Газотурбинные установки для транспорта природного газа (пособие, 2012 год) - часть 5

2.6. Очистка воздуха, топливного газа и продуктов сгорания при эксплуатации газотурбинных установок

2.6.1. Очистка воздуха в газотурбинных установках

Одной из важных причин ухудшения рабочих характеристик газовых турбин (ГТУ) является некачественная очистка воздуха. Частицы, присутствующие в воздухе могут оседать на лопатках компрессоров, влиять на процессы горения и загрязнять лопатки турбин. Попадая в проточную часть турбинного агрегата и газоходы, частицы загрязнений вызывают загрязнение и разрушение внутренних элементов установки.
Компрессоры газовой турбины - это последовательно расположенные друг за другом роторные и статорные ряды (рабочие и направляющие аппараты), которые в совокупности составляют ступени компрессора и очень тщательно должны быть подогнаны друг к другу (рис. 2.5). Поэтому любое загрязнений поверхностей лопаток компрессора вызывает ухудшение его характеристик и приводит к значительному снижению выходной мощности двигателя. Если скорость потока воздуха изменяется, изменяется соотношение давлений между ступенями, то могут возникнуть помпажные явления, которые очень опасны для оборудования ГТУ. Кроме того если в воздухе содержатся частицы от 5 до мкм, то возникает эрозивный износ лопаток (автомагистрали вблизи от воздухозаборных устройств являются причиной попадания частиц износа шин и сажи, пустынная местность - попадание песка, повышенная концентрация пыльцы в весеннее-летний период и т. д.).

В окружающей среде содержатся различные по размерам частицы (от 0,1 до 50 мкм), которые должны удерживаться фильтрующей системой. Поэтому для повышения эффективности работы воздухоочистки воздушный поток перед осевыми компрессорами газовой турбины очищают в несколько этапов (в два или три). В системе может использоваться так называемая предфильтрационная ступень, промежуточные фильтры и фильтры тонкой очистки. Предфильтры должны улавливать широкий диапазон частиц, удерживать влагу, обладать высокой механической прочностью. Такое технологическое решение сказывается на увеличении срока службы дорогостоящих фильтрационных материалов. Выбора фильтрационных материалов зависит от климатических условий и состава примесей атмосферного воздуха в районе их размещения.

В табл. 2.4 представлены технические характеристики современных фильтрующих элементов.

2.6.2. Подготовка топливного газа для сжигания в газотурбинных установках

В связи с тем, что при эксплуатации ГТУ возникают проблемы, обусловленные высокотемпературной коррозией на лопатках турбины к качеству топливного газа предъявляют ряд требований, качающихся его состава. Поскольку механизм коррозии чаще всего реализуется через образование эвтектики щелочных металлов, то ограничения, как правило, накладываются на суммарное содержание серы и щелочных металлов. По данным отчета 2004 года некоммерческого агентства «Российское теплоснабжение» в табл. 2.5 приведены нормы очистки топливного газа, применяемые фирмой General Electric для своих газовых турбин.

Блочные установки включают:

1. Блок очистки газа, который предназначен для очистки газа на входе установки подготовки топливного, пускового и импульсного газа от жидкости и механических примесей. Блок состоит из 2 технологических линий (основной и резервной), в каждую из которых входит фильтр, трубопроводы с запорной и регулирующей арматурой и контрольно-измерительные приборы.

Наиболее распространенными методами удаления механических примесей и пыли из газа являются:

• мокрая очистка при помощи масляных пылеуловителей

• циклонное пылеулавливания,

• использование сетчатых фильтров.

2. Блок подогревателя топливного газа включает подогреватель с промежуточным теплоносителем, необходимый для работы компрессорной станции в пусковой период. Дополнительно с целью обеспечения установки газом регенерации (t = 300 °С) в подогревателях предусмотрен теплообменник «газ-газ» Ру=10МПа, который используется вместе с блоком подогревателя газа.

Кроме указанного варианта от влаги природный или попутный нефтяной газ могут очищать при помощи различных сорбентов.

3. Блок осушки и хранения импульсного газа предназначен для осушки импульсного газа до точки росы по влаге — 55 °С при рабочем давлении, а также для накопления импульсного газа в ресивере, и выдаче по мере необходимости для управления пневмоприводной арматурой компрессорной станции. Разработаны и изготавливаются блоки осушки и хранения импульсного газа с огневым и электрическим подогревом газа регенерации.

4. Блоки подготовки топливного газа служат для редуцирования и поддержания заданного давления топливного газа. Разработан ряд блоков подготовки топливного газа, которые отличаются по функциональному назначению, составом оборудования и категории размещения.

В общем случае блоки подготовки топливного газа имеют в своем составе: две линии редуцирования топливного газа (основная и резервная) для обеспечения топливным газом газотурбинных двигателей; линию редуцирования пускового газа для запуска газотурбинного двигателя; две линии редуцирования газа на собственные нужды (основная и резервная) для обеспечения станции газом среднего давления.

5. Блок замера газа предназначен для замера общего количества газа, поступающего на установку, а также для замера количества топливного и пускового газа. В состав блока входят технологические линии замера общего количества газа и замера количества нагретого топливного газа, снабженные регулирующей, запорной арматурой, приборами КИПиА. В блоке предусмотрено переключение рабочих линий на резервную или байпасную.

2.6.3. Вредные выбросы и способы их сокращения

К загрязняющим веществам, образующимся при сгорании топлива в газотурбинных установках относится ряд веществ: оксиды азота, оксиды серы, оксид углерода, газообразные углеводороды. Выброс вредных веществ в атмосферу определяется такими показателями, как предельно-допустимая концентрация вредных веществ (табл. 2.7).

Кроме того, в указанные период, ООО «ВНИИГАЗ» был проведен детальный анализ показателей эмиссии диоксида углерода в зависимости от различных типов газоперекачивающих агрегатов. ГПА эксплуатируются в 6 дочерних компаниях. Результаты обследования представлены на рис. 2.22.

Из полученных результатов обследования видно, что увеличение расхода сжигаемого топлива приводи к увеличению выбросов диоксида углерода. Поэтому, очевидно, что уменьшение выбросов будет достигнуто за счет замены ГПА на новые, малоэмиссионные агрегаты с более высоким КПД (до 39 %).

2.6.3.1. Методы предотвращения вредных выбросов в атмосферу при сгорании топлива в газотурбинных установках

Проведенный литературный анализ позволил представить всю группу методов, направленных на сокращение вредных выбросов в атмосферу в виде таблицы, представленной на рис. 2.23. Из данных следует, что применение современных фильтрационных систем, изменение технологии горения природного газа и конструктивные изменения камер сгорания позволяют комплексно решать газотранспортным предприятиям данную проблему.

Рассмотрим более подробно представленные решения.

Очистка продуктов сгорания. Основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами.

Очистку отходящих продуктов сгорания производят фильтрующими материалами и пылеуловителями (механические методы, по принципу центробежных сил, по принципу смачивания поверхности мехприме-сей) и химическими методами, либо сочетание тех и других. Различные фильтрующие материалы и пылеуловители были рассмотрены выше. Рассмотрим химические методы очистки продуктов сгорания.

Существующие методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота и углерода на три группы.

1) восстановительные, основанные на восстановлении оксидов азота до азота и кислорода с применением разного рода катализаторов;

2) окислительные, основанные на окислении оксидов азота и углерода в диоксиды с последующим его поглощением разного рода поглотителями;

3) сорбционные, основанные на поглощении оксидов азота разного рода сорбентами.

Методы каталитической очистки основаны на изменении скорости химической реакции при воздействии катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Различают положительный и отрицательный катализаторы, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее.

В настоящее время все чаще стали использоваться катализаторы в современных технологиях очистки отходящих продуктов сгорания. Так, проведенный ряд исследований Екатеринбургского КБ «ЧКЗ-ЮГСОН» позволили разработать термокаталитические системы с нанопокрытиями (рис. 2.24).

Данная технология позволяет использовать в качестве носителей высокопористые проницаемые ячеистые материалы, обладающие высокоразвитой поверхностью и малым гидравлическим сопротивлением, или керамические сотовые материалы, отличающиеся возможностью работать при высоких температурах и на сильно запыленных газах.

Новизна другой технологии, разработанной ВНИИНМ, ВНИИ Неорганических материалов им. А.А. Бочвара обусловлена тем, что созданная научным коллективом ВНИИ установка очистки газов от оксидов азота «СМОГ» при помощи сорбционных методов (адсорбционный, абсорбционный и хемосорбционный) восстанавливает оксиды азота на пористых носителях. В качестве носителей могут быть использованы алюмогель, цеолиты, силикагель или активированный уголь. Носители покрыты раствором карбамида или смесью карбомида с бикарбонатом аммония, или при введении в газовый поток аммиака. Процесс протекает при температурах до 100 °С. Продуктами взаимодействия являются азот, вода, углекислый газ (в случае карбамида) и разбавленная азотная кислота. Схема установки представлена на рис. 2.25.

метод имеет ряд существенных недостатков. Примерный суточный расход воды на один газотурбинный агрегат может доходить до 50...60 м3 в сутки. А на территории компрессорных станций нет котельных установок и такая методика становиться экономически не выгодной. Кроме того необходима предварительная очистка воды от механических примесей и солей жесткости (кальция и магния).

Реконструкция камер сгорания и горелочных устройств, направленных на увеличение КПД, снижение расхода топлива и увеличение полноты сгорания топлива за счет уменьшения объема горения с максимальным уровнем температуры. Применительно к использованию ГТУ на газопроводах основными направлениями борьбы с вредными выбросами с продуктами сгорания следует считать разного рода реконструкцию камер сгорания ГТУ с горелочными устройствами, организацию самого процесса сгорания топлива в камерах, включая метод предварительного смешения определенной порции воздуха и топлива перед подачей их в камеру сгорания и т. п.

Многочисленные исследования процессов горения топлива в камерах сгорания ГТУ, проведенные различными авторами и организациями, показывают, что основным направлением по снижению выбросов оксидов азота следует считать уменьшение объема зон горения с максимальным уровнем температуры. Это связано, прежде всего, с повышением качества процесса смесеобразования, обеднением рабочей смеси на участках формирования фронта пламени, организацией ступенчатого подвода топлива и воздуха по длине камеры сгорания.

Так, например, реконструкция камер сгорания на агрегатах типа ГТК-10 за счет установки новых регистров и изменения отверстий в горелках, перераспределение воздушных потоков первичного воздуха, использование так называемого «микрофакельного» горения, проведенные на ряде компрессорных станциях предприятия «Мострансгаз» позволили снизить содержание NOx в выхлопных газах более чем в два раза. Термин «микрофакельное горение» подразумевает организацию сжигания топлива посредством создания целой системы многочисленных малых факелов в камере сгорания. Удорожание и усложнение производства таких горелок для снижения выбросов оксидов азота представляется не очень оправданным.

Другой, относительно простой и относительно дешевый способ снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания - это предварительное смешение топлива с воздухом, путем создания обедненной гомогенной смеси до подачи компонентов в зону горения.

Следующий способ - это создание «двухзонных» камер сгорания. Сущность этого метода заключается в том, что в первичную зону горения

воздух подается в меньшем количестве, чем это теоретически необходимо для горения (а примерно равно 0,80...0,90), в результате чего происходит снижение максимальной температуры горения в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела и, как следствие, уменьшение скорости образования оксидов азота.

Во вторую зону горения вводится уже избыточное количество воздуха (а>2). Из-за разбавления продуктов сгорания воздухом последующее горение протекает также при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются.

Разработка новых видов горелочных устройств - еще один шаг для уменьшения вредных выбросов в атомсферу при эксплуатации ГТУ. Так, Robert Cheng и его коллеги из национальной лаборатории Lawrence Berkeley National Laboratory в Беркли разработали горелку «Инжектор с медленным завихрением» (LSI) для турбинных установок, позволяющую в пять с лишним раз снизить выбросы NOx Эта разработка стала одним из 100 лучших изобретений года.

В газотурбинном двигателе LSI занимается подачей топлива в поток воздуха, смешением компонентов, и фактически этот узел поставляет пламя в камеру сгорания, откуда продукты горения попадают уже собственно на лопатки турбины. LSI - это особая форма инжектора/смесителя, в которой смеси придаётся вращение вокруг продольной оси, но сравнительно медленное, в противовес сильному завихрению в традиционных системах. В результате уже вне среза горелки формируется очень устойчивое пламя, отличающееся более низкой, чем обычно, температурой горения. Такой процесс назван ультрачистым горением в медленном «водовороте».

Поскольку интенсивность образования окислов азота сильно зависит от температуры, то газовая турбина с новым инжектором выделяет намного меньше этих соединений.

Тесты показали, что горелка для газовой турбины, оснащённая устройством LSI, выделяет NOx в концентрации 2 части на миллион, что более чем в пять раз ниже, чем у горелки традиционной конструкции. Любопытно, что изобретатель называет новинку «противоинтуитивной идеей», отмечая, что она «бросает вызов традиционным подходам в конструировании таких узлов; эксперты лишь начинают применять принципы термодинамики, газовой динамики и химии горения для объяснения того, как работает этот феномен».

С одной стороны, такое конструктивное решение приводит к снижению общего КПД ГТУ, сильно зависящего от температуры перед первой ступенью турбины. Если для электростанций небольшое падение КПД незначительно, то для турбин, используемых в авиастроении

3. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Одним из основных рабочих параметров, определяющих работу ГТУ, является тепловой цикл, представляющий круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу. Все термодинамические процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, в той или иной степени необратимы. Необратимость процессов вызывается наличием трения в потоке рабочего тела, теплоотдачей от рабочего тела в стенки и т. п. Необратимость процессов снижает эффективность преобразования теплоты в работу, что, в свою очередь, влияет на эффективность работы самой установки. Следовательно, анализируя характер протекания термодинамического цикла, возможно сделать заключение об эффективности работы установки в целом.

При анализе эффективности циклов двигателей решают две задачи:

1) определяют, от каких факторов зависит КПД обратимого термодинамического цикла, какими должны быть процессы цикла, чтобы его КПД имел наибольшее значение при заданных конкретных ограничительных условиях;

2) находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессе целесообразно совершенствовать с целью уменьшения необратимых потерь и повышения КПД цикла. Основным показателем, достаточным для суждения о термодинамической эффективности обратимого цикла, служит термический КПД цикла:

3.1. Обратимые термодинамические циклы газотурбинных двигателей

Обратимые термодинамические циклы представляют упрощенную тепловую схему и облегчают теоретическое исследование различных теплосиловых установок, а также дают возможность сопоставить экономичность циклов тепловых двигателей.

содержание .. 3 4 5 6 ..