Размещено на http://www.allbest.ru/

Очистка выбросов газотурбинных установок (ГТУ) компрессорных станций от вредных веществ

Выполнила:

Студентка группы АС-14-4

Краденова А.К.



Оглавление

• Введение
• 1. Загрязняющие вещества
• 2. Оксиды азота NOx
• 3. Продукты неполного сгорания топлива (СО и недогоревшие углеводороды)
• 4. Снижение выбросов вредных веществ гту на компрессорных станциях ОАО «Газпром»
• Вывод
• Список литературы


Введение

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из регенератора(Р); воздушного компрессора(ВК); камеры сгорания(КС); газовой турбины(ГТ); пускового двигателя(ПД); топливного насоса(ТН) и газового компрессора(ГК). Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию.

В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

Газотурбинная компрессорная установка-- агрегат с газотурбинным приводом для сжатия природного газа, это наиболее распространённый тип газонагнетательных установок компрессорных станций магистральных газопроводов. Одна газотурбинная компрессорная установка обеспечивает, как правило, повышение давления транспортируемого газа в 1,2 раза. В связи с этим на компрессорных станциях устанавливают несколько однотипных газотурбинных компрессорных установок и применяют последовательную, параллельную и смешанную схемы их включения.

Последовательное включение газотурбинных компрессорных установок производят, когда при заданном расходе необходимо создать перепад давления газа, превышающий возможности одной газотурбинной компрессорной установки.

Параллельное соединение газотурбинных компрессорных установок применяют для повышения расходов газа при заданном давлении. Нагрузка между газотурбинными компрессорными установками распределяется поддержанием одинаковой мощности на всех агрегатах или одинаковой температуры газов перед турбинами при ограничениях температуры продуктов сгорания и скорости вращения турбины.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе: в обычном рабочем режиме -- на газе, а в резервном (аварийном) -- автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.



1. Загрязняющие вещества

газотурбинный загрязняющий топливо сгорание

Вещества, поступающие в окружающую среду вместе с отработавшими(выхлопными) газами. Выбросы вредных веществ включают следующие составляющие:

-оксид азота NOx;

-диоксид азота NO2;

-оксид углерода СО;

-диоксид углерода CO2;

-оксиды серы SOx;

-углеводороды СН;

-аммиак NH3;

-дым;

-твердые частицы: все твердые частицы, образовавшиеся в процессе горения.

Загрязняющие газообразные вещества:

-оксид азота, в пересчете на NO2

-оксиды серы SO2

-окислы углерода СО

-СН4 и другие углеводородные волокна

Предельно-допустимые концентрации некоторых газообразных веществ и их класс опасности:

Вещество	Класс опасности	Предельно допустимые концентрации, мг/м3
СН4	4	?300
CO	4	20
SО2	3	<10
NOx	2	?2



Показатели выбросов оксидов азота и углерода с продуктами сгорания для ряда газотурбинных установок, эксплуатируемых на газопроводах.

2. Оксиды азота NOx

Существуют три пути образования оксидов азота, различающиеся по способу происхождения, но не по химическому составу:

тепловые оксиды азота

ь высокой температуре (Т>1500 К)

ь высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота в процессе горения.

ь при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) быстрые оксиды азота (быстрые NOx);

ь при связывании атмосферного азота углеводо­родными частицами (радикалами), которые присутствуют в зоне факела

ь зависит от концентрации радикалов в корневой части факела

ь малое время образования топливные оксиды азота (топливные NOx)

ь из азотосодержащих соединений топлива на начальном участке факела горения одновременно с «быстрыми», но до появления «термических»

Факторы, влияющие на образование оксидов азота

1. локальные температуры газа в камере сгорания;

2. время пребывания газа в зоне высоких температур;

3. уровни концентрации кислорода и азота в зоне горения;

4. температура воздуха на входе в камеру сгорания.

Можно оценить реальное (ожидаемое) образование NOx в реальной топке печи по следующей формуле:

N0x=(NOx)базвыхЧk1Чk2Чk3Чk4Чk5, где

k1 - коэффициент, учитывающий влияние температуры камеры сгорания на образование NOx;

k2 - коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на выбросы NOx;

k3 - коэффициент, учитывающий влияние содержания водорода в топливном газе на выбросы NOx;



k4 - коэффициент, учитывающий содержание С3Н8 в топливе на образование NOx;

k5 - коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха на образование NOx;

В качестве (NOx)баз. берется значение NOx в уходящих газах, полученное при стендовых испытаниях. Как правило стендовые испытания горелок проводятся на природном газе (СН4) при номинальном избытке воздуха (1,05-1,15), температура воздуха для горения равна температуре окружающей среды, в камере горения установлена одна горелка, стенды оснащены системами охлаждения стенок.

Очистка продуктов сгорания от оксидов азота технически сложна и в большинстве случаев экономически нерентабельна. Наиболее целесообразным является внедрение технологий подавления оксидов азота на стадии сжигания топлива, которые предусматривают организацию топочного процесса при возможно более низкой температуре в зоне горения и малом избытке воздуха.

Основными режимно-технологическими методами снижения эмиссии оксидов азота являются:

1. Сжигание топлива с низким коэффициентом избытка воздуха.

2. Двухступенчатое сжигание топлива.

3. Рециркуляция части дымовых газов в зону горения;

4. Снижение температуры подогрева воздуха.

Сжигание топлив с низким коэффициентом избытка воздуха.

Одним из наиболее легко реализуемых режимных мероприятий является снижение избытка воздуха в топке. В результате уменьшения содержания кислорода в зоне горения происходит подавление образования как «термических», так и «топливных» NOx. Поэтому данное мероприятие может быть применено при сжигании любых видов органического топлива.



Наибольшая эффективность достигается при сжигании с избытками воздуха

б= 1,03ч1,05. Зависимость концентрации NOx от коэффициента избытка воздуха имеет вид экстремальной кривой с максимумом в интервале б = 1,1ч1,3. Причем максимум NOx соответствует, как правило, такому значению коэффициента избытка воздуха, при котором в данных условиях достигается наиболее полное сгорание топлива.

Двухступенчатое сжигание топлива.

При этом процесс горения организован следующим образом: через горелки с топливом подается воздух в количестве, меньшем стехиометрического (обычно б=0,8ч0,95), а остальное необходимое по балансу количество воздуха вводится в топочную камеру далее по длине факела. Таким образом, на первом этапе горения осуществляется сжигание топлива при недостатке окислителя, а на втором - дожигание продуктов газификации при пониженных температурах. Благодаря этому в начале факела из-за пониженной концентрации кислорода уменьшается образование топливных окислов азота, а снижение температурного уровня на второй стадии уменьшает образование термических NOx.

Рециркуляция продуктов сгорания.

Этот метод заключается в отборе части дымовых газов (5…30 %) из газохода при температуре 300…400 °С и подаче этих газов в зону активного горения (предпочтительно через горелочные устройства, с использованием отдельных сопел или в смеси с воздухом, поступающим для горения).

Уменьшение концентрации NOx объясняется не столько низкой температурой рециркулирующих газов, сколько снижением температуры горения из-за уменьшения скоростей цепных реакций вследствие присутствия инертных газов и снижения концентраций реагирующих веществ. Наибольший эффект снижения образования окислов азота достигается при попадании всего количества рециркулирующих газов в зону активного горения в случае полного их предварительного перемешивания с дутьевым воздухом. В этом смысле наибольшей эффективностью обладает ввод продуктов сгорания в воздухопроводы перед горелками или подача их в топку через отдельные каналы горелок.

В таблице представлены данные о снижении выбросов NOx в зависимости от способа организации процесса горения.

Справочник по горению Джон Зинк, 2000 [The John Zink Combustion Handbook]

Тип горелки по механизму организации горения	Снижение выделения NOx по сравнению с обычной горелкой без смешения, %
Ступенчатая подача воздуха	25-35
Ступенчатая подача топлива	40-50
Горелки с низким избытком воздуха	20-25
Горелки с внутренней рециркуляцией продуктов сгорания	40-50
Горелки с внешней рециркуляцией продуктов сгорания	50-60
Ступенчатая подача воздуха или топливного газа с внутренней рециркуляцией продуктов сгорания	55-75
Ступенчатая подача воздуха или топливного газа с внешней рециркуляцией продуктов сгорания	60-80



3. Продукты неполного сгорания топлива (СО и недогоревшие углеводороды)

Оксид углерода (СО), водород, ненасыщенные, насыщенные, ароматические углеводороды и сажистые частицы являются продуктами неполного сгорания углеводородов при сжигании всех видов топлива.

Наличие продуктов неполного сгорания в значительных концентрациях недопустимо, так как приводит к загрязнению атмосферы токсическими веществами и к снижению КПД установок, работающих на газовом топливе.

Основные причины неполного сгорания топлива:

ь сжигание газов с недостаточным количеством воздуха;

ь плохое смешение горючих газов и воздуха до и в процессе горения;

ь чрезмерное охлаждение пламени до завершения реакций горения.

Для метана реакции горения (в зависимости от концентрации кислорода в реагирующей смеси) могут быть описаны следующими уравнениями:

при стехиометрическом соотношении или при избытке окислителя:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q (1)

при недостатке окислителя:

СН4 + О2 = СО + Н2 + Н2О + Q (2)



В процессе горения углерода имеют место вторичные реакции догорания СО в газовом объеме, которые описываются уравнением:

2СО + О2 = 2СО2 + Q (3)

В соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры и неизменном давлении равновесие экзотермической реакции (3) смещается в направлении диссоциации CO2 на оксид углерода и кислород.

Заметная диссоциации CO2 возможна только при температурах более 2000 - 2500К. При температурах до 2000К реакцию (3) можно считать практически не обратимой и протекающей при благоприятных кинетических условиях до полного исчезновения одного из исходных веществ.



Наиболее эффективный подход к сокращению выбросов оксида углерода - предотвращение его образования. С этой целью:

ь проектируются форсунки, обеспечивающие хорошее смешение с воздухом,

ь внедряются системы контроля полноты сгорания топлива

ь и другие мероприятия.

К сожалению, меры, направленные на подавление образования оксида углерода, приводят к повышению концентрации оксидов азота и наоборот. Поэтому каждый тип устройств для сжигания следует оценивать по выбросам отдельных загрязняющих веществ. При выделении больших количеств оксида углерода (например, при выжиге кокса на регенераторных установках) его собирают и сжигают в котлах-утилизаторах.

Дожиг является также основным методом нейтрализации для других источников выбросов оксида углерода и других вредных углеводородов с применением новых, более эффективных катализаторов дожига.(Концентрация СО в отходящих газах снижается при этом от 10 до 0,1%)

Основные направления по контролю и ограничению эмиссии NOx и CO2

1. Новые типы малотоксичных ГТУ

2. Модернизация камер сгорания эксплуатируемых ГПА

3. Исследование влияния режимных и эксплуатационных факторов

4. Исследование процессов рассеивания и трансформации выбросов в атмосфере

5. Каталитические камеры сгорания(NOx менее 10 мг/м3)

6. Система фильтрации

7. Введение воды в КС

4. Снижение выбросов вредных веществ гту на компрессорных станциях ОАО «Газпром»

На 01.10.04 в ОАО «Газпром» находится в эксплуатации 255 компрессорных станций (включающих 695 цехов). Установленная мощность газоперекачивающих агрегатов составляет 44 млн.кВт, в том числе с газотурбинным приводом - 91,7 %, электрическим приводом - 7,9 % и поршневым приводом - 0,4 %.

Газотурбинный парк ГПА формировался в течение 40 лет и включает в себя 30 типов (более 3000 шт.), единичная мощность их колеблется от 2,5 до 25 МВт, номинальный к.п.д. ГТУ разных поколений от 24 до 36 % (средневзвешенный к.п.д. - 29,0 %).

В настоящее время поступления в атмосферу с продуктами сгорания ГТУ оцениваются следующими величинами:

ь оксида азота - 140 тыс.т/год,

ь оксид углерода - 210 тыс.т/год,

ь углекислый газ - 81,5 млн.т/год.

Средневзвешенная концентрация загрязняющих веществ составляет:

ь оксида азота - около 180 мг/м3,

ь оксида углерода - около 250 мг/м3

ь NОx - около 180 мг/м3

Работы по контролю и сокращению выбросов проводятся в ОАО «Газпром» наиболее активно с 1991 г.

Для этих целей ВНИИГАЗом последовательно (1991 и 1996 гг.) разрабатывались комплексные отраслевые программы по сокращению выбросов, планируется разработка очередной программы, которая должна объединить проблемы эмиссии NОx, СО, СН4 и СО2 (объединение диктуется тем, что усилия по ограничению NОx начали увеличивать эмиссию СО и СН4).

Основные направления по контролю и ограничению эмиссии NОх:

- новые типы малотоксичных ГТУ;

- модернизация камер сгорания эксплуатируемых ГПА;

- исследование влияния режимных и эксплуатационных факторов;

- исследование процессов рассеивания и трансформации выбросов в атмосфере;

- мониторинг выбросов и состояния атмосферы;

- каталитические камеры сгорания (NОx менее 10 мг/м3); планируется за пределами 2010 г.

Метод впрыска воды в ГТУ не планируется из-за потребности больших количеств дистиллированной воды: до 40 тыс.т/год на цех, или порядка 100 т воды на 1 т сокращения NOx ; по зарубежным данным затраты до 3200 долларов на 1 тонну NОx.

Метод селективного каталитического восстановления также не планируется использовать из-за больших капитальных и эксплуатационных затрат (до 5500 долларов на 1 т NОx ) и, проблем безопасности, связанных с использованием больших объемом аммиака (300-900 т в год на агрегат).

Наиболее заметный успех сокращения выбросов загрязняющих веществ достигнут в 1992-1997 гг.: за счет модернизации около 670 ГТУ с наибольшей эмиссией (ГТК-10, ГТ-750-6) выбросы NОx были сокращены на 160 тыс.т/год (или в 1,8 раза). Дальнейшее снижение выбросов дается в большими усилиями: темп сокращения выбросов составляет 3-5 тыс.т/год.

Приоритетные типоразмеры для разработки и внедрения малоэмиссионных конструкций: ГТК-10 (дальнейшая модернизация), ГТН-16, ГТК-10И, ГТК-10ИР, ГТК-25ИР.

Для новых ГТУ малоэмиссионные конструкции практически не преодолели рубеж 100 мг/м3 эмиссии NОx (демонстрационные проекты не обеспечили надежность): отечественный потенциал (в сочетании с отсутствием финансирования) не готов к быстрому решению малоэмиссионных технологий.

Проблема СО для ряда типоразмеров выдвинулась на первый план (ГПА-Ц-16, ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16С). Не исследован вопрос о величине эмиссии СН4 с продуктами сгорания (отсутствие соответствующей аппаратуры).

Проблема сокращения эмиссии СО2 в обозримой перспективе будет решаться «естественным путем»: повышением к.п.д. установок (каждый м3 сжигаемого газа дает около 1,8 кг СО2). Другие вопросы, и в частности, извлечение СО2 из продуктов сгорания ГТУ могут иметь сугубо исследовательский характер.

Используемая в ОАО «Газпром» нормативно-механическая документация: инструкции по измерениям, контролю и учету выбросов, каталог удельных выбросов, технологический регламент на проектирование КС (атмосферный воздух) были разработаны в начале 90-х годов; в настоящее время планируется их пересмотр.

Мониторинг выбросов ГТУ ориентирован по двум направлениям: мониторинг выбросов с продуктами сгорания и мониторинг атмосферы на крупных КС.

Сформированная к настоящему моменту система контроля и учета выбросов NОx и СО базируется на периодических контрольных измерениях с помощью переносных приборов и расчете валовых выбросов на основе эксплуатационных данных по инструкциям, разработанным ВНИИГАЗом. Следующий необходимый шаг:

а) создание системы мониторинга с прямым измерением концентраций (наименование за рубежом - «CEMS»);

б) создание системы мониторинга на основе штатных экологических характеристик с периодическим их контролем путем физических измерений концентраций (типа «PEMS»).

Для новых типов обе системы могут быть встроены в агрегатную САУ(систему автоматического управления), для эксплуатируемых ГТУ - в виде дополнительной системы. В ближайшей перспективе не следует ожидать массового использования систем «CEMS» (надежность, стоимость); у систем «PEMS» более благоприятные перспективы, но нужно доказательство их достоверности применительно к каждому типу ГТУ.



Вывод

Загрязнение окружающей среды предприятиями газоперерабатывающей промышленности относится к одной из наиболее актуальных проблем.

Поэтому важной задачей газовой отрасли является снижение вредных выбросов в атмосферу и обеспечение экологической безопасности компрессорных станций.

Протяженность газотранспортной системы России около 160 тыс. км, мощность - более 45 млн. кВт, поэтому эта часть газовой отрасли РФ оказывает наибольшее влияние на состояние окружающей среды. При этом, наибольшие выбросы в процессе эксплуатации газопроводов возникают за счет потребления газа на собственные нужды - топливный газ, разнообразные утечки.



Список литературы

1. ГОСТ Р ИСО 11042-1-2001 Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ.

2. Кибарин А.А., Касимов А.С., Ходанова Т.В. К вопросу влияния технического состояния ГПА на загрязнение воздушного бассейна в районе компрессорных станций магистральных газопроводов.- Вестник АИЭС, Алматы, 2009, № 2.

3. Энергетика трубопроводного транспорта газов: Учебное пособие/А.Н.Козаченко, В.Н.Никишин, Б.П.Поршаков -М.,: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, 2001

4. Манушин Э.А. Газовые турбины. Проблемы и перспективы.М.,:Энергоатомиздат, 1986.

5. Газотурбинные установки: учебное пособие/ А.В.Рудаченко, Н.В.Чухарев, С.С.Байкин.-Томск:Изд-во Томского политехнического университета, 2008.

6. Повышение эффективности использования газа на компрессорных станциях / Динков В.А., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Мужиливский П.М. - М.: Недра, 1981.

7. ГОСТ 21199-82. Установки газотурбинные. Общие технические требования.

Размещено на Allbest.ru

...