáz rendszerekben történő megjelenésére reálisan számítani kell a bekeverés mennyisége alapvető információt hordoz a biztonsági követelmények vizsgálatakor az eltüzelés biztonsága szempontjából a Wobbe-szám egyezősége kívánatos a Wobbe-szám és a hőérték soha nem egyezik meg együttesen az adott helyen szolgáltatott földgáz értékeivel (valamelyik paraméter el fog térni) a SNG csúcsfedezés céljaira jellemzően 70%-nál magasabb földgáz részarány esetén ajánlható ekkor a keverési pont után a levegőnél kisebb sűrűségű, a földgázéhoz közel álló Wobbe-számú gázkeverék áll rendelkezésre szénhidrogén-kondenzációs veszély ilyen esetben gyakorlatilag nem lép fel a legfeljebb elosztó-hálózati nyomású rendszerekben biometán minőségjavítása esetén gyakorlatilag földgázminőséggel 23 lehet számolni
Biztonságtechnikai megfontolások a földgáztól eltérő biztonságtechnikai kockázatot csak a jelentősebb mértékben bekevert SNG jelenthetne, DE az ipari fogyasztó berendezések helyiségeiben legalább természetes szellőzés van, azaz van légáramlás a szivárgó forrás kiáramlása turbulenciát generál a környezetében, ami keveredéshez vezet már kicsi rendszerbeli túlnyomás is (0,84 bar) jelentős kiáramlási sebességet generálhat ahhoz, hogy a tökéletesen elkeveredett metán és propán elkülönüljön egymástól a térben (felfelé, illetve lefelé) tökéletesen hermetikus tér és idő! szükséges (a gyakorlatban ez az eset nem valószínűsíthető) mivel a lehetséges összetétel tartományokban a metán részaránya a legmagasabb (min. 3/4-ed része a keveréknek) a metán érzékelők fognak először jelt adni (a metán relatív sűrűsége -0,44-el, a propáné +0,55-el tér el az 1,00-tól, azaz közel azonos sebességgel terjednek függőlegesen) 24
Összegezve 30%-nál nem nagyobb arányú SNG földgázhoz történő keverésével, és a felhasználói tér szellőztetésének átgondolt kialakításával, valamint metánra kalibrált gázérzékelők elhelyezésével a tűz- és robbanás veszély megelőzhető A helyiség mélyebb, kevésbé átszellőző részein elhelyezett PB gázérzékelők tovább növelik a biztonságot, azonban nem valószínűsíthető azok működésbe lépése a felvázolt feltételek mellett. 25
Köszönjük a figyelmet! Elérhetőség: A szakmai előadás 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 valósulhatott meg. Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet 3515 Miskolc- Egyetemváros Tel: 06-46-565-078 Web: www.gas.uni-miskolc.hu