.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..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/m ]) (ČSN 8 5502) následovně: I.třída pro rozsah Wobbeho čísla 20,5-28,7 MJ/m skupina a - svítiplyn (20,5-24,8 MJ/m ) skupina b - koksárenský plyn (2,5-27,8 MJ/m ) skupina c - směs uhlovodíků (21,-25,0 MJ/m ) II.třída pro rozsah Wobbeho čísla 7,1-52,4 MJ/m skupina H - zemní plyn (4,4-52,4 MJ/m ) skupina L - zemní plyn s nízkým Wobbeho číslem (7,1-42,1 MJ/m ) III.třída pro rozsah Wobbeho čísla 72,0-85,2 MJ/m do této třídy patří všechny druhy zkapalněných topných plynů, především propan a butan. Nejužívanějšími plyny jsou zemní plyn, svítiplyn a propan-butan..2.2. Složení zemních plynů dle ČSN 5 8802 Svítiplyn spalné teplo 16,75 18,42 [MJ/m n] poměrná hustota ke vzduchu při 0 C a tlaku 101,25 kpa 0,4 0,6 obsah vodíku H2 minimálně 8% objemových obsah kyslíku O2 maximálně 1% rosný bod - 4 až - 6 C 190
obsah sirovodíku H2S maximálně 1% obsah amoniaku maximálně 6 mg/m n obsah síry celkem maximálně 150 mg/m n Zemní plyn spalné teplo 4,7 8,1 [MJ/m n] hustota při 0 C a tlaku 101,25 kpa 0,72 kg/m obsah vodíku H2 minimálně 8% objemových obsah kyslíku O2 maximálně 1% rosný bod maximálně - 7 C obsah sirovodíku H2S maximálně 1% obsah inertních složek N 2 + CO 2 maximálně 6 mg/m n obsah síry celkem maximálně 107 mg/m n obsah metanu CH 4 obsah etanu a vyšších uhlovodíků minimálně 85% objemových maximálně 9,1 % objemových Propan-butan léto zima C 2 - uhlovodíky a inerty max. 7% max. 7% CH 8 - propan min. 0% min. 55% C4H 10 - butan 0 60% 15 40% C 5 a vyšší uhlovodíky % 2% nasycené uhlovodíky max. 60% max. 65% sirovodík H2S síra max. 0,2 mg/kg max. 200 mg/kg hustota plynu 2,6 kg/m 2,2 kg/m.2.. Plynovodní soustavy.2..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 k d = = 2,0. Orientačně lze počítat s maximální hodinovou spotřebou 0,2 m /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. m /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.2..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 5 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. 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. a 4. kategorie. Navazují na soustavy středotlaké i vysokotlaké přes redukční a regulační stanice.2... 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, 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 (.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 19
Další technické požadavky jsou upraveny ustanoveními normy ČSN 86417 -Regulační stanice plynu. Schéma technologického vybavení středotlaké regulační stanice je vyznačeno na Obr. 120. 1... uzávěr 2... plynový filtr... bezpečnostní rychlouzávěr 4... manometr 5... regulátor tlaku plynu 6... kontrolní manometr 7... uzávěr 8... pojistný ventil Obr. 120 - Schéma regulačního zařízení stl regulační stanice.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: (01) rovnice pro izotermický průtok potrubím: (02) rovnice tlakových ztrát v diferenciálním tvaru: (0) kde s i je vnitřní průřez potrubí [m 2 ] w rychlost proudění plynu potrubím (nízkotlak -15 m/s, středotlak 5-20 m/s) [m/s] p tlak plynu v potrubí [kpa] hustota plynu [kg/m ] 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] Sloučením těchto rovnic dostaneme: 194
(04) Po integraci a dosazení okrajových podmínek: l 1 = 0 a l 2 = l dostaneme: (05) 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 (05) lze upravit rozkladem rozdílu čtverců: (06) Rovnice (05) bude mít pak po dosazení (06) tvar: (07) kde p z jsou tlakové ztráty plynu v potrubí o délce l [kpa] ps střední tlak plynu v potrubí [kpa] Tato rovnice se řeší iterací po odhadu středního tlaku p s. 195
.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: (08) kde Q mp je maximální výpočtová hodnota průtoku plynu [m /h] q pi n i Velikost bytu specifická (jmenovitá) hodnota spotřeby plynu odběrné jednotky i-tého typu počet jednotek i-tého typu k mp i součinitel soudobosti pro i-tý typ odběrné jednotky m počet typů odběrných jednotek Odběr q o [m /h] v bytech se spotřebiči pro vaření vaření a přípravu TUV 1 + 1 0,020 0,04 1 + 2 0,04 0,089 1 + a větší 0,064 0,150 Tab. XXV - Specifické hodnoty q p odběru plynu u bytových jednotek b/ průmyslové a zemědělské firmy - odběry ad a/, - technologické a v pomocných zařízeních, [m /h] Podle charakteru energetického zásobení území (jednocestný systém nebo vícecestný) mohou být topnými plyny kryty následující energetické potřeby: a/ bytový fond, občanská a technická vybavenost, služby - vytápění a větrání, chlazení, - příprava TUV, - příprava pokrmů, - technologické odběry v drobných provozovnách služeb, výrobnách, laboratořích, ve školách a výzkumných ústavech, atd. - odběry k úpravě produkce rostlinné výroby, např. sušičky obilí či sena, příprava krmných směsí apod. Metodika určení Q pv 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
Počet bytů Plyn pouze k vaření k vaření a přípravě TUV 1 + 1 1 + 2 větší 1 + 1 1 + 2 větší 1 5.5 21.4 17.7 58 28 16.7 2 17.8 10.7 8.9 29 14 8.4 11.8 7.1 5.9 19. 9. 7.1 4 8.9 5.4 4.4 14.5 7.6 6.5 5 7.1 4.4.9 11.6 6.95 6 10 5.55.85.4 8.6 5.8 4.85 20 5.1.55.05 7. 4.95 4. 0 5.45 2.95 7 4.75 4.1 40 4.9.4 2.9 6.9 4. 4.04 50 4.8.5 2.9 6.8 4.6 4.01 70 4.8.5 2.85 6.65 4.52.97 100 4.75. 2.8 6.55 4.47.94 Tab. XXVI - Koeficienty soudobosti odběrů plynu k p [%] v závislosti na vybavenosti a počtu bytů Známe-li maximální výpočtovou hodnotu průtoku plynu Q mp, můžeme stanovit světlost potrubí z dovoleného poklesu tlaku vlivem tření plynu o stěny potrubí podle vzorce (272), (07). Pro nízkotlaké potrubí jej upravíme do následujícího tvaru: (09) kde k = 0,0182 pro svítiplyn nebo k = 0,192 pro zemní plyn l délka potrubí mezi body 1 a 2 Pro středotlaká potrubí: (10) kde p je hustota plynu [kg/m ] vz hustota vzduchu (při 0 C a tlaku 0,10125 MPa je 1,29 kg/m ).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. m, spotřeboval z tohoto množství téměř 4 mld.m 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 5 mld.kč (stavby a stroje). Tranzitní plynovod ročně přepraví přes 50 mld. m 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 mld.m. 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