Παροχή φυσικού αερίου: Υπολογισμός κατανάλωσης και διαστασιολόγηση δικτύου

Η σωστή διαστασιολόγηση ενός δικτύου φυσικού αερίου ξεκινά από έναν βασικό υπολογισμό: πόση ποσότητα αερίου χρειάζεται πραγματικά η εγκατάσταση για να λειτουργήσει στο προβλεπόμενο φορτίο;

Σε βιομηχανικούς λέβητες, ατμογεννήτριες, φούρνους και συστήματα καύσης, η ανεπαρκής παροχή μπορεί να οδηγήσει σε πτώση πίεσης, περιορισμό της διαθέσιμης ισχύος ή ενεργοποίηση διατάξεων προστασίας.

Από την άλλη πλευρά, η υπερβολική διαστασιολόγηση μπορεί να αυξήσει το κόστος εγκατάστασης χωρίς αντίστοιχο λειτουργικό όφελος.

Ο σωστός υπολογισμός απαιτεί να εξετάσουμε τη θερμική ισχύ, τη θερμογόνο δύναμη του καυσίμου, τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, τη γεωμετρία του δικτύου και τις επιτρεπόμενες απώλειες πίεσης.

1. Τι σημαίνει παροχή φυσικού αερίου;

Η παροχή εκφράζει την ποσότητα αερίου που διέρχεται από ένα σημείο του δικτύου ανά μονάδα χρόνου.

Στις εγκαταστάσεις φυσικού αερίου χρησιμοποιούνται συχνά:

• m³/h: Ογκομετρική παροχή στις πραγματικές συνθήκες μέτρησης.

• Nm³/h: Παροχή αναγόμενη σε καθορισμένες κανονικές συνθήκες.

• Sm³/h: Παροχή αναγόμενη σε καθορισμένες τυποποιημένες συνθήκες.

• kg/h: Μαζική παροχή.

Οι συνθήκες αναφοράς για Nm³ και Sm³ πρέπει να δηλώνονται. Δεν είναι ασφαλές να θεωρείται ότι όλοι οι προμηθευτές ή τα πρότυπα χρησιμοποιούν τις ίδιες θερμοκρασίες αναφοράς.

2. Πώς συνδέεται η παροχή με τη θερμική ισχύ;

Η θερμική ισχύς εισόδου ενός καυστήρα συνδέεται με την παροχή καυσίμου και τη θερμογόνο δύναμή του.

Η βασική σχέση είναι:

P = Q × H

όπου:

• P = θερμική ισχύς εισόδου καυσίμου (kW).

• Q = ογκομετρική παροχή αερίου αναφοράς (Nm³/h).

• H = θερμογόνος δύναμη στην ίδια βάση αναφοράς (kWh/Nm³).

Άρα:

Q = P / H

Η θερμογόνος δύναμη πρέπει να είναι συμβατή με τη βάση στην οποία δηλώνεται η ισχύς.

Δεν πρέπει να αναμειγνύονται κατώτερη και ανώτερη θερμογόνος δύναμη στον ίδιο υπολογισμό.

3. Παράδειγμα: Καυστήρας 500 kW

Έστω βιομηχανικός καυστήρας με θερμική ισχύ εισόδου 500 kW.

Για ενδεικτική κατώτερη θερμογόνο δύναμη φυσικού αερίου:

H = 10 kWh/Nm³

Η απαιτούμενη παροχή είναι:

Q = 500 / 10 = 50 Nm³/h

Άρα ο καυστήρας χρειάζεται περίπου 50 Nm³/h στο συγκεκριμένο ονομαστικό φορτίο και με τις συγκεκριμένες παραδοχές.

Η τιμή δεν αποτελεί καθολικό χαρακτηριστικό του φυσικού αερίου. Η πραγματική θερμογόνος δύναμη μεταβάλλεται ανάλογα με τη σύσταση και την προμήθεια.

4. Παράδειγμα: Βιομηχανικός λέβητας 2.000 kW

Εδώ απαιτείται μία σημαντική διάκριση.

Εάν τα 2.000 kW αναφέρονται στη θερμική ισχύ εισόδου καυσίμου, τότε:

Q = 2.000 / 10 = 200 Nm³/h

Εάν όμως τα 2.000 kW είναι η ωφέλιμη θερμική ισχύς εξόδου του λέβητα, πρέπει πρώτα να ληφθεί υπόψη ο βαθμός απόδοσης.

Για ενδεικτικό βαθμό απόδοσης 90%, στην ίδια ενεργειακή βάση:

Pεισόδου = 2.000 / 0,90 = 2.222,2 kW

Επομένως:

Q = 2.222,2 / 10 ≈ 222,2 Nm³/h

Η διαφορά μεταξύ 200 και 222,2 Nm³/h δείχνει γιατί πρέπει να γνωρίζουμε εάν η ονομαστική ισχύς αφορά την είσοδο καυσίμου ή την ωφέλιμη έξοδο.

5. Πίνακας ενδεικτικής κατανάλωσης

Με παραδοχή κατώτερης θερμογόνου δύναμης 10 kWh/Nm³ και ισχύος εισόδου καυσίμου:

Οι τιμές χρησιμοποιούνται μόνο για προκαταρκτική εκτίμηση. Δεν αποτελούν πίνακα διαστασιολόγησης σωληνώσεων.

6. Πώς υπολογίζεται η συνολική παροχή μιας εγκατάστασης;

Σε εγκατάσταση με περισσότερους από έναν καταναλωτές, η συνολική παροχή σχεδιασμού εξαρτάται από τη λειτουργία τους.

Για παράδειγμα:

• Καυστήρας Α: 100 Nm³/h.

• Καυστήρας Β: 75 Nm³/h.

• Καυστήρας Γ: 50 Nm³/h.

Εάν και οι τρεις μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα στο πλήρες φορτίο:

Qσυνολική = 100 + 75 + 50 = 225 Nm³/h

Εάν υπάρχει τεκμηριωμένος περιορισμός ταυτόχρονης λειτουργίας, η παροχή σχεδιασμού μπορεί να αξιολογηθεί διαφορετικά, σύμφωνα με την πραγματική λογική λειτουργίας και τις απαιτήσεις της μελέτης.

Δεν πρέπει να εφαρμόζεται αυθαίρετα συντελεστής ταυτοχρονισμού.

7. Γιατί η πίεση αλλάζει την πραγματική ογκομετρική παροχή;

Το φυσικό αέριο είναι συμπιεστό.

Για την ίδια ποσότητα αερίου, ο πραγματικός όγκος μεταβάλλεται όταν αλλάζουν η πίεση και η θερμοκρασία.

Επομένως, η παροχή σε πραγματικά m³/h μέσα σε έναν αγωγό μπορεί να διαφέρει σημαντικά από την παροχή σε Nm³/h.

Η διάκριση αυτή είναι κρίσιμη για την εκτίμηση της ταχύτητας ροής και της διαμέτρου σωληνώσεων.

8. Μετατροπή από Nm³/h σε πραγματικά m³/h

Για αέριο με κατάλληλη διόρθωση συμπιεστότητας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η σχέση:

Qactual = Qref × (P_ref / P_actual) × (T_actual / T_ref) × (Z_actual / Z_ref)

όπου:

• Qactual = ογκομετρική παροχή στις πραγματικές συνθήκες.

• Qref = παροχή στις συνθήκες αναφοράς.

• P = απόλυτη πίεση.

• T = απόλυτη θερμοκρασία σε kelvin.

• Z = συντελεστής συμπιεστότητας.

Για προκαταρκτικές εκτιμήσεις κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση μπορεί να χρησιμοποιείται προσέγγιση ιδανικού αερίου, όταν το επιτρέπει η απαιτούμενη ακρίβεια.

Ενδεικτικό παράδειγμα

Έστω:

• Qref = 100 Nm³/h.

• Συνθήκες αναφοράς: 0°C και 1,01325 bar απόλυτη πίεση.

• Θερμοκρασία λειτουργίας: 20°C.

• Πίεση λειτουργίας: 2,01325 bar απόλυτη.

• Zactual / Zref ≈ 1 για απλοποίηση.

Τότε:

Qactual ≈ 100 × (1,01325 / 2,01325) × (293,15 / 273,15)

Qactual ≈ 54 m³/h

Η πραγματική ογκομετρική παροχή είναι μικρότερη λόγω της υψηλότερης πίεσης λειτουργίας.

Το αποτέλεσμα είναι προσεγγιστικό και εξαρτάται από τις δηλωμένες παραδοχές.

9. Σχέση παροχής, διατομής και ταχύτητας

Η μέση ταχύτητα ροής συνδέεται με την πραγματική ογκομετρική παροχή και την εσωτερική διατομή του αγωγού.

v = Qactual / A

όπου:

• v = μέση ταχύτητα (m/s).

• Qactual = πραγματική παροχή (m³/s).

• A = εσωτερική διατομή σωλήνα (m²).

Για κυκλικό σωλήνα:

A = πD² / 4

όπου D είναι η εσωτερική διάμετρος σε μέτρα.

Προσοχή: Στον υπολογισμό της ταχύτητας δεν χρησιμοποιούμε απευθείας Nm³/h χωρίς μετατροπή στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.

10. Παράδειγμα υπολογισμού ταχύτητας

Έστω πραγματική παροχή:

Qactual = 100 m³/h

Μετατροπή σε m³/s:

Qactual = 100 / 3.600 = 0,02778 m³/s

Για εσωτερική διάμετρο 100 mm:

D = 0,10 m

Η διατομή είναι:

A = π × 0,10² / 4 ≈ 0,00785 m²

Επομένως:

v = 0,02778 / 0,00785 ≈ 3,54 m/s

Το παράδειγμα εξηγεί τη μαθηματική σχέση. Δεν καθορίζει από μόνο του ότι η συγκεκριμένη διάμετρος είναι κατάλληλη για εγκατάσταση φυσικού αερίου.

11. Γιατί δεν επιλέγουμε σωλήνα μόνο από την ταχύτητα;

Η ταχύτητα ροής είναι μία παράμετρος, όχι το μοναδικό κριτήριο διαστασιολόγησης.

Η σωστή επιλογή απαιτεί επίσης:

• Συνολικό μήκος αγωγού.

• Εσωτερική διάμετρο και υλικό.

• Πίεση λειτουργίας.

• Διαθέσιμη διαφορά πίεσης.

• Πυκνότητα και ιδιότητες αερίου.

• Εξαρτήματα και τοπικές αντιστάσεις.

• Ελάχιστη απαιτούμενη πίεση στους καταναλωτές.

• Εφαρμοστέα πρότυπα και κανονισμούς.

Μια σωλήνωση μπορεί να παρουσιάζει αποδεκτή ταχύτητα αλλά υπερβολική πτώση πίεσης.

12. Τι είναι η πτώση πίεσης;

Καθώς το αέριο κινείται μέσα στο δίκτυο, αναπτύσσονται απώλειες λόγω τριβών και τοπικών αντιστάσεων.

Η πίεση μειώνεται κατά μήκος της ροής.

Η συνολική πτώση πίεσης εξαρτάται από τη γεωμετρία, την παροχή, τις ιδιότητες του αερίου και τις συνθήκες λειτουργίας.

Στα δίκτυα χαμηλής πίεσης μπορεί, υπό συγκεκριμένες παραδοχές, να χρησιμοποιούνται προσεγγιστικές μέθοδοι. Σε δίκτυα με σημαντική μεταβολή πυκνότητας απαιτούνται κατάλληλοι υπολογισμοί συμπιεστής ροής.

13. Απώλειες από εξαρτήματα

Εκτός από τους ευθύγραμμους αγωγούς, απώλειες δημιουργούν και τα εξαρτήματα του δικτύου:

• Γωνίες.

• Ταυ και διακλαδώσεις.

• Βαλβίδες.

• Φίλτρα.

• Ρυθμιστές.

• Μετρητές.

• Συστήματα ασφαλείας.

Οι απώλειες μπορούν να αξιολογηθούν με κατάλληλους συντελεστές τοπικών αντιστάσεων ή με δεδομένα κατασκευαστή.

Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στα εξαρτήματα ελέγχου και ασφαλείας, των οποίων η πτώση πίεσης δεν πρέπει να εκτιμάται αυθαίρετα.

14. Γιατί μειώνεται η παροχή σε μεγάλο φορτίο;

Μια εγκατάσταση μπορεί να λειτουργεί κανονικά σε χαμηλό φορτίο αλλά να εμφανίζει προβλήματα όταν αυξάνεται η κατανάλωση.

Πιθανές αιτίες:

• Υποδιαστασιολογημένες σωληνώσεις.

• Ανεπαρκής πίεση τροφοδοσίας.

• Μεγάλες απώλειες πίεσης.

• Ρυπασμένα φίλτρα.

• Ακατάλληλος ρυθμιστής.

• Περιορισμοί σε βαλβίδες ή μετρητές.

• Ταυτόχρονη λειτουργία πολλών καταναλωτών.

Η διάγνωση πρέπει να βασίζεται σε πραγματικές μετρήσεις και στη μελέτη της εγκατάστασης.

15. Διαστασιολόγηση σε δίκτυο με διακλαδώσεις

Σε ένα βιομηχανικό δίκτυο, κάθε τμήμα σωλήνωσης μεταφέρει διαφορετική παροχή.

Ο κεντρικός αγωγός μπορεί να τροφοδοτεί πολλούς καταναλωτές, ενώ κάθε επιμέρους κλάδος εξυπηρετεί μικρότερο φορτίο.

Η παροχή σχεδιασμού πρέπει να καθορίζεται ξεχωριστά για κάθε τμήμα.

Παράδειγμα:

• Κεντρικός αγωγός: 225 Nm³/h.

• Κλάδος Α: 100 Nm³/h.

• Κλάδος Β: 75 Nm³/h.

• Κλάδος Γ: 50 Nm³/h.

Η διάμετρος κάθε κλάδου επιλέγεται με βάση τη δική του παροχή, τις συνθήκες πίεσης και την επιτρεπόμενη πτώση πίεσης.

16. Παροχή φυσικού αερίου και διαμόρφωση ισχύος καυστήρα

Πολλοί βιομηχανικοί καυστήρες διαθέτουν δυνατότητα διαμόρφωσης ισχύος.

Αυτό σημαίνει ότι η κατανάλωση μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμική ζήτηση.

Για παράδειγμα, ένας καυστήρας μπορεί να λειτουργεί μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης θερμικής ισχύος, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του.

Η διαστασιολόγηση του δικτύου πρέπει να εξασφαλίζει την απαιτούμενη παροχή στο μέγιστο προβλεπόμενο φορτίο, ενώ η επιλογή μετρητών και ρυθμιστών πρέπει να λαμβάνει υπόψη και τις χαμηλές παροχές.

17. Πώς υπολογίζεται η ημερήσια κατανάλωση;

Εάν η παροχή παραμένει σταθερή:

V = Q × t

όπου:

• V = συνολικός όγκος.

• Q = παροχή.

• t = χρόνος λειτουργίας.

Παράδειγμα:

Καυστήρας με μέση παροχή 80 Nm³/h λειτουργεί για 10 ώρες.

V = 80 × 10 = 800 Nm³

Εάν η παροχή μεταβάλλεται, η κατανάλωση υπολογίζεται από την ολοκλήρωση της παροχής στον χρόνο ή από κατάλληλο μετρητή.

18. Από τον όγκο στην ενεργειακή κατανάλωση

Η κατανάλωση φυσικού αερίου μπορεί να μετατραπεί σε ενεργειακή ποσότητα με τη θερμογόνο δύναμη.

E = V × H

Για παράδειγμα:

• V = 800 Nm³.

• H = 10 kWh/Nm³.

E = 8.000 kWh

Η τιμή αντιστοιχεί στην ενεργειακή περιεκτικότητα του καυσίμου στην επιλεγμένη βάση θερμογόνου δύναμης και όχι υποχρεωτικά στην ωφέλιμη θερμότητα που παραδόθηκε στην εγκατάσταση.

19. Πρακτικός πίνακας ελέγχου πριν από τη διαστασιολόγηση

20. Πρότυπα και τεχνικές απαιτήσεις

Η μελέτη πρέπει να λαμβάνει υπόψη το εφαρμοστέο πλαίσιο, όπως:

• EN 15001-1: Σχεδιασμός, κατασκευή, επιθεώρηση και δοκιμές εγκαταστάσεων αερίου εντός του πεδίου εφαρμογής.

• EN 1775: Σωληνώσεις αερίου σε κτίρια, εντός του πεδίου εφαρμογής.

• EN 676: Καυστήρες εξαναγκασμένου ελκυσμού για αέρια καύσιμα.

• EN 334: Ρυθμιστές πίεσης αερίου.

• EN 12480, EN 12261 και EN 1359: Πρότυπα συγκεκριμένων τεχνολογιών μετρητών αερίου.

Οι εφαρμοστέοι εθνικοί κανονισμοί, οι απαιτήσεις του διαχειριστή δικτύου και οι προδιαγραφές των κατασκευαστών πρέπει επίσης να εξετάζονται.

Συμπέρασμα

Ο υπολογισμός της παροχής φυσικού αερίου αποτελεί το πρώτο βήμα για τη σωστή διαστασιολόγηση ενός δικτύου.

Η θερμική ισχύς και η θερμογόνος δύναμη επιτρέπουν την αρχική εκτίμηση της απαιτούμενης ποσότητας καυσίμου.

Ωστόσο, η τελική επιλογή διαμέτρων δεν μπορεί να βασιστεί μόνο σε έναν υπολογισμό Nm³/h ή σε έναν γενικό κανόνα ταχύτητας.

Απαιτείται πλήρης αξιολόγηση πίεσης, θερμοκρασίας, συμπιεστότητας, απωλειών, εξαρτημάτων και ταυτόχρονης λειτουργίας των καταναλωτών.

Η τελική διαστασιολόγηση και οποιαδήποτε τροποποίηση δικτύου φυσικού αερίου πρέπει να πραγματοποιούνται από αρμόδιους μηχανικούς σύμφωνα με τις ισχύουσες τεχνικές και κανονιστικές απαιτήσεις.