ŽELEZARSKI ZBORNIK IZDAJAJO ŽELEZARNE JESENICE, RAVNE, ŠTORE IN METALURŠKI INŠTITUT LETO 10 LJUBLJANA DECEMBER 1976 Problematika zamenljivosti ASM/££ kurilnih plinov v industriji I. del: OSNOVNE ZAKONITOSTI TER RAČUNSKA IN GRAFIČNA INTERPRETACIJA KARAKTERISTIČNIH PARAMETROV PLINSKIH MEŠANIC Bogdan Sicherl, Dušan Vodeb Pri zamenjevanju kurilnih plinov, ki vsebujejo ogljikovodike (zemeljski plin in plinska faza tekočega naftnega plina), so obdelani pri osnovnih pogojih in konstantni toplotni obremenitvi in konstantnem tlaku v plinovodu pred zamenjavo in po njej pogoji zamenjevanja in prikazani odnosi karakterističnih vrednosti ter zgorevalnih karakteristik računsko in z grafično interpretacijo. Svoje potrebe po toplotni energiji pokrivajo podjetja slovenske ekstraktivne in predelovalne industrije z eksploatacijo trdnih, tekočih in plinastih goriv. Med tem ko trdna in težka tekoča goriva uporabljamo predvsem v kotlovnicah ter zlasti mazut pri večjih talilnih in ogrevnih agregatih, se uplinjanje trdnih goriv v generatorjih zaradi neracionalnosti opušča. Povečevanje kapacitet petrokemijske industrije in s tem vedno večje količine mazuta in tekočega naftnega plina (TNP) so zaradi atraktivne cene na enoto toplotne energije narekovale že pred več kot dvema desetletjema povečevanje porabe mazuta. Ker za nekatere tehnološke postopke, n. pr. žarjenje, ogrevanje i. p. zaradi visoke vsebnosti gorljivega žvepla v mazutu le-ta ni najprimernejše gorivo, je šla usmeritev na porabo plinastih goriv, predvsem TNP kot lastne energetske baze. Ta preorientacija se je po ugotovitvi, ki je postala očitna v letih 1965 do 1967, da je projekt EKK Velenje definitivno propadel, še pospešila. Porabniki, ki so bili zaradi specifike in kvalitete doc. dr. Bogdan Sicherl, dipl. ing. metalurgije je predstojnik katedre za toplotno tehniko in energetiko TOZD Mon-tanistika, FNT Ljubljana Dušan Vodeb dipl. ing. strojništva je strokovni sodelavec v energetskem gospodarstvu Železarne Ravne proizvodnje primorani uporabljati plinski medij z minimalno vsebnostjo žvepla ob ekonomsko in-teresantni ceni, so posegli po TNP. Odločitev je bila za metalurškega energetika, ki je v lastnem podjetju že prej razpolagal z interno mrežo plinovodov za klasični generatorski plin, upoštevajoč takrat zadostne količine, možnost mešanja z zrakom ter dobavo v železniških ali avtomobilskih cisternah, sorazmerno lahka odločitev. Iz trenda splošne porabe je bilo kmalu razvidno ne le v republiškem, temveč tudi v zveznem merilu, da količina tovrstne energije, tudi z delnim uvozom TNP, že v bližnji bodočnosti ne bo zadoščala. Ker so lastne zaloge zemeljskega plina minimalne je bil kot edina solucija sprejet sklep o uvozu zemeljskega plina. S tem pa se pojavi vprašanje zamenljivosti kurilnih plinskih medijev. 1.0 PLINSKI SISTEMI IN PORABA V PASU Porabnik na katerem koli mestu bo pogodbeno vezan za odvzem v naprej planirane količine zemeljskega plina. Pri taki »porabi v pasu«, ki predstavlja v vsakodnevni industrijski praksi le idealni primer, je potrebno predvideti za kritje konic uporabo drugega plinskega medija, pri čemer morajo biti gorilniki in plinski sistem vnaprej prilagojeni na to zamenjavo. In dalje — v primeru prenehanja oskrbe z zemeljskim plinom iz katerega koli razloga — moramo imeti jamstvo, da lahko takoj uporabimo TNP, ki sicer lahko predstavlja, in kar je v določenem obsegu smotrno, lastno energetsko rezervo. Obstoječe sisteme s tekočim naftnim plinom (TNP) se z uvajanjem zemeljskega plina ne misli ukiniti zaradi: — velikih vloženih sredstev v sistem, ki obratuje s tekočim naftnim plinom — možnosti neprekinjenega obratovanja porabnikov — možnosti pokrivanja konic porabe — iskanja optimalne cene goriva Distributor zemeljskega plina bo potrošnikom dobavljal časovno konstantno količino zemeljskega plina. Če upoštevamo — časovno konstantno količino zemeljskega plina — uporabo obstoječega sistema ob časovno odvisni količini tekočega naftnega plina, bomo imeli naslednje obratovalne možnosti uporabe obeh plinskih sistemov: — poraba zemeljskega plina v pasu — pokrivanja koničnih porab s plinsko mešanico PBZ (propan-butan-zrak) — pokrivanje izpadov zemeljskega plina Te tri možnosti lahko prikažemo v naslednjih diagramih: Slika 1 Poraba zemeljskega plina v pasu Fig. 1 Band-consumption of the natural gas Ker porabo plinskega medija kot nosilca toplotne energije diktirajo porabniki toplote, oziroma tehnološki postopek, je doseganje porabe v pasu praktično nemogoče. plinska mešanica PBZ Slika 2 Pokrivanje koničnih porab s plinsko mešanico PBZ Fig. 2 Covering of peak consumptions by PBZ gas mixture Pri takem načinu obratovanja imamo naslednje variante uporabe plinskih mešanic: 1) Obratovanje po preseku A-A, kjer konično porabo krijemo s plinsko mešanico PBZ. Porabnik bo oskrbovan s plinsko mešanico zemeljskega plina + plinska mešanica PBZ 2) Obratovanje po preseku B-B, kjer je poraba manjša ali enaka pogodbeni količini zemeljskega plina, porabnik bo oskrbovan le z zemeljskim plinom (ZP) plinski mešaniccL]z_JZ_ plinska mešanim ZPZ Slika 3 Pokrivanje izpadov zemeljskega plina Fig. 3 Covering of the falling off the natural gas 3) V primeru izpada zemeljskega plina bo porabnik oskrbovan samo s plinsko mešanico PBZ, primer — obratovanje po preseku C-C. 1.1 STRUKTURA CENE ZEMELJSKEGA PLINA Cena zemeljskega plina na pragu potrošnika je odvisna od naslednjih faktorjev: — cene zemeljskega plina — carine in dajatev — oddaljenosti potrošnika — režima dela Ceno zemeljskega plina računamo po naslednji enačbi S = 720 . a . vmax + c . V + b (Vmax — V) (1) Faktor neenakomernosti porabe definiramo s kvocientom: V ¥ max K, = 1 za porabo zemeljskega plina v pasu K, ^ 1 za dejansko porabo zemeljskega plina Faktor K! upošteva konično obratovanje. Stremeti je potrebno, da se s faktorjem Kj čimbolj približamo faktorju porabe v pasu (Kj = 1) Če uvedemo faktor neenakomernosti porabe, pišemo enačbo (1): S= ~ .Vmax + c.V +b(Vmax-V) (3) Ki Po deljenju enačbe (3) z dejansko porabo zemeljskega plina (V) dobimo ceno zemeljskega plina pri porabniku: = r =— + c + b —----1 (4) V K, v V V ) Označimo dalje, da je V K2 =——____faktor dejanske porabe (5) V Sledi enačba (4) v naslednji obliki: C = a-K-2 + c + b(K2-l) (6) K, C = f (K„ K2) Cena zemeljskega plina je za neko začetno stanje odvisna samo še od faktorjev K( in K2, torej faktorja neenakomernosti in faktorja dejanske porabe. Enačba (6) je grafično interpretirana v diagramu na sliki 4, kjer je tudi vrisan primer vplivov koeficientov K, in K2 na ceno zemeljskega plina. Primer I Vmax = 1,65.106 m3n/mes V = l,65.106 m3n/mes vmax = 2540 m3n/h K, = 0,9 K2 = 1 c =1,00 din/m3n a = 0,12 din/m3n b = 0,50 din/m3n Primer II Vmax = 16,5.106 m3n/mes V = 0,825.106 m3n/mes = 3800 m3n/h K, = 0,6 K2 =2 Podatki so informativni in temelje na predpostavki o ceni zemeljskega plina. Pri razmišljanju o uvedbi zemeljskega plina moramo upoštevati torej dva faktorja, ki bistveno vplivata na ceno zemeljskega plina: 1) izogibati se moramo neenakomernemu odvzemu zemeljskega plina in čimbolj zmanjšati vpliv konic, oziroma jih pokrivati z drugimi plinskimi mediji. Faktor neenakomerne porabe Kj naj bi bil čimbliže vrednosti 1; 2) planirati takšno odvzemno količino, da se časovno enakomerno porabi. Faktor dejanske porabe K2 je potrebno čimbolj približati vrednosti 1. To pomeni planirati tako količino zemeljskega plina, kot jo bomo dejansko porabili. 2.0 ZAMENLJIVOST Pojem »zamenljivost« dveh plinov različnih sestav nam označuje dejstvo, da lahko oba plina pokurimo v določeni napravi enako učinkovito, ne da bi bila potrebni kakršna koli sprememba dimenzije gorilnikov ali naprave. V strokovni literaturi je problem zamenljivosti z ozirom na plinske družine obdelan podrobno, vendar le iz zornega kota injektorskih gorilnikov. Za industrijsko rabo injektorski gorilniki praktično — kljub enostavnosti konstrukcije — ne pridejo v poštev. Glavni vzrok je relativno majhno območje regulacije in nevarnost, da pri nestrokovni strežbi pride do povratnega vžiga, oziroma v primeru odpihovanja plamena, do eksplozije kurilnega agregata, kot zaprtega sistema. Zato se bomo v nadaljevanju razprave omejili samo na gorilnike, ki bodisi kot nizko tlačni (tlak plina p ^ 4905 N/m2 t. j. ^ 500 mm H20) ali kot srednje tlačni (p ^ 4905 N/m2 t. j. ^ 500mmH20) gorilniki obratujejo s paralelnim strujanjem ali pa delnim predmešanjem plina in zraka za zgorevanje. 2.1 POGOJI ZAMENJAVANJA V vsakem primeru zahtevamo pri zamenjavi plinov v kurilnem agregatu izpolnitev dveh pogojev. Prvi pogoj: Ob prehodu na drugo vrsto plina — govorimo o kurilnem plinu in plinu zamenjevalcu — morajo ostati isti gorilniki pri enaki toplotni obremenitvi enako učinkoviti. To se pravi, da naj bo pri obeh vrstah plina dovod toplote enak, zgorevanje enako učinkovito, t. j. pri oksidacijskem plamenu ob minimalnem 05 10 15 20 faktor neenakomerne porabe kz primeri $=1,133din/ro„J primeri c^1,900din/mn3 Slika 4 Cena zemeljskega plina kot funkcija K, in K2 Fig. 4 Natural gas priče as function Ki and K2 ■S 2.0 potrebnem prebitku zraka popolno, ter ohranjena plamenska slika stabilnega plamena. Sem štejemo dolžino in temperaturno porazdelitev vzdolž osi pretoka plamena '(i) f ter njegove sevalne sposobnosti "q = f (pCo2 • s, pH;0 . s) kJ/m2h; (kcal/m2h) Drugi pogoj: Tlak plina pred gorilnikom kot neposrednim pretvornikom kemično vezane v toplotno energijo, mora ostati pri zamenjavi plinov nespremenjen. Ta pogoj je v sklopu obratov industrijskega objekta zelo pomemben. Doseganje zamenljivosti dveh plinov (kar je možno) s spremembo obratovalnega tlaka plina pred gorilniki je za industrijski obrat popolnoma nesprejemljiva solucija, ker je neracionalna. Pomeni namreč spremembo nastavljenih vrednosti regulatorjev tlaka, vodnih zapor, armatur in karakterističnih pogojev regulacijskih sistemov vedno znova, ob sleherni spremembi vrste kurilnega plina, kar bistveno vpliva na varnost obratovanja. Označimo toplotno obremenitev, ki naj ostane konstantna — — prvi pogoj, s Q = konst. Enaka je Q = H . V Volumski pretok je enak: V = A . w . 3600 m3n/h kJ/h; (kcal/h) (7) kJ/h; (kcal/h) (8) (9) Hitrost w pri iztekanju iz šob (nizki tlaki) po Bernoulliju: m/s (10) Iz (9) in (10) sledi, da bo toplotna obremenitev enaka: Q = H . A »l^p,,. 103 kJh; (kcal/h) (11) Označimo nadalje z indeksi še oba plina, ki jih zamenjujemo, in sicer: — kurilni plin ... indeks 1 — plin zamen je valeč ... indeks 2 Ob izpolnitvi prvega pogoja sledi: Qi = Q2 Ob uporabi enačbe (11) sledi: H,. A,. a, ■ 3600 = H2. A2. a^ (12) Ker morajo ostati karakteristični parametri pri gorilniku isti, torej nobenih sprememb pri konstrukciji (premer šob, premer ustja in pretočnega števila), sledi: A, = A2 = konst. a, — a2 = konst. ter po izenačitvi, krajšanju in preureditvi enačbe (12) /- H, ,- H2 Vpn, Vpn2 (13) Ko postavimo še drugi pogoj, t. j.pi = p2 = konst., dobimo izraz H, H, Vpn, V Pn2 ali H,2 H22 = konst. Pn, Pn2 (14) (15) V literaturi srečamo izraz Hzg/ Vpn, ki je označen kot Wobbejev indeks še v drugi obliki, in sicer Hzg/Vd, t. j. kot kvocient zgorevne vrednosti (ali kot je v rabi zgornje kalorične vrednosti) ter korena iz relativne gostote plina d (podane kot pn/l,293, torej z ozirom na zrak d = 1). Pri zamenjavi kurilnega plina s plinom zamenjevalcem naj bi ta karakteristična vrednost ostala nespremenjena. Ker mora ostati toplotna obremenitev agregata nespremenjena, sledi iz enačbe (13) Vpi v p7 V Pn, V Pn2 in Pi Pn, P2 Pn2 (16) ali z drugimi besedami: statični tlak plina zaine-njevalca bi se moral za vrednost pn, /pn2 spremeniti! To pa je za industrijsko uporabo nesprejemljivo. Pri konstantnem tlaku obeh plinskih medijev v plinskem omrežju industrijskega obrata je potrebno doseči s primerno spremembo gostote in kalorične vrednosti plina zamenjevalca (indeks 2) zahtevano enakost pogoja enačbe (15), torej: Pn, Pn2 = konst., kar bomo v nadaljevanju razprave tudi uporabili. Predvsem je potrebno poudariti, da vsi plini, ki vsebujejo CO in H2 zaradi popolnoma drugačnih karakterističnih lastnosti, kot jih imajo drugi ogljikovodiki, z zemeljskim plinom niso zamenljivi lai pa so zamenljivi le s spremembo parametrov gorilnikov. Iz obravnave torej odpadejo: genera-torski, koksarniški in plavžni plin. 2.2 OSNOVE PLINSKE MEŠANICE Za pregledni prikaz obravnave razdelimo plinske mešanice v dve grupi: 1. plinske mešanice osnovnih plinov z zrakom, grupa A 2. plinske mešanice predhodno mešanih osnovnih plinov z zrakom, grupa B Vsako posamezno grupo lahko razdelimo v naslednje značilne plinske mešanice Grupa A A; TNP + Z plinska mešanica PBZ A2 ZP + Z plinska mešanica ZPZ A3 TNP + ZP plinska mešanica PBZP (teoretična varianta) Grupa B Bi PBZ + ZP pri pogoju = f — VPn/ruz \ Pn / zp B2 PBZ + ZP zemeljski plin + PBZ, ki je v rabi B3 PBZ + ŽPZ najnižja kalorično uporabljiva in varna mešanica B4 PBZ + ZPZ poljubno izbrani primer Za nadaljno obravnavo privzamemo naslednje sestave osnovnih plinov, ki so računane kot povprečje nekaj let za TNP, ter privzeto sestavo iz podatkov za uvoženi ZP, ki jih podajata tabeli 1 in 2. Tabela 1: Povprečna sestava plinske faze tekočega naftnega plina (v nadaljevanju propan-butan, oznaka PB) in karakteristični parametri I. Kalorična vrednost: a) spodnja Hsp = 111 038 kJ/m3 (26 521 kcal/mn3) b) zgornja Hzg = 120 609 kJ/mn3 (28 807 kcal/mn3) Hzg/Hsp = 1,0862 II. Sestava plina v vol. %: propan C3H8 37,50 butan C4H10 61,00 etan C2H6 1,50 III. Gostota: pn = 2,426 kg/mn3 IV. Relativna gostota: d = 1,876 V. Wobbejev indeks: Wzg = 88 057 (21 032) Wsp = 81 069 (19 363) VI. Molekularna masa: M = 50,2 kg/k mol VII. Meja eksplozivnosti: vzg, vsp = 9,86 ... ... 3,5 vol. % (suh zrak 20° C) VIII. Temperatura vžiga: = 650° C IX. Lamilarna hitrost zgorevanja: umax = 0,4 m/sek X. Teoretična temperatura gorenja: = 2130° C (brez upoštevanja disociacije) XI. Zgorevanje a) Teoretično potrebni kisik Ot = 5,89 mn3/mn3 b) Teoretično potrebni zrak Zt - 28,19 mn3/mn3 c) Količina vlažnih dimnih plinov Dvl = 30,81 mn3/mn3 d) Količina suhih dimnih plinov Ds = 25,89 mn3/mn3 e) Sestava dimnih plinov (n = 1) v vol.°/o: C02 11,66 H20 15,96 N2 72,38 f) C02max - 13,88 % g) Specifična poraba zraka: (n = 1) Zt = 0,2539 mn3/1000 kJ (1,063 mn3/1000 kcal) h) Dinamična viskoznost: 106. T)n = = 7,117 Ns/m2 = 7,117 kg/ms (računano po enačbi Herning-Zipperer) Tabela 2: Sestava zemeljskega plina (v nadaljevanju ZP) in karakteristični parametri I. Kalorična vrednost: a) spodnja Hsp = 36 939 kJ/mn3 (8 823 kcal/mn3) b) zgornja Hzg = 40 796,5 kJ/mn3 (9 805 kcal/mn3) Hzg/Hsp= 1,1113 II. Sestava plina v vol. °/o: , ., Za račun izbrana Predvidena sestava: sestava: metan CH4 min 92 % 93,30 % etan C,H6 max 6 % 3,30 °/o propan C3H8 max 2 % 0,70 % butan C4HI0 < 1 % 0,62 % dušik N2 max 2 % 2,08 % ogljikov dioksid C02 max 1,5 % 0,00 % III. Gostota: pn = 0,7708 kg/m3n IV. Relativna gostota: d = 0,5961 V. Wobbejev indeks: Wsp = 47 844 (11 427) Wzg = 52 840 (12 699) VI. Molekularna masa: M = 17,403 kg/k mol VII. Meja eksplozivnosti: vzg, vsp = 13,2---- 5,1 vol. % (suhi zrak 20° C, 1013 mbar) VIII. Temperatura vžiga: i}v = 635° C Q, = 2,05 m3n/m3n Z, = 9,875 m3n/m3n Dvl = 10,85 m3n/m3n Ds = 8,83 m3n/m3n IX. Laminarna hitrost zgorevanja: umax = 0,43 m/s X. Teoretična &e = 1880° C temperatura gorenja: (brez upoštevanja disociacije) XI. Zgorevanje a) Teoretično potrebni kisik b) Teoretično potrebni zrak c) Količina vlažnih dimn. plinov d) Količina suhih dimnih plinov e) Sestava dimnih plinov (n = 1) v vol. %: C02 9,63 % H20 18,65 % N2 71,72 % f) C02max = 11,83 % g) Specifična poraba zraka (n = 1): Zt = 0,2667 m3n/1000 k J (1,116 m3n/1000 kcal) h) Dinamična viskoznost: (računano po enačbi Herning-Zipperer) 106. r)n = 10,15 Ns/m2 = 10,15 kg/ms i) Kritični tlak: pk = 46,9 bar j) Kritična temperatura: Tk = 198 K c k) Eksponent izentrope: x = — = 1,304 c„ Bistvene osnovne lastnosti in zgorevne karakteristike komponent obeh osnovnih plinov, t. j. plinske faze tekočega naftnega plina in zemeljskega plina so navedene v tabeli 3. Oba osnovna plina sta sestavljena torej iz: PB — C3H8, C4H10, C2H6 v vol. % ZP — C3H8, C4H10, C2H6, C02, N2 v vol. % Pri mešanicah z zrakom pa: PBZ — C3H8, C4H10i C2H6, N2, 02 v vol. % ZPZ — C3H8, C4H,o, C2H6j C02, N2 in 02 v vol. %; N2 = (N2 iz plina + N2 iz zraka) Ker je kalorična vrednost aditivna lastnost, pišemo splošno: H = i = 1 vol. % Vi 100 kJ/m3n; (kcal/m3n) (17) Tudi gostota je aditivna lastnost, torej velja za osnovne pline: P* = 2 i = 1 vol. % Vi , Pni-——~ kg/m3n 100 (18) Pri mešanicah osnovnih kurilnih plinov z zrakom, torej pri PBZ in ZPZ plinu slede naslednji volumski deleži kurilnega plina in zraka: Vpbz = VPB + Vz m3n (19) VZPZ = VZP + Vz m3n (20) Tabela 3: Snovne lastnosti in zgorevne karakteristike komponent plinov Plin hig hsp Pn d w,„ w«„ o, z, dvi d, pn (d,i) cow 10X c2h6 70422 64351 (16820) (15370) 1,360 1,049 68758 62830 (16422) (15007) 3,5 16,7 18,2 15,2 1,257 13,6 8,60 c3h8 101823 93575 (24320) (22350) 2,019 1,562 81524 74920 (19459)(17883) 5,0 23,9 25,8 21,8 1,266 13,76 7,50 c | nI Zp cV Predmešanje ZPtZ Nji uši to I Mešanje PBZ +ZPZ <°RPM Slika 6 Mešalna postaja s predmešanjem zemeljskega plina (oznake 1/... 6/ se nanašajo na obravnavo grafičnih metod zamenjevanja) Fig. 6 Mixing station vvith premixing natural gas (figures 1 to 6 correspond to graphic methods of eonversion) Sestava in fizikalne lastnosti rezultirajoče plinske mešanice se bodo v obeh primerih spreminjale. Z mešanjem navedenih osnovnih plinov se spreminjajo lastnosti rezultirajoče plinske mešanice v odvisnosti od deleža posameznih komponent v re-zultirajoči plinski mešanici. Zanima nas, kakšne so spremembe fizikalnih veličin rezultirajoče plinske mešanice in kako te spremembe vplivajo na elemente porabnikov (plinski gorilnik — merilna zaslonka, regulacijska in varnostna oprema). Spreminjajo se: 1. kurilnost rezultirajoče plinske mešanice, 2. gostota rezultirajoče plinske mešanice, 3. Wobbejev indeks, 4. količina zraka za zgorevanje. 2.3. RAČUNSKA DOLOČITEV KARAKTERISTIČNIH PARAMETROV PLINA ZAME-NJEVALCA, OZIROMA REZULTIRAJOČE PLINSKE MEŠANICE Vrnimo se sedaj nazaj na enačbo (15) H,2 H22 , t . —L — —L. — konst. = k, Pn, Pn2 ki v bistvu pomeni izenačenje Wobbejevega indeksa; torej bo kurilni plin s H! in n! vnaprej diktiral pogoj: Pn2 ki ga bo moral plin zamenjevalec izpolniti. Sprememba kalorične vrednosti pri mešanju z zrakom, s tem pa tudi gostote, je v tehniški praksi izvedljiva v mešalnih postajah, ki pri nas v SR Sloveniji že obratujejo v dveh železarnah ter tovarni kovanega orodja v Zrečah. Osnovni princip delovanja je, da si plinska faza TNP, torej propan-butan, pri razpenjanju iz šobe v Venturijevi cevi sam nase-sava z razmerjem prerezov, odvisno od tlaka plina, vnaprej določeno količino zraka, ki se v difuzorju homogenizira in vstopa v kolektor razvodne mreže preko regulatorjev tlaka. Delovanje takih mešalnih postaj je zanesljivo in preverjeno z večletnim kon-tinuirnim obratovanjem ter omogoča rešitev sicer dokaj kompliciranega problema zamenljivosti. V obratih, kjer pri nas že delujejo mešalne postaje, je bila doslej nastavljena kurilna vrednost mešanega plina PBZ med 20934 do 25120 kJ/mn3 (5000 do 6000 kcal/mn3). Ker je meja expl. vžiga pri mešanici PBZ odvisna od % udeležbe med propanom in butanom v TNP pri 13398 do 15073 kJ/mn3 (3200 do 3600 kcal/m3n), je bilo s tem zagotovljeno varno obratovanje agregatov tudi v primeru eventualnih manjših motenj pri obratovanju mešalnika. Pri mešanju zemeljskega plina z zrakom take omejitve kalorične vrednosti navzdol ni. Oglejmo si računski primer zamenjave na konkretnem primeru! Vzemimo, da želimo zamenjati mešani plin PBZ (znano Hj, pni), ki ga že uporabljamo sedaj, z mešanico zemeljskega plina in zraka (neznano H2, Pn2)- Oznake — indeksi, ki jih bomo rabili, označujejo: PBZ, kurilni plin — 1 ZPZ, plin zamenjevalec — 2 H,2 = k = H, H,2 Pni Pn2 Pn ZP ■ VZP + Pn Z . Vz če vstavimo iz enačb (22) in (24) izraze za VZP in Vz, sledi: k = H2 Pn ZP —--h pn Z tizp 1 H, H7 po rešitvi kvadratne enačbe na realni koren je H2: k (Pnzp— Pnz ) H, = 2 h7 + + f k2(Pn pnz:)2 + k .pnZ = (kcal/mn3) 4H2zP = HZPZ kJ/mn3; Iz enačbe (22) in (24) pa dalje: Hzpz (27) V7P = h7 mn3/mn3 ali VZP . 100 = % udeležbe zemeljskega plina v mešanici ZPZ Vz = 1 — ^ ali HZP Vz. 100 = % udeležbe zraka v mešanici ZPZ S pomočjo enačbe (26) izračunamo še gostoto ZPZ plina pnZPZ Do sem računski postopek določitve zamenljivosti ob upoštevanju osnovnih pogojev konstantne toplotne obremenitve in konstantnega tlaka pred porabniki plina — gorilniki. Za vrednosti sestav osnovnih plinov, navedenih v tabelah 1 in 2, t. j. za plinsko fazo tekočega naftnega plina (PB) in zemeljskega plina (ZP) dobimo, ob upoštevanju dveh osnovnih pogojev C?! = Q2 ter P! = p2, za plinske mešanice grupe A in B, naslednje realne kombinacije zamenljivih plinov: Tabela 4: Pogoji zamenljivosti pri PBZ jt ZP Kurilni plin Plin zamenjevalec (2) H kJ/m3n Pn Delež v mešanici v m„3/mnJ z, Dvl Z, d Varianta Opomba (D (kcal/m„3) VPa; V2v Vz PR7. 57719 (13786) 1,8819 0,5198 0,4802 14,2 16,0 0,246 (1,030) 1,455 1 Grupa B2 ZP 36940 (8823) 0,7708 1,0 — 9,875 10,95 0,2673 (1,119) 0,5961 ZP 36940 (8823) 0,7708 1,0 — 9,875 10,95 0,2673 (1,119) 0,5961 2 Grupa B2 PBZ 57719 (13786) 1,812 0,5198 0,4802 14,2 16,0 0,246 (1,03) 1,401 Tabela 5: Pogoji zamenljivosti pri PBZ ^ ZPZ za območje kurilnih vrednosti PBZ, ki pride v upoštev v industriji Kurilni plin (1) Plin zamenje- H lmrje- k J/m1,, valeč ,, ' " (2) (kcal/m„!) Pn PBZ ZPZ PBZ ZPZ PBZ ZPZ PBZ ZPZ Delež v mešanici v m„3/m„3 VPr,; V„ V, Z, d Varianta Opomba 18840 (4500) 1,485 0,1697 0,8303 3,94 5'21 (0,8755) i'1487 15973 (3815) 1,067 0,4324 0,5676 3,7 0,2316 4'7 (0,9698) °'8254 23074 (5500) n 11M 1,528 0,2074 0,7926 5,05 6,37 (J'^^) !'1817 18870 (4507) 1,026 0,5108 0,4892 4,55 5,58 J^JJJ 0,7939 27214 (6500) n 1,5706 0,2451 0,7549 6,15 7,54 !'2147 21583 ujoj n 2479 (5155) °-9878 °-5843 °-4157 5,35 6,38 Jj™ 0,7639 31401 (7500) 1,6134 0,2828 0,7172 7,26 8,70 ^^ 1,2478 PBZ 24120 (5761) 33494 0,9521 0,6529 0,3471 6,1 0 2529 7'14 (1,0588) °<7363 (8000) 1,6347 °-3016 °'6984 7,81 9,28 1,2643 25330 ZPZ (6050) °'9349 °-6857 °-3143 6,45 7,49 ^^ 0,7230 3 Grupa B3 4 Grupa B4 5 Grupa B4 6 Grupa B4 7 Grupa B4 Tabela 4 poudarja dejstvo, da direktna zamenjava plinske faze tekočega naftnega plina in zemeljskega plina ni mogoča! V mešalni postaji je potrebno proizvesti mešani plin PBZ — grupa A,, nakar je zamenjevanje z zemeljskim plinom možno. Iz tabele 5 je razvidno, kakšno je pričakovano območje kaloričnih vrednosti v industrijski praksi. Neradi mešamo TNP + Z = PBZ s kalorično vrednostjo < 18840 kJ/mn3 (< 4500 kcal/mn3) zaradi varnosti obratovanja plinskega sistema (expl. vžig!). Vendar tudi vrednosti > 33494 kJ/mn3 (> 8000 kcal/mn3) ne bomo uporabljali (razen eventualno pri novih napravah), ker je pri prevelikem dvigu kalorične vrednosti mešanega plina PBZ potrebno dovajati za ca 55 % več zraka za zgorevanje, česar pa že instalirani ventilatorji, če niso predimenzionirani, ne bi prenesli. Po definitivnem prehodu na odjem ZP bo najbolj razširjena kombinacija (B4) dodajanja PBZ za kritje konične porabe ZPZ. Dispečer bo pri »porabi v pasu« ob prekoračitvi največjega dopustnega odjema zahteval redukcijo porabe ZP. To pomeni, da bo potrebno v plinski sistem obrata iz lastne mešalne postaje pričeti dodajati PBZ plin v taki količini, da bo porabnikom dovedena potrebna in nezmanjšana količina toplotne energije Q kJ/h (kcal/h). Pri premajhnem odjemu, ki ne bi dosegel pogodbenega, bo obratovanje mešalne postaje prekinjeno. Tabele 6, 7, 8 podajajo volumne RPM na potrebno toplotno obremenitev zaradi lažje razumljivosti. Kasneje bo za potrebe prakse, to je dispe-čerja v obratu, potrebno tabele z ozirom na redukcijo kurilnega plina obdelati še volumsko. Kot je nakazano na si. 3, bomo v primeru redukcije ali delnega, oz. celotnega izpada zemeljskega plina iz katerega koli razloga takoj dovedli PBZ plin in kurili z rezultirajočo plinsko mešanico RPM, ki bo sestavljena iz mešanice ZPZ + PBZ. Torej bomo imeli: kurilni plin ZPZ — indeks 1 plin zamenjevalec PBZ — indeks 2 pri izpolnitvi pogoja: Qi = Č»2 ali Q, = V,. H, = Q2. H2 kJ/h; (kcal/h) Tabela 6: Podatki o rezultirajoči plinski mešanici ob upoštevanju stopenj redukcije kurilnega plina (ZP) Primer za varianto 2: ZP PBZ; ZP — 36940 kj/m„3 (8823 kcal/mn3) PBZ — 57719 kj/m„3 (13786 kcal/mn3) K. P. — kurilni plin; Ztzp = 9,875 mn3/mD3, ZtpBZ = 14,2 m„3/m„3 Rezultirajoča plinska mešanica Volumen ,, RPM K. P. ali £ --RPM m„3/ ,,,, VZP VPBZ VZP VPBZ 1000 k J ali KJa/™» --(mn3/1000 ,/ » % Sestava K.P. ali RPM Z, Z', VZI vz Pn K.P. ali RPM 0,02707 (0,11334) — 100 0,02707 36940 (0,11334) (8823) 9 875 °'2673 (1,119) 100 0,7708 0,596 ,n 0,02435 0,00174 q, ,, (0,102) (0,00726) 6,64 0,02609 38319,8 (0,10926) (9152,5) 10,13 93,36 3,45 3,19 0,8446 0,653 20 0,02165 (0,09067) 0,00346 (0,01451) 86,21 13,79 0,02512 (0,10518) 39805 (9507) 10,47 0,263 (1,101) 86,20 7,17 6,63 0,924 0,715 30 0,01895 (0,07934) 0,00519 (0,02176) 78,48 21,52 0,02414 (0,1011) 41413 (9891) 10,81 0,261 (1,092) 78,48 11,18 10,34 1,009 0,781 40 0,01624 (0,068) 0,00693 (0,029) 70,09 29,91 0,02317 (0,0970) 43153 (10307) 11,17 0,2588 (1,083) 70,10 15,57 14,33 1,103 0,853 50 0,01353 (0,05667) 0,00866 (0,03627) 60,97 39,03 0,02219 (0,09294) 45050 (10760) 11,56 0,2566 (1,074 60,97 20,28 18,75 1,204 0,9315 Tabela 7: Podatki o rezultirajoči plinski mešanici ob upoštevanju stopenj redukcije kurilnega plina (ZPZ) Primer za varianto 3: ZPZ PBZ; ZPZ — 15973 kJ/m„3 (3815 kcal/m„3) PBZ — 18840 kj/mn3 (4500 kcal/m„3) K. P. — kurilni plin; Ztzpz = 3,7 mn3/mn3, ZtpBZ = 3,94 m„3/m„3 Rezultirajoča plinska mešanica Volumen u RPM K. P. ali « --RPM mn3/ g* Vzpz VPBZ Vzpz VPBZ 1000 kJ ali o-:--(m„3/1000 m„3/1000 kJ; % kcal) H RPM kj/m„' ali (kcal/mn3) % Sestava K.P. ali RPM Z', VP, Pn K.P. d ali RPM 0 0,06261 (0,26212) — 100 0 0,06261 (0,26212) 15973 (3815) 3,7 0,2316 (0,9698) 43,24 0 56,76 1,067 0,825 10 0,05634 (0,23591) 0,00531 (0,02222) 91,39 8,61 0,06165 (0,25813) 16219,5 (3874) 3,72 0,22935 (0,96025) 39,52 1,46 59,02 1,1032 0,853 20 0,05009 (0,20969) 0,01062 (0,04445) 82,51 17,49 0,06071 (0,25414) 16475 (3935) 3,74 0,22713 (0,9509) 35,68 2,97 61,35 1,1404 0,882 30 0,04382 (0,18348) 0,01592 (0,06667) 73,35 26,65 0,05974 (0,25015) 16737 (3997,5) 3,76 0,22465 0,9406) 31,72 4,52 63,76 1,1786 0,911 40 0,03756 (0,15727) 0,02123 (0,08889) 63,89 36,11 0,05879 (0,24616) 17008 (4062) 3,78 0,22264 (0,9321) 27,63 6,13 66,24 1,2182 0,942 50 0,03130 (0,13106) 0,02654 (0,11111) 54,12 45,88 0,05784 (0,24217) 17288 (4129) 3,81 0,22038 (0,9227) 23,40 7,79 68,81 1,2591 0,974 Ob redukciji bo na razpolago reducirana količina ZPR oz. ZPZR, torej bo potrebno dodati PBZ, kot sledi: V1R . H, + V2. H2 = Q kJ/h (28) Količina plina zamenjevalca (PBZ) bo enaka: V, O-Vir.H, H, m„ (29) Volumen rezultirajoče plinske mešanice bo enak: Vrpm = V1R + V2 mn (30) Tabela 8: Podatki o rezultirajoči plinski mešanici ob upoštevanju stopenj redukcije kurilnega plina (ZPZ) Primer za varianto 7: ZPZ ^ PBZ; ZPZ — 25330 kJ/m„3 (6050 kcal/mns) PBZ — 33494 kj/m„3 (8000 kcal/mn3) K. P. — kurilni plin; Ztzpz = 6,45 m„3/m„3, ZtpBZ = 7,81 m„3/mn3 Rezultirajoča plinska mešanica Volumen ,, « _RPM___K- P- RPM •2, "G ---RPM k J/m 3 Z Z' 5 ^ Vzpz VpBZ Vzpz 1000 kJ ali " f|# --(m„3/1000 3 PBZ) pri pogoju Q, = Q2 in P, = Pi- 5 Stopnja Volumen kurilnega Faktor J redukcije Plina ali RPM zmanjšanja R % m„3/1000 kJ mn3/1000 kcal Num. % 0 0,02707 0,11334 — — 10 0,02609 0,10926 — 3,6 — 0,964 T 20 0,02512 0,10518 - 7,2 — 0,928 Z. 30 0,02414 0,1011 — 10,8 — 0,892 40 0,02317 0,0970 — 14,4 — 0,856 50 0,02219 0,09294 — 18,0 — 0,82 0 0,06261 0,26212 — — 10 0,06165 0,25813 — 1,52 — 0,9848 "3 20 0,06071 0,25414 — 3,04 — 0,9696 J 30 0,05974 0,25015 — 4,57 — 0,9543 40 0,05879 0,24616 — 6,10 — 0,939 50 0,05784 0,24217 — 7,60 0,924 0 0,03948 0,16529 — — 10 0,03851 0,16126 — 2,44 — 0,9756 7 20 0,03755 0,15723 — 4,88 — 0,9512 / 30 0,0366 0,1532 — 7,3 — 0,927 40 0,03562 0,1492 — 9,7 — 0,903 50 0,03467 0,14514 — 12,2 — 0,878 Tabela 11: Primerjava volumna vlažnih dimnih plinov pri redukciji kurilnega plina in zamenjavi razlike s plinom zamenjevalcem (ZP; ZPZ PBZ) pri pogoju Q, = Q2 in p, = p2. Varianta Stopnja redukcije R°/o Volumen dimnih vlažnih plinov Faktor mn5/1000 m„3/10Q0 kJ kcal % Num. 0 0,2964 1,241 — _ 10 0,2945 1,233 — 0,64 — 0,9936 20 0,2923 1,224 — 1,38 — 0,9862 30 0,2907 1,217 — 1,93 — 0,9807 40 0,2888 1,209 — 2,56 — 0,9744 50 0,2868 1,201 — 3,23 — 0,9677 0 0,2953 1,236 — _ 10 0,2933 1,228 — 0,64 — 0,9936 2 20 0,2917 1,221 — 1,21 — 0,9879 30 0,2897 1,213 — 1,86 — 0,9814 40 0,2878 1,205 -2,5 — 0,9750 50 0,2859 1,197 — 3,17 — 0,9683 0 0,30882 1,239 — — 10 0,29282 1,226 — 1,05 — 0,9895 7 20 0,29211 1,223 — 1,29 — 0,9871 30 0,29019 1,215 — 1,94 — 0,9806 40 0,28805 1,206 — 2,66 — 0,9734 50 0,28637 1,199 — 3,23 — 0,9677 Ker se kalorična vrednost RPM ob dodajanju PBZ k ZPZ plinu povečuje, se specifični pretočni volumen RPM, kot kaže tabela 10, zmanjšuje (za — 3,6 do —18% pri varianti 2 ter —1,52 do — 12,2 % pri varianti 3 oz. 7). Podobno stanje je, kot kaže tabela 11, pri specifični količini vlažnih dimnih plinov. Pri večji stopnji kurilnega plina (ZP ali ZPZ) se ob dodajanju PBZ v RPM količina vlažnih dimnih plinov neznatno zmanjšuje. 2.4 GRAFIČNA OBRAVNAVA ZAMENLJIVOSTI Vsa možna stanja mešanja osnovnih treh plinov — plinska faza PB — zemeljski plin ZP — zrak v rezultirajočo plinsko mešanico RPM, kot je she-matsko prikazano na si. 5 in si. 6, lahko grafično interpretiramo, kot kaže diagram na si. 7. Slika 7 Mešanje treh osnovnih plinov in primer rezultirajoče plinske mešanice PBZ + ZPZ (točka 6) Fig. 7 Mixing three basic gases and an example of the obtained PBZ + ZPZ (point 6) gas mixture Ogljišča enakokrakega trikotnika, ki tvorijo osnovo diagrama mešanja, določajo trije osnovni plini: — plinska faza PB ogljišče 1 — zemeljski plin ZP ogljišče 2 — zrak Z ogljišče 3 s svojimi snovnimi lastnostmi. Mešanje v diagramu mešanja predstavlja mešalna premica. Tudi stranice enakostraničnega trikotnika so mešalne premice, in sicer: — stranica 13 predstavlja mešalno premico mešanja plinske faze PB + zraka (plinsko mešanico PBZ) — stranica 23 predstavlja mešalno premico mešanja zemeljskega plina ZP + zraka (plinska mešanica ZPZ) Slika 8 Fig- 8 Linije konstantnih gostot v diagramu mešanja PB-ZP-Z Isodensity lines in the diagram of PBZ-ZP-Z mixing — stranica 12 predstavlja mešalno premico mešanja plinske faze PB + zemeljskega plina (teoretična varianta) Točka 4 na stranici enakostraničnega trikotnika T3 predstavlja plinsko mešanico PBZ sestave % plinske faze PB razdalja 34 % zraka Z razdalja 14 Točka 5 na stranici enakostraničnega trikotnika 23 predstavlja plinsko mešanico ZPZ sestave % zemeljskega plina ZP razdalja 35 % zraka Z razdalja 25 Mešanje plinske mešanice PBZ + plinska mešanica ZPZ ali čisti ZP, primeri konic in izpadov, kot je prikazano na diagramu na si. 2 in si. 3, nam v diagramu mešanja ponazarja mešalna premica 45. Točka 6 na mešalni premici 45 predstavlja re-zultirajočo plinsko mešanico RPM naslednje sestave % plinske mešanice PBZ razdalja 56 % plinske mešanice ZPZ razdalja 46 Rezultirajoča plinska mešanica RPM je sestavljena iz plinske faze PB, zemeljskega plina ZP in zraka Z. V diagramu mešanja lahko tudi direktno odčitamo sestavo rezultirajoče plinske mešanice RPM, sestavljeno iz osnovnih plinov, in sicer pomeni: — razdalja A3 = V1( % PB v rezul tira joči plinski mešanici RPM — razdalja Bi = V2, % ZP v rezultirajoči plinski mešanici RPM — razdalja Č2 = V3, % Z v rezultirajoči plinski mešanici RPM če v diagram mešanja vrišemo linije konstantnih — gostot, — teoretično potrebnega zraka za zgorevanje, — kurilnosti, — Wobbejevega indeksa, lahko direktno grafično zasledujemo spreminjanje posameznih snovnih lastnosti rezultirajoče plinske mešanice RPM v odvisnosti od stopnje redukcije. 2.4.1 GRAFIČNA INTERPRETACIJA GOSTOTE REZULTIRAČOČE PLINSKE MEŠANICE Gostota za poljubno stanje v diagramu mešanja je definirana z vsoto posameznih osnovnih komponent Osnova za izdelavo diacrama Gostota PB kg/m? Gostota ZP fzp=0,7708 kg/mč Gostota 2 Jz=1293 kg/mf Z........zrak PB........plinska laza TNP ZP........zemeljski plin RPM. ..rezuttirajoča plinska mešanica V* Vi v% R...........redukcija v% 3 Prpm = ^ vi • Pi kg/m3n (32) i = 1 Za podane vrednosti osnovnih plinov so v diagramu mešanja na si. 8 prikazane linije konstantnih gostot pri pogoju, da je 3 ^ ^ = 1 (33) i = 1 Linije konstantnih gostot so premice, ki so med sabo vzporedne in potekajo od najnižje gostote, gostota zemeljskega plina p2 = 0,7708 kg/m3n, do najnižje gostote, gostota za plinsko fazo PB p] = = 2,426 kg/m3n. Istočasno je v diagramu vrisan še primer grafičnega zasledovanja redukcije kurilnega plina, ki ga nadomešča plin zamenjevalec. Vrisane so tri variante, ki so obdelane že računsko, in sicer varianta 2, varianta 3 in varianta 7 (tabela 4). Osnova za izdelavo diagrama Zgorevalni zrak Zv=28l S rn>Jm', Zgorevalni zrak Zp= gS^/m. V diagram mešanja, v katerem so vrisane linije konstantnih gostot, vrišemo mešalne premice za posamezne variante. Varianta 2 je vrisana z mešalno premico 2A Varianta 7 je vrisana z mešalno premico BC Varianta 3 je vrisana z mešalno premico DE Detajlneje opišemo samo varianto 7, ki jo ponazarja mešalna premica BC. Začetni točki mešalne premice sta določeni s točkami B in C. Točka B določa plinsko mešanico ZPZ, sestave VZP = 68,57 % in Vz = 31,43 %. Gostota plinske mešanice leži med linijama konstantnih gostot 0,9 in 1,0 kg/3n in znaša pB = 0,93 kg/m3n. Točka C določa plinsko mešanico BPZ, sestave VPB = 30,16 % in Vz = 69,84 %, gostota plinske mešanice leži med linijama konstantnih gostot 1,6 in 1,7 kg/m3n in znaša pe = 1,63 kg/m3n. Če vzamemo točko na mešalni premici BC, točka G, lahko iz diagrama za to točko odčitamo sestavo n gostoto za izbrano točko. Rezultirajoča plinska mešanica, ki je predstavljena s točko G na mešalni premici, ima naslednjo sestavo: Linije 174 Z....... zrak PB.......plinska faza TNP ZP zemeljski plin RPM rezultirajoča plinska mešanica Vrv VzrVz v % R redukcija v % Slika 9 Fig. 9 konstantnih količin zraka za zgorevanje (n = 1) Lines of the constant amounts of air for combustion v diagramu mešanja PB-ZP-Z (n = 1) in the diagram of PB-ZP-Z mixing lOOloPB VPBZ = 50 % (delež plinske mešanice PBZ sestave VPB = 30,16 % in Vz = 69,84 %) VZPZ = 50 % (delež plinske mešanice ZPZ sestave VZP = 68,57 % in Vz = 31,43 %) Istočasno lahko za izbrano rezultirajočo plinsko mešanico odčitamo tudi sestavo iz osnovnih plinov. Rezultirajoča plinska mešanica je sestavljena iz VPB =15,0 % (delež PB v RPM točke G) VZP = 34,0 % (delež ZP v RPM točka G) Vz =51,0 % (delež Z v RPM točka G) Gostota rezultirajoče plinske mešanice leži med linijama konstantnih gostot 1,2 in 1,3 kg/m3n in znaša 1,28 kg/m3n. Točke, ki so na mešalni premici označene z I, II, III, IV in V, pomenijo °/o delež dodajanja plina zamenjevalca PBZ kurilnemu plinu ZPZ, oziroma ponazarjajo stopnjo redukcije po tabeli 8 pri pogoju, da dovedena toplota z rezultirajočo plinsko mešanico ostane konstantna. 2.4.2 SPREMEMBA KOLIČINE ZRAKA ZA ZGOREVANJE Za oba osnovna plina ter zemeljski plin in plinsko fazo PB — mešana z zrakom, določimo teoretično količino zraka za zgorevanje po naslednjih enačbah, ki so bile izračunane iz podatkov osnovnih plinov. a) Zemeljski plin in mešanica zemeljski plin + 4- zrak (ZP in ZPZ) Z, = 1,233 . -- 1,00415 m3n/m3n 4187 (Hsp-kJ/m3n) Zt = 1,233 . -- 1,00415 m3n/m3n 1000 (Hsp — kcal/m3n) b) Plinska faza PB in mešanica plinske faze PB + zrak (PB in PBZ) Z. = 1,1043 . -i- — 1,02394 m3n/m3n 4187 (Hsp — kJ/m3„) Z. = 1,1043 .---- 1,02394 m3n/m3n 1000 (Hsp —kcal/m3n) Za obravnavane vrednosti obravnavanih plinov, oziroma plinskih mešanic so v diagramu mešanja na si. 9 vrisane linije konstantnih količin zraka (n = 1). V diagramu na si. 9 so ponovno vrisane že predhodno obravnavane variante, varianta 2, varianta 3 in varianta 7. S pomočjo diagrama direktno odči- tujemo za posamezne točke rezultirajoče plinske mešanice potrebno količino zraka za zgorevanje. Ponovno podrobneje obravnavamo varianto 7. Potrebna količina zraka za zgorevanje za plinsko mešanico ZPZ, točka B, znaša 6,45 m3n/m3n. Potrebna količina zraka za zgorevanje plinske mešanice PBZ, točka C, znaša 7,81 m3n/m3n. Za izbrano točko G znaša potrebna količina zraka 7,18 m3n/m3n. 2.4.3 INTERPRETACIJA KURILNOSTI REZULTIRAJOČE PLINSKE MEŠANICE V DIAGRAMU MEŠANJA Kurilnost rezultirajoče plinske mešanice je definirana z vsoto 3 h rpm = ^ vi • Hi kJ/m3n; (kcal/m3n) i = 1 (38) H3 = O kurilnost zraka Pri tem mora biti izpolnjen pogoj, da je 3 ^ V; = 1 (39) i = 1 V diagramu mešanja na si. 10 so vrisane premice konstantnih kurilnih vrednosti. Grafično obravnavamo varianto 2, varianto 3 in varianto 7. Podrobneje je obdelana samo varianta 7. Kurilni plin je določen s sestavo v točki B na premici 23 in njegova kurilnost znaša 25 330 kJ/m3n. Plin zamenjevalec je določen s točko C na premici 13 in njegova kurilnost znaša 33 494 kJ/m3n. Točka G na mešalni premici CB ima sestavo 15 % PB, 34 % ZP in 51 % Z. Za navedeno sestavo se iz diagrama odčita kurilnost rezultirajoče plinske mešanice G, ki znaša 29 400 kJ/m3n. Grafična interpetacija razmer ob zamenjevanju plinov, oziroma mešanju v RPM, je nazorna in zlasti primerna za privajanje dispečerskih delavcev na problematiko zamenjevanja v času, ko tovrstne delavce šele izobražujemo. Ker je z dosedaj navedenim šele nakazano, kakšne razmere bodo nastale v plinskem sistemu, je potrebna nadaljna podrobna obravnava sprememb pretočnih količin plina, zraka za zgorevanje in dimnih plinov v zvezi z meritvami in regulacijami, ki jih uporabljamo v obratih. Priključevanje na magistralni vod, oz. razvodno primarno mrežo je ob upoštevanju vseh variant in specifičnosti porabnikov posebno zanimivo. Vsa navedena tematika pa bo obdelana v drugem delu članka, ki sledi. Uporabljene oznake: vmax — maksimalni odvjem na uro m3n/h h — čas v urah S — cena zemeljskega plina din/mes Osnova za izdelavo diagrama Kurilnost PB 111,038 Mjfmn3 Kurilnost ZP H,= 36,939 tiJ/mn Kurilnost Z HfO Slika 10 Fig. 10 Linije konstantnih kurilnih vrednosti v diagramu mešanja Lines of constant calorific values in the diagram of PB-ZP-Z PB-ZP-Z mixing Z.........zrak PB......plinska - faza TNP ZP.....zemeljski plin RPM .rezitirajoča plinska mešanica Vfe Ižp Vz v % R.........redukcija v % 100% PB a — faktor transportnih stroškov din/m3n b — faktor enakomernosti odjema din/mJn c — cena plina + carina (cena zemeljskega plina na meji) din/m3n V — dejanska porabljena količina zemeljskega plina na mesec po števcu m3n/mes Vmax — maksimalna planirana količina zemeljskega plina na mesec m3„/mes K, — faktor neenakomernosti porabe plina K2 — faktor dejanske porabe C — cena zemeljskega plina pri porabniku din/m3n p — tlak plina N/m2 L — dolžina plamena, m x/du — razmerje merjene veličine in premera ustja gorilnika &sr — srednja temperatura plamena v oddaljenosti od ustja gorilnika q PC02 PH20 S Q H Hzg V w a Pn A — prenos toplote s sevanjem plina kJ/m2,h — parcialni tlak C02 v dimnih plinih — parcialni tlak H20 v dimnih plinih — debelina plasti plina, ki seva m — toplotna obremenitev kJ/h (kcal/h) — kalorična ali kurilna vrednost kJ/m3n (kcal/m3n) — zgorevna ali zgornja kalorična vrednost — volumski pretok m3n/h — hitrost pretoka m/s — pretočni koeficient šobe — gostota plina kg/m3n — prerez m2 — indeks n označuje normne pogoje (0°C, 1013 mbar) — relativna gostota (zrak d = 1) Wzg, Wsp— Wobbejev indeks v odnosu na zgornjo oz. spodnjo kalorično vrednost fr — temperatura °C t) — dinamična viskoznost kg/ms O, — teoretično potrebna količina kisika m3n/m3n Zt — teoretično potrebna količina zraka m3n/m3n DvI, Ds — teoretična količina vlažnih, suhih dimnih plinov m3n/m3n Z, — specifična poraba zraka m3n/1000 k J (m3n/1000 kcal) Vpb — volumski delež PB v m3n/m3r PBZ VZP — volumski delež ZP v m3n/m3n ZPZ Vz — volumski delež zraka v plinski meša- nici v m3n/m3n Prpm — gostota rezultirajoče plinske mešanice kg/m3n RPM — rezultirajoča plinska mešanica Hrpm — kurilnost rezultirajoče plinske meša- nice kJ/m3n (kcal/m3n) ZUSAMMENFASSUNG Bei der Substitution des Heizgases mit einem gleich-vvertigen substituirenden Gas muss auch die kantraktma-ssjg bedingte Ahnahme beriioksichtigt werden, wobei die Grundbedingungen —- eine konstante Warmebeanspru-chung der Anlagen und ein koostanter Druck im Gassystem -beibehalten werden miissen. Diese Abhangigkeiten sind rechnungsmassig bearbeitet. Durch eine graphische Darstel-lung sind die Anderungen in der Zusammensetzung der re-sultierendem Gasmischung und daraus ausgehendan Anderungen der Verbrennungscharakteristik gezeigt. Als Grund-lage fiir die rechnerischen Ausfiihrungetn ist der Ausgleich des modifizierten Ausdrucikes fiir den Wobbe Index gernom-men. Die Substitution bedingt die Anderungein der Dichte der Gasmischung, bzw. bei der Reduction der Heizgasmen-ge der resultierenden Gasmischung aus dem Heizgas und dem substituirenden Gas. Der Ausgangspunkt fiir die Behandlung der Substitution ist der gegenvvartige Stand in der Eisenhiitten bzw. Verarbeitungsindustrie, wo zu dieser Zeit der Heizgas aus der Gasphase des fliissigen Erdolgases gemischt mit Luft, besteht. Spaiter nach dem Anschluss an die Erdgasleitung wird die Situation umgekehrt. Der fliissige Erdolgas vvird als Gasmischung Propan-Butan-Luft den substituirenden Gas darstellen und Erdgas wird Heizgas. Die Substitution der Heizgase verbunden mit der Anderung der Dichte der Gasmischung, bedingt durch das Zumischen der Luft und damit auch durch die Anderung des Heizvvertes des Heizgases, stellt bei uns schon eine eingebiirgerte Technologie der Gaserzeugung dar. Der Vergleich an spezifischem Luftverbrauch fiir die Verbrennung zeigt, dass bei der vvachsenden Reduktion des Erdgases als Heizgases und einem entsprechenden Zusatz des Substitutionsgases (Propan-Butan-Luft) eine Verminderung des Luftverbrauches fiir die Verbrennung (fiir cca 9.5 % bei 100 % Reduktion, dass heisst, bei voller Substitution des Heizgases EG mit PBL) die Folge ist. Da der kalorische Wert der resultierenden Gasmischung be; der Reduktion des Erdgases vvegen des Zusatzes von PBL grdsser wird, wird der spezifische Durchflussvolumen kleiner (fiir cca 15 % bei 100 % Reduktion). In den Tabelien vveraen die Anderungen bei der Reduktion bis zu 50 % gezeigt. In der graphischen Darstellung mit Mischdreiecken wer. den die Anderungen der Zusammensetzung der Dichte und des Heizwertes bei der vollkommenan oder teihveisen Substitution des Heizgases und substituierenden Gases darge-stellt. SUMMARY In substitution of fuel gas by a converting gas as an equivalent gas also contract band — consumption must be taken into account beside the preservation of basic charac-teristics: constant thermal load of set-ups, and constant pressure in the gas system. It essentially influences the priče of the delivered gas. Variations in the composition of the obtained gas mixture together with the resulting variations of combustion characteristics are calculated and graphica-lly presemted im the paper. Basis for the mathe-matical deduction was the equalization of the modified expression for Wobbe's index. The eonversion determines the variations of the density of the gas mixture, and the resulting gas mixtures of the fuel and the converting gas when the fuel gas is reduced. Starting point for treating the eonversion is the present state in ferrous metallurgy and in working industry where fuel gas at the moment is the gas phase of liquid oil gas mixed with air while the connection to the natural gas pipe line will change the whole situation. Liquid gas will be the converting gas as a propane-butane-air mixture vvhile natural gas will become the fuel gas. Conversion with a variation of the gas mixture density which is de-termined by the added air and thus also the variation of the calorific value of gas can be achieved by mixing sta-tions which is already a well known technology of gas produktion with us. Analysis of the specific consumption of the combustion air shows that the reduced amount of natural gas as fuel gas and addition of corresponding amount of the converting gas (PBZ) demands a reduction of the combustion air (about 9.5 °/o at the tota! reduction i. e. when fuel gas ZP is substituted by PBZ). Since the calorific value of the obtained gas mixture inereases with the reduced amount of natural gas and addition of PBZ, the specific flow rate is also reduced (for about 15 °/o at the total reduction). Tables show variations for reductiorns up to 50 °/o vvhile triangels of mixing present variations of composition, density, and calorific value at the total of partial conversion of fuel gas by a converting gas. 3AKAIOTEHHE npn 3aMenbi ropioiHx pa30B c SKBHBaAeHTHbiM ra30M3aMeHHTe-AeM, npa coxpaneHHH 0CH0BHbix ycAOBHii, t. e. nocToaHHHH TenAOBOit narpy3KH arperaTOB h nocToaHHoro a^bachu« ra3a B ra30B0fi CHCTeMe, HaAo yHiecKaa HHTepnpeTaima H3MeHeHHa b cocTa-Be paBHOAeHCTBViomeii ra30B0H CMecu h BBneKaiomiie h3 stoto H3Me-HeHHa xapaKTepncTHK cropaiina. Kaic ocHoBaHHe aas pacqeTHoro HcnoAHeHna b3hto ypaBHeHHe MOAiicjjimupaHoro BbipaaceHHa HHAeKca no Wobb-y. SaMeHa 06ycA0BAeHa ot H3MeHeHHa rycTOTbi ra30B0ft CMecH, othoc. ot peAyKUHH ropKmero ra3a, ot paBHOAeftcByiomeft ra30B0H CMecH ropiowero ra3a h ra3a-3aMeHHTeAa. Hcxoahoh nyHKT AAa pacCMOTpeHHa 3aMeHbi npeACTaBAaeT Ha-cToamee noAoaceHHe b MeTaAAypinraecKHX 3aBOAax h b npoMbiune-hhocth nepepagOTKH rAe noKa eme KaK ropjo^HH ra3 ra30Baa 4>a3a >KHTKoro Hacj)TaHoro ra3a c bo3AYxom, no3?Ke, nocAe npHKAKraemia Ha npneMKy npnpoAHoro ra3a, iioao>kchhc H3MeHHTbca. Poab ra3a-3aMe-HHTeAa B03MeT Ha ce6a ra30Baa CMerb nponaH-6yTaH-B03Ayx, a ropio-•^ero-npHpoAHHH ra3. 3aMeHa, npn iraMenemiH ryciOTbi CMecH ra3a, ycAOBAeHHaa Ao6aBAeHHeM B03Ayxa H, b CBa3H c 3THM, H3MeHeHiie TertAOBoro 3<}><}>eKTa, BbinoAiiaeTca b cMecHTeAbnux ycTaHOBKax, ko-Topbie y'>Ki' uiHpoKO npHMeHaiOTca b Hanieir npoMuiiiAejmocTH npn np0H3B0ACTBe ra3a. ripn paccMOTpeHHH o yAeAbHoM pacxoAe B03Ayxa ycTaHOBAeHO, mto npn noBbimeHHH peAyKUHH npnpoAHoro ra3a KaK ropioqero, c AoSaBAeHHeM cooTBeTByiomero KOAHiecTBa ra3a 3aMeHHTeAa, pacxoA Heo6xoAHMoro AAa cropaHHa, yMeHbinaeTCa (Ha 9,5 % npn 100 °/o pe-Aykuhh, t. e. noAHaa 3a.\ieHa npnpoAHoro ra3a c ra30Boft CMecbio np0nan-6yTaH-B03Ayx). TaK KaK npn peAyKijHH npnpoAHoro ra3a npn AoGaBKH CMecH nponan-6yTaH-B03AYx TeriAOTa cropanna yBeAtraiBaeTca, to yMeHb-maeTca yAeAbHbiii ofi-beiu nponycKaHHa (npH0A. Ha 15 °/o npn 100 % peAYKHHH). B BHAe npiiMepa noAaHbi npn nOMOiHH TačAMi H3MeHeHHa ao 50 °/o. PaccMOTpeHbi TaKjKe rpaiHecKHe koctpykhhh cMecnABHbix Tpeyr0AbHHK0B, KOTOpbie yKa3biBaiOT Ha cocToaHHe cocTaBa, Ha rycTO-TY H Ha TeHAOBOH 3(j)4)eKT ITpH nOAHOH HAH MacTHmioif 3aMeHM ropioMero ra3a hah ra3a- 3aMeHHTeAa.