Экологическое воздействие энергетических газотурбинных установок на окружающую среду

4ИКА, ЭКОЛОГИЯ И АЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ >НЕРГЕТИКИ

УДК 621.438

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

С.И. КОНДРАТЬЕВ, И.С. КОНДРАТЬЕВА

Перспективы широкого внедрения газотурбинных технологий непосредственно связаны с увеличением выработки электрической энергии по теплофикационному циклу, а также с улучшением экологических характеристик энергопроизводства. Рассматриваются экологические показатели, полученные при наладке установки ГТУ-ТЭЦ электрической мощностью 10 МВт, состоящей из авиационного газотурбинного двигателя и подогревателя сетевой воды.

Важнейшим направлением в развитии систем электроснабжения промышленных предприятий в условиях рыночной экономики является использование небольших теплоэлектростанций (ТЭС) с энергетическими газотурбинными установками (ГТУ). Строительство таких ГТУ-ТЭС будет способствовать улучшению экологической ситуации, экономии топлива и, при правильном сочетании производства тепловой и электрической энергии, достижению оптимальной эффективности использования топлива.

Проблема снижения вредного воздействия энергокомплекса на окружающую среду носит глобальный характер, а ее острота в условиях рыночной экономики напрямую связана со вкладом ГТУ- ТЭС в приземную загазованность, поскольку уровень вредных выбросов определяет плату предприятия за загрязнение окружающей среды.

Жидкое моторное топливо (как правило, керосин) для авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) имеет сложный химический состав и содержит, в основном, углеводороды парафинового, ароматического и нафтенового рядов. В процессе быстрого, но неполного сгорания в камере двигателя молекулы углеводородов распадаются на свободные радикалы, которые могут рекомбинироваться в различные изомерные углеводороды и выбрасываться с отработанными выхлопными газами (ОВГ) [1].

В них содержатся токсичные соединения, основными из которых являются оксид углерода СО, углеводороды СхНу (в том числе, канцерогенные полициклические ароматические углеводороды, из которых особенно активен бензопирен С20Н12), оксиды азота N0^ Основным токсичным компонентом из перечисленных являются окислы азота, создающие до 95% общего уровня токсичности. Токсичность ОВГ АГТД в значительной мере определяется термодинамическими параметрами процесса, совершенством камер сгорания,

© С.И. Кондратьев, И. С. Кондратьева Проблемы энергетики, 2003, № 7-8

тепломеханической схемой и условиями эксплуатации двигателей, в том числе параметрами окружающего воздуха и видом применяемого топлива. Результаты исследований АГТД АИ-25 [2] показали, что индексы выброса Е1 СО и СхНу максимальны на режиме малого газа (8% взлетной тяги двигателя Ио) и достигают величин соответственно 162 и 33 мг/кг. Наоборот, индекс выброса N0x на режиме малого газа минимален и не превышает 2 мг/кг. С повышением тяги выбросы N0x увеличиваются за счет повышения температуры ОВГ и соответственно увеличивающегося при этом количества окисляющегося атмосферного азота и достигают значений индекса выброса 10 мг/кг.

Газовые выбросы АГТД отличаются от дымовых газов других тепловых двигателей и промышленного топливосжигающего оборудования тем, что в них продукты сгорания сильно разбавлены избыточным воздухом. Разбавление воздухом, естественно, облегчает последующее рассеивание выхлопных газов ГТУ-ТЭС в атмосфере до необходимых санитарно-гигиенических норм, не требуя чрезмерно высоких дымовых труб. Однако разбавленность газа воздухом, снижая концентрацию вредных выбросов в ОВГ, не означает уменьшения общего, тем более регионального загрязнения атмосферы, поскольку оно определяется абсолютными значениями вредных выбросов.

В настоящее время основными направлениями работ по снижению токсичности ОВГ АГТД являются следующие [1]:

1. Совершенствование процессов смесеобразования и горения путем применения камер сгорания с предварительным смесеобразованием и каталитическим процессом сгорания, обеспечивающих концентрацию N0х 10 - 25 млн-1 при сжигании природного газа и 70 млн-1 при сжигании жидких топлив, а также минимальных концентраций СО во всем диапозоне работы ГТУ.

2. Впрыск воды или пара в камеру сгорания АГТД с целью форсирования мощности и уменьшения содержания N0^

3. Основными мероприятиями, позволяющими сократить воздействие ТЭЦ на окружающую среду, является замещение жидкого и твердого видов топлива природным газом, а также водородом [3], что обеспечивает практически полную защиту воздушного бассейна от воздействия сернистого ангидрида и золы.

4. Утилизация отработанных выхлопных газов в различного рода теплообменных устройствах (экономайзерах, паровых котлах и т.д.), помимо увеличения общего КПД установки, приводит к понижению температуры отходящих выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, что уменьшает количество окислившегося атмосферного азота, а также снижает местные тепловые нагрузки атмосферы и влияние на локальные тепловые условия.

В результате использования современных наиболее экологически и экономически эффективных ГТУ можно сэкономить, по оценке Энергетического института Российской Академии наук, до 30 % и более энергетических ресурсов, соответственно общее количество выбросов загрязняющих веществ при этом сократится, как минимум, на ту же величину. Имеется опыт создания и успешной эксплуатации таких установок, в частности, в качестве газотурбинных надстроек к обычным паровым энергоблокам, а также в виде утилизационных и пиковых энергетических газотурбинных установок.

В АО «Башкирэнерго» в котельном цехе № 5 предприятия

«Теплоэнергоцентраль» (г. Ишимбай) совместно с ГНПП «Мотор» (г. Уфа) сооружена опытно-экспериментальная газотурбинная энергетическая установка ГТЭ-10/95 номинальной электрической мощностью 10 МВт, действующая по

схеме ГТУ-ТЭС [4]. В качестве базового двигателя использован серийный авиационный турбореактивный двигатель типа Р-95Ш. Силовая (свободная) турбина изготовлена с применением рабочих лопаток от серийных авиационных ГТД. Тепло отработанных газов используется для нагрева сетевой воды в котле-утилизаторе, представляющем собой газоводяной подогреватель, выполненный с использованием спирально оребренных труб. Проектный КПД установки по выработке электроэнергии составляет 31,1 %, с учетом утилизации тепла отходящих газов - 82 %.

Эта установка потребовала проведения тщательной государственной экологической экспертизы в связи с расположением ГТЭ-10/95 в непосредственной близости (600 м) от жилых массивов города в экологически напряженном районе.

Основное преимущество ГТЭ-10/95 в части воздействия выбросов на загрязнение атмосферы обусловлено более высоким коэффициентом полезного использования тепла топлива - вдвое большим, чем при выработке электроэнергии по конденсационному циклу. Эмиссия загрязняющих веществ в атмосферу от газотурбинной установки зависит от вида топлива и конструкции камеры сгорания ГТУ. На первом этапе опытной эксплуатации газотурбинная установка работала на жидком топливе - керосине марки ТС-1. Конструкция камеры сгорания соответствовала конструкции камеры базового авиационного двигателя с незначительными изменениями для улучшения полноты сгорания топлива при бедных составах смеси.

Сравнение этой ГТУ-ТЭС с существующими энергетическими ГТУ на жидком топливе показывает, что эмиссия оксидов азота на ГТЭ-10/95 несколько ниже уровня 190-210 мг/м3, достигнутого на ГТГ-12, ГТ-35-770ХТЗ, ГТЭ-45ХТЗ, ГТЭ-150ЛМЗ с различными типами камер сгорания (регистровые, блочные, кольцевые) [1]. В отличие от отечественных авиационных ГТД, используемых в настоящее время в схемах ГТУ, эмиссия оксидов азота двигателя Р-95Ш также ниже. По данным автора [5] для ряда авиационных ГТД уровень эмиссии N0х составляет 190 - 270 мг/м3. Действующий в настоящее время ГОСТ 29328-92 жестко ограничивает концентрации оксидов азота для стационарных ГТУ: при нагрузке от 0,5 до 1,0 номинальной на существующих установках они не должны превышать 150 мг/м (при О2 = 15%) на жидком и газообразном топливах; для

3 3

вновь создаваемых ГТУ - 50 мг/м на газообразном и 100 мг/м на жидком топливе [3].

ГТУ-ТЭС при работе издает вредный для обслуживающего персонала и окружающего населения шум аэродинамического и механического происхождения (регламентируется ГОСТ 12.1.003-83), не только поражающий органы слуха, но оказывающий также и общее отрицательное, угнетающее влияние на организм человека, приводя к повышенной утомляемости, снижению реакций, ослаблению пульса, а в итоге - к снижению производительности труда, росту брака и травматизма, к развитию различных хронических заболеваний, в том числе неврозов, гипертонии, язвенной болезни и т.д. [6]. Нормируются также уровни шумов в близко расположенных от предприятий общественных и жилых зданиях (ГОСТ 12.1.036-81 или СН 3077-84). Шум и связанные с ним вибрации оказывают также разрушительное воздействие на сооружения и конструкции.

Шум аэродинамического происхождения возникает вследствие стационарных и нестационарных процессов в воздухе и продуктах сгорания во всем аэродинамическом тракте от воздухозаборного устройства АГТД до выпуска

отработавших в ГТУ-ТЭС продуктов в атмосферу. Для предотвращения шума механического происхождения, возникающего из-за вибрации элементов установки, применяют упругие амортизаторы, а также гибкие вставки в трубопроводах воздухо - и газоводах комплекса.

Для снижения шумового воздействия в ГТЭ-10/95 предусмотрены меры по снижению шума от корпуса турбоблока, воздухозабора и выхлопа. Элементы шумоглушения представляют собой звукопоглощающие панели толщиной 0,2 м с наполнителем из супертонкого базальтового волокна или минераловатных плит (для корпуса турбоблока). Наружные стороны панелей защищены стальным листом, внутренние - перфорированным алюминиевым. Акустические измерения проводились с использованием шумомера типа ВШВ-003. Программа измерений, согласованная с местными органами Госсанэпиднадзора, включала в себя обследования на рабочих местах, промплощадке, точках вблизи источников шума ГТЭ-10/95, а также на территории жилой застройки. Основное количество измерений проведено при нагрузке ГТЭ, близкой к номинальной.

Результаты акустических измерений показали, что шум на рабочих местах (щит ГТЭ) и в различных точках промплощадки составлял 48 - 69 дБА и не превышал предельно допустимого уровня по ГОСТ 12.1.003-83, равного 80 дБА.

Наиболее важное значение имеет уровень шума от котельной с действующей ГТЭ-10/95 на границе жилой застройки в 600 м от объекта. Однако анализ результатов измерений и фоновых значений не позволяет идентифицировать влияние объекта на общий уровень шума, создаваемого автотранспортом и другими источниками.

Соответствие энергетических ГТУ новым стандартам становится одним из наиболее важных требований, предъявляемых к ним, и является основой их конкурентоспособности на рынке производителей энергетического оборудования.

Выводы

1. Использование современных наиболее экологически и экономически эффективных ГТУ позволяет экономить до 30 % и более энергетических ресурсов, соответственно, общее количество выбросов загрязняющих веществ при этом сократится, как минимум, на ту же величину.

2. Для снижения вредного для обслуживающего персонала и окружающего населения шумового воздействия от ГТУ-ТЭС необходимо применять соответствующие меры : использовать упругие амортизаторы и гибкие вставки в трубопроводах установки, а также звукопоглощающие панели.

Summary

The prospects of wide introduction gas-turbine technology are substantially connected to an opportunity of increase of production the electric power by the cycle of heating system, and also with higher ecological parameters. The ecological parameters received at skilled operation and examination gas-turbine installation GTE-10/95 by electrical capacity 10 MWt, consisting of gas-turbine air-engine and heater of network water are considered.

Литература

1. Христич В.А., Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защита

окружающей среды. - Киев: Техника, 1983.

2. Лебедев Н.М. Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель

АИ-25. - М.: Машиностроение, 1971

3. Канило П.М. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода. -

Киев: Наукова думка, 1982.

4. Салихов А.А., Фаткуллин Р.М., Гребенюк Г.П., Габбасов В.Г. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки ГТЭ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя // - Теплоэнергетика. -1999.-№ 1.

5. Аминов Р.З., Ковальчук А.Б., Доронин М.С. и др. О конверсии мощных авиационных газотурбинных двигателей для стационарной энергетики // -Теплоэнергетика. - 1994. - № 6.

6. Тупов В.Б., Рихтер Л.А. Охрана окружающей среды от шума

энергетического оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1993.