Горючий газ і ефективність його використання в Україні

Горючий газ був, є і у 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.
А допустима концентрація СО в робочій зоні становить лише 30 мг/м3. Тобто навіть нормована 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). 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). Відзначимо, що більшість газоспалювального обладнання і приладів промисловість випускала 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. Крім цього, на ринку газоспалювальної техніки потрібно враховувати, що суттєво змінився і законодавчий нормативний супровід галузі. Раніше основним документом, який унормовував вимоги до горючого газу, був ще радянський ГОСТ 5542-87 "Гази горючі природні для промислового та комунально-побутового призначення.
Технічні умови".
Колієнко Анатолій Григорович.
Кандидат технічних наук, почесний професор Національного університету "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" 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%. Відповідно ж до "Кодексу…." в газотранспортну систему можна було без обмежень подавати горючий газ з характеристиками: міст метану – не менше 90%; етану – максимум 7%; пропану – максимум 3%; вища теплота згорання – у межах від 38,85 до 41,10 МДж/м3. 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. Але у 2016 і 2018 році в Україні набули чинності два нові нормативні документи, котрі докорінно змінили ситуацію щодо вимог до горючих газів: мова про ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, "Випробувальні гази.
Випробувальний тиск.
Категорії приладів".
К.: 2018 та 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 родини газів 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…" 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 графіці нижче представлено класифікації газів другої родини за ЕN у групи L, H і E і класифікацію за ГОСТ.
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 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. 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. 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. Згідно з ДСТУ ISO 13686:2015, взаємозамінюваність природних газів залежить не лише від відповідних параметрів газу, але також від характеристик газоспалювальних пристроїв, які використовують споживачі газу, а також – від тиску газу у кінцевого споживача. 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. 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. 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. 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, вітчизняні виробники такого обладнання орієнтовані на роботу з іноземними замовниками, в тому числі і ТМ Колві, вже давно застосовують нормативи маркування, які включають відповідні ідентифікатори: 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. З повним текстом та розрахунками можна ознайомитись за посиланням. У наступній 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.
Автори:Колієнко Анатолій Григорович, кандидат технічних наук, професор Національного університету "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка";Крошка Олександр Вікторович, доктор філософії в галузі архітектури та будівництва, CEO ТМ КОЛВІ.