Alternatív gázforrások tüzelési-biztonsági kockázata

Miskolci EgyetemMűszaki Földtudományi Kar

Kőolaj és Földgáz Intézet

XX. DUNAGÁZ SZAKMAI NAPOK 2012.

Visegrád, 2012. április 18.

Szerzők:Prof. Dr. Tihanyi László, egy. tanár

Dr. Szunyog István, egy. adjunktus

Dr. Turzó Zoltán, egy. docens

Horánszky Beáta, egy. tanársegéd

Probléma felvetés

A propán, mint „gázforrás”0

� 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

3

� 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

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

4

� 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.)

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?

5

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?

Elméleti alapok

Forrás: R.J. Harris: Gas explosions in buildings and heating plant; E&FN Spon, London, New York, 1989. ISBN 0-419-13220-1Lautkaski, 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”),

7

� 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

Terjedési viszonyokHa 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

8

� 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

Befolyásoló tényezők

� A beömlés irányának hatása levegőnél nehezebbgáz (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

9

� a lefelé irányuló beömlés esetén nincs intenzív keveredésa 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 gáz-levegő keverék kialakulását

Mintaösszetételek� Földgáz: G20 (100% metán)

� Alsó hőértéke: 33,948 MJ/m3

� Relatív sűrűsége: 0,555

� Felső Wobbe-száma: 50,724 MJ/m3

� Biometán: 95% metán; 5% szén-dioxid� Alsó hőértéke: 32,320 MJ/m3

Relatív sűrűsége: 0,603

10

� Relatív sűrűsége: 0,603

� Felső Wobbe-száma: 46,219 MJ/m3

� Propán: 100%� Alsó hőértéke: 86,420 MJ/m3

� Relatív sűrűsége: 1,550

� Felső Wobbe-száma: 76,839 MJ/m3

� Levegő: 78% N2; 21% O2; 1% Ar� Relatív sűrűsége: 1,0

� Keverési feltétel: � azonos hőértékre, vagy

� azonos Wobbe-számra

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!

11

� Feltételek:

� legyen a cserélhetőség az elsőrendű feltétel (Wobbe-

szám azonosság)

� a fűtőérték nagyobb mértékű eltérése üzemben belül

legyen megengedhető

� a keverék relatív sűrűsége legyen < 1,0

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/m3)

� a keverék összetétele: 61,80% C3H8; 29,80% N2; 8,02% O2; 0,38% Ar

� relatív sűrűsége: 1,333

12

� 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) Ha=40,81 MJ/m3 (MSZ 1648

határérték!)

� a keverék összetétele: 65,50% CH4; 21,32% C3H8; 10,28% N2; 2,77% O2; 0,13% Ar

� ekkor a tényleges Wobbe-szám: 49,52 MJ/m3 (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)

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 -42,50C; 25 bar-on -4,70C alatt következik be, azaz

13

5 bar-on -42,50C; 25 bar-on -4,70C alatt következik be, azaz

a felhasználó berendezés szempontjából nincs valós CH kondenzációs veszély!

� A keverékre nem alkalmazhatók 100%-ban a földgázra vonatkozó biztonsági előírások,

� deT (később még visszatérünk a kérdésre!)

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:

14

� 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/m3

� a hálózati gáz alsó hőértéke: 34,21 MJ/m3 (+5%=35,92 MJ/m3)

� a hálózati gáz relatív sűrűsége: 0,57

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/m3)

Megjegyzés: nem érhető el a hálózati gáz Wobbe-száma, mivel a hőérték kilép a +5%-os határból!

15

a hőérték kilép a +5%-os határból!

� a keverék összetétele: 88,73% CH4; 6,60% C3H8; 4,67% CO2

� alsó hőértéke: 35,92 MJ/m3 (+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!

Mintapélda animációk

A kiáramló gázok tényleges viselkedése

Alapadatok� a helyiség mérete: 12x6x6 m

� a helyiség térfogata: 432 m3

� a szivárgás helye: 1 m magasságban a terem közepén

� a szivárgás mérete 0,1 m2 (hogy a szimuláció látványos legyen!)

a terem tetején 0,6x0,6 m szellőzőnyílás (minimális

17

� 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

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

18

következő egyenlőtlenség, akkor a kiömlési keresztmetszetben kritikus állapot alakul ki, és a gáz kiáramlási sebessége egyenlő lesz a rá jellemző hangsebességgel

� ez földgáz esetén kb. 400 m/s körülire tehető

� tehát fontos szerepe van a szivárgó hálózat nyomásának!

1κ

κ

1

2

1κ

2

p

p −

+≤

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

23

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 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

24

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)

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

25

� 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.

Köszönjük a figyelmet!

Elérhetőség:

Miskolci Egyetem

Kőolaj és Földgáz Intézet

3515 Miskolc- Egyetemváros

Tel: 06-46-565-078

Web: www.gas.uni-miskolc.hu

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.