Как перевести мощность газовой горелки в расход природного газа?

Мощность газовой горелки обычно указывают в киловаттах, а расход природного газа — в кубических метрах в час. Поэтому при подборе оборудования, оценке нагрузки на газопровод или предварительном расчете эксплуатационных расходов возникает закономерный вопрос: как перевести кВт в м³/ч?

Прямого универсального коэффициента здесь нет. Один кубический метр природного газа может содержать разное количество энергии в зависимости от его состава, а в технической документации под словом «мощность» могут подразумеваться различные показатели. Именно поэтому правило «1 м³ газа равен 10 кВт» допустимо только как очень грубое приближение и не подходит для точного инженерного расчета.

Корректный расчет строится на энергетическом балансе. Нужно знать мощность, которую горелка получает с топливом, и теплоту сгорания природного газа.

Основная ошибка при расчете расхода газа появляется еще до подстановки чисел в формулу.

В документации на котлы и горелки могут встречаться как минимум два разных показателя: потребляемая тепловая мощность и полезная тепловая мощность.

Потребляемая тепловая мощность показывает количество энергии топлива, поступающей в оборудование за единицу времени. Фактически это тепловая нагрузка по топливу. Если именно этот показатель известен, расход газа можно определить непосредственно через теплоту сгорания.

Полезная тепловая мощность показывает количество тепла, которое оборудование передает системе отопления или технологическому процессу. Она меньше потребляемой мощности на величину тепловых потерь, если показатели рассчитаны на одной энергетической базе. Исключение составляет конденсационное оборудование: при расчете по низшей теплоте сгорания его полезная мощность может превышать потребляемую за счет тепла конденсации водяного пара в продуктах сгорания.

Разница прослеживается в технических характеристиках оборудования. Например, для BAXI ECO NOVA 1.24 F (ЭКО НОВА 1.24 F) производитель указывает максимальную полезную тепловую мощность 24 кВт, максимальную потребляемую тепловую мощность 25,8 кВт, максимальный расход природного газа 2,72 м³/ч и КПД 93%. То есть 24 кВт полезной мощности нельзя автоматически использовать как энергетическую мощность поступающего газа.

Отдельно следует исключить электрическую мощность вентилятора, насоса, автоматики или электродвигателя горелки. Она измеряется в ваттах или киловаттах, но отношения к тепловому расходу природного газа не имеет.

От чего зависит расход природного газа

Чтобы определить расход газа по мощности горелки, необходимо знать объемную теплоту сгорания топлива.

Природный газ представляет собой смесь, основу которой составляет метан, но в составе также присутствуют более тяжелые углеводороды, азот, диоксид углерода и другие компоненты. Поэтому энергетическая ценность одного кубического метра газа не является абсолютной постоянной величиной. Действующий ГОСТ 5542-2022 прямо предусматривает определение компонентного состава и нормирует низшую объемную теплоту сгорания.

Для природного газа промышленного и коммунально-бытового назначения минимальная низшая объемная теплота сгорания по ГОСТ 5542-2022 составляет 31,80 МДж/м³, или 7600 ккал/м³. При этом речь идет о минимально допустимом значении, а не об универсальном значении, которое нужно автоматически использовать для любого объекта.

Международный стандарт ISO 6976:2016 также предусматривает расчет высшей и низшей теплоты сгорания природного газа по его компонентному составу. ISO указывает, что calorific value (теплота сгорания топлива) зависит от состава газовой смеси и условий, к которым приводится объем газа.

Поэтому для точного расчета лучше использовать фактическую низшую теплоту сгорания из паспорта качества газа, данных поставщика или другой документации на конкретное топливо.

У природного газа различают низшую и высшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания учитывает теплоту, которая может быть получена при конденсации водяного пара в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания эту составляющую не учитывает. ISO 6976 использует для этих величин понятия gross calorific value (высшая теплота сгорания топлива) и net calorific value (низшая теплота сгорания топлива) соответственно.

Для расчета важно не столько выбрать одну из этих величин как «правильную», сколько соблюдать единую базу.

Если потребляемая тепловая мощность оборудования определена по низшей теплоте сгорания, в формулу следует подставлять низшую теплоту сгорания газа. Если характеристики рассчитаны по высшей теплоте сгорания, использовать нужно соответствующее ей значение.

Особенно важно это учитывать при работе с конденсационным оборудованием, где в документации могут встречаться значения КПД выше 100%, рассчитанные относительно низшей теплоты сгорания.

Смешивание разных баз приводит к систематической ошибке даже при правильно записанной формуле.

Основная формула расхода природного газа

Если известна потребляемая тепловая мощность горелки и низшая теплота сгорания газа выражена в кВт·ч/м³, расчет выглядит так:

V = P / Hᵢ,

где:

V — объемный расход природного газа, м³/ч;

P — потребляемая тепловая мощность, кВт;

Hᵢ — низшая объемная теплота сгорания природного газа, кВт·ч/м³.

Формула следует непосредственно из энергетического баланса. Если один кубический метр газа содержит определенное количество киловатт-часов энергии, то требуемую мощность нужно разделить на количество энергии в одном кубическом метре.

Здесь важно учитывать единицы измерения. Мощность 1 кВт означает передачу 1 кВт·ч энергии за один час (1 кВт = 1 кВт·ч/ч), поэтому при делении кВт на кВт·ч/м³ результат получается в м³/ч.

Если теплота сгорания указана в МДж/м³

В нормативных документах теплота сгорания природного газа часто выражается в МДж/м³.

Один киловатт-час равен 3,6 МДж. Поэтому формула принимает вид:

V = 3,6 × P / Hᵢ,

где Hᵢ уже выражена в МДж/м³.

Например, установленное ГОСТ 5542-2022 минимальное значение 31,80 МДж/м³ соответствует примерно 8,83 кВт·ч/м³.

Для горелки с потребляемой тепловой мощностью 100 кВт при условии, что фактическая низшая теплота сгорания газа составляет именно 31,80 МДж/м³, расчет будет следующим:

V = 3,6 × 100 / 31,80 = 11,32 м³/ч.

Это не означает, что любая горелка мощностью 100 кВт обязательно потребляет 11,32 м³ газа в час. Полученный результат справедлив только для заданной мощности 100 кВт и принятой теплоты сгорания 31,80 МДж/м³.

Если фактическая теплота сгорания выше, для получения аналогичной тепловой мощности потребуется меньший объем газа.

Предположим, что в паспорте качества конкретной партии природного газа указана низшая теплота сгорания 34,0 МДж/м³.

Для горелки с потребляемой тепловой мощностью 100 кВт:

V = 3,6 × 100 / 34,0 = 10,59 м³/ч.

При той же мощности, но при низшей теплоте сгорания 31,80 МДж/м³, получилось бы 11,32 м³/ч.

Разница объясняется не изменением мощности горелки, а энергетической ценностью одного кубического метра газа.

Именно поэтому в точном расчете нельзя использовать произвольное постоянное значение теплоты сгорания.

Другая распространенная ситуация: в характеристиках указана полезная мощность котла, например 100 кВт, а определить нужно расход газа.

В этом случае сначала необходимо определить потребляемую тепловую мощность через КПД:

Pвх = Pпол / η,

где:

Pвх — потребляемая тепловая мощность;

Pпол — полезная тепловая мощность;

η — КПД в долях единицы.

Подставив Pвх в основную формулу, получим:

V = 3,6 × Pпол / (η × Hᵢ)

Предположим, полезная мощность котла составляет 100 кВт, КПД на выбранной расчетной базе равен 92%, а низшая теплота сгорания газа составляет 34,0 МДж/м³.

Тогда:

V = 3,6 × 100 / (0,92 × 34,0) = 11,51 м³/ч.

Если в этом примере просто разделить 100 кВт на энергетическую ценность газа и забыть о КПД, расчет покажет 10,59 м³/ч. То есть расход окажется заниженным, потому что 100 кВт в данном случае являются полезной, а не входной тепловой мощностью.

Фраза «кубометр газа дает примерно 10 кВт» объединяет две разные физические величины: энергию и мощность.

Кубический метр топлива содержит определенное количество энергии, которое корректно выражать, например, в кВт·ч/м³ или МДж/м³. Киловатт — это единица мощности, то есть скорости передачи энергии.

Кроме того, энергетическая ценность кубического метра природного газа зависит от состава газа и условий приведения его объема. Фактическая низшая теплота сгорания природного газа обычно составляет около 8,8–9,5 кВт·ч/м³, поэтому округление до 10 кВт·ч/м³ завышает энергию кубометра и занижает расчетный расход газа примерно на 5–12%.

По ГОСТ 34770-2021 стандартными условиями определения объемных характеристик природного газа являются температура 20 °C и абсолютное давление 101,325 кПа. Стандарт отдельно отмечает, что эти условия отличаются от так называемых нормальных условий с температурой 0 °C.

Европейские производители котлов часто указывают паспортный расход для эталонного газа G20 при 15 °C с низшей теплотой сгорания 34,02 МДж/м³ (9,45 кВт·ч/м³). Поэтому расчет по минимальному значению ГОСТ 5542-2022 и паспортный расход импортного оборудования могут не совпадать, даже если формула применена верно.

Поэтому сравнивать объем газа, теплоту сгорания и паспортные характеристики оборудования можно только тогда, когда известно, к каким условиям относятся исходные величины.

Объем газа изменяется при изменении температуры и давления. Один и тот же объем при разных условиях может содержать разное количество вещества.

Чтобы результаты измерений можно было сопоставлять, применяют стандартные условия.

ГОСТ 34770-2021 устанавливает для определения объемного расхода, объема и связанных с ними физико-химических характеристик природного газа температуру 20 °C и абсолютное давление 101,325 кПа. Для стандартных условий сгорания установлены 25 °C и те же 101,325 кПа.

Это имеет практическое значение при работе с промышленными горелками и коммерческим учетом газа. Если расходомер показывает объем в рабочих условиях, а теплота сгорания приведена к стандартным условиям, данные должны быть приведены к сопоставимой базе в соответствии с применяемой методикой измерений.

Для бытового пользователя порядок такого пересчета зависит от типа счетчика (с термокоррекцией или без нее) и правил поставки газа. Для проектного и промышленного расчета условия измерения необходимо проверять отдельно.

Таблица: пример расхода при минимальной теплоте сгорания по ГОСТ

Если исключительно для расчетного примера принять низшую теплоту сгорания равной минимальному значению ГОСТ 5542-2022 — 31,80 МДж/м³ — и считать указанную мощность потребляемой тепловой мощностью, получатся следующие значения.

Эту таблицу нельзя воспринимать как паспортный расход любого оборудования соответствующей мощности. Она показывает только расчетную зависимость для одного заранее заданного значения теплоты сгорания.

Фактические паспортные показатели конкретной горелки или котла имеют приоритет перед таким укрупненным расчетом.

Расчет в м³/ч показывает расход при определенной тепловой нагрузке.

Если горелка имеет максимальную потребляемую мощность 100 кВт, это не означает, что в течение каждого часа отопительного сезона она будет работать на 100 кВт.

Современное оборудование может изменять мощность в зависимости от потребности в тепле. На фактическое потребление за сутки, месяц или сезон влияют продолжительность работы, степень загрузки горелки, температура наружного воздуха, теплопотери здания, параметры системы отопления, приготовление горячей воды и работа автоматики.

Поэтому нельзя получить месячный расход, просто умножив максимальный расход в м³/ч на 24 часа и затем на число дней, если горелка фактически не работает круглосуточно на полной мощности.

Для оценки потребления за период необходимо учитывать время работы и фактическую нагрузку.

Если средний расход в определенном режиме составляет V м³/ч, а продолжительность работы в этом режиме t часов, объем газа будет равен:

Vпер = V × t,

где

Vпер — объем газа за период, м³;

V — средний расход в этом режиме, м³/ч;

t — продолжительность работы, ч.

Для модулирующей горелки расчет за длительный период лучше проводить по фактическим данным автоматики, теплосчетчика, счетчика газа или расчетному теплопотреблению объекта.

Почему паспорт производителя важнее укрупненной формулы

Формула полезна при проектировании, проверке расчетов и предварительной оценке расхода. Но если производитель прямо указывает номинальный или максимальный расход природного газа, именно этот показатель следует использовать при работе с конкретной моделью в пределах условий, для которых он заявлен.

Например, у BAXI ECO NOVA 1.24 F (ЭКО НОВА 1.24 F) в технических данных одновременно указаны полезная мощность 24 кВт, потребляемая тепловая мощность 25,8 кВт и максимальный расход природного газа 2,72 м³/ч. Такая форма представления характеристик позволяет не смешивать полезное тепло котла с энергией газа на входе.

Если подставить потребляемую мощность 25,8 кВт в формулу с минимальной теплотой сгорания по ГОСТ 5542-2022 (31,80 МДж/м³), получится около 2,92 м³/ч. Паспортные 2,72 м³/ч соответствуют теплоте сгорания примерно 34,1 МДж/м³, близкой к эталонному газу G20. Это еще раз показывает, что для конкретной модели приоритет имеет паспортный расход.

Аналогичный принцип применяется и для оборудования большей мощности. Например, для напольного BAXI SLIM 1.400 iN (СЛИМ 1.400 iN) производитель указывает максимальную полезную тепловую мощность 40 кВт, потребляемую тепловую мощность 44,1 кВт и максимальный расход природного газа 4,69 м³/ч.

Такие примеры показывают, почему при расчете расхода сначала нужно определить, к какой стороне энергетического баланса относится указанная в паспорте мощность.

Расчет расхода не является настройкой горелки

Математический перевод мощности в м³/ч позволяет оценить количество топлива, необходимое для получения заданной тепловой нагрузки, но он не определяет параметры настройки газовой горелки.

Для правильного горения необходимо обеспечить требуемые давление газа, расход воздуха, соотношение газа и воздуха, параметры дымовых газов и другие характеристики, предусмотренные производителем оборудования.

Поэтому расчетный расход нельзя использовать как единственное основание для самостоятельной регулировки газового клапана или изменения настроек горелки. Настройку и ввод газового оборудования в эксплуатацию выполняют в соответствии с технической документацией конкретной модели и установленными требованиями безопасности.

Порядок расчета можно свести к нескольким последовательным действиям.

Сначала нужно открыть техническую документацию и определить, какая мощность указана: полезная или потребляемая. Если производитель уже приводит максимальный или номинальный расход природного газа, дополнительный пересчет обычно требуется только для проверки или решения проектной задачи.

Затем следует определить фактическую низшую или высшую теплоту сгорания используемого газа и убедиться, что она соответствует той же расчетной базе, что и характеристика оборудования.

После этого необходимо привести единицы к одной системе. Если теплота сгорания дана в МДж/м³, применяют коэффициент 3,6:

V = 3,6 × P / H,

где

H — теплота сгорания газа, МДж/м³: низшая (Hᵢ) или высшая (Hₛ), на той же базе, что и мощность оборудования.

Если известна только полезная мощность и требуется учитывать КПД:

V = 3,6 × Pпол / (η × H)

В завершение следует проверить результат по паспортным данным оборудования, если такие сведения доступны.

Перевести мощность газовой горелки в расход природного газа можно, но универсального коэффициента «кВт в кубометры» не существует.

Если известна потребляемая тепловая мощность, расход определяется делением этой мощности на объемную теплоту сгорания газа.

При использовании теплоты сгорания в МДж/м³ формула выглядит так:

V = 3,6 × P / Hᵢ

Если известна только полезная мощность, необходимо дополнительно учитывать КПД:

V = 3,6 × Pпол / (η × Hᵢ)

Основные условия точного расчета — использовать фактическую теплоту сгорания газа и не смешивать полезную тепловую мощность котла с потребляемой тепловой мощностью горелки.

Для предварительной оценки минимальное значение низшей объемной теплоты сгорания по действующему ГОСТ 5542-2022 составляет 31,80 МДж/м³, но для проектного или эксплуатационного расчета предпочтительно использовать фактический показатель из паспорта качества газа.