Elementy składowe stacji gazowych w przesyle i dystrybucji
Na stronie omówiłem już podział stacji gazowych i ich podstawowe wymagania techniczne dotyczące ogrodzenia, pomieszczeń wewnętrznych, drzwi, okien, etc. Pokazałem też rozwiązania techniczne stacji nadziemnych i podziemnych oraz oznaczenia projektowe dla wyposażenia i uzbrojenia stacji. Poniżej postaram się bliżej scharakteryzować typowe uzbrojenie stacji, omówić jego przeznaczenie i zasadę działania. Materiał powstał na podstawie normy ZN-G-4121, katalogów firm i podręcznika „Sieci i instalacje gazowe” p. R. Bąkowskiego. Tekstem pochyłym przytaczam wytyczne Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 26 kwietnia 2013r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe” Dz.U. z 2013 r. poz. 640. Materiał zostanie podzielony. W osobnych artykułach omówię reduktory ciśnienia i urządzenia do nawaniania gazu.
Podstawowe elementy technologiczne
W skład stacji gazowej wchodzą następujące podstawowe elementy:
– układ rurowy wejściowy z zespołem zaporowo-upustowym
-stacja filtrów lub filtr zamontowany w każdym ciągu,
– podgrzewacz gazu – tylko w przypadku określonym ZN-G-4120 w p. 7.5
– ciąg(i) redukcyjne,
– aparatura kontrolno-pomiarowa,
– układ rurowy wyjściowy z zespołem zaporowo-upustowym
– złącza izolujące od strony wejścia i wyjścia w przypadku rurociągów stalowych.
Rys. Schemat stacji gazowej. 1- złącze izolujące kołnierzowe z iskrownikiem, 2-filtry gazowe, 3-podgrzewacz gazu, 4-manometr z rejestratorem, 5, 6- zawory szybkozamykające, 7- reduktor ciśnienia, 8-zawór bezpieczeństwa upustowy, 9-zaspół zaporowo-upustowy, 10-złącze izolujące, 11-nawaniacz
Dodatkowe elementy technologiczne
W skład stacji mogą dodatkowo wchodzić:
– układy pomiarowe,
– przewód awaryjny (by-pas),
– urządzenia do nawaniania,
– odwadniacz.
Elementy budowlane i instalacje
W skład stacji wchodzą o ile to niezbędne, następujące elementy:
– budynek, kontener lub wiata,
– kotłownia wraz z instalacją centralnego ogrzewania,
– urządzenia i instalacje elektryczne,
– instalacje ochrony odgromowej,
– ogrodzenie,
– drogi i place,
– instalacje i urządzenia telemetrii i telesterowania.
Wyposażenie ciągu redukcyjnego
Każdy ciąg redukcyjny powinien być wyposażony w:
– armaturę zaporową na wejściu i wyjściu,
– reduktor,
– zawór szybko zamykający, lub reduktor monitor,
– upustowy zawór bezpieczeństwa, o ile to konieczne,
– drugi zawór szybko zamykający lub drugi reduktor pełniący rolę monitora,
– aparaturę kontrolno-pomiarową
– przewód odpowietrzający.
Zaleca się, aby wszystkie ciągi redukcyjne w stacji były wyposażone w tego samego typu urządzenia redukcyjne i zabezpieczające.
Układy rurowe
Średnice układu rurowego należy tak dobrać, aby prędkość przepływu gazu na wejściu przed filtrami nie przekraczała 20 m/s w warunkach minimalnego ciśnienia roboczego i maksymalnego strumienia objętości oraz 40 m/s na wyjściu po redukcji. W przypadkach uzasadnionych względami konstrukcyjnymi, dopuszcza się większą prędkość przepływu po redukcji pod warunkiem, że nie spowoduje to zakłóceń w pracy stacji, pogorszenia trwałości jej elementów oraz nie wywoła wzrostu hałasu ponad dopuszczalny poziom.
Ciągi redukcyjne powinny być tak zaprojektowane, aby istniała możliwość wymontowania z nich urządzeń w celu konserwacji. Podpory służące do umocowania rur należy tak rozmieścić i zaprojektować, aby skutecznie zmniejszyć naprężenia rurociągów wywołane zmianami temperatury i ciśnienia. Szczególnie miejsca styku podpór i rurociągów należy zabezpieczyć przed korozją i zaopatrzyć w przekładkę z elastomeru.
Fot. Przykładowy ciąg rurowy stacji gazowej zamocowany na ramie nośnej. (Gasconcept)
Uzbrojenie
Filtry
W celu ochrony reduktorów ciśnienia i innych elementów wyposażenia stacji gazowych przed zanieczyszczeniami pyłem z gazociągów instaluje się filtry gazowe. Chronią one przed zanieczyszczeniem i erozją, a w konsekwencji przed wadliwym działaniem reduktorów i innych urządzeń stacji.
Korpusy filtrów powinny być wyposażone w króćce zakończone armaturą odcinającą, służące do przyłączania manometrów do pomiaru ciśnienia na wejściu i wyjściu (ciśnienia różnicowego) oraz do odgazowania korpusu filtra przez rurę upustową do atmosfery. W przypadku pracy ciągłej stacji gazowej jest wymagane instalowanie co najmniej jednego filtra rezerwowego o przepustowości równej przepustowości filtra podstawowego.
Fot. Filtr wysokociśnieniowy do gazu (Pegorado Gas Technologies)
Filtr powinny być zainstalowane na wejściu do stacji gazowej przed ciągami redukcyjnymi lub w każdym ciągu redukcyjnym. W stacjach redukcyjnych z wielostopniową redukcją ciśnienia za wystarczające uznaje się zamontowanie filtra na wejściu do stacji lub tylko przed pierwszym stopniem redukcji.
Dobrze skonstruowany filtr powinien mieć następujące parametry:
• wytrzymałość na ciśnienie równą co najmniej ciśnieniu nominalnemu części wlotowej stacji,
• ograniczone do minimum spadki ciśnienia gazu przy przepływie,
• łatwość i szybkość wymiany wkładów filtracyjnych,
• odporność na działanie gazów palnych i ich zanieczyszczeń,
• typ wkładu o dużej dokładności filtrowania i odporności na ciśnienie,
• maksymalną prędkość przepływu gazu w króćcach przyłączeniowych 20 mis,
• maksymalny spadek ciśnienia przy czystym wkładzie 10 kPa,
• maksymalny spadek ciśnienia przy zanieczyszczonym wkładzie 30-50 kPa,
• maksymalną szybkość przepływu gazu przez wkład 2 mis.
Wymagane parametry wkładów filtrów są następujące:
• stopień oczyszczania gazu z cząstek stałych i ciekłych o średnicy większej od 15 μm powinien wynosić 99%, a dla cząstek o średnicy większej od 5 μm – co najmniej 95%,
• odporność na zgniecenie lub rozerwanie przy różnicy ciśnień co najmniej 0, 1 MPa,
• dopuszczalne obciążenie filtra z wkładami celulozowymi nie powinno przekraczać
150 m3/h w przeliczeniu na m2 powierzchni wkładu.
Rys. Schemat zespołu filtrów dla stacji redukcyjnej I stopnia produkcj i firmy Union 1 – przewód wlotowy, 2 – kurek kulowy układu odcinającego, 3 – kolano kołnierzowe, 4 – przewód spustowy zanieczyszczeń, 5 – przewód wydmuchowy, 6 i 10 – filtry typu VPR, 7 manometr ciśnienia roboczego, 8 – układ przewodów manometru różnicowego, 9 – przewód wylotowy
Filtry wyposażone są w króćce w układzie liniowym lub kątowym w zależności od przyjętego układu przewodów podłączeniowych. Poniżej dwie konstrukcje firmy ALSI.
Rys. Filtry typu FA firmy Alsi dla stacji redukcyjnych II stopnia: a) filtr pionowy w układzie liniowym 1 – korpus, 2 – króciec wlotowy, 3 – złączka przewodu manometru różnicowego, 4 – wkład filtracyjny G2, 5 – pokrywa korpusu, 6 – złączka przewodu manometru różnicowego, 7 – króciec wylotowy, 8 – złączka przewodu spustowego, b) filtr pionowy w układzie kątowym
Rys. Filtr do gazu firmy Union. Wersja wolnostojąca.
Podgrzewacze gazu
W wyniku redukcji ciśnienia gazu jego temperatura może się tak obniżyć, że zaistnieje niebezpieczeństwo tworzenia hydratów, kondensacji lub oblodzeń wewnątrz urządzeń. Temperatura gazu po redukcji powinna być dodatnia. Zaleca się, aby była ona zawarta w granicach od 278 K do 281 K (od 5 °C do 8 °C).
Przy obliczeniach zapotrzebowania ciepła dla urządzeń grzewczych, w celu wyrównania spadku temperatury podczas redukcji, można przyjąć średnią wartość współczynnika Joule’a – Thomsona równą 0,5 °C/0,1 MPa spadku ciśnienia.
Projektowanie, materiały, budowa, badania i ocena końcowa podgrzewaczy ciśnieniowych powinno być zgodne z Dyrektywą ciśnieniową 97/23/EC.
Podgrzewacz gazu powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby był zabezpieczony przed wybuchem i pożarem. W tym celu powinny być zastosowane zabezpieczenia przeciwdziałające skutkom przedostania się gazu do medium grzewczego.
W stacjach redukcyjnych mogą być stosowane elektryczne urządzenia do podgrzewania gazu, o ile spełniają warunki przeciwwybuchowości określone w ZN-G-4 1 20:2004, p. 7.5
Rys. Podgrzewacz gazu firmy Union. i – komora wlotowa, 2 – płaszcz wymiennika, 3 – pęk rurek kotłowych, 4 – króciec do zamocowania zaworu bezpieczeństwa, 5 – dopływ płynu niezamarzającego z kotła, 6 – dno sitowe, 7 – korpus
Zamiast podgrzewania głównego strumienia gazu można stosować inhibitor zapobiegający powstawaniu hydratów, np. metanol, lub podgrzewać tylko piloty reduktorów. Można również stosować podgrzewanie przewodów impulsowych
i/lub armatury za pomocą promienników podczerwieni lub elektrycznych taśm grzejnych dopuszczonych do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.
Podgrzewacze gazu powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób zapobiegający wybuchowi i pożarowi. W szczególności powinny być zabezpieczone przed przedostaniem się gazu o wysokim ciśnieniu do urządzenia
grzewczego lub do pomieszczenia, w którym to urządzenie jest zamontowane.
Podgrzewanie gazu urządzeniem zlokalizowanym w przestrzeni zagrożonych wybuchem może być realizowane tylko za pomocą urządzeń grzewczych, w których:
– komora spalania nie może mieć połączenia z przestrzeniami zagrożonymi wybuchem, z wyjątkiem spalania katalitycznego,
– temperatura powierzchni elementów grzejnych, w tym powierzchni katalitycznego spalania, będących bezpośrednio w przestrzeni zagrożonej wybuchem nie powinna być wyższa niż 350 oC
Urządzenia zabezpieczające
W aktualnie obowiązujących przepisach i normach są stosowane następujące skróty literowe dotyczące definicji ciśnień sieci i stacji gazowych:
• maksymalne ciśnienie robocze (MOP) – ciśnienie, przy którym sieć gazowa może pracować w sposób ciągły w normalnych warunkach roboczych, tj . przy braku zakłóceń w urządzeniach i przepływie paliwa gazowego,
• tymczasowe ciśnienie robocze (TOP) – ciśnienie, przy którym jest dopuszczalna tymczasowa praca systemu, utrzymywane przez urządzenia redukcyjne,
• ciśnienie projektowe (DP) – ciśnienie, na podstawie którego dokonano obliczeń projektowych,
• maksymalne ciśnienie przypadkowe (MIP) – maksymalne ciśnienie, na jakie może być narażona sieć gazowa w ciągu krótkiego czasu; ograniczone przez urządzenia zabezpieczające,
• ciśnienie robocze (OP) – ciśnienie, które występuj e w sieci gazowej w normalnych warunkach roboczych,
• maksymalne dopuszczalne ciśnienie pracy ( MAOP) – maksymalna wartość ciśnienia, jakiemu może być poddana sieć gazowa.
Szybkozamykający zawór bezpieczeństwa jest to urządzenie mające na celu szybkie odcięcie przepływu gazu w przypadku wykrycia w systemie chronionym przez to urządzenie ciśnienia o niedopuszczalnej wartości. zawór może reagować zarówno na przekroczenie dopuszczalnego ciśnienia max. w gazociągu, jak i jego spadek poniżej wartości minimalnej.
Rys. Zawór szybkozamykający BM5 z OS (Tartarini).
Zasada działania zaworu BM5 firmy Tartarini pokazana jest na poniższym rysunku. W jego przednią rozszerzoną część jest wbudowane gniazdo zaworowe 1 . Ruchoma tuleja zaworowa 2 jest utrzymywana w położeniu otwartym przez zaczep 3. Docisk tulei zaworowej do gniazda po uruchomieniu mechanizmu wyzwalającego następuje za pomocą sprężyny 4. Zawór otwiera się kluczem nakładanym na zakończenie osi zaczepu 3. Zawór BM5 może być wyposażony w mechanizm wyzwalający typu OS/66 lub OS/80.
Rys. Zawór szybkozarnykający typu BMS firmy Tartarini: a) przekrój zaworu 1 – gniazdo zaworowe, 2 – ruchoma tuleja zaworowa, 3 – zaczep tulei, 4 – sprężyna dociskowa tulei, b) mechanizm wyzwalający OS/80, Po prawej – 1 – układ dźwigni wyzwalających, 2 – oś zaczepu tulei zaworowej, 3 – pokrętło regulacji ciśnienia minimalnego, 4 – pokrętło regulacji ciśnienia maksymalnego, 5 – sprężyna ciśnienia minimalnego, 6 – sprężyna ciśnienia maksymalnego, 7 – przepona, 8 – rurka impulsowa ciśnienia wylotowego
Na przeponę 7 oddziałuje zarówno minimalne, jak i maksymalne ciśnienie wylotowe. Ciśnienie gazu równoważy siłę działania obu sprężyn: 6 – dla ciśnienia maksymalnego i 5 – dla ciśnienia minimalnego. Jeżeli siła oddziaływania ciśnienia gazu na przeponę 7 jest większa lub mniejsza od siły oddziaływania nastawionych sprężyn, zostaje wprawiony w ruch układ dźwigni wyzwalających 1, zaczep tulei zaworowej 3 zostaje zwolniony, a tuleja dociśnięta d o gniazda. Napięcie obydwu sprężyn ustawia się pokrętłami 3 i 4. Ciśnienie gazu działa na przeponę za pośrednictwem rurki impulsowej 8. Jeżeli nastawiona wartość ciśnienia maksymalnego będzie przekroczona, to wówczas przepona 7 naciśnie i przesunie ku górze trzpień, pokonując ciśnienie obydwu sprężyn.
Przesunięcie trzpienia uruchamia układ dźwigni wyzwalających 1 zwalniających zaczep tulei zaworowej . Przy spadku ciśnienia wylotowego z reduktora poniżej wartości nastawionej na wyzwalaczu ciśnienia minimalnego, przepona 7 wraz z trzpieniem pod działaniem sprężyny 5 przesunie się do dołu, uruchamiając układ dźwigni wyzwalających 1 .
Odcinający zawór bezpieczeństwa jest to urządzenie reagujące wolniej od zaworu szybkozamykającego, działające w przypadku wykrycia w systemie chronionym ciśnienia o niedopuszczalnej wartości.
Upustowy zawór bezpieczeństwa (zawór wydmuchowy) jest to urządzenie przewidziane do upuszczenia gazu z układu chronionego w przypadku wykrycia w nim ciśnienia o niedopuszczalnej wartości. Zawór: wydmuchowy instaluje się na rurociągu za reduktorem, dobierając jego typ i wielkość wg charakterystyki deklarowanej przez producenta, tak aby przy maksymalnym ciśnieniu wejściowym miał przepustowość 2-5% przepustowości ciągu redukcyjnego. Czas reagowania zaworu nie powinien przekraczać 2 s.
Fot. Upustowy zawór bezpieczeństwa VS-FL (Tartarini).
Na zdjęciu po lewej pokazano zawór wydmuchowy z pilotem firmy Tartarini. Rozwiązanie takie stosowane jest w stacjach o dużej przepustowości. Zasadę działania pilotowanego zaworu wydmuchowego typu VS-FL firmy
Tartarini pokazano na rys. poniżej. Ciśnienie gazu znajdującego się w części wlotowej zaworu działa na membranę znajdującą się w komorze 10, wywołując nacisk równoważony jednocześnie przez sprężynę 4. Jeżeli ciśnienie w zabezpieczanym przewodzie spowoduje przekroczenie wartości ustawienia sprężyny pilota, nacisk wywierany na membranę 1 jest większy od nacisku sprężyny 4, w wyniku czego membrana ta podnosi się, otwierając zaworek 2. Umożliwia to przejście gazu do komory 7, z której przez przewód doprowadzony do pilota i otworek w nim 5 oraz przewód 11 jest odprowadzany na
zewnątrz. Szybkość zadziałania zaworu jest zależna od ilości gazu wypuszczanego przez otwór 5. Piloty mają otwór upustowy fabrycznie dostosowany do średnich warunków eksploatacyjnych. Jeżeli mimo otwartego otworu upustowego pilota ciśnienie gazu dalej wzrasta, nacisk wywierany na przeponę główną zaworu pokonuje siłę sprężyny 9, gaz zaczyna przepływać przez tuleję zaworową 6 i jest wydmuchiwany na zewnątrz.
Rys. Zasada działania zaworu wydmuchowego z pilotem firmy Tartarini. Ozn. 1 – membrana pilota, 2 – zaworek, 3 – pokrętło do regulacji ciśnienia otwarcia, 4 – sprężyna pilota, 5 – przepona sterująca zaworkiem ciśnienia pośredniego, 6 – tuleja zaworowa, 7 – komora zaworu wydmuchowego, 8 – przepona główna, 9 – sprężyna, 10 – komora wlotowa pilota, 11 – przewód upustowy pilota
Tak zwany monitor jest to drugi reduktor używany jako urządzenie zabezpieczające, instalowany szeregowo z reduktorem roboczym, który przejmuje funkcje kontroli ciśnienia o wartości wyższej od utrzymywanej przez reduktor
roboczy w przypadku jego otwarcia się po uszkodzeniu.
Poniżej przedstawiam też wytyczne Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 26 kwietnia 2013r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe” Dz.U. z 2013 r. poz. 640
§ 44. 1. W przypadku gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) na wejściu do stacji gazowej przekracza maksymalne ciśnienie przypadkowe (MIP) na wyjściu ze stacji gazowej, powinien być stosowany system ciśnieniowego bezpieczeństwa.
2. System ciśnieniowego bezpieczeństwa powinien działać automatycznie i nie dopuszczać do przekroczenia wartości maksymalnego ciśnienia przypadkowego (MIP) na wyjściu ze stacji gazowej.
3. Ponowne uruchomienie stacji gazowej jest dozwolone, gdy ciśnienie na wyjściu ze stacji gazowej osiągnie dopuszczalne wartości.
§ 45. 1. W celu zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wyjściowego ciąg redukcyjny z automatyczną regulacją powinien być wyposażony w urządzenie regulujące ciśnienie i zawór szybko zamykający.
2. Jeżeli różnica maksymalnego ciśnienia roboczego (MOP) na wejściu do stacji redukcyjnej i maksymalnego ciśnienia roboczego (MOP) na wyjściu ze stacji redukcyjnej przekracza 1,6 MPa, a jednocześnie maksymalne ciśnienie robocze (MOP) na wejściu do stacji redukcyjnej jest większe od wartości ciśnienia próby wytrzymałości sieci gazowej po redukcji ciśnienia, powinien być zastosowany oprócz urządzenia, o którym mowa w ust. 1, drugi zawór szybko zamykający lub drugi reduktor pełniący rolę monitora.
3. W przypadku zastosowania wydmuchowego zaworu upustowego, o którym mowa w § 49 ust. 1 pkt 1, nie jest wymagane stosowanie drugiego zaworu szybko zamykającego lub reduktora pełniącego rolę monitora.
§ 46. 1. W stacjach redukcyjnych z wielostopniową redukcją ciśnienia gazu ziemnego każdy stopień redukcji ciśnienia gazu powinien być wyposażony w odrębny system ciśnieniowego bezpieczeństwa.
2. Dopuszcza się wyposażenie kilku szeregowo pracujących stopni redukcji ciśnienia gazu ziemnego w jeden system ciśnieniowego bezpieczeństwa, pod warunkiem że maksymalne ciśnienie robocze (MOP) urządzeń i rurociągów poszczególnych stopni redukcji ciśnienia gazu ziemnego nie będzie niższe od maksymalnego ciśnienia roboczego (MOP), jakiemoże wystąpić w układzie.
§ 47. System redukcji ciśnienia powinien uniemożliwiać przekroczenie ciśnienia roboczego (OP) wyjściowego stanowiącego iloczyn maksymalnego ciśnienia roboczego (MOP) i współczynnika:
1) 1,025 – gdy ciśnienie robocze (OP) jest większe od 1,6 MPa;
2) 1,050 – gdy ciśnienie robocze (OP) jest równe lub mniejsze od 1,6 MPa i większe od 0,5 MPa;
3) 1,075 – gdy ciśnienie robocze (OP) jest równe lub mniejsze od 0,5 MPa i większe od 0,2 MPa;
4) 1,125 – gdy ciśnienie robocze (OP) jest równe lub mniejsze od 0,2 MPa.
§ 48. 1. System ciśnieniowego bezpieczeństwa powinien uniemożliwiać przekroczenie maksymalnego ciśnienia przypadkowego (MIP) stanowiącego iloczyn maksymalnego ciśnienia roboczego (MOP) i współczynnika:
1) 1,15 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest większe od 4,0 MPa;
2) 1,20 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest równe lub mniejsze od 4,0 MPa i większe od 1,6 MPa;
3) 1,30 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest równe lub mniejsze od 1,6 MPa i większe od 0,5 MPa;
4) 1,40 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest równe lub mniejsze od 0,5 MPa i większe od 0,2 MPa;
5) 1,75 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest równe lub mniejsze od 0,2 MPa i większe od 0,01 MPa;
6) 2,50 – gdy maksymalne ciśnienie robocze (MOP) jest równe lub mniejsze od 0,01 MPa.
2. Maksymalne ciśnienie przypadkowe (MIP), jakie może wystąpić na wyjściu ze stacji redukcyjnej, powinno być niższe od ciśnienia próby wytrzymałości, jakiemu była poddana sieć gazowa zasilana z tej stacji.
3. Wartości ciśnień, przy których powinny działać urządzenia zabezpieczające, należy każdorazowo określić w dokumentacji stacji redukcyjnej.
§ 49. 1. W stacji redukcyjnej należy:
1) stosować wydmuchowy zawór upustowy, jeżeli z powodu wzrostu temperatury, przy braku przepływu gazu ziemnego, będzie w niej wzrastało ciśnienie mogące spowodować zadziałanie zaworu szybko zamykającego; przepustowość wydmuchowego zaworu upustowego nie powinna przekraczać 2% przepustowości ciągu redukcyjnego;
2) instalować armaturę zaporową przed wydmuchowym zaworem upustowym, pod warunkiem że armatura ta będzie zabezpieczona przed przypadkowym zamknięciem.
2. W stacji redukcyjnej dopuszcza się stosowanie wydmuchowych zaworów upustowych o przepustowości równej przepustowości ciągu redukcyjnego, pod warunkiem że przepustowość ta nie będzie większa od 60 m3
/h.