Категорія: Статті

Постійне зростання вартості енергоносіїв та дороге підключення газу вимагає шукати інші типи обігрівальних пристроїв для системи опалення. Електричне або газове джерело тепла – альтернатива твердопаливному котлу. Стаття знайомить з видами та характеристиками обладнання, що працює на твердому паливі, його плюсами та мінусами, способами захисту від перегріву.

Твердопаливні котли види та характеристики

Котли на твердому паливі бувають двох типів:

• класичними, у яких при згорянні палива відбувається виділення тепла.
• піролізними, з виділенням пального газу при підвищенні температури від згоряння палива, та подача його в камеру згоряння, де він спалюється.

Найдосконалішим вважається другий тип агрегатів. У них досить високий ККД, практично повністю згоряє паливо, зміна потужності в широкому діапазоні, менше вимог до димоходу, що забезпечує наявність у конструкції вентилятора, що нагнітає. Але їхня ціна значно вища, у них більше вимог до палива, максимальна його вологість має бути не більше 20%, і до температури води в котлі.

Твердопаливні агрегати бувають чавунними та сталевими. Першим не так важлива жорсткість води, але їм необхідно забезпечити правильну температуру живильної рідини. У лінії подачі для підживлення системи опалення повинна проходити тепла вода, а не холодна водопровідна. Це убезпечить теплообмінник від руйнування через перепади температури. Теплообмінники з чавуну важчі за сталеві, що підвищує їх інерційність. Вони рідше чистяться без зниження ККД, стійкі до корозії, що не тільки збільшує термін експлуатації, а й підвищує вартість.

Котли можуть бути енергозалежними та енергонезалежними. Перший тип – моделі з електричною панеллю управління та вентилятором, яким у камеру згоряння нагнітається повітря. Зазвичай це піролізні котли зі сталі або чавуну. Іноді зустрічаються не піролізні вироби із сталі із вбудованим, що працює, як нагнітач, вентилятором. Енергонезалежне обладнання працює без електроенергії, де система опалення має природну циркуляцію. Але такі моделі менш комфортні та економічні.

Вид палива впливає потужність устаткування. Найчастіше використовуються: буре вугілля, антрацит, кокс, дрова, паливні брикети, тріска. Застосування низькокалорійних матеріалів може зменшувати потужність котла до 30%.

Твердопаливний котел плюси та мінуси

Перш ніж прийняти рішення та купити твердопаливний котел, варто ознайомитися з перевагами та недоліками обладнання.

До плюсів відносяться:

• висока екологічна чистота;
• доступна вартість;
• можливість використання палива різного за фракціями та розмірами, що дозволяє змінювати потужність котла та період його роботи (зі зменшенням розмірів збільшується потужність та знижується час, протягом якого згоряє паливо);
• безпека при експлуатації, правильний монтаж забезпечує економію енергії та запобігає вибухонебезпечним ситуаціям;
• мінімальні ризики виникнення пожеж.

До недоліків обладнання можна віднести утворення нагару на стінках котла, часті завантаження палива для безперервної роботи. Не завжди вдається швидко забезпечити максимальну потужність агрегату.

Захист твердопаливного котла від перегріву

Щоб уникнути неприємностей, які можуть призвести до закипання та вибуху котла, необхідно забезпечити його захист від перегріву. Основною його причиною є висока інерційність агрегату під час спалювання палива. Цей процес неможливо повністю зупинити, поки в камері згоряння не закінчиться дрова чи вугілля. У ньому буде згоряти паливо, тому на виході у теплоносія температура може досягати 100°С і більше. Це призведе до деформації пластикових та металопластикових труб та виходу з ладу всієї системи опалення. Для її захисту використовуються спеціальні пристрої.

1. Теплообмінник для охолодження. Їх вбудовують у казан або встановлюють на виході з нього. До агрегату приєднується термоклапан, налаштований на 95°С. При досягненні в котлі високої температури він відкривається і холодна вода, проходячи через теплообмінник для охолодження, омивається гарячим теплоносієм, починає охолоджувати його, поки температура в котлі не стане допустимою.
2. Клапани для перемикання. Його призначення – блокувати подачу до системи перегрітого теплоносія та подавати водопровідну холодну воду.
3. Монтаж бака-акумулятора великої ємності. Такий пристрій дозволяє не ставити додаткові клапани.

У першому випадку необхідно, щоби постійно був запас води. У другому перегрітий теплоносій зливається в систему – каналізацію, а вода повинна подаватися під високим тиском.

Найкращий спосіб захисту – встановлення твердопаливного котла та теплоізольованого з великим об’ємом бака (буфером) з водою, між системою опалення та котлом.

Коректна робота твердопаливних котлів не буде без правильної установки димоходу. При цьому необхідно, щоб він:

• був виготовлений з термостійких матеріалів, що витримують температуру не менше 500°C, стійких до утворення корозії;
• мав хорошу теплоізоляцію;
• був висотою не менше 4 м та діаметром понад 180 мм.

Але не можна сильно збільшувати габарити димоходу, щоб уникнути утворення повітряної пробки, що заважає виходити диму та газу.

Але головне – при монтажі дотримуватися рекомендацій виробників та враховувати вимоги будівельних норм. Електричні або газові агрегати – альтернатива твердопаливним котлам, які можна встановлювати як резервні джерела тепла. Але при цьому важливо забезпечити їхній захист від можливих перегрівів. Використання такого сучасного обладнання потребує відповідного димоходу, стійкого до впливу кислот. Тільки правильний вибір, встановлення та експлуатація твердопаливних котлів забезпечить безпечну роботу усієї опалювальної системи.

Програма утеплення будинків в Україні ще не розпочала своєї дії, але викликає безліч супутніх питань. Існує безліч факторів, якими використання виділених коштів виявиться неефективним.

Буквально 1 грудня з боку президента України у посланні до ВР було заявлено про те, що незабаром увійде у роботу проект «Велика термомодернізація». У планах програми стоїть масштабне утеплення лікарень, навчальних будівель, багатоквартирних будинків, що дозволить застрахуватися від майбутніх підвищень цін, встановлених на різні енергоресурси.

Щоб розпочати комплексне утеплення будинків, з боку уряду було затверджено законопроект 23 грудня, за яким внесено безліч змін. З боку Дениса Шмигаля було розказано, що процес створення об’єднань власників багатоквартирних будинків стане набагато легшим, це пов’язано зі спрощенням самої програми.

За планами у 2022 році утеплення має відбутися у не менше ніж 5 тисяч багатоквартирних будівель. Ростислав Шурма заявляє, що програму планується виконувати протягом 7-10 років. Цього часу буде достатньо, щоб модернізувати територією всієї України не менше 180 тисяч будинків. При цьому планується, що показники енергоспоживання газу буде скорочено приблизно на 30-40%.

Використання енергоефективних мільярдів

У процес як термомодернізація будинків з бюджету було закладено близько 30 мільярдів гривень на поточний рік. Їхнє надходження буде реалізовано через організацію «Укрфінжитло». І якщо на вересень було надіслано близько 20 мільярдів, то на сьогодні було зафіксовано надходження ще на 30 мільярдів гривень за рахунок докапіталізації.

Процес створення організації «Укрфінжитло» було організовано на початку 2020 року, коли з’явилася програма «Доступна іпотека». Наприкінці 2021 року додатково було приєднано іпотечну державну установу. Якщо розглядати «Укрфінжитло», то це посередник між банківською установою та громадянином за потреби оформлення іпотеки з процентною ставкою у 7% річних. Нещодавно організація додатково почала займатися лізингом.

Якщо оцінювати успіхи організації, вони відносні. Як тільки почалася дія програми, було надіслано заявок загальною сумою приблизно на 1,5 мільярда гривень, а кількість підписаних кредитів склала 1245. Але самі очікування були набагато більшими, ніж вийшло на практиці. Наразі планується, що «Укрфінжитло» відповідатиме за не менш важливу програму для держави.

Якщо взяти виділену суму 30 мільярдів і поділити її на 5000 будинків, то на кожен з них буде направлено близько 6 мільйонів. Варто враховувати, що є бажання виконати термомодернізацію установ соціальної та бюджетної галузей. Тому виділених грошей не вистачить, щоб виконати якісну модернізацію, оскільки ціна на 1 квадрат становить не менше 200-300 євро.

З боку Олега Попенка зроблено висновок, що на модернізацію одного житлового будинку йтиме щонайменше 1 мільйон доларів. Якщо взяти 5 тисяч будинків, цифра зросте до 5 мільярдів. Це можна назвати можливістю продовження терміну експлуатації житлового будинку до 25 років. Сюди входитиме проведення не лише капітального ремонту, а й реновації будівлі з електрикою, теплом, водою та іншими зручностями. Для реалізації процесу, як утеплення 5000 будинків, може знадобитися близько 10 років. Якщо оцінювати реальність, то фізичних можливостей реалізувати це практично немає.

Президент України стверджував, що протягом перших трьох років на процес витрачено 100 мільярдів, а на реалізацію програми – близько 300 мільярдів. Ніде немає інформації, чи враховуватиметься показник як інфляційна складова. Тому масштаби «Великої термомодернізації» штучно роздмухуються, адже програма може бути реалізована частково.

Як буде відбуватися економія

Перед тим як реалізується масштабна робота, обов’язково потрібно зробити аудит і вирішити, які споруди потребують термінової термомодернізації, а які тимчасово можуть почекати свого часу. Багато хто стверджує, що якщо гроші будуть вкладені в будинок, який не обстежився, буквально через 5 років він завалиться. Недоцільно модернізувати поспіль усі споруди та виконувати заявки потрібно не лише за бажанням. Для цього рекомендується здійснити комплексний аудит. Є необхідність у отриманні впевненості, що кожен із будинків потребує модернізації. Тільки тоді це може сприяти зниженню цін на дорогі комунально-житлові послуги.

Показник як енергетична незалежність не відображатиметься на фактичних тарифах, адже може бути зменшено споживання газу Україною та інших ресурсів. З боку уряду має на меті зменшити показники споживання газу приблизно на 30-40%, але в рамках оптимістичного розкладу. Такий ефект отримає точно не кожен будинок, тому що важлива роль відводиться використанню індивідуальних лічильників та теплових пунктів.

Серед аргументів, які відповідають за розвиток джерел енергії, можна виділити політичні, економічні та екологічні. І якщо про екологічні було написано вичерпну кількість інформації, на сьогодні саме ці аргументи є ключовими факторами для розвитку відновлюваної енергетики. Для підтримки удосконалення представленого сектору на території України їх замало. І в більшості випадків це пов’язано з тим, що у багатьох переважає думка, що нехай буде дешевше, але не так чисто.

Економічні переваги розвитку відновлювальної енергетики

Існують прогнози про те, що розвиток такого напряму, як відновлювана енергетика в Україні в майбутньому, може сприяти суттєвому зниженню вартості електричної енергії для користувачів. Такі дані з’явилися ще кілька років тому.

З боку відомої швейцарської компанії систематично відбуваються дослідження щодо порівняння такого показника, як вартість електроенергії в Україні, отриманого від абсолютно різних джерел генерації. Було встановлено, що традиційне виробництво сприяє збільшенню ціни, а джерела енергії, що відновлюються, її знижують.

Якщо проводити порівняння, то для вітрових та сонячних електростанцій промислового зразка вона вже є значно дешевшою. При цьому з кожним роком така різниця на користь відновлюваної енергетики лише збільшується.

За розрахунками відомої фінської організації, згідно зі сценарієм, який забезпечує найдоступнішу електроенергію на території України, відсоток відновлюваної енергетики до 2050 року має становити близько 83%. Показники, що залишилися, будуть спрямовані на газову генерацію. Але, незважаючи на це, в Україні за останні кілька років тільки й стверджують те, що відновлювана енергетика є дорогою, тому не варто переходити від традиційного джерела генерації електроенергії.

Аварійний стан електростанцій та невеликі запаси вугілля

В останні роки на території України ведеться гібридна боротьба проти використання відновлюваної енергетики, незважаючи на те, що є потреба в здешевленні її ціни. Протягом кількох років виникало питання про те, чи буде використання відновлюваної енергетики правильним рішенням і чи вдасться отримати більш доступну вартість на тепло та світло.

За час проведення боротьби на території України весь світ потрапив у досить серйозну кризову ситуацію, пов’язану з енергетикою. Ціна на газ стала вищою в 15-20 разів, і не один раз переходили межу за 2000 доларів за 1000 м3. І останнім часом все частіше можна почути про те, що незабаром у зимовий період ціна перевищить 3000 доларів. Що ж до вартості вугілля, то за цей часовий проміжок вона піднімалася 3 рази і вже у грудні місяці 2021 року перевищила 150 тис. доларів.

За рахунок того, що вартість на вугілля та газ стали рекордно високими, це призвело до того, що тарифи на тепло та електрику також суттєво зросли. Щодо рішення, то ЄС стверджує, що потрібно займатися розвитком відновлювальної енергетики. Тому реалізувати витіснення вугілля із сектора електроенергетики можна за рахунок впровадження вітрової та сонячної генерації. У заміні природного газу ключову роль відіграватиме саме біоенергетика для реалізації такого процесу як декарбонізація транспорту.

Політичні переваги розвитку відновлювальної енергетики

Розглядаючи політичні проблеми, серед них найсерйознішою є ціна на природний газ. За рахунок того, що в середньому імпорт України за рік складає близько 10 млрд м3, навіть за мінімальної вартості це становитиме витрати понад 10 млрд доларів. Імпорт вугілля відбувається приблизно в кількості 19 млн. тонн, що в переказі на грошовий еквівалент складе близько 3 млрд. доларів. Якщо замінити ці типи генерації енергії на відновлювальну енергетику, вдасться заощадити близько 13 млрд доларів.

Кроки для вирішення проблеми

1. Політичне визнання поновлюваної енергетики на території України.
2. Розробка спеціальної комплексної програми, за якою буде реалізовано перехід у «зелену» енергетику.
3. Проведення конкурсів на спорудження генеруючих потужностей та накопичувачів енергії.
4. Регулярне проведення аукціонів, за якими розподілятимуться квоти на підтримку тих проектів, що пов’язані з впровадженням відновлюваної енергетики.
5. Підписання закону про стимулювання процесу виробництва відновлювальної енергетики без державної підтримки та на ринкових умовах.
6. Підписання закону про накопичувачі енергії.

Додатково необхідно впровадження тих кроків, які пов’язані з тепловою енергією та транспортною системою.

Довгий час Україна була пов’язана із Росією контрактом на закупівлю газу. Існувала велика залежність – 90% споживаного блакитного палива було російським. У листопаді 2015 року завдяки зусиллям української сторони цей зв’язок був розірваний. За прогнозами Кремля, Україна не могла обійтися без російських поставок. Пророкували, що в країні настане дефіцит газу, який особливо відчуватиметься взимку. Але Україна не змерзла, а стала самостійною і зуміла вибудувати вигідні партнерські відносини з Європою.

Вирішення конфлікту України з Газпромом

Незважаючи на припинення закупівель у 2015 році, український Нафтогаз та російський Газпром до 2019 року пов’язував договір на постачання газу. Російська сторона висунула вимогу: якщо Україна не буде щороку купувати 52 млрд. куб. палива, доведеться платити штраф. Ціну зробили аналогічною вартості нафти, що було вище, ніж на європейському ринку.

Для України це були грабіжницькі умови. Фінансово та фізично вони не могли бути виконані. В результаті Газпром висунув до виплати борг у розмірі $50 млрд. З боку Нафтогазу теж були претензії. Конфлікт вирішився завдяки зверненню до арбітражного суду Стокгольма, що розглядає міжнародні суперечки.

Розслідування тривало три з половиною роки. Українська сторона привела безліч доводів, документів на свою користь та виграла. Рішення суду: Газпром має виплатити Нафтогазу понад $4 млрд. Це врятувало українську компанію, оскільки претензії з боку Газпрому становили непідйомну суму $80 млрд.

Орієнтир України на Європу

Україна почала шукати постачальників газу в Європі ще до розриву відносин із Газпромом. Пошуки вдалися, внаслідок чого почалися відносини з партнерами з різних країн. Укладання договорів із європейськими компаніями дозволило у 2015 році робити закупівлю газу Україною за ціною $0,3 за кубометр. У той же час Газпром пропонував вищу ціну – $0,34. 2020 року купівля газу Україною здійснювалася у 13 європейських державах. Основними були:

• Швейцарія;
• Німеччина;
• Словаччина.

Словацький напрямок зараз найбільш масштабний. Із сусідніми європейськими країнами з 2020 року здійснюються взаємозаліки щодо газу. Паливо при цьому не транспортується, що знижує витрати.

Власний видобуток газу в Україні

Україна – країна, де є запаси природного газу. Видобуток ведеться державними та комерційними компаніями. Загальна щорічна потреба у блакитному паливі у масштабах країни становить 30 млрд. куб., а видобувається 20 млрд. куб. Із них 14 млрд. куб. 2020 року припадало на компанію Укргазвидобування (частина Групи Нафтогаз). Компанія тримає всі свердловини у робочому стані та стежить за тим, щоб видобуток газу не падав. У планах – розробка Чорноморського шельфу.

Власний видобуток дозволяє робити постачання газу населенню за меншою ціною, ніж паливо, що імпортується. Мінімальна вартість у листопаді становила 7,80 грн. за один кубометр, максимальна – 13,50 грн. Підприємства, що займаються опаленням житлового фонду, здійснюють закупівлю газу на зиму за оптовою ціною 7,42 грн. за кубометр.

Плани України щодо використання газу

Самостійний видобуток газу та імпорт із Європи покривають потреби України у блакитному паливі, але розмови про повернення співпраці з Росією існують. Причина в тому, що російські контракти є довгостроковими, а європейські – на короткий термін. Проте Газпром підходить до ціноутворення з позиції політики. Користуючись своєю монополією, він досяг того, що на європейських біржах ціна палива піднялася до $2 за кубометр, а Молдові поставляється газ за $0,45.

У плани України щодо газу входить:

• звернення уваги на азіатський ринок;
• використання зрідженого газу;
• пропозиція про передачу у користування наявної газотранспортної системи та сховищ газу;
• заміна природного газу синтезованим та біометаном.

У перспективі має бути досягнута газова незалежність України. У країні є можливості для того, щоб унеможливити імпортування газу. Для цього необхідно збільшувати власний видобуток та одночасно шукати шляхи скорочення споживання палива.

Наразі країна вирішує питання заміни вугілля як енергоносія на більш екологічний газ, тому потреба у блакитному паливі зростає. Але надалі весь цивілізований світ має намір відмовитися від газу. Україна підтримує цей напрямок та планує освоювати альтернативні джерела енергії.

Частина 2. Умови заміни природного газу сумішшю природного газу і водню у комунально-побутових і промислових паливоспалювальних установках

Колієнко А.Г., професор кафедри «Теплогазопостачання, вентиляції та теплоенергетики» Національного університету «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка»

У першій частині статті були проаналізовані вимоги нормативів до горючих газів, розглянуто горючі властивості газів і можливість подачі горючої суміші природного газу і водню до пальників і установок, призначених для чистого природного газу, виходячи із вимог дотримання найпростішого із індексів взаємозамінності – індексу Воббе.

Ця стаття безпосередньо пов’язана з першою частиною і в ній розглядається увесь комплекс вимог до можливості заміни природного газу горючими газовими сумішами, що містять водень за умови збереження параметрів роботи газоспалювальних установок без суттєвої зміни конструкції і режимів роботи газопальникових і топкових пристроїв, а також тягодуттьового обладнання і газових мереж.

У різних країнах діють різні критерії взаємозамінності. Їх об’єднує міжнародний стандарт ISO 13686. В Україні чинними є вимоги ДСТУ ISO 13686:2015. «Природний газ. Показники якості» [1].

Згідно із нормативами і практикою спалювання газів, тотожність індекса Воббе для двох газів ще не гарантує, при переході від одного газу до іншого, забезпечення усіх характеристик процесу горіння, у тому числі:

1. Стабілізації фронту полум’я відносно відриву полум’я;
2. Стабілізації фронту полум’я відносно проскоку полум’я;
3. Характеристик процесу теплообміну і забезпечення незмінної теплової потужності агрегату;
4. Повноту згорання і вихід продуктів хімічного недопалу;
5. Відсутність процесів утворення сажі і виникнення жовтих проблисків полум’я;
6. Забезпечення необхідної величини коефіцієнту надлишку повітря;
7. Підтримання сталої величини точки роси продуктів згорання.

Тому, необхідні інші критерії (індекси), котрі визначають можливість переходу пальника з одного виду газу на інший і внесені до нормативів. У різних країнах використовують різні індекси взаємозамінності. Зупинимось на деяких із них, котрі відображені в ISO 13686.

Перелік основних індексів взаємозамінності наведено в таблиці 1. Кожен із них дає можливість аналізувати ті чи інші небажані явища, котрі виникають при заміні газів.

Таблиця 1. Перелік основних методів і критеріїв взаємозамінності згідно ДСТУ ISO 13686:2015.

З огляду на те, що ДСТУ ISO 13686:2015 є національним стандартом України, котрий регламентує показники горючого, у тому числі змішаного, газу визначимо величини основних індексів взаємозамінності для природного газу і його суміші з воднем. Це дасть можливість виконати оцінку ступеню взаємозамінності цих двох горючих газів і можливість заміни природного газу водневою сумішшю з точки зору чинних нормативів.

Индекс Кноу, J(K) є одним із ранніх індексів взаємозамінності і варіацією індекса Воббе. Визначається згідно залежності [2],[3]:

Btu ft -3
де Hi – теплота згорання горючого газу, підставляється в BTU/ft3;
d – відносна щільність газу.

Згідно з визначенням, якщо для двох газів, індекс Кноу відрізняється більше за 5%, то гази не є взаємозамінними. При спалюванні газозамінника, для якого індекс Кноу перевищує на 5% відповідний показник для замінного газу, забезпечити сталу теплову потужність установки неможливо. Результати розрахунків показують, що для суміші водню і природного газу це має місце уже при вмісті водню більше 20…25%. Теплова потужність установки при збільшенні частки водню у горючому газі буде зменшуватись. Отже, такі гази є невзаємозамінними. Уміст водню у його суміші з природним газом більше 20% є небажаним.

Критерії Даттона [4]. До них відносяться: JCF(D) – індекс неповноти згорання, JL(D) – індекс відриву . JS(D) – індекс сажоутворення.

Індекс неповного згорання JCF(D) визначає вірогідність утворення продуктів хімічного недопалу при заміні основного газу газозамінником. Правила газової безпеки, що діють у Великобританії вимагають, що для запобігання неповного згорання газу JCF(D) повинен становити нижче 0,48. Екстремальне значення для газу, що заміщає індекс неповноти згорання не повинен перевищувати 1,48. При спалюванні газів із більшим за 1,48 показником JCF(D) матиме місце утворення продуктів хімічного недопалу і зменшення ККД установки.

Індекс неповного згорання JCF(D) визначається згідно залежності:

Wi – критерій Воббе, МДж/м3;
ЕPN – об’ємна частка азоту і пропану в еквівалентній суміші ,% об.;
ΩН2 – об’ємний вміст водню в еквівалентній суміші, % об.

Розрахунок за залежністю (1) дає можливість отримати наступні величини  індексу неповноти згорання для  суміші  горючого газу із різним вмістом Н_2.

Рис.1. Індекс неповноти згорання Даттона, J_CF(D).1- нормоване значення індекса неповноти згорання J_CF(D)=0,48.

Як видно із результатів розрахунку, збільшення умісту водню не погіршує показник неповноти згорання і не є критичним для суміші, оскільки  супроводжується зменшенням концентрації вуглеводнів у горючій суміші. За   критерієм повноти згорання природний газ і його суміш з водним є взаємозамінними за будь-якої концентрації  водню у суміші.

Індекс відриву полум’я  J_L(D)  оцінює можливість взаємозамінності горючих газів уже за критерієм стабільності  процесу горіння – небезпеки виникнення явищ відриву або проскоку полум’я.

Цей індекс визначається згідно залежності [6]:

Визначення індексу відриву Даттона дає такий результат для горючих сумішей природного газу і водню:

Рис.2.  Індекс відриву полум’я Даттона, J_CF(D). 1–Нормоване значення індекса J_CF(D); 2- область відриву полум’я; 3- область проскоку полум’я.

Нормовані значення індексу відриву J_L(D для взаємозамінних газів лежать у межах від 0 до 6. Значення індексу, що близькі до 6 свідчать про те, що відрив полум’я  вірогідний, а якщо J_L(D близький до 0, то спалювання газу не буде супроводжуватись відривом і втратою стабільності факелу. Перехід величин J_L(D до від’ємних значень означає високу вірогідність іншого небезпечного явища – проскоку полум’я в корпус пальника повного попереднього перемішування, що супроводжується мікровибухом, погасанням факелу, надходженням  горючої суміші до топки або в атмосферу і неконтрольованим спалахуванням такої суміші (вибухом).

Аналіз таблиці показує, що  при збільшенні об’ємної частки водню у сіміші з природним газом більше 20…25% об. така суміш стає невзаємозамінною з природним газом. А спалювання такої суміші супроводжується явищем проскоку полум’я.

Ще один індекс Даттона – індекс сажоутворення J_S(D) оцінює ризики і можливості переходу з одного виду газу на інший, з точки зору небезпеки протікання у полум’ї піролітичних процесів розкладу вуглеводнів і утворення сажистих частинок, що забарвлюють полум’я у жовтий колір. Нормоване значення цього індексу становить 0,6. Збільшення величини J_S(D) для газу, що заміняє основний вище 0,6 означає небезпеку сажоутворення і обмежені можливості взаємозамінності.

Визначення величини J_S(D виконується згідно залежності (2) [7]:

J_{S (D)} =0,896 аrctan ( 0,0255 E_PN – 0,009 Ω_Н2 + 0,617),   (2)

Розрахунок індексу сажоутворення Даттона свідчить про те, що введення водню до складу природного газу не загрожує сажоутворенню. Таким чином, за критерієм сажоутворення горючі суміші природного газу і водню є взаємозамінними.

Рис.3. Індекс сажоутворення Даттона, J_S(D), 1- нормоване значення індекса J_S(D); 2- область небезпеки сажоутворення.

Таким чином, згідно критерія Даттона заміна природного газу його сумішшю з воднем стає  неможливою уже при концентрації  водню у суміші близько 20…25% об.  у зв’язку з виникненням явища проскоку і погасання полум’я.

Метод  Вівера

Цей багато індексний метод досліджує можливість  взаємозамінності газів у більш широкому і складному контексті. Згідно [ 8 ] підґрунтям для цього методу слугували десятки тисяч експериментів з 500 різними горючими газами, у ході яких досліджувались можливості переведення пальників  в основному низького тиску з одного горючого газу на інший без втрати стабільності і ефективності горіння.

Суть цього методу полягає у визначенні відношення комплексу характеристик властивостей газу і процесу горіння для двох газів – основного (паспортного) і  газозамінника (порівняння характеристик для двох газів). Якщо відношення  певних фізико-хімічних характеристик двох газів близьке до 1, то гази вважаться взаємозамінними за тим чи іншим критерієм. У разі  значного відхилення від 1 гази вважаються невзаємозамінними.

Розглянемо основні індекси методу Вівера.

Індекс сталої теплової потужності, J_H(W). Попередній розгляд задачі взаємозамінності газів показав, що критерієм збереження теплової потужності установки при переході з одного виду газу на інший є стала величина  критерія Воббе. Тому, індекс сталої теплової потужності Вівера, J_H(W) – це відношення критерія Воббе для газу замінника, W_s і основного газу W_а:

Для досягнення взаємозамінності двох газів величина J_H(W) повинна бути рівною 1 з відхиленням не більше 5% [8]. Якщо величина J_H(W)  відрізняється від 1 більше, ніж на 5% як одну, так і в іншу сторону, то гази вважаються невзаємозамінними за тим чи іншим критерієм. Наприклад, якщо індекс сталої теплової потужності J_H(W)>1,05, то перехід на новий газ призведе до збільшення теплової потужності, що супроводжується, як правило, збільшенням втрат з відхідними газами, хімічним недопалом і зменшенням ККД установки. У разі, якщо J_H(W)<0,95, то матиме місце дефіцит теплової потужності, що призведе до порушення технологічного процесу установки. Результати розрахунків J_H(W) для суміші природного газу і водню наведено в таблиці 2.

Індекс забезпечення необхідною кількістю повітря на горіння, J_A(W).

Кількість повітря, що подається на горіння характеризує такий важливий показник, як коефіцієнт надлишку повітря у зоні горіння і у відхідних газах. Від нього залежить ККД установки, вихід продуктів хімічного недопалу і концентрація оксидів азоту у відхідних газах. Залежність (4) для визначення величини J_A(W)  включає теоретичну потребу у повітрі на горіння основного газу V_t.а і газозамінника V_t.S і їх відносну щільність – d_{а ,} d_S.

Для  безперешкодного переведення роботи  пальника  з природного газу на суміш природного газу і водню індекс повинен становити        0,95<J_A(W)<1,05 [9]. Дійсні значення індекса за різного умісту водню у суміші наведено у таблиці 2. У разі перевищення допустимої величини (1,05) в горючій суміші, що подається до пальника має місце нестача повітря для повного згорання, що призводить до хімічного недопалу і зменшенню ефективності роботи установки. При зниженні встановленої величини 0,95 ми будемо мати горіння при завищених коефіцієнтах надлишку повітря, що може призвести до відриву полум’я, збільшенню втрат теплоти з відхідними газами, зменшенню ККД установки і збільшенню  утворення токсичних оксидів азоту у зоні горіння.

Індекс  відриву полум’я, J_L(W).  Схильність  полум’я горючого газу до відриву чи проскоку визначається таким фізико-хімічним параметром процесу горіння, як швидкість розповсюдження полум’я. Тому, залежність (5) для визначення  індекса  відриву полум’я  включає в себе цей параметр для основного газу S_L.N.а. і газозамінника S_L.N.S [9]:

Ω_О2.S, Ω_О2.а  – об’ємний уміст кисню у газозаміннику і основному газі, для якого розраховано роботу пальника, % об. Результати розрахунку індексу відриву наведено в таблиці 2. Гази з показником J_L(W) більшими за одиницю схильні до відриву полум’я із зрізу пальника,  подальше збільшення такого показника свідчить про зростання такої небезпеки.

Індекс проскоку полум’я, J_F(W) також залежить від швидкості розповсюдження полум’я. Явище проскоку виникає у разі, якщо швидкість розповсюдження полум’я буде більшим за швидкість газоповітряної суміші у пальнику. Схильність газозамінника до проскоку визначається за величиною індекса J_F(W).  Якщо  J_F(W)> 0, то згорання газу буде супроводжуватись проскоком полум’я, що загрожує виникненню аварійної ситуації у ході експлуатації установки [9]. Значення величини J_F(W) для газів з різним умістом водню наведено в таблиці 2. Визначення індексу проскоку здійснюється згідно залежності (6):

  де J_A(W)  – індекс Вівера із забезпечення необхідної кількості повітря  для горіння.

Індекс жовтих проблисків полум’я, J_Y(W)[10]_.

Наявність жовтих проблисків полум’я свідчить про погіршення якості горіння і утворення у полум’ї частинок сажі, котрі виникають внаслідок загального або локального дефіциту  повітря для повного згорання, або внаслідок неякісного перемішування газу і повітря. Такі явища є вкрай небажаними при роботі газоспалювальної установки. Якщо J_Y(W)> 0, то згорання газу буде супроводжуватись утворенням сажі і жовтими проблисками полум’я. Збільшення показника J_Y(W) означає зростання загрози утворення сажі. Значення величини J_Y(W) для газів з різним умістом водню наведено в таблиці 2. Визначення індексу проскоку здійснюється згідно залежності (7):

Результати розрахунку індексу жовтих проблисків полум’я наведено в таблиці 2.

Індекс неповного згорання, J_I(W).

Цей індекс визначає можливість утворення продуктів неповного газоподібного згорання і в першу чергу монооксиду карбону при заміні основного газу – газозамінником. Таке явище виникає в результаті нестачі повітря на горіння, або внаслідок збільшення частки карбону у складі горючого газу. Якщо результат розрахунку за залежністю (8) покаже, що показник J_I(W) >0, то це означає що взаємозамінність газу за цим показником відсутня, а згорання газу буде супроводжуватись хімічним недопалом, і як наслідок, – зниженням ефективності роботи газоспалювальної установки [10]:

де R _H/C.s , R _H/C.а –  величина, що характеризує відношення кількості атомів водню до кількості атомів карбону у складі горючого газозамінника і основного газу, відповідно.

Результати розрахунків величини індексу неповного згорання також  наведено в таблиці 2.

Таблиця 2.  Характеристики індексів взаємозамінності горючих газів за методом Вівера

Аналіз отриманих даних за допомогою методу  взаємозамінності Вівера показує, що  перехід з природного газу на суміш природного газу і водню у промислових і комунально-побутових паливоспалювальних установках призводить до  наступних небажаних явищ, що виникають у процесі горіння:

• зменшенню теплової потужності пальника і газоспалювального агрегату у разі збільшення частки водню у суміші вище 10% об. і вище;
• протікання процесу горіння при завищених коефіцієнтах надлишку повітря, що буде супроводжуватись зменшенням ККД газоспалювальної установки і схильністю пальників без попереднього змішування з повітрям до відриву полум’я ( у разі збільшення частки водню у суміші до 20% об. і більше);
• проскоку полум’я в корпус пальників попереднього змішування, що супроводжується аварійною ситуацією з погасанням факелу (у разі збільшення частки водню у суміші до 20% об. і більше).

Таким чином, за вищезазначеними критеріями і шкідливими  явищами, що супроводжують процес горіння, природний газ і відповідні суміші його з воднем є невзаємозамінними.

У такому разі, переведення газопальникових пристроїв з природного газу на  суміш його з воднем повинно супроводжуватись обов’язковою реконструкцією газоспалювальної установки, тягодуттьових пристроїв, стабілізаторів горіння і режимів роботи  пальників.

У той же час, за критеріями неповного згорання і жовтих проблисків полум’я, добавка водню до природного газу не призводить до явищ, що погіршують параметри процесів горіння.

Таким чином, існуючі, добре досліджені і висвітлені в нормативній літературі методи оцінки взаємозамінності Кноу, Даттона і Вівера  дають можливість детально розглянути наслідки, що виникають при заміні одних видів горючих газів іншими. Використання таких методів, на нашу думку, є  обов’язковим при розгляді можливості  спалювання природного газу з воднем, як альтернатива природному газу.

Оцінка взаємозамінності газів за іншими  існуючими методами (критеріями АГА і Дельбурга) буде розглянуто у наступній, заключній, частині статті.

Література

1. ДСТУ ISO 13686:2015. Природний газ. Показники якості.
2. Knoy, M, F, Graphic Approach to the Problem of Interchangeability, A.G.A. Proc. 1953, pp 938-47][Knoy, Frank, Combustion Experiments with Liquefied Petroleum Gases, Gas, vol. 17, p. 14-19, June 1941.
3. Briggs T. The combustion and interchangeability of natural gas on domestic burners. Ind Eng Lett 2014;4:67–87.
4. Dutton B.C., A New Dimensionto Gas Interchangeability, Communication 1246, TheInstitute of Gas Engineers, 50th Autumn Meeting, 1984.
5. Lander D. UK situation regarding gas quality. Present to Marcogaz gas qual WG 28th June 2002; 2002.
6. International Gas Union, BP International Company, GL Industrial Services UK. Guidebook to Gas Interchangeability and Gas Quality; 2011.
7. Lander D. UK situation regarding gas quality. Present to Marcogaz gas qual WG 28th June 2002; 2002.
8. Ortíz JM. Fundamentos de la Intercambiabilidad del Gas Natural. Ciencia 2014:6–15.
9. Ferguson DH. Fuel interchangeability considerations for gas turbine combustion. In: Fall 2007 east states sect meet combust inst, Charlottesville, Virginia. Pittsburgh (PA): Combustion Institute; 2007. p. 1–10.
10. Halchuk-Harrington R, Wilson RD. AGA bulletin #36 and weaver interchangeability methods: yesterday’s research and today’s challenges. In: 2006 Oper sect proc – gas assoc Boston, MA, United States; 2–4 May, 2006. p. 802–823.

В Україні газифікацією можуть похвалитися далеко не всі регіони. У багатьох районах немає газопроводу, електроенергія подається з частими перебоями. В таких умовах для комфортної обстановки будинку оптимальним рішенням буде установка твердопаливного котла. Це металевий опалювальний пристрій, що виробляє теплову енергію за рахунок спалювання твердих видів палива. Його експлуатація відрізняється від електричних і газових котлів:

1. Всі стандартні сталеві і чавунні котли з об’ємним горінням палива забезпечують свій паспортний ККД в режимі максимального горіння. Так як потужність котла вибирається згідно пікових тепловтрат, а вони припадають лише на незначний період опалювального сезону, то маємо ситуацію, коли котел більшу частину опалювального сезону працює в режимі неповної потужності. Потужність не рекомендується знижувати менше, ніж на 50-60%, що призводить до перевитрати палива, засмічення топки і димаря.
2. Необхідність періодичного дозавантаження палива в котел. Більшість стандартних котлів мають невеликі за обсягом камери згоряння, тому закладка палива (знову ж, стосується дров) перегорає за 2-3 години. Кам’яне вугілля перегорає набагато довше, однак коштує дорожче, тому деревина лідирує за популярністю.
3. На сьогодні більшість систем опалення проектуються закритими, з примусовою циркуляцією теплоносія. Небезпека експлуатації підвищується. При перебоях електрики може зупинитися циркуляційний насос або закипіти теплоносій.

Тобто безпечна, комфортна і економічна експлуатація – ось для чого потрібен теплоаккумулятор в системі опалення. Буфер або теплоаккумулятор для твердопаливного котла являє собою не емальовану металеву теплоізольовану ємність з приєднувальними патрубками контурів опалювальної системи і котла.

Буферна ємність для твердопаливного котла при максимальній потужності роботи акумулює тепло, а потім у міру необхідності випускає його в опалювальну систему. 1 і 2 відмінності експлуатації таким чином повністю згладжуються, оскільки тепло не губиться, і паливо згорає ефективно. Вкрай важливо правильно провести розрахунок буферної ємності.

Сьогодні можна побачити безліч методик розрахунку баків-акумуляторів. Наприклад, 25 або 50 літрів об’єму бака на 1 кВт потужності котла. Однак офіційні дані не включають ні температурний режим опалювальної системи, ні використовуване паливо в котлах, а, найголовніше, немає визначення функції бака – акумулювання тепла чи інші цілі.
Отже, маємо невеликий житловий будинок з опалювальною площею 150 кв.м. Розрахункові тепловтрати 10 кВт (утеплення відповідно до сучасних норм). Опалення радіаторне, температурний режим 70/50. Маємо стандартний твердопаливний котел – чавунний Demrad Solidmaster 5S з тепловою потужністю на дровах 23 кВт. Обсяг топки 70 літрів, кількість завантажених дров з урахуванням щільності дубових дров 600 кг на 1 куб.м. і коефіцієнта закладання палива 0,5 становить: 70 х 0,6 х 0,5 = 21 кг. Теплотворна здатність деревини (сухий дуб) з урахуванням ККД котла становить 3 кВт на 1 кг. Таким чином разова закладка палива видасть 21х3 = 63 кВт. Закладка палива згорить за 63/23 = 2,7 години, округлимо до 3-х годин.

При потребі в теплі 10 кВт (пікові тепловтрати) з 23 кВт номінальної потужності 10 кВт передається в систему, а 13 кВт необхідно запасти. За 3 години роботи закладки система споживе 10х3 = 30 кВт, а запасе 13х3 = 39 кВт, які система буде споживати після прогорання закладки ще протягом 39/10 = 3,9, тобто майже 4 години. При використанні теплоаккумулятора закладки палива вистачить на 3 + 4 = 7 годин безперервної роботи.

Щоб запасти 39 кВт тепла необхідно розрахувати обсяг бака з урахуванням температурного режиму системи. Температура в теплоаккумуляторі не може перевищувати + 95С, а температура подачі на систему +70. Маємо запас по температурі 95-70 = 25С.

Обсяг теплоаккумулятора = 39000 Вт/ (1,163х25) = 1334 литри. Дане значення є мінімально необхідним. Його можна округлити до 1500 літрів.

При підвищенні зовнішньої температури і відповідно зменшенні потреби в теплі час роботи від зарядки теплоаккумулятора збільшується. Так як при температурах зовнішнього повітря 22С і 0С значення тепловтрат відрізняються в 2 рази, то, відповідно, при околонулевій температурі запасу тепла вистачить на 7х2 = 14 годин.

При нульових температурах потреба в теплі складе близько 5 кВт. Тоді бак буде запасати (23-5) х 3 = 54 кВт тепла, якого достатньо для забезпечення теплом протягом 54/5 = 10-11 годин. Збільшується потужність, що запасається і збільшується запас температур.

Система опалення з буферною ємністю для правильного функціонування вимагає:

1. Розрахунок кількості тепла для запасу потужності в залежності від тривалості роботи.
2. Визначення температурного графіка системи опалення.
3. Визначення рівня тепловтрат приміщення.

Необхідно розрахувати обсяг буферної ємності, грунтуючись на цих трьох пунктах. Тому що потужність власне котла підбирається саме під обсяг буфера, а не під тепловтрати. Заряджатися до дворазового запасу потужності буфер при правильній схемі повинен за одну-дві протопки котла.

У нашому випадку котел потужністю 23 кВт забезпечить початковий нагрів акумулятора (при кімнатній температурі теплоносія) за (1500х (95-20) х1,163) / 23000 = 5,5 годин, тобто майже за 2 протопки. Надалі, під час експлуатації нижня температура теплоносія навряд чи буде опускатися нижче 40С, і тому нагрів бака буде відбуватися за одну-півтори протопки, що повністю задовольняє зазначені вимоги.

Таким чином наш котел працює з максимальним ККД протягом усього опалювального сезону і забезпечує цілком комфортні умови експлуатації з часом роботи разового завантаження котла від 7 до 14 годин. На обличчя виконання тепловим акумулятором своїх функцій в повному обсязі.

Накопичувальний бак з функцією “буферна ємність” має на увазі, як правило, захист твердопаливного котла від аварій, пов’язаних з закипанням теплоносія. Буферна ємність має різні варіанти монтажу в опалювальні системи.

Відповідний варіант установки підбирається індивідуально в залежності від схеми будинку і інших чинників. Можливо вмонтувати буферну ємність послідовно котел-бак-система опалення як теплоаккумулятор. Також можна підключити котел безпосередньо до системи опалення, тоді тепло буде накопичуватися в буфері через клапани, що перемикаються.

Буфери також служать для зменшення частоти включення і виключення (тактованія) пальникового пристрою котла.

Що стосується розрахунку обсягу буферних баків, то можна зустріти 2 варіанти:

• Так само, як і з акумуляторами тепла, певна кількість теплоносія на 1 кВт потужності котла.
• Формула розрахунку, яка наводиться в документації на більшість іноземних котлів:

Обсяг буфера = 15 х Н х Qк х (1-0,3 х (Qп/Qхв), де:

Н – час горіння котла при номінальній потужності, г.

Qк – номінальна теплова потужність котла, кВт.

Qп – тепловтрати опалювального приміщення. кВт.

Qмин – мінімальна теплова потужність котла. кВт.

Приклад. Той же твердопаливний котел Demrad Solidmaster 5S з потужністю на дровах 23 кВт. Час горіння закладки 3 години. Мінімальну потужність котла з урахуванням незначного діапазону регулювання приймемо за 20 кВт. Тепловтрати приміщення 20 кВт, тобто котел підібраний акурат в номінал. Маємо наступний розрахунок:

Обсяг буфера = 15 х 3 х 23 х (1-0,3 х (20/20)) = 724 літри. Округлимо до 750 літрів.

Формула дозволяє розрахувати захист від закипання, оскільки враховує потужність котла і тривалість горіння закладки в максимальному режимі.

Розглянуті приклади дають визначення основних параметрів вибору необхідного обсягу бака і пояснюють, за якими принципами його розраховують. Перед установкою даного типу теплового обладнання слід детально вивчити всі чинники і умови його експлуатації.

В умовах щорічних підвищень розцінок на газове опалення популярність твердопаливних котлів зростає. Особливо актуальні вони для сільської місцевості, де вигідніше опалювати приміщення дровами, ніж оплачувати непомірні рахунки за газ.

Проводять промислові та побутові твердопаливні котли. У промислових подача палива відбувається автоматично, в побутових робиться вручну.

До вибору опалювальної техніки підходять системно, враховуються три групи технічних факторів для створення максимально комфортної обстановки в будинку:

• Перша група – характеристики опалювальних котлів, що визначають показники ефективності спалювання певного виду палива (кам’яне вугілля, деревина, брикет, різні відходи), тобто ККД котла, від якого залежить обсяг витрат палива.
• Друга група – параметри конструкції котла, тобто якість металу або чавуну, з яких виготовлені корпус і теплообмінні поверхні котла (якість зварних швів, якість лиття чавунних секцій), а також наявність певних елементів безпеки (автоматика, змійовик охолодження).
• Третя група характеристик твердопаливних котлів – експлуатаційні параметри, тобто комфортність і зручність для користувача.

Від параметрів експлуатації залежить, наскільки легко налаштовувати і управляти котлом, чистити його і обслуговувати. До третьої групи належить найважливіший фактор для побутових котлів твердого палива: тривалість горіння закладки палива, як часто потрібно буде його подавати.

Ідеальні котли, тобто мають в наявності всі зазначені вище переваги (високий ККД, якісна компоновка і зручність користування), на опалювальному ринку представлені досить незначно, до того ж вартість їх часто не по кишені більшості споживачів. Тому, в процесі вибору необхідної моделі твердопаливного котла найчастіше вибирається компромісний варіант, при якому робиться наголос саме на комфортність експлуатації.

На час горіння твердопаливного котла впливають:

1. Обсяг камери згоряння. Цілком логічний параметр, оскільки чим більший об’єм топки, тим, відповідно більший обсяг вміщається палива, що вміщується. Крім цього, на комфорт експлуатації впливають геометричні розміри камери згоряння, особливо для спалювання деревини. Куди практичніше і швидше подавати великі поліна, а не дрібні шматки дерева. Важливий і сам тип камери згоряння: верхнього, нижнього або об’ємного горіння.
2. Вид і якість палива. Сюди відносяться: теплотворна здатність, вологість, насипна щільність кожного виду палива. Крім цього, для кам’яного вугілля враховується розмір фракції, а для дров – розмір деревних полін.

Вугільне паливо має високу теплотворну здатність (в середньому 5500-6000 ккал на кг.) та насипну щільність (800 кг 1 куб.м.). Деревина, в свою чергу, має менший рівень теплоутворення (в середньому 3500 ккал на 1 кг) і щільності (550-600 кг на 1 м.куб.). Очевидно, що в один і той же завантажувальний об’єм вміщається більша кількість вугілля, ніж дров, і таке вугілля буде горіти довше, ніж аналогічна закладка дерева.

Власне, тривалість горіння палива розраховується просто:

1. Визначається корисна теплова потужність котла (паспортні дані, з урахуванням ККД).
2. Визначається обсяг завантажувальної камери (цифра з паспортних даних або добуток висоти, ширини і глибини топки).
3. Визначається тип використовуваного палива і, відповідно, кількість палива, що вміщається в топковий об’єм (з урахуванням щільності палива і коефіцієнта укладання палива)
4. Розраховується кількість теплової енергії, яку можливо “витягти” з завантаженого палива.
5. Розрахована кількість теплової енергії з закладки ділитися на номінальну потужність котла. Отримана цифра – тривалість горіння закладки при номінальній потужності.

Приклад. Твердопаливний котел Колві Eurotherm КСТ-12. Теплова потужність 12 кВт. Вид палива – сухі дубові дрова. Обсяг камери згоряння 33 літра (0,033 м.куб). ККД даного котла на деревині становить 70%.

Щільність сухого дуба – 650 кг на 1 м.куб. Відповідно, при топочном обсязі 0,033 м.куб теоретично можлива місткість топки становить 650х0,033 = 21 кг дров. Однак, ми розуміємо, що фактичний обсяг заповнення буде на порядок меншим, оскільки завантажені дрова матимуть певну кількість зазорів між собою і стінками топки. Тому, для деревини застосовують такий показник, як коефіцієнт укладання. Даний параметр досить умовний і може варіюватися в межах 0,35-0,5. Для даного прикладу візьмемо середнє значення 0,4.

Таким чином, з урахуванням коефіцієнта укладання кількість дубових дров: 21х0,4 = 8 кг, що є цілком реальним показником.

Далі обчислюємо теплотворну здатність закладки: 8х4200 ккал = 33600 ккал, або 39 квт. З урахуванням ККД котла дана закладка видасть 39х0,7 = 27 квт.

Тепер обчислюємо тривалість горіння закладки: 27 квт / 12 квт = 2,25 години.

Неможливо врахувати з абсолютною точністю всі фактори. Даний розрахунок дає орієнтовні показники, у формулі зазначена номінальна потужність котла з максимальними тепловтратами.

Рівень потужності опалення залежить від температури зовні. Якщо знизити інтенсивність, збільшиться час горіння закладки палива. Не рекомендується знижувати потужність котла менше половини. При тлінні відбувається втрата тепла, оскільки паливо не догорає, утворюється конденсат і засмічується топка котла.

На сухих дубових дровах котел Колві Eurotherm КСТ-12 в залежності від обраної потужності може працювати 2 – 4 години. За таким же принципом обчислюється час роботи і інших твердопаливних котлів.

Колієнко А.Г., професор кафедри «Теплогазопостачання, вентиляції і теплоенергетики» Національного університету «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка».

Дослідження та розробки, що пов’язані з використанням водню у якості палива наразі є надзвичайно актуальними. Найбільш поширеною є ідея використання водню, як палива, у суміші з природним газом для забезпечення декарбонізації атмосфери та зменшення впливу на глобальні кліматичні зміни шляхом скорочення викидів СО2 з продуктами згорання вуглеводневого палива. Збільшення концентрації водню у суміші з природним газом на кожні 10% дає можливість пропорційно зменшити коефіцієнт викидів СО2 в атмосферу приблизно на 10%.

При вивченні практичної можливості використання таких горючих сумішей, основним питанням є можлива і допустима частка водню у таких горючих газах – сумішах. Вирішення цього питання є компромісом між намаганням, з однієї сторони, збільшити частку водню, як замінника природного газу, а з іншої – забезпечити основні принципи безпеки і ефективності використання сумішевого газу, а також мінімізації інвестицій, які необхідні для переходу газоспалювальних і топкових пристроїв з чистого природного газу, для якого вони були призначені, на горючу суміш природного газу і водню.

Важко розділити точку зору деяких авторів [1], які стверджують про реальність і високу ефективність заміни природного газу водневими сумішами з умістом водню 50% і вище в газових та побутових приладах. Критерії, які вибирають автори для обґрунтування доцільності такого вибору, не корелюють з нормованими критеріями взаємозамінності, в основу яких покладено забезпечення сталої теплової потужності газових приладів, режимів їх роботи і принципів убезпечення від шкідливих явищ проскоку, відриву полум’я та неповноти згорання палива.

Для класичної теорії і практики спалювання горючого газу питання взаємозамінності двох різних горючих газів не є новим. У різних країнах до цього питання приходили тоді, коли виникала альтернатива використання основного горючого газу, наприклад природного. Такою альтернативною міг бути біогаз, генераторний газ, нафто заводський газ, скраплений пропан-бутан, скраплений природний газ (LNG) і інші горючі гази та їх суміші. Такою альтернативою може бути також водень, або горючі суміші водню із іншими газами. На території нафтопереробних заводів, наприклад, існує практика використання нафто заводського газу з високим умістом водню в суміші з природним газом, як палива для нафтопереробних печей і установок нафтопереробки. Для комунально-побутових споживачів в Україні природний газ був і є основним і безальтернативним видом палива. Тому, нормування взаємозамінності різних газів відображено в чинному вітчизняному законодавстві не на належному рівні.

Звернемось до вимог нормативної документації, чинної в Україні, з питання щодо якості горючого газу і можливості його взаємозамінності. Під взаємозамінністю будемо розуміти можливість сталої, ефективної і безпечної роботи газоспалювального обладнання при заміні одного горючого газу іншим без внесення будь-яких змін в конструкцію пальника і іншого обладнання паливовикористовуючої установки (ПВУ), а також без зміни режиму роботи і налаштувань роботи такого обладнання.

Таким чином, лише для категорії взаємозамінних газів існує можливість безперешкодного і неодноразового переходу у часі з одного горючого газу або суміші газів, – на інший горючий газ із збереженням (або незначними допустимими змінами) наступних характеристик процесу горіння:

• теплової потужності паливоспалювального агрегату, N, кВт;
• ефективності або коефіцієнту корисної дії роботи агрегату, ƞ, %;
• умов порушення стабільної роботи газопальникового пристрою у вигляді небажаного явища проскоку полум’я у корпус пальника, Х пр.,% об. горючого у суміші з повітрям (окиснювачем);
• умов порушення стабільної роботи газопальникового пристрою у вигляді небажаного явища відриву полум’я від зрізу пальника і його погасання, Х в.,% об. горючого у суміші з повітрям (окиснювачем);
• повноти згорання палива (забезпечення певної концентрації продуктів хімічного недопалу палива у продуктах згорання), мг/ м3, або % об. продуктів хімічного недопалу;
• умов виникнення жовтих проблисків полум’я, що свідчить про процес утворення сажистих частинок в полум’ї з причин недостатньої кількості повітря на горіння (загального або первинного повітря).

З практики спалювання горючих газів відомо, що стійке і ефективне згорання газу у потоку – це процес, який суттєво залежить від режимних параметрів організації такого процесу. До таких параметрів відносяться: витрати газу і повітря для його окиснення, у тому числі первинного повітря (для інжекційних пальників комунально-побутових приладів), співвідношення між кількістю повітря і теоретичною потребою у ньому, яке називають коефіцієнтом надлишку повітря, α; тепловим навантаженням на газоспалювальний агрегат, N, кВт; швидкості подачі газу і повітря та ін.

Власне стійке положення фронту полум’я на зрізі пальника і відсутність таких шкідливих явищ як проскок і відрив полум’я є результатом хиткої тотожністі величин швидкості розповсюдження (поширення) полум’я і швидкості газоповітряної суміші на виході із пальника. Стійкість фронту полум’я, відсутність явищ відриву і проскоку залежить від горючих властивостей, ефективності процесів стабілізації факелу і теплового навантаження пальника. Тому, склад газу і його горючі фізико-хімічні властивості мають значний вплив на можливість взаємозамінності горючих газів і на сам процес горіння.

Відомо, що область ефективного і стабільного горіння обмежена зонами порушення стійкості факелу (проскоку або відриву полум’я) і неефективного горіння (утворення продуктів хімічного недопалу). На діаграмі (рис.1) в осях «теплова потужність,N кВт – кількість первинного повітря, α1» розташування цих зон виглядає наступним чином:

Рис.1. Діаграма американської газової асоціації (AGA) ефективного згорання газу: 1-зона проскоку полум’я; 2-зона відриву полум’я; 3- зона утворення жовтих проблисків полум’я; 4-зона утворення продуктів хімічного недопалу; 5- зона стабільного і ефективного згорання газу [2].

На іншій діаграмі (рис.2), уже в координатах «швидкість газоповітряної суміші на виході із пальника – коефіцієнт надлишку первинного повітря α1», область стабільного і ефективного горіння також жорстко обмежена зонами відриву, проскоку, утворення продуктів хімічного недопалу і жовтих проблисків полум’я. Швидкість газоповітряної суміші опосередковано характеризує величини витрат газу і теплової потужністі пальника.

Рис.2. Діаграма ефективної роботи газового пальника [3].

Тому, при вирішенні питання про можливість взаємозамінності двох газів – основного, для якого запроектована робота пальника та паливоспалювальної установки, і альтернативного, який повинен замінити основний, важливо забезпечити стійку і ефективну роботу пальника і установки не лише без змін конструкції і режиму роботи установки, а й з дотриманням проектної (паспортної) величини коефіцієнта регулювання пальника [2]. Таким чином, високоефективна і стабільна робота пальника повинна бути забезпечена в усьому діапазоні регулювання його потужності від мінімальної до максимальної, що зазначені у паспортних характеристиках.

Згідно чинного ЕN 437: 2003. «Тest gases.-Test pressures.-Appliance categjries». (в Україні – ДСТУ ГОСТ EN 437:2014, «Випробувальні гази. Випробувальний тиск. Категорії приладів») усі види горючих мережних газів, котрі подаються споживачам, класифікуються за різними категоріями (Gas family): першою другою і третьою; а також за різними групами (Group), наприклад: H, L, E. Кожна категорія, включає гази, котрі об’єднані в групи – вони мають аналогічні характеристики горіння і об’єднані по принципу тотожності у певному діапазоні величини (числа), що називають індексом Воббе.

Такий усталений діапазон індекса Воббе для різних газів, об’єднаних в одну групу, означає, що газові прилади, які використовують різні горючі гази у межах однієї групи (наприклад групи L) будуть ефективно і безпечно 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.

На території України характерним є використання в основному горючого (природного газу) другої категорії групи L або Е. Згідно вимог ДСТУ ГОСТ EN 437:2014, індекс Воббе за нижчою теплотою згорання для газів групи L повинен мати значення від мінімального 39,1 МДж/м3 до максимального 44,8 МДж/м3 (приведених до умов: температура 15oC , тиск 1013,25 мбар ). Виходячи із аналітичного виразу для визначення індексу Воббе теплота згорання такого газу повинна приблизно бути у межах від 34 до 54,6 МДж/м3. Газове обладнання на території України випускається, постачається і експлуатується саме для такої категорії газів.

Визначення індекса Воббе виконується згідно залежності:

де Hi – нижча теплота згорання горючого газу , МДж/м3 ;
d – відносна щільність горючого газу;
ρг, ρпов, – щільність горючого газу і повітря на горіння за однакових умов, кг/м3;

Тотожність (точна або приблизна) одного із індексів взаємозамінності – індексу Воббе для двох газів означає те, що теплова потужність паливоспалювальної установки при переході з одного виду газу на інший не буде суттєво змінюватись. Це гарантує отримання однакової кількості енергії від установки при переході з одного газу на інший.

Згідно вимог ДСТУ ГОСТ EN 437:2014 для ефективної і безпечної експлуатації газовикористовуючого обладнання, що надходить споживачам, повинно пройти випробування шляхом спалювання певних випробувальних газів, кожен із яких за своїм складом є критичним с точки зору забезпечення зазначених вище характеристик роботи обладнання. Таким чином, індекс Воббе є не єдиним критерієм взаємозамінності газів. Тотожність індексу Воббе для двох газів є необхідною, але не достатньою умовою для забезпечення взаємозамінності газів.

Так, наприклад, для горючих газів, що об’єднані групами L і E такими випробувальними газами для виробників газового обладнання є такі:

Таблиця 1. Тип, склад і характристики випробувальних газів

Як видно із таблиці 1 для випробування газового обладнання на наявність проскоку пропонується газова суміш з умістом водню до 23%. Таким чином, уміст водню у 23% суміші з природним газом згідно з вимогами ДСТУ ГОСТ EN 437:2014 є критичним з точки зору втрати стабільності факелу і виникнення явища проскоку полум’я. І це важливо для теми, котра розглядається у цій статті.

З точки зору практичного застосування, ДСТУ не став в Україні основним документом, котрий визначає якість газу або критерії його взаємозамінності. На відміну від інших країн ЄС цей документ не адаптований повністю до умов українського газового ринку.

Навіть на сайті групи Нафтогаз України https://www.naftogaz.com/www/3/nakweb.nsf/0/04FF98894B956A3FC2257F5000428F98?OpenDocument при висвітленні питання про якість газу апелюють не до ДСТУ EN, а до ГОСТ 5542-87 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия».

Цей багатостраждальний для України норматив радянського, а потім російського походження відмінявся, а потім його дія була поновлена.

Згідно з цим ГОСТом, із зазначених вище критеріїв взаємозамінності, чинним є лише один – критерій Воббе. Він повинен становити для мережевого природного газу 41,2 – 54,5 МДж/м3 (у перерахунку на температуру 20oC), а допустиме відхилення цього критерія від номінального значення (встановленого угодою на постачання газу) для різних природних газів повинно становити не більше 5%, як в більшу так і в меншу сторону від номінальної величини. Таким чином, забезпечується вимога сталої теплової потужності газоспалювального агрегату при переході з одного виду газу на інший. Інші вимоги щодо взаємозамінності газів у цьому документі відсутні.

Теплота згорання газу, котрий дозволено постачати промисловим і комунально-побутовим споживачам, повинна становити не менше 31,8 МДж/м3. Концентраційні межі спалахування газу у суміші з повітрям повинні лежати у межах чисел: нижня межа спалахування – близько 5% об, верхня – близько 15% об. Для порівняння – для водню нижча теплота згорання становить 10,785 МДж/м3, а межі спалахування – 4% і 75%.

Таким чином, ГОСТ 5542-87 жорстко обмежує можливість постачання горючих газів лише одим видом – природним газом, що власне і відображається у назві ГОСТ.

Ще одним документом, у якому згадуються норми якості і фізико-хімічні показники природного газу є Кодекс газотранспортної системи, який був створений Національною комісією, що здійснює державне регулювання у сфері енергетики та комунальних послуг ( НКРЕКП) 30.09.2015 р. Постанова № 2493. Для природного газу, що подається у газотранспортну систему, згідно цього документу, уміст метану повинен становити не менше 90% об., етану – не більше 7% об., пропану – не більше 3% об., нижча теплота згорання повинна лежати у межах 32,66 – 34,54 МДж/м3, а до числа параметрів, які повинні контролюватись відноситься і число Воббе без зазначення меж відхилення цього числа від номінальних значень.

І врешті решт, ще один документ, що визначає порядок доступу до газотранспортної системи (ГТС) України – Наказ НАК Нафтогаз від 26.03.2001 №79 «Порядок доступу до газотранспортної системи». Згідно з цим документом природний газ, що видобувається на території України та передається до ГТС та до газорозподільних мереж (ГРМ), повинен відповідати технічним вимогам ТУ У 320.001.58764-007-95 “Гази горючі природні, що подаються в магістральні газопроводи” та ТУ У 320.001.58764- 008-95 “Гази горючі природні, що подаються з родовищ в промислові газопроводи та окремим споживачам” та ГОСТ 5542-87.

Згідно ТУ У 320. 00158764. 007 – 95 горючі гази, які видобуваються на території України і реалізуються споживачу з використанням магістральних газопроводів повинні мати теплоту згорання не менше 32,5 МДж/м3.

Показники взаємозамінності різних газів у цьому документі немає. У документі йдеться виключно про природний газ.

Таким чином, існуючою і чинною в Україні основною нормативною документацією не передбачається використання в газотранспортній системі і газорозподільних мережах для промислових і комунально-побутових споживачів іншого горючого газу, ніж природний газ з теплотою згорання, яка нормується різними документами у різних межах, але мінімальна величина нижчої теплоти згорання такого газу повинна бути не менше 31,8 МДж/м3.

При цьому важливо відмітити, що водень, як горючий газ має різко відмінні характеристики від основного і єдиного легітимного згідно нормативів України горючого газу – природного.

Нижче, у табл.2 наведено порівняння фізико-хімічних властивостей метану, як основного горючого компоненту природного газу, і водню. В першу чергу вибирались горючі характеристики цих двох газів.

Таблиця 2. Деякі горючі характеристики метану, СН4 і водню, Н2 ( t=20oC), [4]

Як свідчать дані таблиці, відмінність у горючих характеристиках метану і водню надзвичайно велика, що спричиняє повну відсутність їх взаємозамінності навіть без розгляду спеціальних критеріїв. Витрати повітря для повного згорання і об’єм продуктів згорання відрізняються у 4 рази, швидкість розповсюдження полум’я – у 7 разів, кількість первинного повітря, яка гарантує горіння без проскоку відрізняється у 4 рази.

Порівняння індексів взаємозамінності Воббе для метану і водню підтверджує факт неможливості переведення пальників на природному газі на водень – відмінність індекса Воббе для цих газів становить 15%, що у 3 рази перевищує нормовану величину 5%. Забезпечити перехід роботи пальника з природного газу на водень без змін у конструкції пальника і без втрати теплової потужності установки неможливо.

Про інші нормативні індекси взаємозамінності, у тому числі ті, що визначають безпеку використання горючого газу, поки що мови не ведемо. Це предмет розгляду другої частини статті.

Таким чином, надзвичайної актуальності набуває питання про використання не чистого водню, а суміші водню і природного газу і про допустимий уміст водню у такій горючій суміші для можливості безперешкодного переходу роботи пальників з природного газу на газ, що містить водень.

Для суміші природного газу і водню було виконано розрахунки основних горючих характеристик за умови різного умісту водню у суміші. Результати розрахунків подано у таблиці 3 на рисунках 3…5.

Таблиця 3. Горючі характеристики суміші природного газу і водню

Рис.3. Коефіцієнт надлишку повітря на нижній і верхній межах спалахування

Рис.4. Уміст горючого газу на нижній і верхній межах спалахування

Збільшення концентрації водню у складі суміші газів призводить до розширення діапазону між нижньою і верхньою межею горіння, і ускладнює стабільний процес горіння без проскоку та відриву полум’я у пальнику. Суміш газу стає горючою у більш широкому діапазоні концентрацій.

Рис.5. Швидкість газоповітряної суміші у пальнику, при якій відбувається проскок полум’я.

Як видно із даних табл. 3 нормативна вимога про досягнення допустимих змін індекса Воббе для природного газу, що замінюється і газу замінника ( суміші природного газу і водню) не дотримується уже для суміші з об’ємним умістом водню 20-25%. Таким чином, забезпечити перехід роботи пальника з природного газу на горючу суміш з умістом водню більше за 20-25% без внесення змін в конструкцію пальника і режим його роботи, а також конструкцію і режим роботи тяго-дуттьових пристроїв установки неможливо з міркувань забезпечення сталості теплової потужності і оптимальних параметрів роботи установки.

Вплив інших факторів на роботу пальника у разі заміни горючих газів (безпеки і ефективності спалювання газу) розглянемо після розгляду інших індексів – критеріїв взаємозамінності, прийнятих в міжнародних нормативах ДСТУ ISO 13686: 2015. Природний газ. Показники якості.

Заміна одного горючого газу іншим на існуючому газоспалювальному обладнанні є складним інженерним процесом, який потребує детального і уважного розгляду. Питання зводиться до безпеки і ефективності використання горючого газу.

Але, крім цього, є ще одна складова цього питання. Це зміна характеру теплообміну у топкових пристроях, які будуть працювати на газах – замінниках з підвищенним умістом водню.
Об’єм і cклад продуктів згорання при внесенні водню до горючої суміші буде змінюватись (див. табл.3), а інакше сама задача використання водню не має сенсу. Так наприклад, при переході на спалювання суміші з умістом водню до 30% об. об’єм продуктів згорання зменшується з 11,95 м3/м3 до 7,59 м3/м3 з одночасним зменшенням умісту СО2 у складі продуктів згорання. Ці два фактори призведуть до погіршення теплообміну у топках теплогенеруючих агрегатів.

Проведені дослідження, що проведені автором при спалюванні нафто заводського газу на Кременчуцькому НПЗ із змінною складовою водню від 20% до 54% об. свідчать про те, що спалювання газів із значною кількістю водню призводить до кардинальних змін у роботі газопальникових пристроїв і масовому переходу їх роботи у режим проскоку полум’я. Змінюється також емісійна тепловіддача факелів і конвективний теплообмін на поверхнях нагрівання.

Критерієм відмінностей процесу теплообміну може бути співвідношення кількості карбону і гідрогену у елементарному складі горючого газу Cр/Нр, що впливає на емісійну тепловіддачу факелу (рис.6).

Рис.6. Вплив складу газу на емісійну тепловіддачу у топковому просторі

Зменшення відношення Ср / Нр призводить до скорочення кількості теплоти, яка сприймається екранними поверхнями нагрівання, збільшенню температури на виході із топки. Зазначене вище пояснюється впливом сажі, яка утворюється на проміжних стадіях горіння у факелі, на тепловіддачу випромінюванням.

На рис.7 показана залежність умісту водню у складі штучного газу на співвідношення Ср/ Нр.

Рис. 7. Вплив кількості водню у складі горючого газу на співвідношення Ср/ Нр у елементарному складі газу

Таким чином, використання горючих газів у вигляді суміші водню і природного газу, вимагає коригування існуючої методики теплового і аеродинамічного розрахунку котельних агрегатів і тепловикористовуючого обладнання нормативного методу, розробленого Всесоюзним теплотехнічним науково-дослідним інститутом (ВТІ) і Центральним котлотурбінним інститутом ( ЦКТІ) у 50 роках XX століття.

Одним із можливих способів спалювання різних газів в одних газопальникових пристроях, без суттєвої зміни їх конструкції і заміни іншого обладнання, що забезпечує роботу установки, є зміна тиску газу перед пальником. Для реалізації переходу з одного горючого газу на інший необхідно перейти на інший тиск горючого газу перед пальником та змінити встановлені режимні параметри його роботи. Крім того, необхідно, щоб дещо змінений варіант критерія взаємозамінності – розширений індекс Воббе для замінного газу і газозамінника не відрізнялись більше 5%. Розширений індекс Воббе, на відміну від простого, включає в себе тиск газу перед пальником і визначається згідно залежності [3]:

де Pi – тиск газу перед пальником, кПа.

Тиск газу, який необхідно підтримувати для забезпечення сталої теплової потужності агрегату при заміні, наприклад, природного газу з характеристиками P1, ρ1, H1 на суміш природного газу і водню з умістом водню до 30% і характеристиками P2, ρ2, H2 обчислюється згідно залежності:

Для комунально-побутових пристроїв номінальний паспортний тиск природного газу перед пальниками становить 1270 Па. Підтримання сталої теплової потужності при переході на спалювання газової суміші із умістом водню, наприклад, 30% об. потребує згідно наведеної залежності збільшення цього тиску до 1500 Па. А для горючої суміші з часткою водню у 50%, що рекомендується у роботі [1] тиск перед пальником повинен становити уже 1700 Па. Це буде вимагати корінних змін у роботі газорозподільних мереж і газорегуляторних пунктів.

Таким чином, забезпечення взаємозамінності природного газу і його суміші із значним ( більшим за 20…25% об.) умістом водню без внесення змін в конструкцію і режим роботи пальника і газоспалювалювальної установки є проблематичним.

Досягти практичної можливості використання газоспалювальних установок, що призначені для природного газу на горючих сумішах його з воднем у кількості, що перевищує 20… 25%, можна лише за умови зміни конструкції пальника і зміни тиску горючого газу перед пальником.

Для інжекційних пальників низького тиску побутових газових приладів для цього необхідно змінити як діаметр сопла, так і тиск газу у газопроводах розподільних мереж, забезпечити технічну можливість фіксації небезпечної концентрації у газифікованих приміщеннях витоків газу із більш широкими межами спалахування.

Зміна діаметру сопла інжекційного пальника забезпечить інжекцію потрібної кількості первинного повітря на горіння до корпусу пальника, що гарантуватиме відсутність проскоку полум’я при роботі на горючій суміші з умістом водню. А зміна тиску газу перед пальником забезпечить сталу теплову потужність.

У разі використання дуттьових пальників – необхідна заміна конструкції пальників і їх стабілізаторів. При цьому, доцільне використання існуючого досвіду організації такого спалювання, що існує в Україні при спалюванні в промислових установках газів високо- і середньо температурної перегонки твердого і рідкого палива, а також біогазу[12].

За умови отримання в результаті таких розрахунків прийнятних для газорозподільних мереж і конструкції пальника змін безпечного спалювання горючої газової суміші із збереженням теплової потужності можна досягти за умови підтримання сталого умісту водню у суміші.

Висновок

Виконано огляд нормативної документації, яка регламентує якість горючого газу, що подається в газотранспортну систему і газові розподільні мережі в Україні. Виконано аналіз основних фізико-хімічних горючих характеристик, горючих сумішей природного газу і водню. Проведено експериментальні дослідження спалювання горючих нафто заводських газів із високим умістом водню в печах нафтопереробного заводу.

Результати виконаних робіт свідчать про можливість спалювання горючих сумішей водню з природним газом за умови дотримання критеріїв взаємозамінності газів. Такі критерії включають показники забезпечення сталої теплової потужності газоспалюючих установок, відсутності продуктів хімічного недопалу і утворення сажі, відсутності явищ проскоку і відриву полум’я. В статті до розгляду прийнято лише один критерій – простий і розширений індекс Воббе.

Уміст водню у горючій суміші обмежений такими змінами горючих характеристик палива, які призводять до неможливості переходу роботи пальників і газоспалювальних установок з природного газу на суміш газів без змін в конструкції пальників, тяго-дуттьових пристроїв, теплообмінних поверхонь установок, або в режимах їх роботи. Виходячи із одного із нормативних індексів взаємозамінності – індекса Воббе, граничним умістом водню у горючій суміші є концентрація водню, що не перевищує 20…25% об.

Експериментальні дослідження інжекційних пальників, встановлених на установках для спалювання нафто заводських газів з високим умістом водню свідчать про масовий перехід їх роботи у режим проскоку полум’я за умови збільшення концентрації водню вище 25% об. Це є результатом розширення діапазону між нижньою і верхньою межею горіння, а також значним збільшенням швидкості розповсюдження полум’я за умови збільшення умісту водню у горючій суміші.

Досягти практичної можливості використання газоспалювальних установок, що призначені для природного газу на горючих сумішах його з воднем у кількості, що перевищує 20…25%, можна лише за умови зміни конструкції пальника і зміни тиску горючого газу перед пальником. Необхідні розрахунки для таких змін можуть бути виконані на основі залежностей для визначення індекса взаємозамінності Воббе.

Використання газів з високим умістом водню вимагає перегляду нормативів з розрахунку теплообміну на поверхнях нагрівання теплогенеруючого обладнання. З огляду на вищезазначене, а також з урахуванням суттєвої небезпеки в умовах масової некваліфікованої експлуатації побутових газових приладів, висновки про можливість широкого застосування сумішей природного газу із значним умістом водню доцільно робити, можливо, після більш фундаментальних досліджень з урахуванням усіх факторів впливу і типу газопальникових пристроїв.

У другій частині статті буде розглянуто питання про взаємозамінність горючих газів виходячи не лише із критерія Воббе, а з урахуванням усіх індексів взаємозамінності, що регламентовано вимогами ДСТУ ISO 13686:2015. Природний газ. Показники якості.

Література

1. Сорока Б.С.,П’яних К.Є.,Згурський В.О.,Горупа В.В.,Кудрявцев В.С Енергетичні та екологічні характеристики побутових газових приладів при використанні метано-водневої суміші, як паливного газf.// Нафтогазова галузь України, № 6,- 2020;С. 3-14. -https://www.naftogaz.com/files/journal/Journal-Naftogazova-galuz-06-2020.pdf
2. Halchuk-Harrington, R. and Wilson, R.,AGA Bulletin#36 and Weaver Interchangeability Methods: Yesterday’s Research and Today’s Challenges, AGA Gas Operations Conference, May 2-4, 2006.
3. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Видгорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. –Л.:Недра, 1990.- 762 с.
4. ДСТУ ГОСТ EN 437:2018, Випробувальні гази. Випробувальний тиск. Категорії приладів. ДП «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості» (ДП «УкрНДНЦ»).-К.:2018.
5. ГОСТ 5542-87 « Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия».
6. Кодекс газотранспортної системи, Постанова Національної комісії, що здійснює державне регулювання у сфері енергетики та комунальних послуг № 2493 від 30.09.2015 р. -https://www.nerc.gov.ua/?id=18007.
7. Порядок доступу до газотранспортної системи. Наказ НАК Нафтогаз від 26.03.2001 №79». https://zakon.rada.gov.ua/rada/show/v0079376-01#Text
8. ТУ У 320.001.58764-007-95 “Гази горючі природні, що подаються в магістральні газопроводи” та
9. ТУ У 320.001.58764- 008-95 “Гази горючі природні, що подаються з родовищ в промислові газопроводи та окремим споживачам”
10. ДСТУ ISO 13686: 2015. Природний газ. Показники якості. (ISO 13686:2013, IDT). ДП «УкрНДНЦ»), 2016.
11. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативний метод). Под редакцией Гурвича А.М.-Л.: Государственное энергетическое издательство,1957.-232с.
12. Сигал И. Я. Особенности горения и опыт сжигания биогаза в промышленных котлах [Электронный ресурс] / Сигал И. Я., Марасин А. В. // 10-а міжнародна конференція ” Енергія біомаси”, Київ, 23-24 вересня 2014 р. – К., 2014.

Розвиток індивідуального будівництва, будівництво багатоповерхових житлових будинків, різних будівель і споруд комерційного призначення привели до необхідності використання для теплопостачання даних об’єктів транспортабельних котельних установок або стаціонарних котелень, що працюють, в основному, на природному газі і використовують в якості теплогенеруючих установок сучасних опалювальних котлів. Але, поряд з цим, на території України і країн колишнього СРСР велика кількість вже існуючого житлового фонду та промислових підприємств, побудованих в 50-80 ті роки минулого століття, застосовують для теплопостачання і приготування гарячої води котельне та насосне обладнання застарілого типу.

За даними Міністерства енергетики та вугільної промисловості України станом на березень 2021 року має бути проведена модернізація старих котлів кількістю не менше 21% або заміна котлів. При цьому як мінімум 25% котельного обладнання в Україні експлуатується більше 30 років. Ефективність багатьох даних котлів не перевищує 60-70%. Тут же відзначимо критичну ступінь фізичного зносу теплових мереж (за даними Міненерго і Асоціації «Укртеплокоммуненерго» станом на березень 2021 року не менше 35% всіх магістральних трубопроводів в Україні знаходяться в аварійному стані, а значення теплових втрат в них становить від 15 до 30% ) Безумовно те, що рішення даних проблем має проводитися в комплексі, однак в даній статті розглянемо питання, що стосуються саме теплогенеруючого котельного обладнання.

На території України, як і в країнах колишнього СРСР, функціонують 2 основних типи промислових газових (і твердопаливних) котлів, які характеризуються способом омивання продуктами горіння палива поверхонь нагріву: жаротрубні і водотрубні котли. У свою чергу, дані котли поділяються на водогрійні котли (нагрів теплоносія по різних температурних графіків, як приклад, 95/70˚С, 115/70 ˚С, 150/70 ˚С1) і парові котли, що застосовуються для виробництва насиченої або перегрітої пари .

Жаротрубні котли опалення являють собою циліндричну топкову камеру (жарову трубу), з розташованими навколо камери димогарними трубами, по яких циркулюють продукти горіння, забезпечуючи конвективний теплообмін. «Водяна сорочка» котла розташовується в просторі між димогарними трубами.

Види жаротрубних котлів

Існує 2 основних типи жаротрубних котлів:

1. Двоходові котли, або котли з реверсивною камерою згоряння, в яких першим ходом циркуляції продуктів горіння є власна топкова камера, а другим ходом – пучок димогарних труб.
2. Триходові котли – котли, в яких першим ходом є топкова камера, а другим і третім – 2 канали димогарних труб. Триходові котли, за рахунок більшої площі конвективних поверхонь теплообміну, мають більший рівень інтенсивності охолодження продуктів згоряння.

Жаротрубні котли сучасного типу мають ряд незаперечних переваг, таких як:

• Компактність конструкції за рахунок більш інтенсивного теплового потоку.
• Поставка котла в зборі у вигляді єдиного моноблока.
• Мінімальний гідравлічний опір (вимірюється в міллібарах), завдяки якому для циркуляції теплоносія через котел застосовується малопотужне насосне обладнання.
• Герметичність камери згоряння, яка дозволяє застосування дуттєвих пальників і, як наслідок, не робить обов’язковим застосування димососів.
• Невелика інерційність – швидке реагування на зміну теплового навантаження, що спрощує і оптимізує автоматизацію роботи даних котлів.
• Менше, на відміну від водотрубних котлів, витрати праці на виготовлення котлів.
• Відсутність необхідності в додатковій обмуровці.
• Загальне спрощення будівельно-монтажних робіт.

Досвід розробки жаротрубних котлів в СРСР показав, поряд з перевагами, ряд істотних недоліків, в основному і через помилки в проектуванні, що стало причиною прийняття рішення про відмову від їх виробництва на користь водотрубних котлів. Перші розроблені жаротрубні моделі мали низьке значення ККД, високу металоємність, обмеження в тепло- і паропродуктивності. Жарові труби не відрізнялися високою надійністю. Як показала практика, застосування Нормативного методу теплового розрахунку котельного теплоагрегату, актуального для водотрубних обладнання, для проектування жаротрубних котлів у багатьох випадках було некоректним.

Водотрубні парові і водогрійні котли були основним типом котлів, що виготовляються в СРСР. Дані котли, в залежності від модифікації, призначалися для спалювання природного газу або твердого палива (в основному – вугільного) Конструктивно водотрубні котли являють собою пучок великої кількості труб, які зводяться в один або кілька барабанів, які служать резервуарами для води або пари. Трубний пучок з барабаном розміщуються над топковою камерою. Усередині трубного пучка циркулює теплоносій. Встановлені в котельній камері перегородки забезпечують багаторазове проходження продуктів згорання палива через трубні пучки, що забезпечує якісну теплопередачу від продуктів горіння до теплоносія.

Так само в багатьох моделях водотрубних парових котлів передбачаються такі поверхні нагрівання, як радіаційні трубні екрани, теплообмін через які здійснюється не конвекцією, а випромінюванням. Теплоносій, що проходить через велику кількість екранних труб, перетворюється в пар.

Переваги водотрубних котлів опалення

Водотрубні котли мають ряд переваг, таких, як:

• Швидкість циркуляції теплоносія в трубних пучках – не менше 1 м / сек, що захищає труби котла від можливого скипання теплоносія і відкладення шламу.
• Відсутність жорстких вимог до якості теплоносія.
• Можливість нормального тривалого функціонування в форсованому режимі.
• Швидкість виходу роботи котла в номінальний режим.
• Повна вибухонебезпечність.
• Довговічність експлуатації.

Однак, крім позитивних характеристик, водотрубні котли так само мають і низку недоліків:

• Зазначена вище висока швидкість теплоносія призводить до високого гідравлічного опору даних котлів, що вимагає значно більш високих витрат електричної енергії на роботу циркуляційних насосів котлів.
• Складність конструкції котлів, велика кількість різних вузлів, що ускладнюють їх транспортування, монтаж і проведення ремонтних робіт.

Масовість виробництва водотрубних котлів в СРСР призвела до того, що на території України функціонує велика кількість котлів типу НІІСТУ, ДКВР, ПТВМ, КВГМ і інших аналогічних, які морально і фізично застаріли і потребують модернізації. Безумовно, дані котли свого часу виготовлялися у відповідності зі строгими вимогами тодішніх ГОСТів і багато хто з працюючих котлів відрізняються високою якістю котлових труб і зварних швів. Однак тривалий термін їх експлуатації вимагає постійного ремонту даних котлів, заміни трубних пучків, екранів, проведення обмурувальних робіт.

Модернізація котлів водотрубних

Якщо говорити саме про модернізацію котлів водотрубних, то тут, в першу чергу піднімається питання характеристик і безпеки роботи газопальникових пристроїв даних котлів, ступінь їх автоматизації і, як наслідок, екологічні параметри щодо викидів шкідливих речовин не відповідають сучасним нормативам. Досить поширеною практикою на сьогоднішній день є заміна застарілих пальників на сучасні газопальникові пристрої європейського виробництва. Група компаній «Українська Енергопромислова група» має досвід впровадження подібних рішень на базі горілчаного обладнання італійського виробництва CIBITAL UNIGAS.

Завод CIBITAL UNIGAS розробив спеціальні моделі газових пальників для водотрубних котлів. Однією з особливостей таких котлів є невелика глибина і значний обсяг топкового простору, що вимагає наявності у пальників короткого факела. Тому було прийнято рішення виготовляти дані пальники не з одним соплом, як в стандартних пальниках, а з чотирма короткофакельними вогневими патрубками. Подібне технічне рішення забезпечило якісне приготування і спалювання газоповітряної суміші, спростило пуско-налагоджувальні роботи, а найголовніше, забезпечило повну автоматизацію роботи котлів і модуляцію їх потужності в широкому діапазоні. Як наслідок, ККД котлів підвищувався мінімум на 10-15% Опціонально доступні моделі пальників UNIGAS з частотним регулюванням обертів двигуна (для економії електроенергії) і контролем вмісту кисню у вихідних газах (для додаткової економії газу і зменшення викидів шкідливих речовин).

Слід зазначити те, що установка сучасних газопальникових пристроїв актуальна не тільки в плані заміни пальників застарілого типу, але і при перекладі водотрубних котлів, що працюють на вугіллі. Залежно від поточного фізичного стану теплообмінних поверхонь таких котлів їх переклад на газове паливо тягне за собою збільшення ККД газового котла на 5-15%.

Що стосується жаротрубних котлів, то даний тип котельного обладнання почав масово впроваджуватися для теплопостачання об’єктів ЖКГ та промисловості з кінця 1990-х – початку 2000-х років в рамках реалізації проектів по децентралізації систем теплопостачання. Жаротрубні котли як українського, так і іноземного виробництва, які почали впроваджуватися вже не мали вище перерахованих недоліків, оскільки їх конструкції розроблялася кожним виробником на базі сучасних комп’ютерних програм. Практично кожен з великих виробників жаротрубних котлів вже мав власні науково-дослідні організації, основним завданням яких стало питання модернізації конструкції котлів ще на етапі їх проектування, а також розробка рекомендацій і вимог, що стосуються експлуатації котлів. Сюди відносять:

1. Збільшення коефіцієнта корисної дії котлів – вибір оптимальної площі поверхонь нагріву котлів, дослідження роботи котлів з додатковими утилізаторами тепла (економайзерами) від продуктів згоряння, а також визначення економічної ефективності і терміну окупності впровадження економайзерів.
2. Зменшення викидів шкідливих речовин в продуктах горіння – розрахунок конструкції топок жаротрубних котлів, використання спеціальних пальників з низьким рівнем викидів NOx.
3. Забезпечення максимального терміну служби котлів і експлуатації обладнання, збереження цілісності конструкцій жаротрубного моноблока – використання в котельних установок водоочистки (видалення солей жорсткості, заліза), сепараторів шламу і мікропухирців, видалення розчиненого кисню, підвищення рівня pH теплоносія та інше. Плюс регулярне технічне обслуговування.
4. Оптимізація габаритних розмірів котлів в цілому і окремих вузлів, а також їх матеріаломісткості. Так само як економічний аспект, а саме – зменшення собівартості виготовлення котлів при збереженні високих параметрів якості обладнання.
5. 5) Вибір оптимального рішення по використанню газопальникових пристроїв – підбір і визначення типорозмірів пальників, їх теплофізичних характеристик, циклічності їх роботи і необхідні функції. Сучасні газові пальники, при правильному їх виборі, мають тривалий ресурс експлуатації, а витрати на їх обслуговування – відносно невеликі.
6. Максимальна автоматизація роботи обладнання. Сюди відносять в першу чергу застосування найсучасніших засобів автоматизації та візуалізації роботи котлів і допоміжного обладнання – котлових контролерів, які керують роботою котлів і пальників з контролем робочих параметрів обладнання (температура і тиск теплоносія, контроль розрідження димових газів і їх температура, контроль циркуляції теплоносія, автоматична зупинка роботи котлів при аварійних ситуаціях та інше). Котлова автоматика сприяє економії енергоресурсів, оскільки з її допомогою сучасний опалювальний котел відпускає рівно ту кількість теплової енергії, яка необхідна в конкретний часовий проміжок.
7. Максимальна безпека роботи обладнання. Дане завдання тісно пов’язане з питанням автоматизації роботи котлів, оскільки саме системи управління роботою котельного обладнання відповідають за безпеку функціонування котельних агрегатів, відстежуючи параметри, наведені в попередньому пункті. Сучасні жаротрубні котли обладнані повним комплектом функціональних пристроїв, необхідних для безпечної роботи.

Таким чином, на сьогоднішній день саме жаротрубні котли займають основну нішу в лінійці промислового котельного обладнання потужністю до 30 МВт. В Україні серед національних виробників подібних котлів основну нішу займає котельне обладнання КОЛВІ, на базі якого реалізовано безліч будівельних проектів. Як приклад, наймасштабніший проект подібного плану був реалізований на базі обладнання КОЛВІ в курортному місті Трускавець, де за 2001-2011 рр. було побудовано або реконструйовано 21 котельню сумарною потужністю 51 МВт, які опалюють 158 об’єктів різного призначення. З 2019 го року Група компаній «Українська Енергопромислова група» розпочала реалізацію великого проекту з будівництва 17 модульних транспортабельних котелень з газовими жаротрубними котлами КОЛВІ.

Проаналізувавши все вищеперераховане можна зробити висновки про наступні три аспекти актуальності послуги модернізація котлів опалення:

• Економічний аспект – зменшення витрат на енергоресурси (газ, тверде паливо, електрику), на витрати з обслуговування і ремонту котлів.
• Екологічний аспект – зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферу.
• Аспект безпеки – забезпечення безперебійного та безаварійного теплопостачання в опалювальний період.

В кінці травня 2021 року міністр розвитку громад і територій України представив на розгляд проект закону, основна мета якого впровадження ефективних заходів щодо скорочення споживання енергії в будівлях шляхом їх термомодернізації. Подробиці проведення презентації повідомляє прес-служба Мінрегіону.

На даному етапі пріоритетним завданням в роботі Міністерства є підвищення енергоефективності будівель. Міністр А. Чернишов відзначив, що впровадження цього закону дасть можливість не тільки економити енергоресурси, але і значно зменшити цифри в «платіжках» громадян України. У доповіді він акцентував увагу на те, що правильні заходи в розвитку енергетичної ефективності приведуть до значного зростання економіки в країні. Ухвалення цього законопроекту підведе Україну ще ближче до Зеленого курсу Європи.

Документ розроблявся в Мінрегіоні під керівництвом партнерів із зарубіжних країн, спільно з депутатами і фахівцями в цій сфері. Спільно був створений порядок інституційних умов для повсюдної термомодернізації будинків.

Законопроект має на увазі також внесення змін до вже існуючих законів України, які на даному етапі регулюють питання енергетичної економії. Вони повинні вплинути на такі питання:

• спрощення системи надання підтримки від держави і її адаптацію до потреб співвласників житлових будинків;
• створення системного просування в сфері формування і здійснення політичної діяльності в питанні скорочення втрат енергії в спорудах;
• здійснення поетапної реалізації програм глибокої термічної модернізації будинків, при цьому використовувати чіткі критерії результативності показників раціонального використання енергії;
• впровадження всіх існуючих сучасних методів та інструментів, що зменшують споживання енергоресурсів в будівлях;
• реалізацію впровадження спеціального ресурсу з інформацією про обсяги, характеристиках і кількості споживаної енергії будівлями в Україні.

Відразу ж після подання законопроекту на сайті Мінрегіону було його обговорення в режимі онлайн, в якому взяли участь експерти в цій сфері.

Незадовго до презентації Олексій Чернишов вже говорив про збільшення інвестицій в галузь будівництва в наступному році. Це ще один успішний крок в реформі, що впроваджується Міністерством.

Також економити споживані енергоресурси і зменшити суми в “платіжках” допоможе постачання теплової енергії від Групи Компаній «ЕПГ-КОЛВІ».

Фото: minregion