Низшая теплота сгорания топлива: что это, как определяют и как она влияет на подбор горелки

ЕВРО ИНВЕСТ

Мощность горелки, расход газа и производительность форсунки связаны одной величиной — низшей теплотой сгорания топлива. Её указывают в паспорте качества газа, в паспорте партии дизельного топлива или мазута и в инструкциях производителей горелок. Разберём, чем низшая теплота сгорания отличается от высшей, как её определяют для газа и жидкого топлива и почему ошибка в этой цифре приводит к горелке, которая не выдаёт нужную мощность.

Низшая и высшая теплота сгорания

Теплота сгорания — количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы объёма или массы топлива: 1 м³ газа или 1 кг жидкого топлива.

При горении водород топлива превращается в водяной пар. Если продукты сгорания охладить так, что пар сконденсируется, выделится ещё и теплота конденсации. Отсюда два значения:

• высшая теплота сгорания (Qвр, в европейских документах Hs) — с учётом теплоты конденсации водяного пара;
• низшая теплота сгорания (Qнр, в европейских документах Hi) — без неё: пар уходит с дымовыми газами.

В обычном (не конденсационном) котле дымовые газы уходят горячими, и теплота конденсации не используется. Поэтому мощность горелки, расход топлива и КПД котла в России считают по низшей теплоте сгорания.

Разница зависит от содержания водорода в топливе. Для природного газа высшая теплота сгорания примерно на 10–11 % больше низшей, для дизельного топлива и мазута — на 6–7 %.

Единицы измерения и условия для газа

Теплоту сгорания указывают в МДж/м³ или ккал/м³ для газа и в МДж/кг или ккал/кг для жидкого топлива. Соотношения: 1 ккал = 4,1868 кДж; 1 кВт·ч = 3,6 МДж. Например, природный газ 8000 ккал/м³ = 33,5 МДж/м³ = 9,3 кВт·ч/м³. Пересчитать единицы можно в калькуляторе теплоты сгорания.

Для газа важно, при каких условиях указан кубометр: количество газа в единице объёма зависит от температуры и давления. В России теплоту сгорания и расход газа приводят к стандартным условиям — 20 °C и 101,325 кПа. В европейских инструкциях горелок часто используют 15 °C, в старой литературе и некоторых расчётах — нормальные условия, 0 °C.

Один и тот же газ в разных условиях даёт разные цифры. Природный газ G20 (метан) с Hi = 34,02 МДж/м³ при 15 °C — это примерно 33,4 МДж/м³ при 20 °C и 35,9 МДж/м³ при 0 °C. Разница до 7 % — столько же составит ошибка в расходе газа, если смешать условия. Пересчёт расхода между условиями — в калькуляторе расхода газа при нормальных и стандартных условиях.

Как определяют теплоту сгорания газа

Требования к природному газу в газораспределительных сетях задаёт ГОСТ 5542-2022. Низшая объёмная теплота сгорания должна быть не менее 31,80 МДж/м³ (7600 ккал/м³) при стандартных условиях.

Фактическое значение определяют двумя способами:

• расчётом по компонентному составу. Хроматограф определяет долю метана, этана, пропана, азота, углекислого газа и других компонентов, а теплоту сгорания смеси рассчитывают по ГОСТ 31369-2021. Это основной метод: так определяют теплоту сгорания на узлах учёта и в лабораториях газоснабжающих организаций;
• прямым измерением в калориметре — газ сжигают и измеряют выделившееся тепло (методы по ГОСТ 10062 и ГОСТ 27193).

Результат указывают в паспорте качества газа. Его можно запросить у газоснабжающей организации — это первый документ, который нужен для точного расчёта горелки.

Состав магистрального газа в разных регионах отличается: где-то почти чистый метан, где-то больше азота или тяжёлых углеводородов. Поэтому типичное значение 33,5 МДж/м³ годится для оценки, а для расчёта горелки берите цифру из паспорта.

Сжиженный газ и биогаз

Сжиженный углеводородный газ (пропан-бутан) — низшая теплота сгорания около 45,8 МДж/кг. В газообразном виде это около 90–94 МДж/м³ в зависимости от доли пропана и бутана — почти втрое больше, чем у природного газа. Расход по объёму получается втрое меньше, поэтому горелку настраивают иначе, а часть узлов — голову сгорания, газовые сопла, рампу — подбирают именно под сжиженный газ.

Биогаз — смесь метана и углекислого газа. При 60 % метана низшая теплота сгорания около 20 МДж/м³, то есть в 1,6–1,7 раза меньше, чем у природного газа. Объёмный расход на ту же мощность растёт в той же пропорции. Для биогаза выпускают специальные исполнения горелок с увеличенными проходными сечениями газового тракта и рампой под большой расход и с повышенной защитой от кислотной коррозии.

Как определяют теплоту сгорания жидкого топлива

Для дизельного топлива, печного топлива и мазута теплоту сгорания определяют в калориметрической бомбе по ГОСТ 21261-2021. Навеску топлива сжигают в кислороде при постоянном объёме и измеряют высшую теплоту сгорания. Низшую рассчитывают: вычитают теплоту конденсации воды, которая образуется из водорода топлива и содержится в нём самом.

Для мазута М100 ГОСТ 10585-2013 нормирует низшую теплоту сгорания в пересчёте на сухое топливо — не менее 39 900 кДж/кг. В реальном мазуте есть вода, и рабочая теплота сгорания ниже: каждый процент воды снижает её примерно на 0,4 МДж/кг. Поэтому для мазута особенно важно смотреть паспорт конкретной партии.

Справочные значения

Типичные значения. Объём газа — при стандартных условиях (20 °C, 101,325 кПа). Для расчёта берите фактическую цифру из паспорта топлива.

Как теплота сгорания влияет на подбор горелки

Мощность и расход топлива

Горелка должна выдать тепловую мощность больше полезной мощности котла на величину его потерь:

Pгорелки = Qкотла / КПД

Часовой расход топлива — мощность горелки, делённая на низшую теплоту сгорания:

B = Pгорелки / Qнр

Пример: горелке нужно выдать 1000 кВт, это 3600 МДж в час.

Посчитать расход для своего котла — в калькуляторе расхода топлива котлом, мощность горелки по котлу — в калькуляторе мощности горелки.

Давление газа и газовая рампа

Если теплота сгорания газа ниже расчётной, на ту же мощность нужно больше кубометров. Газ с теплотой сгорания по нижней границе ГОСТ требует примерно на 5 % больше объёма, чем типичный, а потери давления в рампе и голове сгорания растут пропорционально квадрату расхода — примерно на 11 %.

Графики «мощность — давление газа» в каталогах горелок построены для эталонного газа, обычно G20. Если давление на вводе впритык, а газ «беднее» эталонного, горелка может не выйти на полную мощность. Поэтому при подборе рампы проверяют давление с запасом — подробнее в статье «Давление газа и выбор газовой рампы».

Для сравнения газов разного состава используют число Воббе — высшую теплоту сгорания, делённую на корень из относительной плотности газа. При одинаковом давлении перед горелкой её тепловая мощность пропорциональна числу Воббе. ГОСТ 5542-2022 допускает высшее число Воббе от 41,20 до 54,50 МДж/м³, поэтому при наладке горелку настраивают по анализу дымовых газов на фактическом газе, а не только по графикам.

Форсунки для жидкого топлива

Производительность форсунки рассчитывают в кг/ч по мощности и низшей теплоте сгорания. Если взять завышенную теплоту сгорания, форсунка окажется мала и горелка не выйдет на мощность; заниженную — форсунка будет велика, и на малой нагрузке ухудшится распыл. Производители горелок в инструкциях указывают, для какой теплоты сгорания рассчитаны таблицы форсунок. Подробнее — в статье «Как подобрать форсунку для горелки».

Для мазута к теплоте сгорания добавляется вязкость: его подогревают до температуры, при которой вязкость подходит для распыла, — калькулятор вязкости топлива и статья «Мазутные горелки: подготовка мазута».

КПД котла и европейские данные

КПД котла в российских паспортах считают по низшей теплоте сгорания. Конденсационные котлы используют и теплоту конденсации, поэтому их КПД по низшей теплоте сгорания может быть больше 100 %. В европейской документации КПД и мощность иногда указывают по высшей теплоте сгорания (Hs). Если смешать одно с другим, ошибка в мощности горелки составит до 10 %.

Типичные ошибки

• Взяли теплоту сгорания в ккал, а расход посчитали как в МДж — ошибка в 4,2 раза.
• Смешали условия 0, 15 и 20 °C — ошибка до 7 % в расходе газа.
• Посчитали по высшей теплоте сгорания вместо низшей — горелка меньше нужного на 10–11 % на газе и на 6–7 % на жидком топливе.
• Не учли воду в мазуте — форсунка мала, мощность не набирается.
• Взяли типичное значение вместо паспорта, а давление газа впритык — горелка не выходит на номинал.

Что прислать для подбора горелки

• марку и мощность котла, его КПД и сопротивление топки;
• вид топлива и резервное топливо;
• паспорт качества газа или паспорт партии жидкого топлива — с низшей теплотой сгорания;
• давление газа на вводе в котельную;
• для мазута — марку и температуру подогрева.

ЕВРО ИНВЕСТ подбирает горелки БЕРНАР, CIB UNIGAS, RIELLO, ECOFLAM и F.B.R. под фактическое топливо, с газовой рампой и форсунками, и выполняет пусконаладку. Коммерческое предложение — за 1 рабочий день. Отправить опросный лист или подобрать модель в онлайн-подборе по рабочему полю. Техподдержка 24/7: +7 (495) 137-84-21, info@eingroup.ru.

Читайте также

• Калькулятор теплоты сгорания топлива
• Калькулятор расхода топлива котлом
• Давление газа и выбор газовой рампы
• Как подобрать форсунку для горелки
• Мазутные горелки и подготовка мазута
• Как подобрать горелку по рабочему полю