Содержание к диссертации
Введение
Экологические аспекты конвертирования авиационных ГТД . 28
2.1. Нормирование эмиссии вредных веществ 29
2.2. Защита от шума газотурбинных энергетических установок. 37
2.3. Воздействие запыленности на работу ГТД, 42
2.4. Возможность использования бензола как топлива для ГТУ. 44
Выводы. 45
Снижение вредного воздействия на окружающую среду при внедрении газотурбинных энергетических установок . 46
3.1. Термодинамические основы повышения экологических показателей при комбинированном производстве энергии . 46
3.2. Схема энергетической установки 48
3.3. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки на базе конвертированного авиационного двигателя. 50
3.4. Охрана окружающей среды от шума газотурбинных установок
с авиационными двигателями на магистральных газопроводах. 55
Выводы. 58
Газотурбинная установка как генератор сжатого воздуха для замены природного газа в технологии строительства и очистки газопроводов . 60
4.1. Техническо-экономическая и экологическая эффективность ГСВ для нефтегазовой промышленности 60
4.1.1. Общая характеристика ГСВ 62
4.1.2. Определение оптимальных режимов отбора воздуха 63
4.1.3. Экспериментальная отработка установки 64
4.1.4. Основные параметры и характеристики ГСВ 67
4.1.5. Анализ запасов газодинамической устойчивости ГСВ 69
4.1.6. Температурное поле газа за турбиной 71
4.1.7. Анализ и разработка мероприятий по совершенствованию системы отбора воздуха 71
4Л.8. Анализ напряженнодеформированного состоя-ния соединения с гибкими рукавами для повышения надежности ГСВ 75
4.1.9. Экономические и экологические преимущества технологии очистки внутренней полости трубопроводов с использованием генератора сжатого газа на базе конвертированного авиационного ГТД 79
4.2. Работа ГСВ в запыленной атмосфере 80
4.2.1. Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в условиях запыленной атмосферы 81
4.2.2. Анализ изменения параметров двигателя при длительной работе в запыленной атмосфере 81
4.2.3. Оценка влияния запыленности атмосферы на детали проточной части авиационного ГТД 86 Выводы. 97
Теплогенераторыые установки 99
5.1. Установка для устранения гололедных покрытий 99
5.1.1. Обоснование доработок и выбор режима тепловой машины на базе двигателя Р-95Ш 99
5.1.2. Выбор режима работы и программы регулирования с учетом экологических факторов. 101
5.2. Термическая очистка нефтепромысловых труб 104
5.2.1. Назначение и описание 106
5.2.2. Работа установки 108
5.2.3. Снижение концентрации выбросов 113
7. Характеристика источников загрязнения атмосферы. ИЗ
8. Расчет выбросов загрязняющих веществ от газодинамической установки. 113
9. Расчеты приземных концентраций. 116
5.3. Снижение шума и пыльности установки для очистки железнодорожных вагонов 118
5.3.1. Модернизация установки с целью улучшения условий работы ТРД. 119
5.3.2. Снижение шума ТРД, излучаемого через воздухозаборную трубу установки. 123
5.4. Теплогенератор. 127
Основные результаты. 129
Использование модулей авиационных ГТД в установке
нейтрализации токсичных отходов нефтехимического производства 131
Выводы. 141
Основные результаты и выводы 142
Список литературы
- Нормирование эмиссии вредных веществ
- Термодинамические основы повышения экологических показателей при комбинированном производстве энергии
- Техническо-экономическая и экологическая эффективность ГСВ для нефтегазовой промышленности
- Установка для устранения гололедных покрытий
Введение к работе
Начиная с 70-х годов в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности значительную роль начинают играть газотурбинные установки (ГТУ), создаваемые на базе авиационных ГТД путем их конвертирования (от английского слова "conversion"- превращение, изменение, перестройка, переоборудование) [8,14, 34, 45, 49, 53,56, 63, 64, 91].
Применение их в качестве наземных установок для народного хозяйства в ряде случаев позволяет получать принципиально новые технико-экономические решения и достигать результатов, которые не могут быть получены при использовании установок общепромышленного типа [5].
Энергетические установки, построенные на базе авиационных ГТД (АГТУ), находят применение в различных областях народного хозяйства как показано в таблице 1.1. в качестве:
- энергоприводов;
- генераторов сжатого воздуха в стационарных и мобильных установках лабораторного и промышленного типа;
- эксгаустеров, в пневмотранспорте и в других областях техники;
- струйных и струйно-тепловых машин, используемых для перемещения грунта, очистки поверхности от пыли, грязи, льда и снега, диспергирования воды, вентиляции и т.п.;
- тепловых машин, применяемых для обогрева и сушки различных объектов;
- парогазогенераторов в пожаротушении и т.д.
Из анализа следует, что наиболее важной областью использования наземных энергетических установок является применение их в качестве источника механической энергии, то есть в качестве энергопривода.
Нормирование эмиссии вредных веществ
Наметившийся переход от преобразования (покорения) природы к созданию природно-технических систем отчетливо проявляется в последнее десятилетие в различных отраслях промышленности и строительства. Для обеспечения экологического равновесия в зонах влияния создаваемых природно-технических систем на окружающую среду необходима разработка современных норм и требований.
При внедрении в промышленное производство конвертированных авиационных ГТД важнейшими направлениями повышения экологичности следует считать: совершенствование традиционных технологий — введение новых машин и устройств с использованием экологически безопасных материалов; - разработку нового оборудования с меньшим уровнем вредных выбросов в окружающую среду; - разработку ресурсосберегающих технологий; разработку технологий утилизации экологически опасных отходов производства; широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды; экологическую экспертизу всех видов производств и промышленной продукции, составление экологических паспортов из всех видов промышленных загрязнений окружающей среды.
Наиболее значимыми факторами воздействия на окружающую среду со стороны газотурбинных двигателей считаются тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ, шум.
При выбросе в атмосферу выхлопных газов изменяется микроклимат в зоне расположения источника выбросов. Однако, поскольку тепло рассеивается в атмосфере достаточно интенсивно, тепловые выбросы с отходящими газами пока еще не нормируются. Более серьёзные последствия влечет за собой сброс в водоемы нагретой охлаждающей воды.
Выхлопные газы ГТД содержат продукты полного сгорания горючих компонентов топлива, компоненты неполного сгорания топлива (свободный углерод - сажу), оксиды углерода, различные углеводороды СхНу, оксиды азота NOx, частицы золы из негорючих минеральных примесей.
Дымление чаще всего вызвано содержанием в продуктах сгорания взвешенных частиц сажи и золы, придающих выхлопным газам черный цвет. Кроме того дымлению может способствовать газообразная двуокись азота, имеющая бурый цвет. Дымление, загрязняя атмосферу, приводит к уменьшению солнечной радиации на поверхность земли и к ухудшению видимости.
Шум оказывает общее отрицательное, угнетающее влияние на организм человека, приводя к утомлению работающих, снижению слуха и скорости зрительной реакции, ослаблению пульса, снижению производительности труда, развитию заболеваний. Шум и связанные с ним вибрации оказывают разрушающее воздействие на сооружения и конструкции.
В работе рассматриваются аспекты защиты окружающей среды в связи с применением газотурбинных двигателей: тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ, шум ГТУ и меры по их уменьшению.
Защита окружающей среды при авиатранспортных процессах помимо названных уже проблем, требует решения вопросов защиты от электромагнитных полей радиочастот, уменьшение влияния инфразвука.
Уровни содержания в атмосферном воздухе различных вредных веществ регламентируются специальными нормами, предельно допустимой концентрацией — ПДК. ПДК некоторых вредных компонентов, содержащихся в отработавших газах авиадвигателей, приведены в табл. 2.1.1.
Различают предельно допустимую концентрацию вредного (загрязняющего) вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКРЗ), предельно допустимую максимальную разовую (ПДКМР) и предельно допустимую среднесуточную концентрацию вредного вещества в воздухе населенных мест (ПДКСс) [35].
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммирующим действием, сумма их концентраций не должна превышать единицы: С. С, Сп пдкх пдкг пдкя
Однако оценить с помощью ПДК степень токсичности отработавших газов авиадвигателя практически невозможно, так как ПДК регламентируют уровень загрязнения воздуха на местности, т. е. в той или иной точке территории аэропорта и его окрестностей, а связь между этим уровнем и концентрацией токсичных компонентов не может быть установлена с необходимой точностью. Поэтому, хотя автоматический контроль состава воздуха в аэропортах получает во всем мире все более широкое распространение, загрязнение воздуха регламентируется нормами предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ.
Количественно ПДВ определяется как произведение коэффициента разбавления КР загрязняющего вещества (м3/с) на значение ПДК (мг/м3) этого вещества, содержащегося в выбрасываемом в атмосферный воздух газе:
ПДВ=КР-ПДК Под коэффициентом разбавления понимают объем чистого воздуха, необходимого для разбавления выбрасываемого загрязненного вещества до концентрации, допускаемой санитарными нормами (ПДК).
Такой подход к нормированию вообще характерен при защите от вредных выбросов в промышленности и на транспорте.
В авиации нормы ПДВ устанавливаются в настоящее время на четыре вредных компонента: оксид углерода, несгоревшие углеводороды, оксиды азота, частицы сажи (дым). Кроме того, запрещается преднамеренный выброс в атмосферу топлива. Выбор именно этих вредных компонентов обусловлен рядом причин, таких, как уровень концентрации их в отработавших газах, степень токсичности, а также наличие подходящей и освоенной методики измерения их концентрации. Устанавливаются нормы ПДВ достаточно сложным путем с учетом как экологической потребности, так и технических возможностей уменьшения выброса токсичных веществ по сравнению с существующим уровнем.
Термодинамические основы повышения экологических показателей при комбинированном производстве энергии
Для анализа эффективности термодинамического цикла теплоэнергетических установок используется несколько разных показателей, таких как эффективный КПД, коэффициент использования тепла (КИТ), эксергетический КПД и др. [71].
Для простого цикла газотурбинной энергетической установки (цикл Брайтона) термический КПД при работе без потерь (идеальный цикл Брайтона) зависит только от степени повышения давления в компрессоре кк: где к - показатель адиабаты, тогда, приняв е = кк" термический КПД запишется в виде: Из теории ГТД известно, что для реального цикла, имеющего КПД процесса сжатия цс, КПД процесса расширения тр, коэффициент полноты сгорания топлива пг, степень повышения температуры газа в цикле О выражение для эффективного КПД записывается следующим образом:
В отличие от Tt (1) величина Че (2) имеет максимум. Так для пк=9; гс=058; Г[р=0,9; г,=0,98; Ме=0,28; 6=4. Максимум г) е=0,32 достигается при тск=15.
Повышение температуры цикла до величин соответствующих 9=5 (Тг=1440 К) позволит повысить эффективный КПД цикла до Чс=0,37 при тгк=20.
Для оценки экономичности выработки энергии используется понятие удельного расхода топлива С .. т ЗбОО (3) Для условного топлива Ни=7000 ккал/кг=29,2 МДж/кг: _ 0,123 Л, Для простого цикла коэффициент использования тепла имеет тот же смысл, что и эффективный КПД: КИТ = . 4 Q Где N - полезная мощность, Q — затраченное тепло сжигаемого топлива.
В термодинамическом цикле с утилизацией тепла отходящих газов полезная мощность увеличивается на величину выработанной теплоты Nr(Qr), тогда величина коэффициента использования тепла возрастает: Km = N Qn (5) Q Или с учетом (4): Q
Коэффициент использования тепла является достаточно удобным и объективным показателем использования энергии топлива при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии в энергетических установках различного типа.
При КПД тіс=0,28 72% энергии топлива рассеивается с теплом уходящих газов.
Комбинированное производство электрической и тепловой энергии основывается на использовании тепла уходящих газов для целей теплофикации.
Следует сказать, что в условиях России потребность в тепловой энергии соотносится к потребности в электрической как 2:1. Т.о. тепло уходящих газов вполне покрывает потребность в тепловой энергии. КИТ в таких установках когенерационного типа достигает 80% и более. В этом случае теплофикация вовсе не требует затрат топлива, экономия топлива в народном хозяйстве составит до 40%.
Соответственно снижается экологическая нагрузка на окружающую среду.
Целью разработки газотурбинной энергетической установки является создание автономного, экологически чистого источника электроснабжения с попутной утилизацией тепла выхлопных газов.
В работе [71] выполнен большой комплекс термогазодинамических исследований, обосновывающих высокую эффективность когенерационных установок. Исследования позволили оптимизировать режимы работы конвертированного авиационного двигателя для сочетания топливной экономичности с высоким ресурсом, характерных для энергетики. При исследованиях широко использовалась разработанная в НИЛ САПР-Д УГАТУ компьютерная среда DVIG [22, 23, 80].
Техническо-экономическая и экологическая эффективность ГСВ для нефтегазовой промышленности
Очистка полости и испытание на прочность трубопроводов являются одним из самых энергоемких технологических процессов при строительстве магистральных нефтегазопроводов. Значительная протяженность трасс, существенно большие диаметры труб, требуют колоссальных энергозатрат на очистку и испытания.
Пневматические испытания производятся либо сжатььч воздухом при использовании группы компрессорных установок, либо подачей газа от компрессорной станции или действующего газопровода.
При этом природный газ, используемый для проталкивания очистного поршня по трубе и для опрессовки участков трубопровода, обычно выбрасывается в окружающую среду, загрязняет ее. Так при 3-х кратной продувке газом трубопровода диаметром 1420 мм и длиной 30 км в окружающую среду выбрасывается приблизительно 0,75 млн. м3 газа (Это по нормативам. В то время как сверхнормативные потери увеличивают эту цифру в 2-3 раза).
Преимущества технологии продувки (очистки) внутренней полости и испытания магистральных трубопроводов вместо природного газа при использовании сжатого воздуха очевидны: - исключается нецелесообразная трата товарного газа; - отсутствует загрязнение природным газом окружающей среды; - повышается уровень пожарной и взрывобезопасности.
Однако практическая реализация этой технологии требует использования высокопроизводительной мобильной компрессорной техники. Для продувки трубопроводов малого и среднего диаметров создана компрессорная установка на базе генератора сжатого воздуха (ГСВ) с давлением сжатого воздуха до 0,8-0,9 МПа и расходом до 100 тыс. м /час.
Создание ГСВ на базе турбореактивного двигателя (ТРД) типа Р13-300 (изд. 95) (рис. 4.1.) показало правильность направления использования авиадвигателей и их узлов для работы в составе передвижных компрессорных установок [4]. Высокая энерговооруженность АД, их малый вес и габариты в данном случае оправдывают себя и позволяют решать научно-техническую проблему на более высоком уровне по сравнению с традиционными технологиями.
Разработки Уфимского авиационного института (УАИ-УГАТУ) совместно с Восточным филиалом ВНИИСТ и НПО «Мотор», в которых автор участвовал на всех стадиях, показывают, что на базе авиационных ГТД и их узлов могут быть созданы компрессорные установки с весьма широким диапазоном параметров [2, 4, 8, 41, 46, 85]. Секция организации, технологии и механизации строительства трубопроводов, экологических проблем отрасли Научно-технического совета Миннефтегазстроя одобрила программу создания высокопроизводительных компрессорных установок на базе авиационных двигателей для продувки, испытания, вытеснения и осушки трубопроводов. Анализируется работа установки, созданной и испытанной с участием автора диссертации.
Исследования автора работы в вопросах снижения уровня вибраций за счет активного демпфирования в узлах подвески [7, 72] использованы при создании турбокомпрессорных установок.
Установка для устранения гололедных покрытий
Опыт эксплуатации современной авиационной техники с аэродромов с искусственным покрытием показал высокую эффективность специальных газоструйных машин на базе серийных газотурбинных двигателей для удаления гололёда и сдува мелких камней с аэродрома [1, 15, 16], тепловой обработки авиатехники [84].
Широкое распространение получили струйно-тепловые машины (далее -тепловые) типа ТМ-59МГ на базе авиационного турбореактивного двигателя ВК-1А. В связи с выработкой ресурса двигателями ВК-1А и отсутствием новых из-за снятия их с производства встала проблема замены этого двигателя на тепловой машине на другой массовый, недорогой и эффективный двигатель.
Этим требованиям полностью отвечают двигатели типа Р95Ш, устанавливаемые на самолёт-штурмовик Су-25, и Р13-300 для истребителя МиГ-21. Минавиапром и Минобороны (ВВС) в своём решении [69] установили, что в качестве тепловой машины необходимо использовать двигатели типа Р95Ш и его ранее выпущенные модификации.
Обоснование доработок и выбор режима тепловой машины на базе двигателя Р95Ш.
В данном разделе во исполнение упомянутого Решения выполнено технико-экономическое обоснование применения двигателя Р95Ш и его ранее выпущенных модификаций в этих целях.
Целесообразность использования их для тепловой машины обосновывается следующими моментами:
1) двигатель Р95Ш удовлетворяет требованиям такти ко-технического задания [78] к основным параметрам тепловой машины и близок по габаритам к двигателю ВК-1 А. Длина двигателя Р95Ш от переднего фланца компрессора до фланца крепления реактивного сопла увеличивается по сравнению с двигателем BK-1A менее, чем на 150 мм;
2) двигатель Р95Ш сравнительно недорогой, при его изготовлении не используются особо дефицитные жаропрочные сплавы и сложные трудоёмкие технологии;
3) как показал опыт эксплуатации, двигатели семейства Р13-300 зарекомендовали себя весьма надёжными. Назначенный ресурс двигателя Р95Ш составляет более 2000 часов, при использовании его на тепловой машине на дроссельных режимах назначенный ресурс повышается до 3500 часов;
4) в серийном производстве выпущено большое количество двигателей семейства Р95Ш, которые могут быть использованы для тепловых машин, так что предусмотренная в техническом задании годовая потребность в двигателях будет удовлетворена;
5) авиационными ремонтными предприятиями освоен ремонт этих типов двигателей; там же могут быть развёрнуты доработка и ремонт двигателей для тепловых машин.
1) снятие затурбинного диффузора и форсажной камеры (двигателя Р13-300) и реактивного сопла, а также неиспользуемых агрегатов (в зависимости от типа и модификации двигателя);
2) изготовление и постановку дополнительных узлов (входное устройство с защитной сеткой и системой обогрева, выходной патрубок и т.д.)
3) капитальный ремонт двигателя (при необходимости)
Общий вид тепловой машины, включающий тягач, емкость с топливом и прицепную тележку с теплогенератором приведен на рис. 5. При выборе режима работы двигателя следует учитывать следующие ограничения на параметры двигателя в соответствии с ТТЗ: реактивная тяга двигателя не должна превышать 12 кН во избежание опрокидывания и обеспечения управляемости тепловой машины; - часовой расход топлива с учетом емкости топливного бака и необходимого времени работы установки без дозаправки не должен превышать 1400 кг/ч (0,39 кг/с); - по технологическим требованиям удаления гололедного покрытия аэродромной полосы реактивная струя должна иметь скорость не менее 250 м/с, а ее температура не менее 400 С;
Одновременное выполнение всех указанных ограничений требует выбора режима работы по частоте вращения Пі и площади плоского выходного устройства (Fm).
За счет вариации этих двух факторов получен блокирующий контур в координатах FIU - п!: представленный на рис. 5.3. Как следует из рисунка, учет всех ограничений выделяет область режимов, когда частота вращения ротора низкого давления не должна превышать П]=7900 об/мин, а площадь сопла должна быть близка к площади штатного сопла двигателя на бесфорсажных режимах (Рщ=0,18-0,21 м2).
