Горючий газ и эффективность его использования в Украине
Горючий газ был, есть и в ближайшее время будет оставаться ключевым энергетическим ресурсом экономики Украины. Поэтому вопрос эффективного и рационального его использования должен быть основным во всех отраслях использования газа.
Наиболее часто специалисты уделяют внимание проектам по энергоэффективности в области электрогенерации и электроснабжения, термомодернизации зданий, реконструкции систем транспортировки и поставки тепловой энергии. А сектором использования газа, особенно в коммунально-бытовом хозяйстве, как правило, пренебрегают. Хотя потенциал энергосбережения в этом секторе является значительным.
Достаточно привести нормированную согласно ДСТУ 2204-93 "Плиты газовые бытовые" величину КПД плит, которая составляет в соответствии с указанными нормативами лишь около 59% (!).
Или привести нормированную концентрацию угарного газа (монооксида углерода, СО) в продуктах сгорания плит. Она установлена нормативно в пределах от 625 до 1250 мг/м3 (!).
И это при условии, что предельно допустимая максимально разовая концентрация СО в воздухе населенных мест составляет всего 5 мг/м3. А допустимая концентрация СО в рабочей зоне составляет всего 30 мг/м3.
То есть даже нормированная концентрация СО в отходящих газах газовой плиты превышает санитарную норму для рабочей зоны промышленных предприятий в 42 раза. А для плит, находящихся в эксплуатации, и подавно указанные показатели будут хуже.
Следовательно, базовый текущий уровень дает широкие возможности для улучшения показателей эффективности и экологической безопасности. А значительные объемы природного газа, потребляемого в коммунально-бытовом секторе, могли бы гарантировать получение быстрого результата внедрения мероприятий по сокращению расхода газа и сохранения здоровья людей, пользующихся горючим газом.
Но необходимость внедрения таких мер в области газоснабжения пока даже не декларируется.
Коснемся еще одного аспекта использования горючих газов - состава и физико-химических и горючих свойств природных газов. До недавнего времени значительное количество природного газа поступало в Украину по магистральным транзитным газопроводам от соседней страны-агрессора. Это был газ в основном чисто газовых месторождений с преобладающим содержанием метана (до 95%-98%) и незначительным количеством тяжелых углеводородов. Соответственно, и теплота сгорания такого газа была не очень высокой и составляла около Н = 37....38 МДж/м3 (8800...9000ккал/м3).
После прекращения транзита газа из страны-агрессора основным источником поступления природного газа в систему газоснабжения Украины стали газоконденсатные месторождения Украины. Состав газа в них отличается от чисто газовых месторождений - содержание метана уменьшается, а тяжелых углеводородов - растет. Это вызывает увеличение величины теплоты сгорания и изменение физико-химических и горючих свойств горючего газа.
Средняя высшая теплота сгорания природного газа, например, от УКПГ Березовка составляет 39 МДж/м3 , а УКПГ Яблоновка - 39,8 МДж/м3. Есть месторождения, для которых теплота сгорания природного газа составляет 40...41 МДж/м3. Это на 8-10% выше теплоты сгорания поставляемого ранее газа.
Весь газ от разных месторождений поступает в единую систему газоснабжения, его состав у потребителей может меняться во времени. Потому что распределение газа в системе газоснабжения страны зависит от соотношения спроса и добычи газа, а также режима его аккумулирования в хранилищах газа.
Потребитель может получать газ разного состава. А газовые приборы, газогорелочные устройства тепловых агрегатов и режимы их работы остаются без изменений. И в этом есть основная проблема.
Изменение физико-химических и горючих свойств природного газа будет неизбежно приводить к изменениям в режимах работы газосжигательного оборудования, изменению величины их тепловой мощности, режимных настроек, эффективности и стабильности процесса сжигания газов. Эти изменения не лучшим образом отразятся и на работе теплоиспользующего оборудования, на котором установлено газовое оборудование (котлы, технологические устройства, газовые бытовые приборы).
Отметим, что большинство газогорелочного оборудования и приборов промышленность выпускала для газа чисто газовых месторождений, который поставлялся до отказа от транзита газа. И для сжигания более калорийного газа необходимо внесение конструктивных изменений в конструкцию таких горелок, изменений количества воздуха на сгорание, режимных настроек газогорелочных устройств и корректировка параметров теплообменных поверхностей тепловых агрегатов.
Кроме этого, на рынке газогорелочной техники нужно учитывать, что существенно изменилось и законодательное нормативное сопровождение отрасли.
Ранее основным документом, который нормировал требования к горючему газу, был еще советский ГОСТ 5542-87 "Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия".
Позже НКРЭ приняла Постановление №2493 от 30.09.2015 "Об утверждении кодекса газотранспортной системы" (далее - "Кодекс").
Оба документа были довольно "демократичными" и не очень требовательными к параметрам качества природного газа и эффективности его использования.
Согласно ГОСТ 5542-87 для промышленного и коммунально-бытового хозяйства разрешалось использовать природный газ, для которого низшая теплота сгорания была не менее 31,9 МДж/м3; область значений высшего числа Воббе составляла довольно широкий диапазон от 41,2 МДж/м3 до 54,5 МДж/м3, а отклонение числа Воббе для горючего газа во времени допускалось не выше 5% от договорного значения; ограничивалась концентрация серы и кислорода в составе горючего газа.
Величина высшего числа Воббе на уровне 54 МДж/м3 будет характерна для газа с содержанием метана до 80%, этана до 15% и азота до 5%.
Согласно же "Кодексу...." в газотранспортную систему можно было без ограничений подавать горючий газ с характеристиками: мост метана - не менее 90%; этана - максимум 7%; пропана - максимум 3%; высшая теплота сгорания - в пределах от 38,85 до 41,10 МДж/м3.
Таким образом, в газопроводы и к потребителям могли попасть большинство природных газов, которые добывались в различных месторождениях. Проблемы потери качества сжигания газа и уменьшения КПД газосжигательных устройств не были ограничивающими факторами в таких нормативах.
Но в 2016 и 2018 году в Украине вступили в силу два новых нормативных документа, которые в корне изменили ситуацию с требованиями к горючим газам: речь о ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, "Испытательные газы. Испытательное давление. Категории приборов". К.: 2018 и ДСТУ ISO 13686:2015. Природный газ. Показатели качества (ISO 13686:2013, IDT). К., 2016.
Эти документы имплементировали европейские требования к горючим газам. Благодаря этим нормативам появились новые понятия - "семейство газов" и "группа газов" как виды горючих газов с аналогичными характеристиками, классифицированными по критерию взаимозаменяемости - индексу Воббе. Введено понятие "категория приборов" как средство идентификации семейства газов или групп, которые предназначены для безопасного использования в газовом приборе и для достижения необходимого уровня эффективности использования газа.
Таким образом, впервые в отечественной нормативной документации появилось понятие эффективности использования топлива и взаимозаменяемости горючих газов.
Забегая вперед, скажем, что до сих пор эти утвержденные нормативы так и не отразились в практике проектирования, изготовления газовых приборов или эксплуатации газосжигательного оборудования. А в качестве нормативов, как и раньше, используются устаревшие требования "Кодекса..."
И зря. Соблюдение принятых национальных стандартов могло бы существенно изменить ситуацию в газовом хозяйстве страны - и не только в нем.
Разберемся в этом подробнее. В соответствии с EN 437 горючие газы разделены на три семейства, а каждое семейство разделено на группы в зависимости от индекса Воббе.
На графике ниже представлены классификации газов второго семейства по ЕN в группы L, H и E и классификация по ГОСТ.
Расчеты высшего индекса Воббе для различных природных газов показали, что поставляемый до сих пор газ чисто газовых месторождений относился в основном к группе L классификации EN 437. Учитывая эту группу и этот газ выпускалась большая часть газогорелочных устройств и бытовых газовых приборов.
Подавляющая часть же природных газов, добываемых на газовых месторождениях Украины, соответствует другим газовым группам - Н и Е.
Для каждой группы газов промышленность должна выпускать свой вид газогорелочного и газогорелочного оборудования
Для этого по каждой группе газов нормативы EN 437 определяют состав испытательных газов, которые необходимо использовать при изготовлении и заводском испытании газового оборудования.
При подаче в систему газоснабжения страны природных газов из разных месторождений или альтернативных видов горючих газов с различными и отличными горючими характеристиками поступление к потребителю газа стабильно постоянного состава не всегда можно гарантировать. Хотя обеспечение такого требования должно быть одним из требований заключения договора на поставку газа.
Для контроля за стабильностью характеристик газов и используется понятие взаимозаменяемости. Соблюдение критериев взаимозаменяемости обеспечивает не только высокую эффективность, но и безопасность работы газогорелочного оборудования.
Согласно ДСТУ ISO 13686:2015, взаимозаменяемость природных газов зависит не только от соответствующих параметров газа, но также от характеристик газогорелочных устройств, которые используют потребители газа, а также - от давления газа у конечного потребителя.
Газ-заменитель можно считать взаимозаменяемым, если он обеспечивает все параметры взаимозаменяемости: постоянную тепловую мощность, горение без проскока и отрыва пламени, а также отсутствия желтых проблесков в пламени без необходимости менять конструкцию горелки или режимы настройки процесса горения.
Если газовая горелка или газовый прибор соответствует требованиям одного или нескольких семейств или групп, то для определения возможности его использования на горючих газах других семейств или групп необходимо проверять, соответствует ли горелка или прибор всем критериям новой группы или семейства.
Именно такой подход к газовому оборудованию обеспечивает высокую эффективность и стабильность работы теплоиспользующего оборудования.
Учитывая то, что состав горючего газа может изменяться несанкционированно во времени, необходимо при эксплуатации газосжигающего оборудования не пренебрегать постоянным контролем за физико-химическими и горючими свойствами газа, поступающего в систему газоснабжения потребителей согласно данным паспортов качества газа. По результатам такого анализа следует своевременно вносить изменения в режимные параметры и конструктивные характеристики газосжигательного оборудования.
При комплектации теплоиспользующих агрегатов газовыми горелками следует учитывать, что транзитный газ чисто газовых месторождений и природный газ месторождений Украины входят в разные газовые группы и требуют разного газогорелочного оборудования.
Важно также при выборе газогорелочных устройств анализировать превалирующий состав горючих газов и имеющееся давление в системах газоснабжения в зависимости от локации газопотребляющего объекта и местности, для которой будет использоваться оборудование. И после этого выбирать оборудование, которое имеет соответствующую маркировку, отечественные производители такого оборудования ориентированы на работу с иностранными заказчиками, в том числе и ТМ Колви, уже давно применяют нормативы маркировки, которые включают соответствующие идентификаторы: римскими цифрами - количество газовых семейств, которым соответствует газовое оборудование; арабскими цифрами - номер, который предоставлен семье газов, для которого изготовлена газовая горелка или прибор (например, "2" - "вторая семья" газов); большая латинская буква, которая означает газовую группу, для которой изготовлено оборудование.
С полным текстом и расчетами можно ознакомиться по ссылке.
В следующей статье будет рассмотрена возможность использования альтернативных искусственных и синтетических газов в системах газоснабжения промышленных предприятий, а также представлены результаты расчетов основных нормированных критериев взаимозаменяемости для природных газов, добываемых в Украине.
Авторы:
- Колиенко Анатолий Григорьевич, кандидат технических наук, профессор Национального университета "Полтавская политехника имени Юрия Кондратюка";
- Крошка Александр Викторович, доктор философии в области архитектуры и строительства, CEO ТМ КОЛВИ.