Природный газ. Основные теплотехнические характеристики

Ранее мы уже рассказывали нашим читателям о составе природного газа, теперь пришло время поговорить о его основных теплотехнических характеристиках. Эти знания нам также будут весьма полезны для дальнейшего понимания взрывопожароопасности природного газа и о способах ее снижения.

Свойства природного газа зависят от его компонентного состава, который различается от месторождения к месторождению. По этой причине существует широкий разброс основных параметров газообразного топлива, добываемого в разных залежах.

Теплота сгорания природного газа

Основной теплотехнической характеристикой, интересующей потребителя топлива, является теплота сгорания. Это количество теплоты, выделяющееся при сжигании 1 кг твердого топлива или 1 м³ горючего газа. Для газообразного топлива измеряется в мегаджоулях на кубический метр (МДж/м³). На практике часто применяется другая единица измерения — килокалория на кубический метр (ккал/м³). Возможно определение теплоты сгорания горючих газов в мегаджоулях на килограмм (МДж/кг), что необходимо для сопоставления различных видов топлива: твердого, жидкого и газообразного.

Высшая и низшая теплота сгорания природного газа

При сжигании всех видов топлива, в составе компонентов которого содержится водород, в продуктах сгорания образуются пары воды. Если эти пары уйдут в атмосферу, они унесут часть тепла. Если вода сконденсируется в оборудовании, она отдаст это тепло.

Низшая теплота сгорания Q_Н не учитывает теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания. В качестве примера рассмотрим использование тепла в водонагревательном оборудовании. Коэффициент полезного действия современных не конденсационных газовых котлов, определенный по низшей теплоте сгорания, составляет около 91 %. Из выделившейся при горении газового топлива 100%-й теплоты 91 % переходит в полезное тепло, то есть поступает потребителю в виде нагретой воды. Потери тепла из-за излучения наружных поверхностей котла составляют 3 %, потери с дымовыми газами — 6 %. Химического недожога современные газогорелочные устройства не допускают. Если из 100 % тепла, полученных при сгорании газа, вычесть потери (3 + 6 = 9 %), то получается КПД, равный 91 %.

Высшая теплота сгорания Q_В учитывает всю теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива. У конденсационных котлов коэффициент полезного действия, если его определять по низшей теплоте сгорания, может достигать 107 %. Для человека, не прогуливавшего в школе физику, такое невозможно. Вечного двигателя не существует.

Но здесь надо разобраться в расчетах. Получение тепла при сгорании и конденсации паров воды в продуктах сгорания составляет 111 %, опять же по низшей теплоте сгорания. Это 100 %, полученных при горении, и 11 %, полученных при конденсации. Потери на излучение в окружающую среду — 1 %, потери с дымовыми газами — 3 %. Уменьшение потерь на излучение достигается за счет лучшей тепловой изоляции котла. Уменьшение потерь с отходящими дымовыми газами — результат более низкой их температуры. Если из 111 % вычесть потери (1 + 3 = 4 %), то получается КПД, равный 107 %. КПД конденсационных котлов, рассчитанный по высшей теплоте сгорания, превышает 98 %.

Исторически сложилось так, что в России для практических расчетов используется низшая теплота сгорания. В некоторых странах (США, Великобритания) теплотехнические расчеты выполняют с учетом высшей теплоты сгорания.

Теплота сгорания углеводородных компонентов природного газа приведена в таблице 1.

Таблица 1

 Необходимо отметить, что наличие негорючих компонентов уменьшает теплотворную способность газового топлива. Например, в уренгойском газе содержится более 1 % азота и иных примесей, поэтому его низшая теплота сгорания — 34,95 МДж/м³. Особенно велико содержание негорючих компонентов в попутных нефтяных газах, где оно может составлять более четверти от общего объема. В соответствии с ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия» низшая теплота сгорания природного газа при стандартных условиях должна быть не менее 31,8 МДж/м³.

---

Состав природного газа

Горючие газы в быту. Правила ПБ

---

Немного про конденсационные котлы

Создание энергосберегающих аппаратов является приоритетным направлением развития техники. Конденсационные котлы имеют более сложный теплообменник, позволяющий отобрать у продуктов сгорания больше тепла. В нем больше поверхностей теплообмена, расположенных в камере, где дымовые газы остывают до температуры точки росы. В конденсационных котлах используются горелки с принудительной подачей воздуха. Такие особенности приводят к усложнению конструкции и удорожанию аппарата.

Несмотря на высокий КПД, конденсационные котлы в России не находят широкого применения. Тому есть несколько причин. Во-первых, высокая стоимость, в разы превышающая цену обычных аппаратов. Конечно, увеличение коэффициента полезного действия позволяет экономить газ. Но стоимость газа в нашей стране невелика. Полученная экономия не позволяет в обозримом времени окупить приобретение газового аппарата. Вторая причина — относительно низкая температура теплоносителя на выходе котла, около 60 ^°С. При использовании конденсационных котлов требуются специальные отопительные системы. Приходится увеличивать количество отопительных приборов (радиаторов) либо применять более дорогие радиаторы с увеличенной площадью поверхности. Другое решение — система отопления типа «теплый пол».

Кроме того, при работе конденсационного котла образуется конденсат, который необходимо утилизировать. В котлах малой и средней мощности в час образуется 4–7 л конденсата с растворенными продуктами сгорания. Эта жидкость является опасным отходом: в канализацию ее можно сливать в случае, если она соотносится с общим объемом канализационного стока в отношении 1 к 25.

Число Воббе природного газа

Взаимозаменяемость горючих газов характеризуется числом Воббе — это отношение объемной теплоты сгорания газообразного топлива к корню квадратному из его относительной плотности. В свою очередь, относительная плотность — отношение плотности газа к плотности воздуха при стандартных условиях. Физический смысл этого показателя: при одинаковом давлении газы с одинаковым числом Воббе дадут равное количество теплоты. Число Воббе одновременно учитывает изменение состава газа и перепад давления на горелочном устройстве. Это позволяет использовать одни и те же горелки при переходе с одного газа на другой, не изменяя давление газа.

Измеряется число Воббе так же, как и теплота сгорания — в мегаджоулях на кубический метр (МДж/м³). В соответствии с ГОСТ 5542-2014 область значений числа Воббе для природного газа при стандартных условиях — от 41,20 до 54,50 МДж/м³.

Температура самовоспламенения природного газа

Подготовительным этапом горения газового топлива является воспламенение, когда идет медленное окисление без видимого пламени. В результате накопления теплоты происходит воспламенение других объемов газовоздушной смеси. В свою очередь, дальнейшее повышение температуры приводит к ускорению реакции и интенсивному горению. При самовоспламенении газовоздушная смесь равномерно нагревается до такой температуры, при которой весь объем самостоятельно, без введения источника теплоты, воспламеняется. Иной характер реакции происходит при зажигании: холодная смесь воспламеняется в одной точке источником с высокой температурой (нагретое тело, искра, пламя), затем горение распространяется по всему объему.

Температура самовоспламенения — это температура топливовоздушной смеси, при которой смесь начинает гореть без источника воспламенения. Для метана она составляет 537 ^°С. Именно такую цифру дает ГОСТ 5542-2014. Температура самовоспламенения зависит от состава природного газа. С увеличением доли более тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана) она понижается.

Жаропроизводительность

Жаропроизводительность — это максимальная температура, которая может быть достигнута при полном сгорании газа, если количество воздуха, необходимого для горения, точно отвечает формуле горения, а начальная температура воздуха и газа равны нулю. Для метана она составляет 2043 °С. Интересно, что наибольшей жаропроизводительностью среди горючих газов обладает ацетилен — 2620 °С.

В разделе:

Читай также

Больше популярных статей

ОПАСНЫЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА

В данной статье мы расскажем о взрывопожароопасности природного газа и его удушающем действии. По подписке

читать полностью

ГАЗОПРОВОДЫ ЖИЛЫХ ДОМОВ

В статье рассказываем об особенностях крепления и прокладки газопроводов в жилых домах, а также о требованиях к трубам и их монтажу.

читать полностью

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ. МЕСТОРОЖДЕНИЯ РОССИИ

По запасам природного газа в традиционных месторождениях Российская Федерация занимает первое место в мире — около 50 трлн м3. В топливно-энергетическом балансе нашей страны он занимает ведущее место, обеспечивая более 55 % от общей потребности в энергоресурсах. В данной статье подробно расскажем о том, где именно находятся указанные месторождения. По подписке

читать полностью

S-2098 (А018)
28610