Горючий газ й ефективність його використання в Україні. Основні проблемні питання

Горючий газ був, є і в найближчий час буде залишатись ключовим енергетичним ресурсом економіки України. Тому питання ефективного і раціонального його використання повинно бути основним в усіх галузях використання газу.

Найбільш часто фахівці приділяють увагу проєктам з енергоефективності в області електрогенерації і електропостачання, термомодернізації будівель, реконструкції систем транспортування і постачання теплової енергії. А сектором використання газу, особливо в комунально-побутовому господарстві, як правило, нехтують. Хоча потенціал енергозбереження у цьому секторі є значним.

Достатньо навести нормовану згідно ДСТУ 2204-93 «Плити газові побутові» величину ККД плит, котра становить відповідно до зазначених нормативів лише близько 59% (!).

Або навести нормовану концентрацію чадного газу (монооксиду вуглецю, СО) в продуктах згорання плит. Вона встановлена нормативно у межах від 625 до 1250 мг/м³ (!).

І це за умови, що гранично допустима максимально разова концентрація СО у повітрі населених місць становить лише 5 мг/м³ (Наказ МОЗУ №813 від 10.05.2024 «Про затвердження державних
медико-санітарних нормативів допустимого вмісту хімічних і біологічних речовин в атмосферному повітрі населених місць»). А допустима концентрація СО в робочій зоні становить лише 30 мг/м³. Тобто навіть нормована відповідно до ДСТУ2204-93 концентрація СО у відхідних газах газової плити перевищує санітарну норму для робочої зони промислових підприємств у 42 рази. А для плит, що перебувають в експлуатації, і поготів зазначені показники будуть гіршими.

Отже, базовий поточний рівень дає широкі можливості для поліпшення показників ефективності і екологічної безпеки. А значні обсяги природного газу, котрі споживається в комунально-побутовому секторі, могли б гарантувати отримання швидкого результату впровадження заходів зі скорочення витрат газу і збереження здоров’я людей, що користуються горючим газом.

Але необхідність впровадження таких заходів в царині газопостачання наразі навіть не декларується.

Торкнемось ще одного аспекту використання горючих газів – складу і фізико-хімічних та горючих властивостей природних газів. Донедавна значна кількість природного газу надходила в Україну магістральними транзитними газопроводами від сусідньої країни-агресора. Це був газ в основному чисто газових родовищ з переважним вмістом метану
(до 95%-98%) і незначною кількістю важких вуглеводнів. Відповідно, і теплота згорання такого газу була не дуже високою і становила близько
Н = 37….38 МДж/м³ (8800…9000ккал/м³)[1].

Після припинення транзиту газу із країни-агресора основним джерелом надходження природного газу в систему газопостачання України стали газоконденсатні родовища України. Склад газу в них відрізняється від чисто газових родовищ – вміст метану зменшується, а важких вуглеводнів – зростає. Це спричиняє збільшення величини теплоти згорання і зміну фізико-хімічних і горючих властивостей горючого газу.

Середня вища теплота згорання природного газу, наприклад, від УКПГ Березівка становить 39 МДж/м³ , а УКПГ Яблунівка –
39,8 МДж/м³. Є родовища, для яких теплота згорання природного газу становить 40…41 МДж/м³. Це на 8-10% вище за теплоту згорання газу, котрий постачався раніше.

Увесь газ від різних родовищ надходить в єдину систему газопостачання, його склад у споживачів може змінюватись у часі. Бо розподіл газу у системі газопостачання країни залежить від співвідношення попиту і видобування газу, а також режиму його акумулювання у сховищах газу. Споживач може отримувати газ різного складу. А газові прилади, газопальникові пристрої теплових агрегатів і режими їхньої роботи залишаються без змін. І в цьому є основна проблема.

Зміна фізико-хімічних і горючих властивостей природного газу буде неминуче призводити до змін в режимах роботи газоспалювального обладнання, зміни величини їхньої теплової потужності, режимних налаштувань, ефективності і стабільності процесу спалювання газів. Ці зміни не кращим чином відобразяться і на роботі тепловикористовуючого обладнання, на якому встановлено газове обладнання (котли, технологічні пристрої, газові побутові прилади).

Крім того, більшість газоспалювального обладнання і приладів промисловість випускала для горючого газу, характерного для газу чисто газових родовищ, який постачався до відмови від транзиту газу. І для спалювання більш калорійного газу необхідне внесення конструктивних змін в конструкцію таких пальників, змін кількості повітря на згорання, режимних налаштувань газопальникових пристроїв і коригування параметрів теплообмінних поверхонь теплових агрегатів.

За такої ситуації на ринку газоспалювальної техніки на сьогодні потрібно враховувати, що суттєво змінився також і законодавчий нормативний супровід у галузі.

Раніше основним документом, котрий унормовував вимоги до горючого газу, був ще радянський ГОСТ 5542-87 «Гази горючі природні для промислового та комунально-побутового призначення. Технічні умови».

Пізніше НКРЕ прийняла Постанову №2493 від 30.09.2015 «Про затвердження кодексу газотранспортної системи» (далі — «Кодекс»).

Обидва документи були доволі «демократичними» і не дуже вимогливими щодо параметрів якості природного газу і ефективності його використання. Згідно з ГОСТ 5542-87 для промислового і
комунально-побутового господарства дозволялось використовувати природний газ, для якого нижча теплота згорання була не менше 31,9 МДж/м³; область значень вищого числа Воббе становила доволі широкий діапазон від 41,2 МДж/м³ до 54,5 МДж/м³, а відхилення числа Воббе для горючого газу у часі допускалось не вище 5% від договірного значення; обмежувалась концентрація сірки і кисню у складі горючого газу. Величина вищого числа Воббе на рівні 54 МДж/м³ буде характерна для газу з вмістом метану до 80%, етану до 15% і азоту до 5%. Таким чином, згідно з вимогами ГОСТ, уможливлювалось попадання в систему газопостачання горючого газу навіть такого складу.

А відповідно до «Кодексу….» в газотранспортну систему можна було без обмежень подавати горючий газ, котрий відповідав таким вимогам:

• вміст метану – не менше 90%;
• вміст етану – максимум 7%;
• вміст пропану – максимум 3%;
• вища теплота згорання – у межах від 38,85 до 41,10 МДж/м³;
• температура точки роси за вологою не повинна була бути вище
  -8 °С.

Обмежувалась також концентрація сірки, механічних домішок і кисню у складі газу.

Таким чином, до газопроводів і до споживачів могли потрапити більшість природних газів, котрі видобувались в різноманітних родовищах. Проблеми втрати якості спалювання газу і зменшення ККД газоспалювальних пристроїв не були обмежувальними факторами у таких нормативах. Вимогами « Кодексу….» послуговуються і дотепер.

Але у 2016 і 2018 році в Україні набули чинності два нові нормативні документи, котрі докорінно змінили ситуацію щодо вимог до горючих газів:

• ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, «Випробувальні гази. Випробувальний тиск. Категорії приладів». К.: 2018 і
• ДСТУ ISO 13686:2015. Природний газ. Показники якості.
  (ISO 13686:2013, IDT). К., 2016.

Ці документи імплементували європейські вимоги до горючих газів. Завдяки цим нормативам з’явились нові поняття – «родина газів» і «група газів» як види горючих газів з аналогічними характеристиками, класифікованими за критерієм взаємозамінності – індексом Воббе. Введено поняття «категорія приладів» як засіб ідентифікації газових сімейств або груп, які призначені для безпечного використання в газовому приладі і для досягнення необхідного рівня ефективності використання газу.

Таким чином, вперше у вітчизняній нормативній документації з’явилось поняття ефективності використання палива і взаємозамінності горючих газів.

Забігаючи вперед, скажемо, що до цього часу ці затверджені нормативи так і не відобразилися у практиці проєктування, виготовлення газових приладів чи експлуатації газоспалювального обладнання. А в якості нормативів, як і раніше, використовуються застарілі вимоги « Кодексу…» – з усіма особливостями такого підходу.

І даремно. Дотримання прийнятих національних стандартів могло б суттєво змінити ситуацію в газовому господарстві країни – і не лише в ньому.

Розберемось у цьому детальніше. Відповідно до EN 437 горючі гази розділено на три сімейства, а кожне сімейство розділене на групи залежно від індекса Воббе.

На рисунку 1 подано графічну інтерпретацію класифікації газів другої родини за ЕN у групи L, H і E і класифікацію за ГОСТ.

Рис. 1 Поділ горючих газів на групи згідно з EN 437 за розширеним критерієм Воббе і порівняння з дозволеним діапазоном використання горючих газів згідно з ГОСТ 5542-87

Розрахунки вищого індекса Воббе для різних природних газів показали, що газ чисто газових родовищ, котрий постачався дотепер, відносився в основному до групи L класифікації EN 437. З огляду на цю групу і цей газ і випускалась більша частина газопальникових пристроїв та побутових газових приладів.

Переважна частина ж природних газів, що видобуваються на газових родовищах України, відповідає іншим газовим групам – Н і Е.

У таблиці 1 подано більш точні значення вищого індекса Воббе за окремими групами газів.

 

Таблиця 1. Класифікація горючих газів за критерієм Воббе

Групи газів другої родини	Просте число Воббе за 15oC та1013,25 мбар, МДж/м3
	Мінімум	Максимум
Група Н	45,7	54,7
Група L	39,1	44,8
Група E	40,9	54,7

 

Для кожної групи газів промисловість повинна випускати свій вид газоспалювального і газопальникового обладнання

Для цього за кожною групою газів нормативи EN 437 визначають склад випробувальних газів, які необхідно використовувати при виготовленні і заводському випробуванні газового обладнання.

Випробувальні гази поділяються на еталонні гази (з найліпшими (номінальними) показниками роботи обладнання) і граничні гази, при спалюванні яких обладнання або пальники працюють на гранично допустимих характеристиках.

В таблиці 2 наведено для прикладу види горючих газів, котрі рекомендуються у якості випробувальних для горючих газів групи Н.

Таблиця 2. Види горючих газів, котрі рекомендуються у якості випробувальних для горючих газів групи Н

Група горючого газу	Назва випробувальної характеристики роботи газоспалювального обладнання
	Проскок полум’я	Відрив полум’я	Повнота згорання палива і сажоутворення (жовті проблиски полум’я)
Друга родина, група Н	G222 Cклад: СН4-77% об.Н2 -23% об. Wi=47,87 МДж/м3 Hi=31,86 МДж/м3	G23 Cклад: СН4-92,5% об. N2– 7,5%об Wi=45,66 МДж/м3 Hi=34,96 МДж/м3	G21 Cклад: СН4-87% об. С3Н8 -13 % об. Hi=54,76 МДж/м3 Wi=45,28 МДж/м3

Так само нормується набір випробувальних газів для кожної групи горючих газів.

Нормативний документ ДСТУ ISO 13686:2015 значно розширив вимоги до якості горючого газу порівняно з ГОСТ і «Кодексом…».

Оновлено поняття взаємозамінності газів. Це стосується основного (базового) горючого газу, який належить до певної газової групи згідно з EN 437, для якого виготовлено газоспалювальне обладнання, і
газу-замінника, який належить до іншої газової групи класифікації і може надходити на згорання до того ж обладнання. Властивості і група газів можуть також варіюватись в результаті зміни фізико-хімічних горючих властивостей газів, що надходить на згорання у результаті зміни потокорозподілення і гідравлічного режиму роботи системи газопостачання. Під час подачі до системи газопостачання країни природних газів з різних родовищ або альтернативних видів горючих газів з різними і відмінними горючими характеристиками надходження до споживача газу стабільно постійного складу не завжди можна гарантувати. Хоча забезпечення такої вимоги повинно бути однією з вимог укладання угоди на постачання газу.

Для контролю за стабільністю характеристик газів і використовується поняття взаємозамінності. Дотримання критеріїв взаємозамінності забезпечує не лише високу ефективність, а й безпеку роботи газоспалювального обладнання. Однак воно використовується належно у вітчизняній практиці розроблення, виготовлення і експлуатації газоспалювального обладнання.

Згідно з ДСТУ ISO 13686:2015, взаємозамінюваність природних газів у конкретній газорозподільній мережі залежить не лише від відповідних параметрів газу, але також значною мірою від характеристик газоспалювальних пристроїв, які використовують споживачі газу, а також, що дуже важливо – від тиску газу у кінцевого споживача.

Взаємозамінюваність можна визначити як можливість замінювати природний газ, що постачається відповідно до угоди, іншим горючим газом без внесення змін в устаткування споживачів. Пристрої мають продовжувати працювати безпечно і ефективно.

Критерії, які застосовують щодо взаємозамінюваності, є такими:

1. Забезпечення сталої теплової потужності – кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива за одиницю часу. Залежить від теплоти згорання газу і його густини. За умови забезпечення системою газопостачання стабільного тиску газу перед пальником теплова потужність є функцією числа Воббе і визначається згідно із залежністю:

кВт

де:

Н – теплота згорання газу, кДж/м³;

В – витрати газу, м³/c;

f – площа перетину сопла чи газових отворів для виходу газу, м²;

W – швидкість потоку газу на виході, м/c;

Р – тиск газу перед пальником, Па;

ρ_г – густина газу, кг/м³.

Визначення індекса Воббе виконується згідно із залежністю:

 

 

 

де H_i – теплота згорання горючого газу, МДж/м³ ;

d – відносна щільність горючого газу;

ρ_г, ρ_пов, – щільність горючого газу і повітря на горіння за однакових умов, кг/м³.

Тотожність (точна або приблизна) індексу Воббе W₁ = W₂ ± 5% для двох газів означає, що газові прилади, які використовують різні горючі гази, будуть працювати за сталої потужності при спалюванні цих газів без
будь- яких змін в конструкції газопальникових і топкових пристроїв і без коригування режимних параметрів роботи газоспалювальної техніки.

2. Відсутність порушення стабільності горіння у вигляді проскоку полум’я в корпус пальника.
3. Відсутність порушення стабільності горіння у вигляді відриву полум’я.
4. Відсутність жовтих проблисків у полум’ї, що свідчить про неповне згорання вуглеводнів і утворення продуктів хімічного недопалу палива.

Газ-замінник можна вважати взаємозамінюваним, якщо він забезпечує всі параметри взаємозамінності: сталу теплову потужність, горіння без проскоку і відриву полум’я, а також відсутності жовтих проблисків у полум’ї без необхідності змінювати конструкцію пальника або режими налаштування процесу горіння.

Для кількісного аналізу можливості взаємозамінності нормативами рекомендуються різноманітні критерії. Саме за їхніми величинами, визначеними для кожного виду горючого газу, можна встановлювати, чи є гази взаємозамінними і чи можливо забезпечити високу ефективність і стабільність їхнього використання.

В таблиці 3 надається перелік таких критеріїв, розрахунки за якими ми виконаємо пізніше.

Таблиця 3. Перелік критеріїв взаємозамінності горючих газів

Назва критерія	Позначення, посилання на формулу	Призначення	Методика оцінки відповідності двох газів за критерієм
Показники взаємозамінності за величиною теплової потужності установки
Простий критерій Воббе;   Методика Вівера, USA	Wi (2.1), (2.2), (2.3)     JH(W) (2.33)	Теплова потужність установки	Числа Воббе не повинні відрізнятись для двох газів на величину більшу ±5% . Тип числа Воббе – вище або нижче –обирається з огляду на технічну особливість устаткування. Індекс теплової потужності для газу, для якого виготовлено пальник і для газу замінника JH(W): 0,95<JH(W)<1,05
Розширений критерій Воббе	W/ (2.8 – 2.12)	Теплова потужність установки	Розширенні числа Воббе не повинні відрізнятись для двох газів на величину понад ±5% з урахуванням зміни діаметра газового отвору і тиску газу
Кноу (ЄС)	J(K) (2.5)	Теплова потужність установки	Величина Кноу не повинна відрізнятись для двох газів на величину понад ±5%
Метод Вівера, USA	JA(W) (2.34)	Забезпечення необхідної величини витрат дуттьового повітря (коефіцієнту надлишку повітря)	Індекс первинного повітря порівнюючи газ замінник з газом приладу повинен бути в межах 0,95 < JA(W) < 1,05.JA(W) < 1 – надлишок первинного повітря JA(W) > 1 – нестача повітря
Показники взаємозамінності за показником неповноти згорання ( жовтих проблисків)
Метод Даттона (D), GB (порівняння з метаном)	JCF(D) (2.15)	Неповнота згорання	Величина індексу неповного згорання повинна бути нижче граничної величини. Правила газової безпеки Великобританії: JCF(D) < 0,48; JCF(D) < 1,48 (екстремальний випадок)
Метод AGA, USA (природні гази)	С(A) (2.20) (для природних газів)	Неповнота згорання	Індекс неповного згорання, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути в межах 0,85≤С(A)≤1,15 С(A)>1,15 – тенденція хімічного недопалу
Метода Вівера (W), USA	JI(W) (2.40)	Неповнота згорання	Індекс неповного згорання, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути JI(W) ≤ 0. JI(W) > 0 – тенденція хімічного недопалу
Метод Даттона (D), GB (порівняння з метаном)	JSI(D) (2.17)	Жовті проблиски полум’я (сажоутворення)	Величина індексу сажоутворення повинна бути нижче граничної величини: JSI(D) < 0,6
Метод AGA, USA (природні гази)	IY(A) (2.31)	Жовті проблиски полум’я	Індекс сажоутворення, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути IY ≥ 1. IY(A)<1 – тенденція сажоутворення
Метод Вівера (W), USA	JY(W) (2.38)	Жовті проблиски полум’я	Індекс жовтого кінчика полум’я, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути JY(W) ≤ 0 JY(W) > 0 – тенденція сажоутворення
Метод Дельбурга (Delb), Fr (природні гази)	Ij(De) (2.52)	Жовті проблиски полум’я	«Число жовтих кінчиків» повинно бути Ij (De)< 170 (для газів другої сім’ї методу)
Метод Дельбурга (Delb), Fr (штучні гази)	Ic(De) (2.53)	Утворення сажі	«Число сажі» повинно бути Ic(De)< 170 (для газів першої сім’ї методу)
Показники взаємозамінності за явищем відриву полум’я
Метод Даттона (D), GB (порівняння з метаном)	JLI(D) (2.16)	Відрив полум’я	Величина індексу відриву полум’я повинна бути нижче граничної величини. JL(D) < 1,16. Зростання JL(D) – тенденція відриву
Метод AGA, USA (природні гази)	IL(A) (2.23)	Відрив полум’я	Індекс відриву полум’я, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути IL(A) ≤ 1. IL(A) > 1 – тенденція до відриву полум’я
Метод Вівера (W), USA	JL(W) (2.35)	Відрив полум’я	Індекс відриву полум’я, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути в межах 0,95 < JL(W) < 1,05. JL(W) < 1 – тенденція відриву полум’я
Показники взаємозамінності за явищем проскоку полум’я
Метод AGA, USA (природні гази)	IF(A) (2.29) (2.30)	Проскок полум’я	Індекс проскоку полум’я, порівнюючи газ-замінник з газом приладу, повинен бути IF(A)≤ 1,18. IF·(A) > 1 – тенденція проскоку
Метод Вівера (W), USA	JF(W) (2.37)	Проскок полум’я	Індекс проскоку полум’я порівнюється для газу-замінника з газом приладу. Він повинен бути JF(W) ≤ 0. JF(W) > 0 – тенденція проскоку

 

Якщо газовий пальник або газовий прилад відповідає вимогам однієї або декількох сімейств або груп, то для визначення можливості його використання на горючих газах інших родин або груп необхідно перевіряти, чи відповідає пальник або прилад усім критеріям нової групи або родини.

Саме такий підхід до газового обладнання забезпечує високу ефективність і стабільність роботи тепловикористовуючого обладнання.

З огляду на те, що склад горючого газу може змінюватись несанкціоновано у часі, необхідно при експлуатації газоспалюючого обладнання не нехтувати постійним контролем за фізико-хімічними і горючими властивостями газу, що надходить до системи газопостачання споживачів згідно з даними паспортів якості газу. За результатами такого аналізу слід вчасно вносити зміни до режимних параметрів і конструктивних характеристик газоспалювального обладнання.

Для запобігання значних змін у складі і фізико-хімічних властивостях горючого газу, який транспортується газорозподільними мережами, необхідно не допускати попадання до газових мереж горючих газів зі змінними у часі характеристиками, а також природних газів, котрі не відповідають вимогам нормативів.

При комплектації тепловикористовуючих агрегатів газовими пальниками слід враховувати, що транзитний газ чисто газових родовищ і природний газ родовищ України входять до різних газових груп і вимагають різного газоспалювального обладнання. Аналізувати горючі властивості фактично доступного природного газу, визначати його «газову групу» і перевіряти її відповідність газоспалювальному обладнанню.

Важливо також при виборі газопальникових пристроїв аналізувати превалюючий склад горючих газів і наявний тиск в системах газопостачання залежно від локації газоспоживаючого об’єкта і місцевості, для якої буде використовуватись обладнання. І після цього обирати обладнання, котре має відповідне маркування. При аналізі маркування газових приладів враховувати, що відповідно нормативів маркування включає таке:

• римськими цифрами – кількість газових родин, яким відповідає газове обладнання;
• арабськими цифрами – номер, який наданий родині газів, для якого виготовлений газовий пальник або прилад (наприклад,
  «2» – «друга родина» газів);
• велика латинська буква, яка означає газову групу, для якої виготовлено обладнання.

ТМ KOLVI – один із провідних українських виробників котлів, котелень й іншого газоспалювального обладнання – враховує вимоги актуальної нормативної документації в галузі газопостачання і забезпечує високу ефективність роботи такого обладнання як за допомогою конструктивних рішень, що впроваджуються при виготовленні продукції, так і шляхом створення оптимальних умов при експлуатації такого обладнання.

У другій статті буде розглянуто можливість використання альтернативних штучних і синтетичних газів в системах газопостачання промислових підприємств, а також представлено результати розрахунків основних нормованих критеріїв взаємозамінності для природних газів, що видобуваються в Україні, надано рекомендації для спалювання різних горючих газів, у тому числі невзаємозамінних.

[1] Наведено значення вищої теплоти згорання. Зазначеним величинам вищої теплоти згорання і складу газу чисто газових родовищ відповідає нижча теплота згорання близько 8200…8250 ккал/м³ .

Автори:

Колієнко Анатолій Григорович

кандидат технічних наук, професор Національного університету «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка»

 

Крошка Олександр Вікторович

доктор філософії в галузі архітектура та будівництво

CEO ТМ КОЛВІ