НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 621.438:577.4:55.551.51
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
А. А. КИБАРИН, канд. техн. наук
Алматинский институт энергетики и связи ул. Байтурсынова, 126, г. Алматы, Казахстан, 050013
В данной статье автор рассматривает экологические характеристики существующего парка ГТУ магистрального газопровода «Средняя Азия Центр» и возможности улучшения экологических характеристик ГТУ за счет модернизации камер сгорания. Приведены результаты экспериментальных исследований модернизированных камер сгорания ГТК-10-4. Дана оценка снижения эко-лого-экономического ущерба после модернизации камер сгорания.
Ключевые слова: экологическая безопасность, газотурбинные компрессорные станции, газотурбинные установки, камеры сгорания, выбросы вредных веществ, экологические характеристики, модернизация камер сгорания, категория опасности вещества, плата за выбросы.
Технический уровень проектных экологических решений для газотурбинных компрессорных станций (КС) оценивается на основе критериев, принятых в мировой практике. В большинстве промышленно развитых стран для газотурбинных установок (ГТУ), работающих на природном газе, установлены нормы концентраций оксидов азота в отходящих газах, нормы на оксид углерода устанавливаются реже. Ближайшей ступенью нормирования концентраций оксидов азота в большинстве стран Европы названо значение 150 мг/нм3.
Для разрабатываемых газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом нового поколения ГОСТ 28775-90 установлены следующие максимальные значения концентраций оксидов азота в сухих продуктах сгорания (приведенные к условному содержанию кислорода 15 %): для ГТУ без регенерации теплоты -150 мг/нм3, для ГТУ с регенерацией теплоты -200 мг/нм3. Выбросы оксида углерода не долж -ны превышать 300 мг/нм3. Эти данные рекомендуются для прогнозных оценок выбросов оксидов азота перспективных ГТУ. При проведении модернизации камер сгорания ГТУ должны также соблюдаться требования ГОСТ 28775-90.
Для расчета удельных показателей загрязняющих веществ при проектировании и реконструкции КС по разделу "Охрана атмосферного воздуха", при разработке нормативов ПДВ газотурбинных КС, для оценки экологического
состояния газотурбинных ГПА в процессе эксплуатации разработан «Каталог удельных выбросов вредных веществ газотурбинных газоперекачивающих агрегатов» [1]. Параметры по выбросам в каталоге приводятся для номинального режима. Теплотехнические и экологические параметры указаны для исходного состояния ГТУ (новая, "чистая" машина) по данным НД (ТУ, ТЗ, спецификации) и по результатам испытаний ГТУ в эксплуатационных условиях.
Наиболее распространенными в Казахстане и в тоже время наиболее «неблагоприятными» с эколологической точки зрения являются газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом типа ГТК-10-4 и ГТ-750-6. На сегодня для этих типов агрегатов предложено несколько технических решений с разной степенью уменьшения выхода оксидов азота (табл. 1).
Сравнительные данные по экологическим характеристикам ГПА типа ГТ-750-6 с традиционной и модернизированной камерой сгорания представлены в табл. 2. Данные по традиционным камерам сгорания получены при проведении мониторинга компрессорных станций магистрального газопровода «Средняя Азия Центр». Данные по модернизированным камерам сгорания соответствуют [2]. Сравнительные данные по экологическим характеристикам ГПА типа ГТК-10-4 с традиционной и модернизированной камерой сгорания представлены в таблице 3.
Таблица 1. Показатели выбросов оксидов азота и оксидов углерода модернизированных
ГТУ на номинальном режиме
Тип ГТУ Расход продуктов сгорания на выхлопе Мощность выброса М%х , г/с Концентрация СМОх (сухие продукты сгорания) мг/нм3 Мощность выброса М0со, г/с Концентрация ССО (сухие продукты сгорания) мг/нм3
Опс, нм3/с Упс, м3/с фактич. привед. к 15% О2 фактич. привед. к 15% О2
ГТК-10-4 Э1 66,5 137,1 10,9 170 381 3,23 50 111
ГТК-10-4 Э2 66,5 137,1 5,17 80 180 2,58 40 89
ГТК-10-4 Э3 66,5 137,1 2,45 38 85 1,16 18 40
ГТ-750-6 Э1 45,6 96,1 3,77 85 204 2,22 50 120
ГТК-10 Э1 - штатная камера сгорания с новыми регистрами и изменением отверстий в горелках (конструкция Южниигипрогаза); ГТК-10 Э2 - штатная камера сгорания с дополнительными трактами подвода первичного воздуха (АО "ОРМА" -"Невский завод"); ГТК-10 Э3 - штатная камера сгорания с перераспределением воздушных потоков, осуществляемым индивидуально для каждой камеры сгорания (конструкция АО "ЭКАМС"); ГТК-750-6 Э1 - штатная камера сгорания с дополнительными трактами подвода первичного воздуха (конструкция АО "ОРМА" - "Невский завод").
Таблица 2. Основные экологические характеристики ГПА типа ГТ-750-6
Наименование показателя Размерность Модернизированная камера сгорания Традиционная камера сгорания
Коэффициент избытка воздуха - 7,63 7,63
Концентрация в сухих продуктах сгорания:
- оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) мг/м3 80 350
- оксида углерода мг/м3 50 60
Приведенная концентрация (при О2 15% в сухих продуктах сгорания):
- оксидов азота мг/м3 180 841
- оксида углерода мг/м3 120 144
Мощность выброса:
- оксидов азота г/с 5,17 15,5
- оксида углерода г/с 2,22 2,66
Таблица 3. Основные экологические характеристики ГПА типа ГТК-10-4
Наименование показателя Размерность ГТК-10 Э2 Традиционная камера сгорания
Коэффициент избытка воздуха - 7,16 7,16
Концентрация в сухих продуктах сгорания:
- оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) мг/м3 85 350
- оксида углерода мг/м3 40 40
Приведенная концентрация (при О2 15% в сухих продуктах сгорания):
- оксидов азота мг/м3 204 788
- оксида углерода мг/м3 89 89
Мощность выброса:
- оксидов азота г/с 3,77 22,6
- оксида углерода г/с 2,58 2,58
Как видно из табл. 2 и 3 в результате модер -низации камер сгорания удалось снизить выбросы оксидов азота на номинальном режиме работы в 3-4 раза, при этом выбросы оксида углерода остались примерно на одном уровне. Однако, в процессе эксплуатации агрегаты работают в основном при нагрузках меньше но-
минальных, при этом как показали исследования, проведенные автором на агрегатах ГТК-10-4 (компрессорные станции магистрального газопровода «Средняя Азия Центр») с модернизированными камерами сгорания выбросы оксида уг -лерода значительно возрастают (рис. 1).
660 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760
Рис. 1. Фактическая приведенная концентрация оксидов азота (при О2 15% в сухих продуктах сгорания) для модернизированных камер сгорания ГТК-10-4
ТВД»
Как видно из рисунка фактические приведенные выбросы СО модернизированной камеры сгорания ГТК-10-4 могут достигать 700-900 мг/м3 при пониженных нагрузках.
В результате модернизации камеры сгорания ГТ-750-6 по предложению АО «ОРМА» удалось снизить фактические выбросы оксидов азота в два раза. При этом, как показали исследования, выбросы оксидов углерода на пониженных режимах работы ГПА возросли в 5 раз по сравнению с традиционной камерой сгорания, а на нагрузках близких к номинальным, разница составляла всего 2 раза.
Таким образом, для агрегатов с традиционной камерой сгорания имеет место превышение предельно-допустимой мощности выбросов по оксидам азота, особенно это относится к агрегатам с низким техническим состоянием. В модернизированной камере сгорания имеется зна-
' М ^
чительное превышение норм по оксиду углерода на пониженных нагрузках, что может привести к штрафным санкциям.
Однако эффективность модернизации должна отражаться в снижении платы за выбросы и в повышении экологической безопасности работы ГТУ [2, 3].
Эффективность модернизации можно оценить на основе комплексной характеристики экологической опасности КОГТУ - категории опасности газотурбинной установки, так как КОГТУ характеризует одновременно количество выбросов всех примесей, содержащихся в выхлопных газах:
КОГТУ = £ КОВ,
(1)
Категория опасности одной газотурбинной установки при условии, что нормируются выбросы Шх , ТО и SO2:
КОГТУ=
ПДК
м. р.
о 0
(
+
М
V
(
ПДК
м. р.
со
+
М
\ "Л02
ПДК
м. р. N02 0
(2)
Предельно-допустимая мощность выбросов согласно проекта ПДВ (г/сек) для ГТ-750-6 по компрессорным станциям АО «Интергаз Центральная Азия» составляет для NO = 6,64 г/с,
Ш2 = 1,11 г/с, ТО = 1,33 г/с, SO2 = 0,0481 г/с. Тогда для базового варианта (проект ПДВ) получим категорию опасности одной газотурбинной установки:
о
С
I=1
со
со
КОГТУб
0,0481*1000
1,33*1000
1,11*1000
661*10001 _ 241182 м3/с.
0,5 0 \ 5 0 ^ 0,085 0 \ 0,4 Для модернизированного варианта получим категорию опасности одной газотурбинной установки при условии N0 = 3,0 г/с, N02 = 0,31 г/с, СО = 6,33 г/с, 802 = 0,0481 г/с:
КОГТУмод _
0,0481*1000
6,33*1000
0,5 0 ^ 5 Таким образом, экологическое воздействие снижено более чем в 4 раза. Экологическая эффективность модернизации тогда будет равна:
Э = КОГТУбаз 189610 м3/с
0,31*1000
3*1000
_ 51572 м 3/с.
КОГТУмод = 241182 - 51572
Эффективность модернизации должна также отражаться в снижении платы за выбросы, в случае ГТ-750-6 имеем снижение мощности выбросов N0х в 2 раза. Суммарное снижение
0,085 0 ^ 0,4 выбросов на одну турбину составляет порядка 950 условных тонн.
Таким образом, эколого-экономический ущерб после модернизации камер сгорания снизится на 25-30 млн.тенге в год в расчете на одну компрессорную станцию. При реализации мероприятий на всех компрессорных станциях магистрального газопровода «Средняя Азия Центр» экологический ущерб может быть снижен на сумму более 150 млн. тенге в год.
1,3
0,9
+
+
+
1,3
0,9
+
+
+
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. СТО Газпром 2-3.5-039-2005 «Каталог удельных выбросов вредных веществ газотурбинных газоперекачивающих агрегатов»
2. Технологический регламент на проектирование компрессорных станций (раздел «Охрана окружающей среды»). - М.: ВНИИГАЗ, 1994.
3. Ауесбаев Е.Т., Майсутов Т.Б., Абушахманов К.И. Практика оценки экологической безопасности работы ГТУ.- Вестник КазАТК, Алматы, 2007, № 6, с.232-235.
ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL SAFETY OF GAS TURBINE UNITS
А. A. KIBARIN
Almaty Institute of Po
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.