Záměnnost zemních plynů I.

1. Úvod

Záměnnost zemních plynů je vlastnost, která umožňuje náhradu jednoho typu zemního plynu zemním plynem z jiného zdroje, bez úprav nebo seřizování hořáků plynových spotřebičů. Základní podmínkou záměnnosti jsou blízké hodnoty Wobbeho čísel obou zaměňovaných zemních plynů.

V tab. 10 (kap. "Spalovací vlastnosti ZP I.") jsou uvedeny hodnoty Wobbeho čísel tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu.

Záměna svítiplynu za tranzitní zemní plyn byla v ČR ukončena v r. 1996. Vzhledem k nezbytné diverzifikaci zdrojů zemního plynu v ČR však přichází v úvahu možnost používání dalších druhů zemních plynů s fyzikálními a spalovacími vlastnostmi natolik odlišnými od tranzitního zemního plynu, že jejich spalování v některých typech domácích plynových spotřebičů by mohlo ohrozit bezpečnost jejich provozu.

Současné dodávky zemního plynu do ČR jsou převážně kryty dovozem tranzitního zemního plynu z Ruska a z menší části dovozem zemního plynu ze SRN, odkud je na základě kontraktu s Norskem dodáván zemní plyn, který má identické vlastnosti s tranzitním zemním plynem. Tranzitní zemní plyn má dlouhodobě stálé složení, a proto dosud nevznikly problémy s provozem plynových spotřebičů.

2. Metody hodnocení záměnnosti zemních plynů

Některé typy domácích spotřebičů, zejména spotřebiče, které byly na zemní plyn upraveny v rámci záměny svítiplynu za tranzitní zemní plyn v letech 1973 až 1996, jsou provozovány na pokraji hodnot přípustných pro bezpečný provoz.

Poslední experimentální práce, které byly v této oblasti prováděny, se datují do r. 1978, kdy byly v ÚVP Běchovice s použitím Delbourgovy metody hodnoceny některé typy domácích spotřebičů s cílem stanovit obrazec záměnnosti spotřebičů pro tranzitní zemní plyn.

Je ovšem nutné si uvědomit, že v době provádění těchto zkoušek byla maximální dovolená hodnota obsahu CO ve spalinách spotřebičů pro tepelnou úpravu pokrmů (sporáky, vařiče, trouby) při zkouškách jednotlivých hořáků → CO_max = 0,05 % (500 ppm). V současné době podle ČSN EN 30-1-1 je tato hodnota 0,1% (1000 ppm). Maximální dovolená hodnota obsahu CO ve spalinách je právě rozhodujícím kriteriem pro stanovení horní hranice Wobbeho čísla v obrazci záměnnosti.

Rovněž dříve používaná Delbourgova metoda hodnocení záměnnosti plynných paliv (ČSN 385543 - Záměnnost topných plynů. Delbourgova metoda) je pro hodnocení záměnnosti zemních plynů nevyhovující a ČSN 385543 byla zrušena.

3. Sortiment, stáří a stav domácích spotřebičů v ČR

V České republice je v domácnostech používán vedle nových spotřebičů, konstruovaných pro spalování tranzitního zemního plynu, i značný počet domácích plynových spotřebičů starých 20 i více let, původně spalujících svítiplyn. Jedná se především o plynové sporáky, průtokové ohřívače vody a topidla. Plynové kotle jsou vzhledem k omezené životnosti výměníku většinou novější. Poslední údaje o počtech jednotlivých typů domácích spotřebičů jsou z období jejich přestavby na zemní plyn. V současné době neexistuje žádný důvěryhodný přehled o počtech jednotlivých starších typů spotřebičů, které jsou dosud v provozu.

Bylo zjištěno, že jsou dosud ve značném počtu používány např. sporáky MORA typových řad 250, 260 a 270, jejichž výroba probíhala v letech 1963 až 1976. Dále jsou v provozu průtokové ohřívače PO 35, vyráběné v Moravii v letech 1949 až 1975, z nichž část původně svítiplynových ohřívačů byla přestavěna pro spalování tranzitního zemního plynu. Část těchto ohřívačů byla pro spalování tranzitního zemního plynu již vyrobena. Běžně jsou dosud používány i průtokové ohřívače WG 125 a topidla GAMAT typ WAW a typ RGA vyráběná v bývalé NDR.

Fyzický stav starších spotřebičů je obvykle dobrý, avšak kvalita spalování zemního plynu není vždy optimální, vlivem znečistění plynových trysek, směšovačů a ústí, zejména u vařidlových a troubových hořáků plynových sporáků a rovněž vlivem neodborných zásahů do spotřebičů. Tyto spotřebiče patří z hlediska možné náhrady tranzitního zemního plynu plyny s vyššími Wobbeho čísly do kritické skupiny spotřebičů, neboť mezní hodnoty Wobbeho čísel zemních plynů, které tyto spotřebiče mohou bezpečně spalovat, nejsou spolehlivě zjištěny. Skutečné počty těchto spotřebičů a jejich uživatelé nejsou známi.

Z těchto důvodů zadal v r. 2000 Transgas a.s. řešení úkolu spočívajícího v experimentálním ověření hodnot dovoleného rozsahu Wobbeho čísel zemních plynů pro bezpečný a ekonomický provoz v současné době používaných domácích plynových spotřebičů.

4. Vlastnosti hořáků domácích spotřebičů z hlediska záměny zemních plynů

Hořáky domácích spotřebičů pracují na principu nasávání atmosférického spalovacího vzduchu do směšovače hořáku působením podtlaku Δ p₂ vyvozeného zemním plynem, vystupujícím z plynové trysky rychlostí cca 60 m.s^-1 (obr. 1).

Obr. 1

Do směšovačů hořáků atmosférických spotřebičů se nasává primární vzduch, jehož množství je menší než stechiometrické množství potřebné pro úplné spálení plynného paliva (n < 1). Zbytek spalovacího vzduchu je přiváděn jako sekundární vzduch difuzí do plamene hořáku.

Jedním z cílů konstrukčního a výrobního provedení hořáků je, aby maximální množství spalovacího vzduchu bylo do hořáku přivedeno jako primární vzduch.

Tělesa směšovačů vařidlových hořáků starších plynových sporáků (řady 250 a 260) mají difuzory s vodorovnou osou s ostrým přechodem do ústí hořáku (obr. 2). Plynová tryska je provedena bez kuželového náběhu a účinnost přeměny tlakové energie plynu na výstupní rychlost z trysky je u tohoto typu trysek (φ = 0,80 až 0,85). Toto konstrukční provedení plynových trysek a těles hořáků ovlivňuje nepříznivě množství primárního spalovacího vzduchu (n_prim = 0,5 až 0,6).

Nová provedení vařidlových hořáků (sporáky řady 11, 12, 21 a dalších, vyráběných po r. 1987) se svislým směšovačem (obr. 3) a s vyšší účinností plynové trysky (φ = 0,9) umožňují zvýšení množství primárního spalovacího vzduchu na hodnotu n = 0,75 až 0,8.

Obr. 2

Obr. 3

5. Vliv změny kvality zemního plynu na provozní vlastnosti hořáků domácích spotřebičů

Změna kvality zemního plynu ovlivňuje kvalitu spalování v daném typu plynového hořáku. Při zvyšování spalného tepla zemního plynu se proporcionálně zvyšuje stechiometrický i skutečný objem spalovacího vzduchu, potřebného pro úplné spálení 1 m³ plynu. Ejekční účinek hořáku není však změnou spalného tepla podstatně ovlivněn, takže dochází ke snižování násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n oproti jmenovité hodnotě odpovídající spalnému teplu, pro které byl hořák konstruován a seřízen. To vede ke zvyšování objemového podílu oxidu uhelnatého ve spalinách hořáku (obr. 4).

Obr. 4

Při snižování hodnoty spalného tepla zemního plynu pod jmenovitou hodnotu H_{s jmen} je tomu naopak a násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu roste. Ve spalinách hořáku roste objemový podíl kyslíku a klesá objemový podíl oxidu uhelnatého ve srovnání s hodnotou CO_jmen, pro kterou byl hořák konstruován a seřízen.

Stabilita plamene

Při zvyšujícím se podílu inertů (N₂ a CO₂) v zemním plynu klesá spalovací rychlost zemního plynu a roste náchylnost hořáků k nestabilnímu spalování, které se projevuje utrháváním plamene od ústí hořáku. Naopak při zvyšování podílu složek zemního plynu s vyšší spalovací rychlostí než má metan C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈) roste náchylnost k prošlehnutí plamene do směšovače hořáku.

Výkon hořáků

Se změnou hodnoty Wobbeho čísla se při zachování tlakových parametrů plynu přímo úměrně mění výkon hořáku. V tab. 1 je uvedena procentuální závislost výkonu hořáku na hodnotě Wobbeho čísel zemních plynů, přičemž výkon hořáků při spalování tranzitního zemního plynu má hodnotu 100%.

W^o_s - Wobbeho číslo zemního plynu při 0°C a 101 325 Pa

Účinnost spotřebičů

Při změně hodnoty Wobbeho čísla se mění i účinnost spotřebiče. Obecně s rostoucím Wobbeho číslem roste účinnost spotřebičů a to tím více, čím nižší je jejich účinnost při spalování původního plynu.

Použité předpisy

1. ČSN EN 437 - Zkušební plyny, zkušební přetlaky, kategorie spotřebičů
2. ČSN EN 30-1-1 - Varné spotřebiče na plynná paliva pro domácnost
3. ČSN EN 26 - Průtokové ohřívače vody s atmosférickými hořáky na plynná paliva pro ohřev užitkové (pitné) vody
4. ČSN 061412 - Konvekční kamna na plynná paliva s atmosférickým hořákem a zapalovacím hořákem s nepřerušovanou činností
5. ISO 6976 - Natural gas - Calculation of calorific values density, relative density and Wobbe index from composition
6. DVGW - Arbeitsblatt G 260, Teil 1, Teil 2
7. ČSN 385543 - Záměnnost topných plynů. Delbourgova metoda