CC BY
17
УДК533.1:662.76:658.56 Нач. вШтуА.В. Мотало1, канд. техн. наук;
проф. Б.1. Стадник2, д-р техн. наук; доц. В.П. 'Мотало2, д-р техн. наук
АНАЛ13 ОСНОВНИХ ПРОБЛЕМ МЕТОДОЛОГИ ОЦ1НЮВАННЯ ЯКОСТ1 ВУГЛЕВОДНЕВИХ ГА31В
Розглянуто i проаналiзовано проблематику розвитку сучасно! газово! квалiметрii. Проаналiзовано та означено теоретичнi, практичш i нормативно-методологiчнi задачi оцшювання якост рiзних видiв вуглеводневих газiв - природних, зрiджених та скрап-лених (нафтових) газiв. Розроблено методику визначення рiвня якостi природного газу як джерела енергп, яка грунтуеться на методологи квшпметричних вимiрювань з ураху-ванням компонентного складу газу i всiх його фiзико-хiмiчних властивостей, що впли-вають на теплотворну здатшсть газу i змiст енергп в ньому.
Ключов1 слова: вуглеводневi гази, властивост вуглеводневих газш, теплотворна здатшсть природного газу, компоненти природного газу, квалiметричнi вимiрювання, рiвень якостi природного газу.
Вступ. Вуглеводнев1 гази (ВГ) - це сумiшi природних алiфатичних вугле-воднiв рiзноi будови, яю знаходяться у порах i пустотах прських порiд, розчи-ненi у нафт i пластових водах або розтт у rрунтi. Завдяки сво!й енергетичнiй та хiмiчнiй цiнностi ВГ, поза всяким сумшвом, належать до стратепчних видiв сировини, що зумовило iх широке використання як у комунально-побутовш сферi, так i в багатьох галузях промисловостi, а також привернуло велику увагу спецiалiстiв рiзного профiлю до газiв як до об'екта дослiдження [1-4]. Важли-вкть газового аналiзу сьогоднi пiдкреслюeться тим, що такi питания, як об'еми використання ВГ, цiна та можливост постачання газу вiд джерел добування до споживачiв стали елементами мiжнародноl полiтики. Одними iз ключових i ак-туальних питань у цьому аналiзi е вимоги до якост ВГ та потреба встановлення цши на газ залежно вiд його енергетично! цiнностi, що, водночас, потребуе дос-коналих i достовiрних методик визначення якост ВГ [2]. Однак незважаючи на велику увагу дослщникш до питання оцiнювания якостi ВГ у сучасно! газовiй квалшетрн, е низка як теоретичних проблем, так i проблем метрологiчного та нормативно-техшчного забезпечення оцiнювання якостi газу. Зокрема, пiд час встановлення цiни на газ його яюсть не враховують зовсiм. Це зумовлене низкою причин, аналiз i шляхи виршення яких е предметом розгляду ще! роботи.
Мета роботи та основш завдання дослiджень. Методика оцiнювания якост ВГ повинна бути комплексною i враховувати спiввiдношения таких найважливiших його характеристик, як калорiйнiсть (теплотворна здатшсть), волопсть, густина, компонентний склад, наявшсть i кiлькiсть негорючих та шюдливих компонентов. Також доцiльно здiйсиювати сортування газу за якiстю i встановлювати вiдповiдну цiну на газ залежно ввд його енергетично! цiнностi. Для цього потрiбно, насамперед, розробити методику об'ективного оцiнювания якостi ВГ як джерела енергп i ввести вщповвдш змiни до нормативних докумен-ттв (НД) щодо якостi газу.
1 ГПУ " Льв1вгазвидобування";
2 НУ "Львгвська полггехнка"
Мета роботи - проан^зувати проблематику газово! квалшетрп та роз-робити методику комплексного оцшювання якостi газу як джерела енергп. Основними завданнями дослiджень е:
• вибiр концепцц оцiнювання якосп природного газу як джерела енергп;
• аналiз впливу фiзико-хiмiчних властивостей природного газу на його енерге-тичну цiннiсть i вибiр номенклатури показниюв для визначення рiвня якоси газу як джерела енергп;
• розроблення методики визначення рiвня якостi природного газу як джерела енергп.
AHa™i3 сучасного стану та основних проблем ощнювання якост вуг-леводневих газiв. Найперше варто зазначити, що саме поняття "якгсть" сто-совно ВГ не е чггко означене в чинних сьогоднi в УкраЫ нормативних документах (НД). В бшьшосп европейських кра!н основною яюсною характеристикою природного газу е число Воббе, яке е функщею калоршносп i вщносно! густини газу. Згiдно iз чинним стандартом ISO 13686:1998 [5], природш гази роздшеш за числом Воббе на двi групи (два сорти): Н-газ та L-газ. Для Н-газу межi числа Воббе становлять 48,36... 57,87 МДж/м3, а для L-газу - 41,28... 47,38 МДж/м3. Водночас, зазначеш групи подшяють на пiдгрупи, залежно вiд яких встановлюють цiну на газ для побутових споживачiв. Наприклад, у Нiмеччинi природний газ групи Н подшяють на пiдгрупи Е та ES, а газ групи L - на шдгру-пи Е1 та LL, у Францц таких пiдгруп е вiсiм - Е1, ..., Е4 та L1, ..., L4.
В УкраЫ практично единим критерiем якостi природного газу сьогодш е його вологгсть, яка у чинних НД [6, 7] вщображена температурою точки роси газу за вологою (або просто "точкою роси") &P, оС i характеризуе транспортну кондищйшсть газу та його здатшсть забезпечувати безаварiйне функцiонування систем газопостачання. Також у чинних в УкраЫ НД не передбачено диферен-щацц вимог до якостi газу.
За результатами аналiзу лiтературних джерел та чинних НД [8-12] з'ясо-вано, що вуглеводневi гази, що сьогодш використовуються у нацiональному господарствi Украши, залежно вiд !х агрегатного стану та умов використання, можна подшити на такi види: природш вуглеводневi гази; зрiдженi вуглеводне-вi гази; скрапленi вуглеводневi гази.
Природш вуглеводнев1 гази або природш гази (ПГ) (англ. - natural gas або NG) - це, власне, природна сумЫ рiзних газових компоненпв, якi перебу-вають у газоподiбному агрегатному станi. ПГ, залежно ввд компонентного складу, подiляють на сух1, ям складаються переважно iз метану (вiд 90 % i бiльше), та жирш, в яких хоч метан також е основним компонентом, але, крiм нього, е багато важких вуглеводнiв, зокрема, етан, пропан, бутан i пентан. C^i ПГ, водночас, подiлять на гази iз чисто газових родовищ i гази iз вугiльних родовищ, якi вiдрiзняються вiд перших вщсутшстю в них важких вуглеводнiв i шдвище-ним вмiстом азоту та вуглекислого газу. ПГ широко використовують як у побу-тi, так i в багатьох галузях промисловосп.
Зргджений вуглеводневий газ (ЗВГ) (англ. - liquefied natural gas або LNG) - це природний вуглеводневий газ, який за нормальних значень тиску i температури навколишнього середовища (рс = 0,101325 МПа, tc = 20 oC) перебу-
вае в газоподiбному сташ, але в pa3i понижения температури до t = -160 оС i пiдвищення тиску переходить у рщинний стан, що полегшуе його зберiгання й перевезення. Пiд час зрiдження об'ем природного газу зменшуеться у 600 разiв. У сучасних умовах дослiдження у сферi газометрii ЗВГ е особливо актуальни-ми, оскiльки транспортування ЗВГ не потребуе стацiонарних газопроводов.
Скраплений вуглеводневий газ (СВГ) (англ. - liquefied petroleum gas або LPG) - пропан-бутанова газова сумш, яка за нормальних значень тиску i температури навколишнього середовища (рс = 0,101325 МПа, tc = 20 oC) перебувае в газоподiбному сташ, але за певноi змши умов: незначному збiльшеннi тиску i сталiй температурi або незначному зниженш температури i сталому тиску переходить у рвдинний стан. Сировиною для виготовлення СВГ е попутш нафто-вi гази та гази процесш стабiлiзацii нафти i конденсату, а також, невеликою мь рою, природнi гази, а основними компонентами СВГ е пропан i бутан. СВГ мае широку сферу використання - у комунально-побутовому споживаннi, як пали-во для двигунiв внутртнього згоряння, як сировина хiмiчноl промисловост тощо.
Незважаючи на певнi вiдмiнностi мiж рiзними видами ВГ, оцiнювання 1х якостi доцiльно здiйснювати на основi узагальнено! методологii. Методика виз-начення якостi ВГ мае бути комплексною i враховувати спiввiдношення таких найважливших його характеристик, як калорiйнiсть (теплотворна здатшсть), вологiсть, густина, компонентний склад, наявшсть i кiлькiсть негорючих i шюд-ливих компонентiв тощо. Також доцшьно здiйснювати сортування газу за рш-нем якостi та встановлювати вiдповiдну цiну на газ залежно вiд його енергетич-но! щнност!
На основi аналiзу чинних стандартов i iнших НД, в яких регламентовано вимоги до фiзико-хiмiчних властивостей ВГ та до методик !х визначення [6, 1112], а також шших лiтературних джерел щодо властивостей ВГ встановлено структуру проблематики теоретичних засад i нормативно-техшчного забезпечення визначення якостi ВГ i розроблено методологда !х розв'язання, тобто сформульовано основш завдання сучасно! квалiметрil вуглеводневих газiв. Ефективне вирiшенnя задач квалiметрii ВГ, як i квалiметрii загалом, доцiльно здiйсnювати на трьох рiвнях: теоретичному, практичному та законодавчому. Основними теоретичними задачами квалiметрii ВГ вважаються такi:
• удосконалення поняттево-термшолопчного забезпечення у галузi газово! кваль метрп з метою однозначного розумшня й трактування задач щодо визначення якоси ВГ;
• обгрунтування вибору, встановлення складу та систематизац1я показниюв якос-тiВГ;
• розроблення теоретичних основ методологи комплексного ощнювання якоси ВГ та розроблення методики визначення рiвня якостi дослiджуваного ВГ;
• розроблення методики ощнювання точносп отриманих ощнок рiвня якостi дос-лщжуваного ВГ з метою забезпечення едноси квалiметричних вимiрювань у га-зометрп;
До практичних задач квалiметрii ВГ ввдносять:
• розроблення методiв вимiрювань показникiв якостi ВГ вщповщно до необхщ-но1 точноси;
• вибiр засобiв вимiрювальноí техтки (ЗВТ), потрiбних для реалiзацií розробле-них методiв вимiрювань показникiв якоси ВГ;
• розроблення програмного забезпечення для автоматизацп проведення досль джень щодо визначення рiвня якостi дослщжуваного ВГ.
На законодавчому piem потрДбно вирiшити TaKi задачi:
• розроблення й впровадження потрiбних НД (стандарпв, техтчних регламенив, методик тощо) для регламентацп вимог щодо показникiв якосп ВГ та методик 1х визначення;
• гармотзащю Державних стандартiв Украши, якi регламентують вирiшення поставлених вище задач, з вiдповiдними Мiжнародними стандартами. AHa™i3 та систематизац1я иоказникчв якост природного газу як дже-
рела енергп i вибiр номенклатури показникДв для визначення рiвня якостi природного газу як джерела енергп. 1з проведеного aнaлiзу лiтерaтурних джерел [14, 8-10] i НД [5-7, 11, 12] та з урахуванням aнaлiзу, проведеного в [13], встанов-лено основш фiзико-хiмiчнi влaстивостi газу, якД характеризують його якiсть як джерела енергп. За характером впливу на теплотворну здaтнiсть газу показники подДлено на двi групи.
До першог групи увДйшли показники газу, що позитивно впливають на його теплотворну здатнДсть, тобто на рДвень якостД газу Q як джерела енергп: пи-тома теплота згоряння нижча НН, МДж/м3; число Воббе В, МДж/м3; густина р, кг/м3. До другог групи увiйшли показники газу, збДльшення значень яких призво-дить до зниження рДвня якостi газу Q як джерела енергп: абсолютна вологДсть W, г/м3; концентращя азоту CN2, %; концентращя вуглекислого газу CCo2, %; масо-ва концентращя сiрководню CH2S, г/м3; масова концентращя меркаптаново! арки CCH„S, г/м3. СДрководень CH2S хоч i е горючим, але отруйним i корозДйно-ак-тивним компонентом, вiднесено до друго! групи показникДв якостi газу.
Методика визначення piBHH якостi газу як джерела енергп. ВирДшен-ня зазначених вище завдань газово! квалДметрп доцiльно здДйснити за методоло-гiею квалДметричних вимДрювань [13]. Вибiр ще! концепцп створення методики визначення якостД ВГ зумовлений такими мiркувaннями. Квaлiметричнi вимД-рювання - непрямi вимiрювaння рДвня якостД продукцп, значения якого знахо-дять шляхом опрацювання результaтiв вимiрювaнь И властивостей за методоло-гiею багатовимДрного шкалювання. РДвень якостД продукцп - вДдносна характеристика якостД продукцп, яка грунтуеться на порДвнянш значень оцтюваних по-кaзникiв якостД продукцп з базовими значеннями вДдповДдних показникДв. Оцi-нюват показники якостД продукцп знаходять експериментальним або розрахун-ковим способом пДд час порДвняльного ощнювання ll якостД. ЧисловД значення базових показникДв якостД встановлюють згДдно з ДСТУ ГОСТ ISO 5725-1:2005 "ТочнДсть (правильнДсть) i прецизшшсть методДв i результатДв вимДрювання. Частина 1. Основш положення та визначення" як прийняте еталонне значення (англ. - accepted reference value) - значення, яке використовують як узгоджений еталон для порДвняння.
Р1вень якосп дослвджуваного газу Q визначаемо за формулою
Q = 1 - АП або Q = (1 - АП)-100 %, (1)
де АП - значения функцп вдаилення, яке, ввдповщно до методологи квалшет-ричних вимрювань [13], обчислюемо за формулою
АП = j£(R„j - KbZi)2 = j£m}(K0i - Ка)2 , (2)
де: K0 i i Kb i- одиничш ввдносш оцшюваш та базов1 показники якосп дослщжу-ваного газу (i = 1, 2,..., п, де п = 8 - кшькють показникiв якосп);, K0zi i Kbzi-зважеш одиничнi вiдноснi оцшюваш та базовi показники якостi дослвджуваного газу; mt - норм^зоваш коефiцiенти вагомостi одиничних показник1в якосп
n
дослiджуваного газу, тобто £ mt =1.
1=1
Отже, значення р1вня якостi дослiджуваного газу Q, визначеного за роз-робленою методикою, змшюеться вiд 0 до 1 або ввд 0 до 100 %, що е зручним i методологiчно обгрунтованим для практичного використання. Крiм оцiнювання якостi газу, запропонована методика дае змогу здiйснювати сортування газу за рiвнем його якосп i, вiдповiдно, встановлювати рiзну щну на нього.
Отже, методологiя квалшетричних вимiрювань дае змогу визначити рь вень якостi ВГ, що е комплексною ощнкою його якостi, з урахуванням усiх чинникiв, що впливають на якiсть газу, тобто всх його фiзико-хiмiчних власти-востей газу та компонентного складу. За методолопею квалшетричних вимiрю-вань вирiшено одну з актуальних задач газово!' квалiметрii, а саме визначення рiвня якосп ПГ як джерела енергй. Висновки:
1. Неухильне зростання свггових цiн на природний газ ставить щдвищеш ви-моги до його якост та до методики оцшювання якостi газу, однак незважа-ючи на високу енергетичну та xiMi4^ цiннiсть газу, в Укрш'ш не вироблено систематизованого шдходу до оцшювання його якосп.
2. Розв'язування задач сучасно!' газово'1 квалiметрil доц1льно здшснювати комплексно на трьох рiвнях: теоретичному, практичному та нормативно-мето-долопчному.
3. Розроблена методика визначення рiвня якостi природного газу як джерела енергй', яка грунтуеться на методологи квалiметричних вимiрювань з урахуванням компонентного складу газу i вшх його фiзико-хiмiчних власти-востей, що впливають на теплотворну здатнiсть газу i змiст енергй' в ньому, може бути використана у газовш промисловост Украши.
Лiтература
1. r^ieHKo А.1. До питання переходу на облж природного газу як енергоносш / А.1. Гор-дiшко, 1.Г. Богомолець, М.В. Чуб // Нафтова i газова промисловiсть : зб. наук. праць. - 2001. - № 3. - С. 42-43.
2. Стадник Б.1. Теоретичш та практичнi задачi квал1метрй' природного газу / Б.1. Стадник, А.В. Мотало, В.П. Мотало, 1.6. Петровська // Вимiрювальна техника та метрологш : зб. наук. праць. - 2005. - Вип. 65. - С. 81-86.
3. Козш В.М. Яюсть газу родовищ Украши / В.М. Козш, А.1. Лур'е, 1.А. Рубанова // Питан-ня розвитку газово! промисловост Украши : зб. наук. праць УкрНД1газ. - 2000. - Вип. 28. - С. 66-68.
4. Лур'е А.1. Перспективи переходу газово! галуз1 Украши на облж природного газу за його енергетичною цшшстю / А.1. Лур'е, О.В. Хвостова, Я.Б. Наконечний // Питання розвитку газово! промисловост Украши : зб. наук. праць УкрНД1газ. - 2008. - Вип. 36. - С. 173-177.
5. International standard Natural gas - Quality designation: ISO 13686:1998. - [Введений 01.01.83]. - Женева : Вид-во "М1жнар. оргашзащя з1 стандартизащГ, 1983. - 49 с.
6. Газы горючие для промышленного и комунально-бытового назначения. Технические условия: ГОСТ 5542-87. - [Датавведения 01.01.88]. - М. : Изд-во стандартов, 1987. - 4 с. - (Государственный стандарт Союза ССР).
7. Гази горкта природы, що подаються в мапстральш газопровода. Техшчш умови: ТУ У 11.1 20077720-001:2010 - [Чинш вщ 07-06-2010]. - К. : Вид-во "Держспоживстандарт Украши", 2010. - 11 с. - (Техшчш умови).
8. Стаскевич Н.Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам / Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Вигдорчик. - Л. : Изд-во "Недра", 1986. - 543 с.
9. Рябцев Н.И. Сжиженные углеводородные газы / Н.И. Рябцев, Б.Г. Кряжев. - М. : Изд-во "Недра", 1977. - 280 с.
10. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы / Б.С. Рачевский. - М. : Изд-во "Нефть и газ", 2009. - 640 с.
11. Гази вуглеводнев1 скраплеш паливш для комунально-побутового споживання. Техшчш умови: ДСТУ 4047-2001. - [Чинний вщ 2002-01-01]. - К. : Вид-во "Держстандарт Украши", 2001.
- 12 с. - (Державний стандарт Украши).
12. Газы углеводородные сжиженные. Метод определения углеводородного состава: ГОСТ 10689-76. - [Дата введения 01.01.77]. - М. : Изд-во стандартов, 1976. - 15 с. - (Государственный стандарт Союза ССР).
13. Мотало А.В. Определение качества природного газа как источника энергии по методологии квалиметрических измерений / А.В. Мотало, В.П. Мотало // Мир измерений : сб. науч. тр.
- 2014. - № 5. - С. 37-44.
Мотало А.В., Стаднык Б.И., Мотало В.П. Анализ основных проблем методологии оценивания качества углеводородных газов
Рассмотрена и проанализирована проблематика развития современной газовой квалиметрии. Проанализированы и обозначены теоретические, практические и нормативно-методологические задачи оценивания качества различных видов углеводородных газов - природных, сжиженных и сжиженных (нефтяных) газов. Разработана методика определения уровня качества природного газа как источника энергии, которая базируется на методологии квалиметрических измерений с учетом компонентного состава газа и всех его физико-химических свойств, влияющих на теплотворную способность газа и содержание энергии в нем.
Ключевые слова: углеводородные газы, свойства углеводородных газов, теплотворная способность природного газа, компоненты природного газа, квалиметрические измерения, уровень качества природного газа.
MotaloA.V., StadnykB.I., Motalo V.P. The Analysis of the Main Problems of the Methodology of Evaluation of the Hydrocarbon Gases Quality
Some main problems of modern gas quality control are reviewed and analyzed. Theoretical, practical and also regulatory and methodological problems of evaluation of different types of hydrocarbon gases such as natural, liquefied and petroleum gases are highlighted. The method of determining of the natural gas quality level as an energy source is developed. The method is based on qualimetrical measurements methodology and considers all components of gas composition and its physical and chemical properties that influence the calorific value of its gas and energy content.
Keywords: hydrocarbon gases, properties of hydrocarbon gases, calorific value of natural gas, natural gas components, qualimetrical measurements, natural gas quality level.
