Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК. 9
1.1. Условия образования оксидов азота и углерода при горении топливного газа и их влияние на энергетическую эффективность ГТПА 9
1.2. Методы снижения токсичности выхлопных газов газотурбинных установок 12
1.1.1 Режимные методы борьбы с образованием оксидов азота 13
1.1.2 Химические методы сокращения выбросов оксидов азота 37
1.1.3 Модернизация ГГПА 39
Выводы к главе 1 44
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГТУ 45
2.1. Конструктивные, теплотехнические и экологические характеристики исследуемых газовых турбин 45
2.1.1. Турбоагрегат ГТН-6 45
2.1.2. Турбоагрегат ГТУ-12р «Урал» 48
2.1.3. Турбоагрегат ГТК-10 50
2.2. 0боснование выбора метода определения концентраций оксидов азота и оксидов углерода в выхлопных газах газотурбинных установок 53
2.3. Условия проведение инструментального обследования газотурбинных установок 59
2.4. Обработка экспериментальных данных, характеризующих работу газотурбинных установок на компрессорных станциях ООО «Баштрансгаз» 64
2АЛ. Результаты обследования работы турбоагрегатов типа ГТН-6 64
2.4.2. Результаты обследования работы турбоагрегатов типа ГПА-12р «Урал» 79
2.4.3. Результаты обследования работы турбоагрегатов типа ГТК-10 86
2.4.4. Общие выводы по результатам обследования турбоагрегатов трех типов ГТН-6, ГПА-12р «Урал» и ГТК-10 90
Выводы к главе 2 92
Глава 3. ВЫБОР МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ ГАЗОПЕ РЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ 93
3.1. Анализ существующих методик определения КПД газовых газоперекачивающих агрегатов 93
3.2. Расчет КПД газоперекачивающих агрегатов по различным методикам 94
3.3. Методика определения КПД ГПА на основе обобщенных характеристик природного газа (экспресс-методика) 105
Выводы к главе 3 121
Глава 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЖИМНОГО МЕТОДА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ 122
4.1. Оценка предотвращенного ущерба от снижения выбросов СО и NOx 122
4.2. Оценка предотвращенного ущерба за счет снижения выброса NOx при изменении нагрузки
Выводы к главе 4 132
ВЫВОДЫ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Условия образования оксидов азота и углерода при горении топливного газа и их влияние на энергетическую эффективность ГТПА
- 0боснование выбора метода определения концентраций оксидов азота и оксидов углерода в выхлопных газах газотурбинных установок
- Расчет КПД газоперекачивающих агрегатов по различным методикам
Введение к работе
Последняя четверть XX и начало XXI века характеризуются все возрастающей опасностью, вызванной жестким антропогенным воздействием на окружающую среду, в частности, на атмосферу. В настоящее время вопросы, связанные с защитой окружающей среды привлекают внимание не только учёных, но и всей мировой общественности. Экологические проблемы от локальных перешли в крупномасштабные, потребовавшие разработки многочисленных целевых программ [1, 2 ,3, 5].
К основным источникам загрязнения воздушного бассейна относятся продукты сгорания различных видов топлива и неочищенные отходы технологических процессов. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается примерно 200 млн.т твёрдых частиц, 200 млн.т сернистого газа, 700 млн.т окиси углерода, 150 млн.т оксидов азота. В течение года только в нашей стране выбрасывается в атмосферу более 100 млн.т вредных веществ. Кроме названных выше так называемых основных вредных веществ, выброс которых составляет 98%, в атмосферу поступает немало других, менее распространённых вредных отходов. Они составляют лишь 2% от суммарных выбросов, но обладают большей агрессивностью и токсичностью. В атмосфере за последние десять лет сконцентрировалось более 200 млн.т пылевидных частиц, 600 тыс.т меди, 4,5 тыс.т свинца, 3 млн.т цинка [6].
По данным ОАО «Газпром» за 2003 год наибольшая часть валовых выбросов вредных веществ (ВВ) приходится на объекты транспорта газа
[6].
Основной объем газа в настоящее время добывается в Западной Сибири на значительном удалении от потребителей. Затраты топливного газа на транспорт в настоящее время составляют около 8,4% от объема перекачиваемого газа на магистральных газопроводах России.
Использование природного газа как топлива улучшает экологическое состояние воздушного бассейна городов и крупных промышленных центров, поскольку, важным достоинством природного газа является чистота продуктов сгорания. Сложившаяся в последние годы структура топливного баланса РФ характеризуется увеличением добычи и использования природного газа и оказывает положительное влияние на состояние воздушного бассейна, т.к. увеличение доли природного газа в общем объеме сжигаемого топлива способствует уменьшению выбросов в атмосферу продуктов неполного сгорания, твёрдых частиц и сернистых соединений. В то же время изучение путей дальнейшего сокращения загрязнения воздушного бассейна продуктами сгорания позволило выявить дополнительные преимущества природного газа. Так, более полное использование теплоты продуктов сгорания природного газа, выбрасываемой из высокотемпературных установок, позволяет значительно повысить суммарный тепловой КПД и, тем самым, снизить расход топлива на выработку теплоты. Снижение расхода сжигаемого газа, в свою очередь, сокращает объём выбрасываемых продуктов сгорания, следовательно, приводит к уменьшению загрязнения воздушного бассейна.
Таким образом, широкое использование природного газа как топлива в промышленности и населением исключает загрязнение воздушного бассейна оксидами серы (SO2 и SOs) и твёрдыми частицами (зола, пыль, сажа), однако, не устраняет загрязнение оксидами азота NOx и оксидом углерода СО.
При сжигании природного газа, наряду с образованием некоторого количества продуктов неполного сгорания, протекает реакция высокотемпературного окисления молекулярного азота воздуха. Количество оксидов азота, образующихся при сжигании газа, ниже, но сопоставимо с содержанием их в продуктах сгорания жидкого топлива, причём максимальное образование оксидов азота соответствует режиму наиболее эффективного сгорания природного газа. С учётом последнего
6 разработаны методы уменьшения выбросов оксидов азота в атмосферу за счет подавления их образования в процессе горения природного газа и за счет очистки от них продуктов сгорания.
Следует отметить, что вопросам образования NOx при работе газотурбинных установок (ГТУ), как в Российской Федерации, так и за рубежом уделяется много внимания. Морально-техническое старение парка ГТУ, общее ухудшение экологической обстановки и негативное воздействие на здоровье человека, увеличение платы за выбросы вредных веществ подталкивают к разработке новых эффективных методов снижения выбросов в атмосферу.
Однако, большинство предлагаемых методов по улучшению экологических показателей не учитывают энергетические характеристики работы топливосжигающих агрегатов. Отчасти это связано с отсутствием простого и надежного метода одновременного определения экологической и энергетической характеристик газовых газоперекачивающих агрегатов (ГГПА), которые позволили бы решить задачу снижения вредных выбросов при сохранении высокого КПД агрегата.
Целью данной работы является снижение концентраций NOx в выхлопных газах газотурбинных установок за счет выбора рациональных режимов работы агрегата при изменяющихся внешних условиях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Выявление факторов, наиболее сильно влияющих на образование NOx и СО, путем изучения параметров работы газотурбинных агрегатов на компрессорных станциях ООО «Баштрансгаз» при различных условиях и разных режимах эксплуатации.
Оценка энергетической эффективности проводимых экологических мероприятий и выбор наиболее приемлемой к газотурбинным установкам методики контроля КПД агрегатов.
3) Оценка экономической целесообразности проведения экологических мероприятий, связанных с изменением режима работы агрегата, на основе сравнения величины предотвращенного ущерба от сокращения выбросов NOx и дополнительных затрат, связанных с перерасходом топливного газа.
Научная новизна: Впервые было проведено систематическое исследование выхлопных газов промышленных газотурбинных установок на различных режимах и при изменяющихся температурных условиях.
Впервые для оценки влияния экологических мероприятий на энергетические параметры работы газовых газоперекачивающих агрегатов применена адаптированная к условиям газотурбинных установок методика определения КПД энергетической установки (по М.Б.Равичу) - экспресс-методика. Экспресс-методика базируется на минимуме показателей работы ГГПА и позволяет вести контроль в реальном масштабе времени с учетом конкретных режимов эксплуатации. Предлагаемая экспресс-методика применима для всех типов газоперекачивающих агрегатов.
Практическое значение работы: Проведено детальное обследование экологических и эксплуатационных характеристик промышленных газотурбинных агрегатов типа ГТН-6 (КС «Кармаскалинская»), ГТК-10-4 (КС «Москово») и ГТН-12р «Урал» (КС «Шаран») ООО «Баштрансгаз». Выявлены факторы, наиболее сильно влияющие на эмиссию оксидов азота и оксида углерода (II), определены количественные показатели выбросов вредных веществ, показано превышение ПДВ по NOx на номинальных нагрузках.
Для снижения концентрации NOx. в выхлопных газах ГТУ предложены и применены рациональные режимы работы агрегатов, определенные с применением адаптированной к условиям ГГПА экспресс-методики, позволяющей контролировать КПД агрегатов. Внедрение предлагаемой экспресс-методики в производственную практику позволит осуществлять
8 экологический и энергетический мониторинг работы ГТУ с использованием автоматической системы управления (АСУ) процессом.
Проведена экономическая оценка разработанных мероприятий по сокращению выбросов NOx в атмосферу, связанных с изменением нагрузки агрегата. Показана возможность улучшения экологических показателей без увеличения капитальных вложений. На защиту выносятся:
- результаты детального обследования работы промышленных агрегатов
ГТН-6 КС «Кармаскалинская», агрегатов ГТК-10-4 с модернизированными
горелочными устройствами типа ПСТ КС «Москово» и агрегатов нового
поколения ГПА-12р «Урал» КС «Шаран» ООО «Баштрансгаз»;
новая, универсальная, адаптированный к условиям ГПА, экспресс-методика определения энергетической эффективности агрегата, основанная на обобщенных характеристиках природного газа;
рациональные режимы работы газотурбинных установок ГТН-6 и ГТК-10, полученные на основе расчетов энергетической и экономической эффективности использования режимных методов с целью сокращения концентрации N0X в выхлопных газах ГТУ.
Условия образования оксидов азота и углерода при горении топливного газа и их влияние на энергетическую эффективность ГТПА
Многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране, так и за рубежом показывают, что оксиды азота NO, NO2 (NO ), как наиболее опасные для окружающей среды, имеют три разновидности: «термические», «быстрые» и «топливные». При сжигании природного газа образуются «термические» и «быстрые» NOx а при сжигании мазута, нефти и угля еще и «топливные» NOx.
Установлено, что в общем случае процесс образования «термических» NOx зависит от температуры в камере сгорания, и непосредственно не связан с самим процессом горения. "Термические" оксиды образуются непосредственно в факеле при горении топлива в результате высокотемпературной цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом с выделением теплоты. Впервые механизм образования оксида азота был рассмотрен Я.Б. Зельдовичем [10]. Им была доказана термическая природа реакции окисления азота при горении топлива: где Со2, CN2 И CNO - мгновенные концентрации компонентов реакции; т -время протекания реакции, с; Т - температура в зоне реакции; R -универсальная газовая постоянная. Время равновесной концентрации оксида азота для различных температур представлено в табл.1.1
Из реакции (1.4) следует, что образование NO зависит от концентрации 0& Ni и температуры в зоне реакции [14, 19].
Образование значительных количеств NOx возможно лишь при температурах выше 1500С. Такие температуры возможны в зоне горения камер сгорания ГТУ. За камерами сгорания располагаются зоны разбавления продуктов сгорания, где их температура снижается до значений, определяемых жаропрочностью лопаток турбины. В таких условиях конечная концентрация NO определяется не только температурой в зоне горения, но и последующим темпом охлаждения продуктов сгорания. В реальной камере охлаждение продуктов сгорания до температуры, при которой уже не происходит заметного расщепления NO на JV; и 02 может происходить по двум схемам: при oti l,5 температура факела уменьшается с максимальных значений до 1470-1600 К со скоростью охлаждения газов 6-10 -7-Ю3 С/с (1073-1173 К) и при аг=1Д-1,4 со скоростью 6-103-2-103 С/с. Проведённые расчёты [15] показали, что скорость охлаждения, необходимая для сохранения образующейся в камере концентрации NO = 0,05-0,1 %, не превышает 0,1-2 С/с, что на 2-3 порядка меньше реальной скорости охлаждения продуктов сгорания. Следовательно, конечная концентрация NO, образующаяся в камере сгорания ГТУ, определяется, в основном, максимальным уровнем температуры, достигаемой в зоне горения. Результаты экспериментальных исследований пламени метана, этилена, пропана изложенные в [13, 14] подтвердили основные положения термической теории образования N0 по реакциям 1.1-1.4. Кроме того, было обнаружено, что в углеводородном пламени, в отличие от пламени водорода и оксида углерода, при а=0,65-0,75 образуется некоторое дополнительное количество NOx («быстрые» оксиды азота). В реакционной зоне углеводородного пламени действует дополнительный механизм взаимодействия молекулярного азота воздуха с углеводородными радикалами, приводящий к образованию атомарного азота. Этот атомарный азот, взаимодействуя с кислородом, образует дополнительное количество «быстрых» NOx, в результате чего суммарное количество оксидов азота несколько превышает рассчитанное по термической теории.
Образование «топливных» оксидов азота зависит от вида топлива, содержания в нем N2 и определяется, в основном, концентрацией кислорода в зоне выгорания и не зависит от температуры горения топлива.
Качественно схему образования СО при горении углеводородных топлив можно представить на примере горения метана СИ) [26]:
СН4 НСНО -+СО- С02у (1.5)
Если реакция протекает с недостаточным количеством кислорода, то возможно образование промежуточных продуктов - альдегидов, в том числе формальдегида. Причина неполного окисления - общий или локальный недостаток воздуха в объёме горения, быстрый отвод тепла от факела холодными поверхностями, недостаточное время пребывания продуктов горения в зоне высоких температур при большом теплонапряжении камер сгорания. Константа скорости этой реакции в интервале температур, характерных для современных камер сгорания ГТУ, описывается зависимостью:
А-ЗМО1 - 00 1". (1.8)
В [15, 26] отмечается, что при горении переобедненных топливно-воздушных смесей с низкой гомогенностью образуется избыточное количество СО и его превращение в СОг происходит, главным образом, в первичной зоне. Повышение концентрации СО при сильно обеднённых топливно-воздушных смесях связано с замедлением скорости реакции окисления СО в связи с низкими температурами в зоне горения. Указанное обеднение смеси создает потенциальную опасность срыва пламени, что также может привести к увеличению концентраций СО в выхлопных газах. Горение «богатых» топливно-воздушных смесей с большой негомогенностью также приводит к образованию избыточных количеств СО, которые догорают в СОг уже во вторичной зоне при разбавлении продуктов сгорания охлаждающим воздухом.
0боснование выбора метода определения концентраций оксидов азота и оксидов углерода в выхлопных газах газотурбинных установок
В качестве топлива на компрессорной станции используется транспортируемый природный газ, подаваемый потребителям и соответствующий ГОСТ-5542-87. Газ практически не содержит соединений серы. Поэтому при определении концентрации ангидрида серы получаются значения, близкие к нулю и данный компонент не контролируется.
Камеры сгорания современных газотурбинных установок обеспечивают относительно высокую степень полноты сгорания топлива. Сажа практически не образуется и содержание несгоревших углеводородов, как правило, находится в пределах точности прибора и этот показатель тоже не определяется. Основным компонентом, образующимся в результате химической неполноты сгорания топлива, является оксид углерода (И), содержание которого контролируется в выхлопных газах.
Другими, компонентами, требующими обязательного определения, являются оксиды азота NO&
В настоящее время для определения концентраций вредных компонентов в продуктах сгорания применяют как химические, так и физико-химические методы анализа многокомпонентного состава продуктов сгорания топлива.
Существующие на данный момент химические методы определения компонентного состава газовых выбросов весьма громоздки, требуют больших затрат времени и специального оборудования, что приводит к ограничению объема исследований. Поэтому для определения состава выбросов вредных компонентов от газотурбинных установок наиболее удобно применять инструментальные методы анализа, включающие системы отбора и подготовки пробы.
Концентрация оксидов азота, наиболее токсичных компонентов в уходящих газах ГТУ, изменяется в интервале 50 - 500 мг/м3. Таким образом, к приборам не предъявляются жесткие требования по чувствительности. Оптимальным представляется диапазон измерений: 0 - 500 мг/м3.
Применяемые в настоящее время газоанализаторы оксидов азота по способу детектирования подразделяют на следующие основные типы: хемилюминесцентные, инфракрасного и ультрафиолетового поглощения, с электрохимическими ячейками и приборы нового типа - каталитические.
Хемилюминесцентные газоанализаторы (КЛЕН-2 НПО «Химавтома-тика»), предполагают применение спектрометров. Преимущество таких приборов - высокая селективность по отношению к оксидам азота. Они широко автоматического контроля выбросов. Основным недостатком этого типа газоанализаторов являются контроль только одного компонента (NOx) и необходимость защиты оптики от конденсации водяных паров, осаждения копоти, что часто случается во время пуска и остановки газоперекачивающих агрегатов. На рис. 2.6 представлена принципиальная схема хемилюминес-центного газоанализатора.
Газоанализаторы, использующие инфракрасное и ультрафиолетовое поглощение, применяются в стационарном исполнении в составе сложных газоаналитических комплексов. К их достоинствам можно отнести возможность одновременного анализа нескольких компонентов выхлопных газов. Однако, ввиду высокой стоимости этих приборов по сравнению с хемилюминесцентными, они практически не используются в России.
Примером каталитических газоанализаторов может служить впервые разработанный фирмой Monitor Labs прибор марки CEMeat , который позволяет одновременно измерять концентрации О2, NOM и СО, На рис 2.7 представлена принципиальная газовая схема данного газоанализатора.
Принцип детектирования основан на измерении количества тепла, выделяющегося на поверхности датчиков, являющихся катализаторами протекающих реакций: Работа газоанализаторов с электрохимическими ячейками основана на изменении ионной проводимости твердо- и жидкотелой диафрагмы измерительной ячейки при омывании ее анализируемым газом. Для каждого измеряемого компонента используется отдельная ячейка с соответствующими параметрами. Данные приборы являются портативными что, делает их удобными в использовании, и характеризуются достаточной точностью определения анализируемых компонентов в выхлопных газах газотурбинных установок (ГТУ).
Таким образом, из рассмотренных выше способов определения вредных компонентов в выхлопных газах ГТУ последние - газоанализаторы с электрохимическими ячейками, являются наиболее удобными и точными.
На компрессорных станциях для контроля вредных компонентов в выхлопных газах ГТУ широко используется газоанализатор IMR-3000R. Он предназначен для непрерывного измерения и расчета концентрации газов: Ог, СО, СО2, SO2, NOx(NO), H2S, температуры воздуха, температуры выхлопных газов, коэффициента избытка кислорода. Существенным недостатком данного типа анализатора является его громоздкость.
Расчет КПД газоперекачивающих агрегатов по различным методикам
Сравнительный расчет эффективной мощности и КПД агрегата выполнен на примере промышленной установки ГТН-6 №2 компрессорной станции «Кармаскалинская по методикам известных учёных: Зарицкого СП. [22], Лопатина А.С, Поршакова Б.П. [60], Степанова О.А., Шабарова А.Б, Расчёты выполнены с целью качественного сравнения существующих методик определения эффективного КПД (j/e) и предлагаемой в данной работе экспресс-методики. Расчётная схема ГТУ приведена на рис. 3.1. На схеме указаны основные конструктивные элементы газоперекачивающего аппарата и параметры, измеряемые на агрегатах с помощью как штатных приборов, так и специально установленных измерительных приборов, необходимых для получения достаточной первичной информации используемой в рассматриваемых методиках.
Из воздухозаборной камеры забирается воздух с параметрами Та и Ра, которые регистрируются штатными приборами. Перед первой ступенью осевого компрессора (ОК) происходит небольшое изменение параметров всасываемого воздуха до уровня TQ, PQ. В осевом компрессоре воздух сжимается и на выходе приобретает параметры Ток, Рок-, которые регистрируются штатными приборами. Сжатый воздух поступает в теплообменник (регенератор) и подогревается до температуры 7} , при этом его давление становится равным Рр, и затем подготовлены ый воздух поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливным газом, который подается по отдельному топливопроводу. Параметры топливного газа Ттг, Рпп ДР так же регистрируются. В камере сгорания происходит процесс сгорания топлива с образованием продуктов сгорания (рабочее тело) с параметрами 7 и Pz Далее продукты сгорания поступают в турбину высокого давления (ТВД), затем в турбину низкого давления (ТНД). Рабочее тело на выходе из турбины низкого давления имеет параметры 7s и Ps. По нагнетателю регистрируются температура, давление на входе и выходе транспортируемого природного газа 7#/, Риі и Тт, Рю, а также частота вращения ротора нагнетателя Птид и ротора осевого компрессора " птвд Далее приведены условные обозначения и размерности величин исходных данных, применяемых для расчета в методиках вышеперечисленных авторов:
1) qjr - объёмный расход топливного газа, м3/ч;
2) АР перепад давления на расходомере, МПа;
3) рг - плотность газа кг/м3;
А) В - массовый расход топливного газа, кг/с;
5) 7s - абсолютная температура продуктов сгорания после турбины низкого давления (ТНД), К;
6) Ps - абсолютное давление продуктов сгорания после турбины низкого давления (ТНД), МПа;
7) Ра - атмосферное давление воздуха, МПа;
8) Та- температура наружного воздуха, К;
9) РИЗБ - избыточное давление воздуха, МПа;
11) Pz - давление продуктов сгорания перед турбиной высокого давления (ТВД), МПа;
12) Ток температура воздуха после осевого компрессора, К;
13) Рок - давление воздуха за осевым компрессором (ОК), МПа;
14) ТР - температура воздуха после регенератора, К;
15) щ - лопаточный КПД турбины;
16) к - показатель политропы;
17) Щі - механический КПД турбины;
18) Т], Т2- температуры газа на входе и выходе из нагнетателя, К;
19) Pi, Р2 - давление газа на входе и выходе из нагнетателя, МПа;
20) рнаги - плотность газа на входе в нагнетатель, кг/м3;
21) птнд - рабочее значение частоты вращения ротора турбины низкого
давления (ТНД), об/мин;
22) пцом - номинальное значение частоты вращения ротора турбины низкого давления (ТНД), об/мин;
23) NMex - механические потери мощности, кВт; 24) Nen - паспортная мощность ГТУ, кВт;
25) Т7мом - номинальное значение температуры продуктов сгорания перед турбиной высокого давления (ТВД), К;
26) Таиам - номинальное значение температуры наружного воздуха, К;
27) Рацом - номинальное значение давления наружного воздуха, МПа;
28) кггу - коэффициент технического состояния газотурбинной установки;
29) С - коэффициент приведения для агрегата ГТК-10-4;
30) т)еном - номинальное значение эффективного КПД ГТУ; Ъ\)Б - мощностной параметр;
32) к - степень сжатия воздуха в компрессоре;
33) К - поправочный коэффициент, учитывающий параметры воздуха перед компрессором;
34) А - коэффициент входного конфузора компрессора;
35) АРк - перепад давления в конфузоре перед компрессором, МПа;
36) NeHOM- номинальное значение эффективной мощности, кВт.
