1

Despre indicele Wobbe si interschimbabilitatea gazelor naturale1

Dr.ing.Ion Irimia ZECHERU ANRE - Bucuresti

Odata cu liberalizarea pietei gazului natural in Uniunea Europeana, ne asteptam ca proprietatile gazului sa varieze mai frecvent si mai puternic. Rezulta ca necesitate pentru sistemele de transport si distributie determinarea proprietatilor gazelor naturale : puterea calorifica superioara, indicele Wobbe, densitatea sau numarul metan, care va creste.

Precizia cunoasterii proprietatilor gazelor are o mare importanta economica si tehnica in destul de numeroasele aplicatii.

La determinarea energiei, valoarea puterii calorifice superioare a gazelor naturale trebuie sa fie masurata foarte précis. Alte caracteristici precum densitatea normala si fractia molara de dioxid de carbon sunt necesare ca sa se determine factorul de deviatie de la legea gazelor pe baza recomandarilor standardului ISO 12213 : Gaz natural-Calculul factorului de compresie. Partea 1 :Introducere si ghid si Partea 3 :Calculul prin utilizarea proprietatilor fizice, atunci cand se converteste volumul pentru conditiile de operare la volumul pentru conditii normale.

Indicele Wobbe si numarul metan sunt esentiale in diferitele procese industriale. Indicele Wobbe serveste la controlul cantitatii de caldura susceptibila proceselor de ardere, iar numarul metan este un important indicator pentru prevederea detentei in motoarele pe gaz si luarea masurilor acolo unde se impun.

Utilizarea cromatografiei gazoase a constituit o etapa noua de evaluare a proprietatilor gazelor, unde incertitudinea si susceptibilitatea erorilor sunt foarte reduse.

Gazele naturale constau indeosebi dintr-un amestec de hidrocarburi de tip alcani si gaze inerte, precum azotul si dioxidul de carbon. Nivelul hidrocarburilor continute in gazele naturale sunt responsabile de energia dezvoltata in timpul arderii a carei masura este caracterizata de puterea calorifica superioara. Alcanii de tipul metanului, etanului, propanului si (n-/ iso-)butanului contribuie in proportie de aproape 99% la valoarea puterii calorifice superioare.

Comportarea alcanilor este indisolubil legata de numarul atomilor de carbon ai hidrocarburilor din amestecul care formeaza gazele naturale (respectiv de structura moleculara a acestora), existand o buna corelare intre acestia si proprietatile determinate. Corelarea depinde de natura respectarii exactitatii acestor proprietati ca o functie a numarului de atomi de carbon si a linearitatii comportamentului amestecului, atat valoarea puterii calorifice molare, cat si masa molara trebuind sa se reflecte in comportarea amestecului. Orice deviatie de la comportamentul ideal va avea efecte negative asupra metodei de determinare.

Asa cum se mentioneaza in documetle celui de al III-le pachet legislativ in domeniul energiei, in «Propunerea de Directiva a Parlamentului European si a Consiliului de modificare a Directivei 2003/55/CE privind normele comune pentru piaŃa internă în sectorul gazelor naturale» propunerea de măsuri suplimentare, în special în ceea ce priveşte:

- separarea efectivă a activităŃilor de furnizare şi producŃie, pe de o parte, de operaŃiunile de exploatare a reŃelei, pe de altă parte;

- crearea unui mecanism destinat operatorilor de sisteme de transport pentru a

1 Monitorul de petrol si gaze, nr.5, 6 si 8/ 2008, Asociatia <<Societatea inginerilor de petrol si gaze>>, Bucuresti, Romania;

2

îmbunătăŃi coordonarea funcŃionării reŃelelor şi a dezvolta securitatea acestora, comerŃul transfrontalier şi exploatarea reŃelelor, precum şi

- o transparenŃă sporită a operaŃiunilor de pe piaŃa energiei, in condiŃiile in care se impune:

- separarea juridica şi funcŃionala a operatorilor de sisteme de depozitare care fac parte din întreprinderi de furnizare;

- impunerea clarităŃii regimului de reglementare aplicat instalaŃiilor de depozitare;

- accesul la terminalele GNL, in condiŃiile in care rolul GNL în aprovizionarea cu gaze a Uniunii Europene devine din ce în ce mai important, problema interschimbabilităŃii calităŃii dintre diferitele familii de gaze naturale, aşa cum sunt caracterizate in standardul EN 437, reprezintă o condiŃie importanta a pieŃei gazelor naturale, cu atât mai mult cu cat, interschimbabilitatea trebuie sa se reflecte si in utilizarea gazelor naturale drept combustibil pentru vehicule si in condiŃiile injecŃiei de biogaz in reŃelele de gaze naturale.

Interschimbalilitatea este definita ca fiind: abilitatea de a înlocui un combustibil gazos cu altul intr-o aplicaŃie de ardere fara schimbări materiale in ceea ce priveşte operarea, securitatea, eficienta, performanta sau creşterea nivelului de emisii poluante.

Indicele Wobbe a fost unanim acceptat drept indice cheie in interschimbabilitatea gazelor naturale si este reprezentativ pentru energia combustibilului gazos utilizat in echipamentele de ardere casnice sau industriale (fig.1).

Fig.1 Domeniul interschimbabilitatii gazelor naturale

2

(Sursa: CARB, 2005)

Unul dintre obstacolele in constituirea pieŃei europene a gazului natural il constituie diferenŃele dintre specificaŃiile de calitate a gazului natural dintre tarile UE. Astfel gazul care poate fi transportat si distribuit intr-o tara, sa nu poată traversa frontiera naŃionala pentru a fi utilizat in alta parte, constituid un obstacol pentru

2 Traducerea termenilor din figura: Upper si Lower Wobbe = indici Wobbe inferior si superior: autoignition, knock, flame dynamics = caracteristici de ardere a GN, Lift off, Blow out,Yellow tipping= caracteristici de flacara conform AGA Bulletin 36, Operating range=domeniu de operare;

3

aplicarea Directivei 98/30/EC si unul din subiectele de discuŃie ale Forumului de la Madrid.

Principalele probleme identificate drept periculoase in utilizarea gazului natural la utilizatorul final sunt: - arderea incompleta, care conduce la formarea de monoxid de carbon; - imprastierea flacarii cu producerea de monoxid de carbon, urmata de

scurgere de gaze nearse; - întoarcerea flacarii care poate produce deteriorarea echipamentului de ardere

si o scurgere de gaze nearse. Alte evaluări efectuate in tarile UE au stabilita ca:

- parametru comun unanim recunoscut in problemele de interschimbabilitate este indicele Wobbe3; - nivele naŃionale ale indicelui Wobbe diferă la diferitele aplicaŃii unde este

utilizat sa stabilească interschimbabilitatea diferitelor compoziŃii de gaze; - se utilizează si alŃi parametrii adiŃionali care sa caracterizeze

interschimbabilitatea gazelor. Directiva CE 90/ 396/ CEE privind introducerea pe piaŃa a aparatelor

consumatoare de combustibili gazoşi stabileşte ca utilizarea corecta înseamnă: - instalarea si întreŃinerea in condiŃiile specificate de producător; - utilizarea la variaŃii normale a calităŃii gazului si a presiunii de alimentare; - utilizarea in maniera pretinsa de producător.

Indicele Wobbe se calculează cu formula:

WI = PCS/ (GS)0,5, in MJ/m3 (kWh/m3), unde:

PCS este puterea calorifica superioara a gazului natural (acesta reprezinta considerentul pentru care in toate problemele legate de evaluarea energiei gazelor naturale se considera puterea calorifica superioara a acestora); GS greutatea specifica a gazului natural4.

Indicele Wobbe a fost introdus prima data in anul 1926 de fizicianul Goffredo WOBBE de la Universitatea din Bologna a carui teorie s-a referit la următoarele: 3

Indice Wobbe, in MJ/m3 (1013mbar,00 C) Tara Reglementat Real in gazul aprovizionat

Belgia Tip H: 49,13 – 56,81 Tip L: 42,7 – 46,89

50,9 – 55,5

Republica Ceha - 52,96 Danemarca Domeniul largit: 48,2 – 57,9

Domeniul preferat: 51,9 – 55,4 54,6 – 55,4

Finlanda 48,2 – 57,7 - Franta Tip H: 43,15 – 50,56

Tip L: 38,00 – 41,86 45,40 – 50,23 39,93 – 41,86

Germania Tip H: 46,1 – 56,5 Tip L: 37,8 – 46,8

46,1 – 56,5 37,8 – 46,8

Olanda Tip L: 43,4 – 44,4 Tip H: 48,3 – 56,1

43,4 – 44,4 48,3 – 56,1

Romania Ord. MIR 50/ 2002

Tip L: 37,8 – 46,8 Tip H: 46,1 – 56,6

-

Spania 48,23 – 57,81 Suedia - 54 – 55 Elvetia Tip L: 39,1 – 44,8

Tip H: 45,7 – 54,7 -

EN 437 Tip L: 39,1 – 44,8 Tip H: 45,7 – 54,7

4 Se poate considera si densitatea relativa;

4

1. Randamentul unui arzător la presiunea constanta a gazelor, la dimensiunea constanta a orificiului de ardere este proporŃional cu debitul volumetric in unitatea de timp;

2. Viteza debitului printr-un orificiu de dimensiune data la presiune constanta este proporŃional cu puterea calorifica superioara a gazului:

3. Puterea calorifica superioara a gazului este proporŃionala cu greutatea lui specifica. După Wobbe, schimbările esenŃiale ale Indicelui Wobbe se datorează

schimbărilor climatice sezoniere si schimbărilor sursei de gaz, unde arderea nu este afectata pentru variaŃii sub 5%, in aplicaŃii curente fiind insa acceptate diferenŃe de ±10% ale valorii indicelui. De remarcat ca indicele Wobbe este o mărime calculabila si este direct previzibila pentru schimbarea raportului de echivalenta sau raportului combustibil/ aer al amestecului de ardere (Φi) raportata la raportul stoichiometric combustibil/ aer:

Φ2 = Φ1(WI2/ WI1)

Istoria tehnicilor de evaluare a interschimbabilităŃii gazelor naturale consemnează evoluŃia din Tabelul 1.

Tabelul 1. Istoria tehnicilor de evaluare a interschimbabilităŃii gazelor naturale Autorul Anul Tara Tehnica Wobbe 1926 Italia Un singur indice AGA5 1933 SUA Un singur indice Willien 1938 SUA Un singur indice Knoy 1941 SUA Un singur indice

AGA Bulletin 36 1946 SUA Indici multipli Weaver 1951 SUA Indici multipli

Delbourg 1963 Franta Diagrama Gilbert si Prigg 1956 Anglia Diagrama

Grumer, Harris, Rowe 1956 SUA Diagrama Holmqvist 1956 Suedia Diagrama Shuster 1957 Germania Un singur indice

Harris si Lovelance 1968 Anglia Diagrama Van der Linden 1970 Olanda Diagrama Soomer si Jost 1973 Germania Un singur indice Harris si Wilson 1974 Anglia Diagrama

France 1976 Anglia Diagrama Dutton 1978 Anglia Tetraedru

Implementarea pieŃei unice interne a gazelor naturale in UE si existenta

cerinŃelor diferite privind calitatea gazelor in tarile UE au condus la apariŃia unor bariere potenŃiale in interoperabilitatea reŃelelor de gaze naturale. Aceste diferenŃe imbraca nenumărate forme; in primul rând este vorba despre neexistenta unui set unic de parametrii care sa caracterizeze specificaŃiile gazului, in al doilea rând valorile pentru definirea parametrilor comuni sunt diferiŃi de la tara la tara si in sfârşit, in cele mai multe cazuri, autorităŃile naŃionale aproba sau specifica calitatea gazului in funcŃie de specificaŃiile industriei de gaze.

In concordanta cu programul Forumului European al Reglementatorilor de Gaze, EASEE – gas6 a stabilit scopurile unui studiu care: - sa definească parametrii relevanŃi pentru armonizare;

5 American Gas Association - Asociatia Americana a Gazului 6 European Association for the Streamlining of Energy Exchange-gas

5

- sa agreeze valori si/ sau domenii pentru specificaŃiile parametrilor gazelor naturale;

- sa dezvolte o abordare consistenta asupra proprietatilor de ardere; - sa propună înŃelegeri reciproce care sa adopte specificaŃii agreate,

Ńinând cont de securitate, costuri, beneficii si de imaginea perceputa a gazului natural.

Aria pentru armonizarea calităŃii gazului trebuie sa fie limitata la graniŃa si la punctele de intrare in UE pentru puterea calorifica superioara, sa includă si GNL din terminalele de import si sa excludă ariile de producŃie si sistemele in care producerea, transportul si utilizarea sunt combinate.

Recomandările EASEE-gas privind parametrii recomandati pentru gazele naturale de tip H sunt prezentate in Tabelul 2.

Tabelul 2. Recomandările EASEE-gas privind parametrii gazelor naturale de tip H Parametrul UM Min Max Data de implementare

WI kWh/m3 [13, 60] 15, 81 01.10.2010 d m3/m3 0, 555 0, 700 01.10.2010

Sulf total mg/ m3 - 30 01.10.2006 H2S + Compusi S mg/ m3 - 5 01.10.2006

Odorizanti mg/ m3 - 6 01.10.2006 Oxigen %mol - [0, 01] 01.10.2010

Dioxid de carbon %mol - 2,5 01.10.2006 Punct de roua H2O 0C la 70bar - - 8 Posibil de la 01.10.2006 Punct de roua HC 0C la 1 - 70bar - - 2 01.10.2006

Indicele Wobbe este utilizat să compare randamentul energiei de ardere la

diverse compoziŃii ale combustibililor gazoşi în diferite aplicaŃii (casnic, industrial etc) şi este exprimat în megajoule pe metru cub standard.

Dacă doi combustibili au Indici Wobbe identici atunci pentru presiunea dată şi aceaşi setare de armături, randamentul energetic va fi identic. O variaŃie tipică mai mică sau egală cu 5% sau mai marte sau egală cu 3% a indicelui Wobbe nu ar trebuie să afecteze într-o manieră notabilă consumatorul. Indicele Wobbe este un factor critic care minimizează schimbarea când se analizează utilizarea altor gaze cum ar fi amestecurile propan-aer.

In formula de calcul a indicelui Wobbe, puterea calorifică superioară include şi căldura care se obŃine din condensarea vaporilor de apă produşi prin ardere7.

Puterea calorifică inferioară nu include această căldură. Acest lucru este valabil în cazul motoarelor cu ardere internă, unde arderea combustibilului se realizează fără condensare.

In metodologia de stabilire a standardelor de interschimbabilitate pentru o arie de distribuŃie se utilizează metode de analiză industrial acceptate: metoda indicelui simplu, care se bazează pe proprietăŃile fizice ale combustibilului gazos (puterea calorifică şi greutatea specifică) şi metoda indicilor multipli, ce include indicele Wobbe, indicii Weaver şi indici specifici ( metoda AGA-American Gas Association) care Ńin de fenomenele fundamentale de ardere şi de dinamica arderii.

Ultimele două metode se bazează pe un concept al aplicaŃiei dezvoltate pe o diagramă a caracteristicilor flăcării pentru un arzător atmosferic, care prezintă regiunile de stabilitate şi instabilitate ale flăcării, raportate la factorul aerului de injecŃie primară exprimat în procente faŃă de condiŃiile stoichiometrice

7 căldura latentă de condensare

6

Indicii utilizaŃi în aceste metode de evaluare trebuie să caracterizeze impactul schimbării compoziŃiei gazului asupra următoarelor fenomene de ardere: - înălŃarea flăcării, adică mişcarea frontului flăcării ca rezultat al descreşterii

vitezei relative raportate la viteza debitului, poate produce o întârziere sau reducerea arderii, conducând la emisii ridicate de monoxid de carbon;

- deplasarea frontului flăcării, ca rezultat al uneicreşteri insemnate a vitezei flăcăriiraportată la viteza debitului gazului;

- flacără cu extremitete galbenă produsă de generarea particulelor de funingine care radiază incandescenŃă, prezentând culoare galbenă şi producând depozite şi înfundarea suprafeŃelor de circulaŃie;

- ardere incompletă, adică prezenŃa monoxidului de carbon produsă de oxidarea scăzută care să genereze dioxid de carbon;

- căldura de ardere, care este raportul indicilor Wobbe a două tipuri de gaze, introducerea a două gaze neschimbabile producând emisii semnificative de CO. Determinarea puterii calorifice superioare trebuie efectuată foarte precis,

metoda cromatografiei în fază gaz fiind suficient de precisă, raportată la alte noi tehnologii bazate pe metode corelative. Cromatografele de proces au performanŃe prin care incertitudinea şi susceptibilitate la greşeli sunt foarte reduse.

Fig. 2 Cromatograma GN

Gazele naturale conŃin îndeosebi hidrocarburi, gaze inerte şi dioxid de carbon. Hidrocarburile conŃinute în gazele naturale, prin structura lor moleculară, sunt

responsabile mai mult de 99% pentru energia dezvoltata în timpul arderii, a cărei măsură este dată de puterea calorifică superioară (fig. 2), a cărei valoare se mai poate determina şi prin alte metode specifice acceptate (Tabelul 3).

Aceste metode sunt foarte precise şi complete precum metoda calorimetrica şi cromatografia în faza gaz.

Aplicarea lor se bucură de aprobarea legislativă în domeniul metrologic.

7

Tabelul 3. Metode corelative pentru determinarea energiei gazelor naturale

Metoda (aplicată de)

Parametri de intrare

Parametri de ieşire

Incertitudinea la ∆Hs, în %

CondiŃii de aplicabilitate

Metoda έ (Ruhrgas AG/ Gasunie)

έ, w, xCO2

Hs, Ws, ρn, xCO2 0,2 Laborator

Spectrometrie IR (FlowComp)

A(CH) A(CO2)

Hs, Ws, ρn, xCO2 0,2 Laborator

2VOS-meter (Gasunie/ Instromet)

w(ρL), w(ρH), xCO2

Hs, Ws, ρn, xCO2 0,3 Prototip

EMV 500 (RMG)

cp, λ, ή, xCO2 Hs, Ws, ρn, xCO2 0,2 până la 0,5

Disponibilă

GasPT (Advantica)

w, λ(T1), λ(T2) Hs, Ws, ρn, MN 0,5 Disponibilă

Gas-lab Q1

(Ruhrgas AG, FlowComp) λ, A(CH) A(CO2)

Hs, Ws, ρn, xCO2,

MN 0,4 Disponibilă

Explicarea indicilor: Hs – puterea calorifică superioară; A(CH), A(CO2)- absorbŃia în IR a hidrocarburilor, respectiv a dioxidului de carbon; cp- capacitatea izobarică de căldură; MN-numărul metan; ρL, ρH- presiunea scăzută, presiunea ridicată; T1, T2 – temperatura 1, respectiv temperatura 2; w - viteza sunetului; Ws – indice Wobbe; xCO2 – fracŃia molară CO2; έ – permitivitatea dielectrică; λ - conductivitatea termică; ρn –densitatea în condiŃii normale

Fig. 3 Sistemul general de transport al gazelor naturale

Transportul gazelor naturale de la sursă/ zăcământ la piaŃă inpune o serie de procese şi o evaluare a posibilităŃilor fizice de transport (fig. 3), dintre care enumerăm - conductele de colectare reprezentate de Ńevi de diameter mici pentru transport

de la zăcământ la instalaŃia de procesare sau la conducta principală de interconectare de diametru mai mare;

- instalaŃia de procesare în care sunt extrase fracŃiile lichide şi impurităŃile din fluxul de GN;

8

- sistemul principal de transport care include Ńevi de diametru mare, de lungimi mari pentru transportul GN din zonele de producere în zonele de piaŃă;

- piaŃa centrală sau hub-urile reprezentate de locaŃiile unde conductele se intersectează şi debitele sunt transferate (fig. 4);

- facilităŃile de depozitare subterană în rezervoare în nisipuri din zăcăminte epuizate de petrol şi gaze, depozite aquifere şi caverne de sare pentru utilizare ulterioară;

- preluări de vârfuri de sarcină, caracterizate de o tehnologie care să fie capabilă să permită asigurarea solicitărilor de GN dintr-o minimă infrastructură pentru perioade scurte de timp, fie din depozitele subterane, fie din depozite în conductă.

Fig. 4. Schema pieŃei centrale de gaze (schema unui hub)

Proiectarea şi/ sau analizele unei conducte de transport trebuie să Ńină cont de masa şi echilibrul de energie consideraŃi factori de stres.

Teoria transportului GN se bazează pe dezvoltarea ecuaŃiilor de stare, de continuitate, de moment şi energie, care se pot însuma astfel:

EcuaŃia de stare, care este o relaŃie intre variabilele de stare, preluate din dinamica fluidelor, presiunea, temperatura şi volumul sau densitatea.

EcuaŃia se bazează pe legea universală a gazelor:

Mw

RTP

ρ= ,

unde: P este presiunea, ρ densitatea, T temperatura absolută, R constanta gazului şi Mw greutatea moleculară, dar expresia nu este utilizabilă pentru scopuri de transport. Mai corespunzătoare, dar mai sofisticate sunt expresiile bazate pe inŃelegerea fizică a modului cum lucrează gazele, iar acest lucru este legat şi de compoziŃia a gazului.

De exemplu, în expresia Peng-Robinson (PR):

PosibilităŃi de depozitare

InstalaŃie de procesarea gazului

Conducte de colectare

Conducte de distribuŃie

Conducte de primire/

distribuŃie

Conducte de primire

Conducte de primire/ distribuŃie

Conducte de primire

Conducte de primire/ distribuŃie

Magistrala centrală

9

)()(

)(

bVbbVV

Ta

bV

RTP

+++−

−= ,

unde: a şi b sunt coeficienŃi determinaŃi empiric.

Conform teoriei Bennedict-Webb-Rubin-Starling (BWRS):

++

++

−−+

−+−−=

22

2

23

3

6

6

3

3

2

2

4

0

3

0

2

0

00 exp1MMTM

c

MT

da

MT

dabRT

MT

E

T

D

T

CARTB

M

RTP

γργρρρα

ρρρ

unde: A0, B0, C0, D0, E0, a, b, c, d, α, γ sunt coeficienŃi determinaŃi empiric.

Din teoria continuităŃii (conservarea masei), ecuaŃia de stare derivată din considerente de echilibru de masă, care nu poate fi nici produs, nici distrus, dar raportat la o conductă rămâne constant, se poate scrie:

x

M

t

A

δδ

δρδ

−=)( ,

unde: ρ este densitatea, A aria volumului de control (suprafaŃa de control) şi M este masa conŃinută în volumul de control (Aδx), analiza efectuându-se în volumul de control în studiu (fig. 4 ).

Fig. 5 Detaliul volumului de control

Pentru debit izotermic, densitatea fluidului este strâns legat de presiune 2cp ρ= , deci,

x

M

tc

pA

δδ

δδ

−=2

)( ,

cu p presiunea şi c2 viteza sunetului în gaz. Dacă diametrul conductei este constant, atunci A este de asemenea constant şi este evident pentru un debit regulat, ca nu există nici o schimbare de-a lungul volumului de control sau a presiunii în timp:

0=t

p

δδ şi 0=

x

M

δδ

,

Debit de gaz

SuprafaŃa de control

Conducta

Volumul de control

10

Ceea ce înseamnă că de-a lungul conductei, densitatea scade odată cu caderea de presiune, dar şi cu creşterea temperaturii, aceasta din urmă nereprezentând un factor atât de important, întrucât temperatura se consideră relativ constantă.

EcuaŃia de moment se deduce din Legea a II-a a lui Newton, pentru un debit unidimensional fiind exprimată de:

t

w

t

wg

D

fw

x

p

δρδ

δρδ

αρρ

δδ )()(

sin4

2

22

+=−

−− ,

unde: w este viteza gazului, f coeficientul de frecarte, D diametrul interior şi α unghiul dintre direcŃia orizontală şi direcŃia x.

EcuaŃia energiei are la bază faptul că energia îmbracă mai multe forme, cele mai multe dintre acestea neputând fii direct măsurate. Din ecuaŃia lui Bernoulli, exprimată ca principiu de conservare a energiei principale:

Hq – W = ∆E,

unde: Hq este căldura adăugată, W lucrul mecanic dat, iar ∆E schimbul de energie.

Pentru o conductă dată: 0=t

w

δδ

, se obŃine:

dxgzw

pvux

wAgz

wu

t

AdxHq

++++

++=

2

)(

2

)( 22

δρδ

δρδ

δ ,

unde: u este energia internă şi z înălŃimea; care pentru debita adiabat: δHq =0 ;I pentru debit izotermic: T=const, δHq ≠0. Debitul izotermic înglobează schimbul de căldură dintre conductă şi sol, care poate fi insă ignorat.

Bazat pe ecuaŃiile de mai sus pentru mai multe modele simplificate, se poate scrie:

t

pk

x

pa δδ

δδ 2

2

22

= , unde:

2

4

DAc

fQka = , cu Q=Debit f(x,t),

Aplicat la ecuaŃia tip de debit, se obŃine: 2

2

2

1( PPkQ f −= , cu kf , o funcŃie

nelineară dintre diametru şi lungime şi alte variabile.

În continuare vom dezbate problema referitoare la posibilele erori ce pot apărea ca urmare a configuraŃiei traseelor conductelor şi locaŃiile de determinare gaz

11

cromatografică a compoziŃiei GN în vederea determinării puterii calorifice superioare, precum şi punctele de prelevare a probelor în vederea efectuării GC.

Conceptul de energie este cel mai util mod pentru înŃelegerea fenomenelor dintr-o conductă de gaze naturale. Energia reprezintă potenŃialul pentru ca un sistem să lucreze, să efectueze lucrul mecanic. Există trei tipuri importante de energie strâns legate de o conductă: energia mecanică, energia termică şi, în special pentru conductele de gaze, energia chimică.

Cuvântul energie, în limba greaca veche, ενέργεια (energhia) înseamnă activitate, unde"εν" are semnificaŃia "în" şi "έργον" are semnificaŃia "lucru" şi desemnează o folosire uzuală şi una ştiinŃifică. SemnificaŃia cuvântului poate fi: forŃă, vigoare, putere, tărie, capacitate de acŃiune, respectiv fermitate, decizie, hotărâre în acŃiunile întreprinse.

În sensul folosit în fizică cuvântul este un substantiv feminin defectiv de plural – energie.

Din punct de vedere ştiinŃific, energia este o mărime care indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referinŃă.

Când un sistem fizic trece printr-o transformare, din starea sa în starea de referinŃă, în natură schimbările cu privire la poziŃia sa relativă se referă la: - schimbarea poziŃiei, vitezei; - schimbarea stării termice; - schimbarea stării electrice, magnetice, atât ale lui cât şi ale sistemelor din exteriorul său.

Efectele asupra sistemelor externe definesc acŃiunile externe ale sistemului în cursul transformării.

Dacă acŃiunile sunt exclusiv sub forma efectuării de lucru mecanic, acesta se numeşte echivalentul în lucru mecanic al acŃiunilor externe. Suma echivalenŃilor în lucru mecanic a tuturor acŃiunilor externe care se produc când un sistem fizic trece, prin transformare, dintr-o stare dată într-o stare de referinŃă se numeşte energia totală a sistemului fizic în starea dată faŃă de cea de referinŃă şi reflectă capacitatea sistemului de a produce lucru mecanic. Energia poate fi măsurată, în funcŃie de cele cinci unităŃi fundamentale de masură, din expresia de definiŃie, pornind de la:

Energia = lucru mecanic= forŃa x distanŃa, unde forŃa = masa x acceleraŃia, rezulta:

M

masa

L

lungime

T

timp

Q

sarcină

electrică

Θ

temperatura

1 2 -2 0 0

adica: M L2 T-2 = kg m2 s-2 = 1 J (1 Joule = 1 newton- metru), unitatea de măsură purtând numele lui James Prescott Joule, în Tabelul 1 fiind date unităŃile de măsură utilizate pentru energie şi parametrii de conversie.

Energia gazelor naturale se măsoară într-un multiplu al Joule, GJ –Giga-Joule, utilizându-se în unele cazuri şi MWh, în special în tările unde utilizarea energiei electrice depăşeşte 70% în utilizarea curentă.

12

Tabelul 4. Conversia unităŃilor de măsură pentru energie

joule J 1 kilogram-forŃă metru Kgf m 0,10197160000000001

erg erg 1e7

watt secundă Ws 1 kilowat oră kWh 2,777778e-7

calorie cal 0,2388459 British thermal unit Btu 9,47817e-4

newton metru N m 1

Energia mecanică din debitul conductei este dată de profilul presiunii (potenŃialul lucrului mecanic de expansiune a fluidului), energia gravitaŃională şi energia cinetică; dacă expansiunea fluidului este mică, energia din presiune nu este importantă.

În volumul de control8, forŃele într-o secŃiune transversală includ efectul presiunii, forŃele gravitaŃionale, forŃele de frecare şi efectul peretelui conductei, care compun rezultanta vectorilor.

ConfiguraŃia şi geometria joncŃiunii de conducte este prezentată în fig. 7. Domeniul reprezentat este legat de vecinătatea joncŃiunii; dimensiunile, ratele

de debit şi compoziŃiile gazului în joncŃiune fiind ipotetice. Procesul de amestecare a celor două fluxuri de debite simulate9 prin

procedura LES (Large Eddy Simulation) este corelat cu o procedură complexă de calcul care Ńine cont de profilul curgerii şi de coeficienŃii de caracterizare Reynolds şi Navier-Stokes.

Se pot dezvolta astfel patru domenii, dintre care trei domenii (marcate cu roşu) se pot rezolva prin procedura RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), iar cel de-al patrulea (albastru) prin procedura LES pentru stabilirea condiŃiilor de amestec în jonc Ńiune (fig.7).

Fig. 6 Liniile de current ale unei joncŃiuni de conducte

Pentru finalizarea analizei se convine să se normalizeze fracŃia masei de gaze naturale ⟨ Y⟩, ca funcŃie de parametrii din relaŃia de mai jos:

8 Monitorul de petrol si gaze, iulie 2008; 9 Raport DOE/ NETL-2007/ 1290, National Energy Technology Laboratory, iunie 2007, SUA;

13

−−

=

−

21 YY

YYY ,

unde Y1 si Y2 sunt fracŃiile masice de gaze din conducta primară şi cea secundară din joncŃiune, iar Ý este fracŃia masică medie din secŃiunea transversală a volumului de control. Normalizarea fracŃiei masice s-a efectuat pe liniile paralele coaxiale cu conducta principală (fig.6), iar fracŃiile masice normalizate sunt utilizate ca indicator al gradului de amestecare radială din conductă.

Fig.7 Reprezentarea zonelor debitelor de gaz din joncŃiune

Este foarte interesantă maniera de vizualizare computerizată a gradului de

amestecare prin LES si RANS în zonele debitelor de gaz din joncŃiune (fig.2) , aşa cum sunt reprezentate în fig. 8.

a. FracŃiile masice în amestec

b. FracŃiile masice în amestec

a. Vectorii de viteză

Procedura LES

b. Vectorii de viteză Procedura RANS

Fig.810 Vizualizarea computerizată a gradului de amestecare a debitelor de gaz din joncŃiune

10 Sursa: Raport DOE/ NETL-2007/ 1290, National Energy Technology Laboratory, iunie 2007, SUA;

14

Trebuie remarcat faptul că analizele finale au stabilit că omogenitatea amestecului fluxurilor care intră în joncŃiune, extrapolate pentru procedura LES, se realizează la mai mult de 35 metri de la intersecŃie11, ceea ce conduce la ideia ca abia după aceasta distanŃă, probele prelevate din conducta principală pot fi considerate omogene, atunci când se efectuează analiza gaz-cromatografică, în concluzie punctul de implementare a prizei de colectare a mostrei de gaze, în vederea efectuării cromatogramei trebuie să nu se găsească în imediata apropiere a joncŃiunilor, în caz contrar este posibil ca analiza cromatografica să fie echivocă. Echiparea racordurilor de preluare a probelor de gaze trebuie sa Ńină cont de condiŃiile concrete ale calităŃii gazelor care se amestecă în joncŃiune.

Trebuie observată direcŃionarea vectorilor vitezei de transport în conductă, orientarea acestora fiind în strânsă corelaŃie cu imaginile orientării fracŃiilor masice din amestec.

Este deosebit de interesant că în cazul centrelor de piaŃă (hub-uri), acolo unde se intersectează mai multe conducte în joncŃiuni, se stabileşte o zonă de graniŃă (fig. 9), care de exemplu, pentru o conductă magistrală cu un diametru de DN700 (30 inch) şi presiune de operare în jur de 5MPa (50 bar) se află la 50 m, faŃă de planul vertical al joncŃiunii.

Fig. 9 Zona de graniŃă

Preluarea eşantioanelor de gaz este influenŃată şi de proprietăŃile fizice ale fluidului sau amestecului de fluide, acesta din urmă înŃelegându-se şi ca o combinaŃie a fluxurilor din joncŃiune, inclusiv a conŃinutului de apă sau fracŃii lichide de hidrocarburi antrenate.

Impactul lor este în strânsă legătură cu compoziŃia gazului şi valoarea puterii calorifice superioare determinată pe baza cromatogramei.

Schimbările de presiune şi temperatură într-un gaz conŃinând şi un amestec cu fracŃii lichide alterează compoziŃia fazei gazoase.

Creşterea tipică a presiunii reduce concentraŃia vaporilor de lichid în faza gaz a cărei scădere de presiune are efect contrar. Orice alterare minoră a conŃinutului de vapori de lichid are un impact semnificativ asupra compoziŃiei gazului determinată cromatografic şi implicit a valorii puterii calorifice superioare (PCS).

11 Raport DOE/ NETL-2007/ 1290, National Energy Technology Laboratory, iunie 2007, SUA;

Zona de graniŃă pentru analiză computerizată de dinamica fluidelor

≥ 50m

15

AdsorbŃia şi desorbŃia componentelor de către suprafaŃa conductelor poate altera deasemnea compoziŃia gazului. În cazul unei suprafeŃe interioare date, odată cu creşterea presiunii şi scăderea temperaturii se produce o creştere a absorbŃiei de suprafaŃă; scăderea presiunii şi creşterea temperaturii are efect opus. Gazul şi compoziŃiile materialului suprafeŃei determină gradul în care adsorbŃia are loc în orice condiŃii de de presiune şi temperatură.

Schimbările de presiune pot modifica punctul de rouă al hidrocarburilor gazului. Efectul poate fi bi-direcŃional; de exemplu, o creştere de presiune poate reduce punctul de rouă al hidrocarburilor unei compoziŃii de gaz şi îl poate creşte în situaŃia altei compoziŃii.

Reducerea presiunii răceşte gazul datorită fenomenului cunoscut ca efect Joule-Thompson. Răcirea gazului poate scădea temperatura gazului sub punctul de rouă. Când temperatura gazului scade sub punctul de rouă al hidrocarburilor se produce condensare; este o altă ocazie care conduce la modificări în compoziŃia gazului şi nemijlocit asupra PCS.

Încălzirea esantionului de gaz care nu conŃine lichid antrenat poate fi o metodă acceptabilă pentru prevenirea condensării; încălzirea esantionului de gaz în care este prezent lichid antrenat va altera compoziŃia gazului şi valoarea PCS.

Orice urmă de lichid antrenată în eşantionul prelevat poate altera compoziŃia eşantionului şi/ sau poate produce deteriorarea cromatografului in-line.

O posibilă alternativă de prelevare de eşantioane de gaz în vederea determinării concentraŃiilor fiecărui component este prezentată în fig. 1012.

12 Houser, E. A., Principles of Sample Handling and Sampling Systems Design for Process Analysis, UMI, Ann Arbor, MI, 1997;

Fig. 10 Prelevarea eşantioanelor de gaz-cromatografie