ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С СИСТЕМОЙ НИЗКОЭМИССИОННОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВНОГО ГАЗА

Область использования газотурбинной установки (ГТУ) с высокими параметрами термодинамического цикла со степенью сжатия компрессора -πк≥20 и снабженной системой низкоэмиссионного сжигания топливного газа - приводы нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), приводы электрогенераторов в блочно-модульных электростанциях, а также в качестве приводов на железнодорожном и автомобильном транспорте.
В настоящее время действуют «жесткие» требования по нормированию эмиссии оксидов азота NOx и оксида углерода СО в широком диапазоне изменения мощности ГТД (от 0,5 номинала до максимального режима). По годам прослеживается тенденция к дальнейшему снижению допустимых норм на выброс вредных газов.
Как показывает практика эксплуатации высокоэффективных ГТУ при принятыми системами регулирования работы двигателя по оборотам (мощности) невозможно обеспечить требуемую эмиссию NOx и СО на низких и переходных режимах, а так же при отрицательных температурах окружающей среды.
Для выполнения современных требований по эмиссии выхлопных газов ГТД разрабатываются системы низкоэмиссионного горения, обычно включающие:
- собственно камеру сгорания (КС) для сжигания бедной гомогенной (предварительно хорошо перемешанной) ТВС при температуре пламени не выше 1750 К;
- систему регулирования процесса горения путем строго дозированной подачи топлива по нескольким контурам в зависимости от режима работы ГТД и условий окружающей среды;
- систему управления воздухом в камере сгорания, обычно перепускающей воздух из первичной зоны горения в зону смешения на низких режимах работы двигателя для поддержания оптимального соотношения «топиво-воздух» в зоне горения;
- механизмы регулирования компрессора.
Наиболее близкой по технической сущности является ГТУ (Постников A.M., Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ, Самарский научный центр РАН, 2002, с.259), содержащая входной направляющий аппарат, компрессор, камеру сгорания с горелками с предварительным смешением топлива с воздухом, турбину, свободную турбину, выхлопной тракт, с дистанционными ребрами, связывающими наружную и внутреннюю оболочки тракта, а также автономную установку каталитической очистки от NOx и СО. Катализаторы, содержат в качестве носителя драгоценные металлы, окислы металлов или их комбинация, но в качестве основы все они имеют керамический материал.
Недостатком ГТУ является то, что для очистки от выхлопных газов приходиться применять автономные установки каталитической очистки
имеющих большие габариты, являющимися дорогими и малонадежными в эксплуатации при вибрационных и ударных нагрузках.
В основу полезной модели поставлена задача создать малогабаритную, удобную в эксплуатации и недорогую ГТУ.
Это достигается за счет того, что в газотурбинной установке с системой низкоэмиссионного сжигания топливного газа, содержащей входной направляющий аппарат, компрессор, с двухконтурной подачей топлива кольцевую камеру сгорания с горелками с предварительным смешением топлива с воздухом, турбину, свободную турбину, кольцевой выхлопной тракт с дистанционными ребрами, связывающими наружную и внутреннюю оболочки тракта, согласно полезной модели, в выхлопном устройстве установлен каталитический нейтрализатор оксида углерода, выполненный в виде съемных сегментов, закрепленных в кольцевом выхлопном тракте между дистанционными ребрами.
На фиг.1 представлена схема ГТУ, на фиг.2 - установка каталитического нейтрализатора в выхлопном тракте, на фиг.3 - показа расчетная зависимость снижения эмиссии СО для ГТУ НК-38СТ.
ГТУ с системой низкоэмиссионного сжигания топливного газа включает: регулируемый ВНА 1; компрессор 2; кольцевая КС с двухконтурной подачей топлива (дежурное и основное), с горелками с предварительным смешения топлива с воздухом 3; турбину 4; свободную
турбину 5; выхлопной тракт 6, в котором установлен каталитический нейтрализатор оксида углерода (СО) 7.
Каталитический нейтрализатор 7 (фиг2) установлен между двумя оболочками наружной и внутренней 8, связанными между собой ребрами 9 и представляет из себя несколько съемных сегментов 10, установленных в поперечном сечении канала, с окнами, в которых монтируются каталитические элементы цилиндрической или иной формы 11, дающей минимальное загромождение проходного сечения выхлопного канала. Каталитические элементы выполнены по автомобильной технологии.
ГТУ с системой низкоэмиссионного сжигания топливного газа работает следующим образом:
После выхода двигателя на минимальный рабочий режим, что составляет 0,5 или 0,7 номинала, по заданной программе производится регулировка расхода топлива в дежурную зону КС 3 для уменьшения эмиссии NOx до требуемых значений. При этом ухудшается эффективность горения основного топлива и образуется значительное количество оксида углерода. Регулирование дежурного контура по эмиссии NOx продолжается вплоть до максимального режима работы двигателя, при этом выбросы оксид углерода стремятся к минимальным значениям. Для получения минимальных выбросов оксидов азота на максимальном режиме работы двигателя требуется высокое качество предварительного смешения основного топлива с воздухом.
Образующийся при горении в камере 3 на низких режимах оксид углерода дожигается (окисляется) в выхлопном газе на каталитической поверхности нейтрализатора 11. Эффективность нейтрализатора 11 определяется уровнем температуры выхлопного газа и каталитическими
свойствами металлов, используемых в нейтрализаторе. Проведенные экспериментальные исследования показали, что высокая температура выхлопных газов ≥400°С позволяет эффективно использовать для нейтрализатора СО каталитические элементы, изготовленные по автомобильной технологии, ресурс которых в составе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) составляет порядка 3000 часов. Предлагаемая конструкция кольцевого нейтрализатора СО, позволяет производить периодическую замену каталитических элементов для их последующего восстановления.
На рис.3 в качестве примера использования предлагаемой системы низкоэмиссионного сжигания топливного газа показана расчетная зависимость снижения эмиссии СО для ГТУ НК-38СТ при установке в выхлопном устройстве двигателя каталитических элементов, выполненных по автомобильной технологии. Ожидаемый ресурс такого нейтрализатора в ГТД не ниже 3000 часов, так как условия его работы облегчены: при бедном сжигании газа образуется мало частиц сажи, температурный диапазон температуры выхлопного газа находится вблизи максимума эффективности катализатора, а отсутствие забросов температуры выхлопных газов исключает его возгорание.
Таким образом, в ГТУ с системой низкоэмиссионного сжигания топливного газа обеспечивается разделение функций снижения выбросов вредных веществ: NOx - в малоэмиссионной камере сгорания и СО - в простом каталитическом нейтрализаторе автомобильного типа. За счет этого существенного упрощается конструкция двигателя, системы управления ГТУ и повышается его эксплутационная технологичность.