Апробація результатів дисертації - Маловитратні технології для підвищення екологічної безпеки теплоенергетичних об'єктів та систем

Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на: II Міжнародній науково-практичній конференції "Раціональне природокористування: системний аналіз у екології", / 1996, м. Севастополь; Міжнародному семінарі "Перспективные энерготехнологии в энергетике и промышленности", / 1998, м. Київ; Міжнародній конференції "Новые компьютерные технологии в промышленности, энергетике, банковской сфере, образовании", / 1998, м. Алушта; Міжнародній конференції "Новые компьютерные технологии в промышленности, энергетике, образовании", / 1999, м. Алушта; Міжнародній конференції "Проблемы промышленной теплотехники", / 1999, м. Київ; Міжнародній науково-практичній конференції "Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике", / 2000, м. Київ; Науково-практичній конференції "Політичні, економічні та екологічні проблеми енергетичної безпеки і транспортування енергоресурсів в Україні", / 2000, м. Київ; XI конференції країн СНД з міжнародною участю "Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики", / 2001, м. Севастополь; Науковому семінарі з міжнародною участю "Технологии энергетики и экономическая безопасность государства", / 2001, м. Київ; Науково-практичниму семінарі "Наука - Києву", / 2001, м. Київ; Науково-практичній конференції "Науковці НТУУ "КПІ" - енергетиці України", / 2002, м. Київ; ІІІ Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2002", / 2002, м. Київ - Севастополь; VII Міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України - 2002", / 2002, м. Київ; Науково-практичній конференції з міжнародною участю "Энергетическая безопасность и экономический рост", / 2002, м. Київ; Міжнародному семінарі "Екологічна безпека об'єктів паливно-енергетичного комплексу", / 2003, м. Київ; VI Міжнародній конференції "Енергетична безпека Європи ХХІ сторіччя", / 2003, м. Київ; IX Міжнародному Енергетичному форумі / 2004, м. Бельско Бяла (Польща), V Міжнародному енергоекологічному конгресі "Енергетика. Екологія. Людина." / 2005, м. Київ; Науковому семінарі, присвяченому 75-річчю кафедри турбобудування НТУ "ХПІ" / 2005, м. Харків; Технічному семінарі "Пути снижения расхода газа в промышленной и коммунальной энергетике. Энергосберегающие технологии и оборудование" / 2006, м. Київ; Першому міжнародному форумі екотехнологій для урбанізованих територій "ЕкоМісто" / 2006, м. Харків; Науково-практичній конференції "Енерго - та ресурсозбереження в житлово-комунальному господарстві - основний напрямок зниження вартості та підвищення якості послуг" / 2006, м. Київ; ХIX міжнародній конференції "UKR-POWER 2006" "Проблемы энергосбережения, безопасности, экологии в промышленной и коммунальной энергетике" / 2006, м. Ялта; Міжнародному науково-практичному семінарі "Проблеми інноваційного розвитку територій" V засідання "Інноваційні рішення в енергозбереженні" / 2006, м. Київ; VI Міжнародному енергоекологічному конгресі "Енергетика. Екологія. Людина" / 2006, м. Київ.

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 42 наукові праці, у т. ч. у 28 спеціалізованих фахових виданнях ВАК України, одна монографія та отримано 3 деклараційні патенти.

Структура дисертації: Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 177 найменувань на 17 сторінках та 20 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 464 сторінки, з них 283 сторінки основного тексту, 181 сторінка додатків, 66 рисунків та 37 таблиць (з них 9 рисунків та 4 таблиці на окремих сторінках).

У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено зв'язок з науковими програмами, темами, планами, сформульовані мета, об'єкт, предмет та задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про їх реалізацію, особистий внесок автора, апробацію результатів роботи.

У зв'язку з об'єктивною необхідністю вирішення ключових проблем підвищення екологічної безпеки об'єктів енергетичної галузі, промисловості, газотранспортної системи та інших галузей народного господарства України актуалізовано необхідність розробок та впровадження вітчизняних маловитратних технологій, методів, засобів та устаткування, виконання комплексу системно пов'язаних досліджень, створення теоретичних засад та практичної реалізації математичних та фізичних моделей багатофакторних процесів впливу ТЕО на екологічну безпеку та стан навколишнього природного середовища.

У розділах дисертації наведені результати комплексних системних досліджень з вирішення основного завдання - підвищення екологічної безпеки енергооб'єктів за рахунок розроблених різнопланових технологій, методів, засобів та устаткування.

У першому розділі наведено аналіз сучасного стану паливно-енергетичного комплексу країни та екологічної безпеки теплоенергетичних об'єктів. Зокрема визначені основні шкідливі викиди цих об'єктів та їх вплив на здоров'я людини і навколишнє природне середовище у вигляді прямої та непрямої дії ( 1).

Друга частина цього розділу присвячена комплексному системному аналізу ресурсних та екологічних проблем глобального і регіонального енергоспоживання із застосуванням методології технологічного передбачення. За рахунок використання статистичної моделі та визначених темпів зростання виконана оцінка очікуваного світового споживання ПЕР за зростанням для двох варіантів: помірного (мінімальний) та прискореного (максимальний) темпів. Детально проаналізовано існуючий стан програм, напрямів та методів підвищення екобезпеки об'єктів теплоенергетики, які використовуються у світі та їх особливості з точки зору реалізації в Україні.

На закінчення зроблено висновки з аналізу стану енергоспоживання, методів, засобів та обладнання, що використовуються для підвищення рівня екобезпеки теплоенергетичних об'єктів та систем, здійснено постановку задач дослідження.

У другому розділі наведена методологія енергоекологічного аналізу енергооб'єктів, яка дозволяє не тільки спростити процедури енергетичного та екологічного аналізу, але й отримувати конкретні висновки щодо перспектив та напрямів стабілізації екологічної ситуації при виконанні регіонального (область, країна, геополітична формація) та глобального екологічного аналізу для забезпечення умов енергетичної та економічної безпеки у процесі сталого розвитку країни. Відповідну роль відіграють у цьому аналізі показники використання населенням (НАС) природних ресурсів (паливно-енергетичних - ПЕР, сировинних, водних, повітряних, земельних і т. п.), демографічні показники (розподіл населення по регіонах та тенденції демографічних змін), макроекономічні показники у вигляді валового внутрішнього продукту - ВВП та їх похідні у вигляді: питомого споживання енергоресурсів - ПЕР/НАС, енергоємності валового внутрішнього продукту - ПЕР/ВВП, рівня соціально-економічного розвитку країни (регіону) - ВВП/НАС, ефективності використання енергоресурсів (ВВП/ПЕР).

Для комплексного аналізу еколого-економічного стану регіонів і країни в цілому з врахуванням ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) запропоновані критерії: екологічної безпеки - універсальний питомий показник (gi), який визначається як відношення виробленої енергії Е до одиниці валового викиду шкідливої речовини Mi у вигляді:

Екологічної безпеки регіону - ПЕР/ТЕР (ТЕР - територія регіону); енергетичної безпеки держави - ПЕР/ВВП (т. у. п. / тис. дол. США); економічного розвитку регіону - ВВП/НАС (тис. дол. США / чол. ); ефективності використання енергоресурсів та рівня технологічного розвитку країни (регіону) - ВВП/ПЕР, які дозволяють здійснювати комплексну оцінку екологічного та економічного стану об'єкта, регіону, держави ( 2).

Розглянуто основні принципи, склад завдань та проведено оцінку можливого впливу ТЕО на навколишнє середовище (ОВНС) на прикладі реконструкції діючого енергооб'єкта (Дарницька ТЕЦ-4, м. Київ) за рахунок переобладнання його у цикл парогазової установки (ПГУ).

У розділі наведено аналіз сучасних тенденцій підвищення рівня екологічної безпеки за рахунок використання факторів, параметрів та показників енергоекологічної ефективності та якісну оцінку впливу на ТЕО термодинамічного, технологічного, паливного та експлуатаційного факторів (табл. 1).

Таблиця 1. Фактори впливу і параметри екологічної небезпеки ТЕО

Фактор	Параметр екологічної небезпеки
Теплове забруднення	H2O	CO2	SO2	V2O5	Тверді викиди	CxHyOz	NOх
Термодинамічний
Паливний	0
Технологічний -спалювання -очистка і пер. палива -очистка димових газів	0 0 0	0 0	0 +	0 + +	0 + 0	+ +*	+ +*	0 +
Експлуатаційний	0	0	0	0
Група параметрів	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)

Термодинамічний фактор є самоокупним, тому що витрати на його реалізацію компенсуються економією палива за незмінного рівня виробленої теплової й електричної енергії на ТЕО. Вплив термодинамічного фактора на екобезпеку найбільш універсальний і пов'язаний з параметрами та показниками екологічної небезпеки, оцінюється пропорційно значенню ККД установки за співвідношенням:

Екологічний безпека теплоенергетичний

Яке справедливе для всіх параметрів екологічної небезпеки, у тому числі для показника сумарного теплового забруднення навколишнього середовища:

Сумарне теплове забруднення навколишнього середовища (В - витрата і - теплота згорання палива);- вироблена електрична або теплова енергія. При оцінці питомого показника концентрованих теплових викидів (величина Q2 визначається тепловими викидами з димовими газами і з циркуляційною водою) зв'язок між показниками g2 і уст представляється у формі функції від ККД установки:

Паливний фактор також характеризується високою універсальністю і за певних умов визначає суттєвий вплив на ряд екологічних показників, можливості його використання залежать від наявності відповідних природних паливно-енергетичних ресурсів, економічної та політичної ситуації, що склалася в даному регіоні.

Обидва зазначені фактори характеризуються реверсивністю впливу, тобто можуть поліпшувати або погіршувати екологічну ситуацію.

Технологічний фактор є менш універсальним і залежно від особливостей використання може бути мало - (при вдосконалюванні технології спалювання палив) або багатозатратним (при використанні технологічних прийомів переробки палив або очищення димових газів).

Особливістю впливу експлуатаційних факторів, до яких відносяться коефіцієнт надлишку повітря (т), відносне навантаження котельного агрегату (D/D0), подача надпальникового повітря (Нср), ступінь рециркуляції димових газів (r) і т. ін., є їх висока ефективність і короткий термін реалізації, мінімальна енерго - і капіталоємність, можливість реалізації без зміни продуктивності котла і параметрів робочого тіла.

Неоднозначність впливу експлуатаційних факторів на емісію NOх та СО ускладнює їх застосування. Найбільш яскравим прикладом у цьому відношенні є вплив надлишку повітря ср (середнє значення) ( 3), який досліджено та узагальнено на підставі аналізу цілого ряду ТЕО (парових та водогрійних котлів).

Проведений аналіз впливу експлуатаційних факторів на емісію NOх і СО дозволив створити універсальну форму індивідуальної екологічної характеристики емісії NOx (5) для даного типорозміру котла та розробити на її основі технологію мінімізації оксидів азоту, яка реалізована на реальному об'єкті (енергетичний прямоточний котел ТГМП-314А):

NOx = NOxнорм тn (D/D0)m (Нср)k exp

Де показники ступенів (n, m, k) і постійна (а) можуть змінюватися при зміні типорозміру котла і умов його експлуатації, нормована концентрація оксидів азоту NOxнорм відповідає концентрації NOx при т = 1,0; D/D0 = 1,0; Нср = 1,0 і визначається діючими значеннями інших неврахованих факторів (числом включених пальників, розподілом палива по трактах пальників, положенням регістрів пальників, впорскування вологи та ін.).

На підставі комплексного аналізу впливу різних факторів, параметрів та універсальної форми індивідуальної екологічної характеристики котла запропоновано уніфікований метод компенсації впливів, суть якого полягає в обліку всіх впливів при співставленні даних з емісії оксидів азоту і який дозволяє враховувати різні фактори впливу на екобезпеку енергооб'єкта. Узагальнений коефіцієнт впливів К визначається як добуток коефіцієнтів і-тих впливів:

За значенням обмірюваної концентрації оксидів азоту NOx (коли К1) і очікуваної величини К визначається нормована емісія оксидів азоту:

NOxнорм = NOx/К

Де NОx норм - являє собою очікуваний рівень емісії оксидів азоту при відсутності впливів (К = 1) і є критерієм екологічної безпеки енергетичних об'єктів при порівняльному аналізі різних ТЕО.

Для комплексної оцінки впливу об'єктів теплоенергетики на НПС запропонована методологія, яка використовує системний енергоекологічний аналіз, має об'єктивний характер і водночас дає можливість враховувати особливості кожного об'єкта за різновидами впливів як на атмосферне повітря, так і на водний та земельний ресурси.

Розроблені загальні положення, методика, визначені технічні умови та створено алгоритм енергоекологічної експертизи теплоенергетичних об'єктів у відповідності до існуючих державних нормативних актів, проведено аналіз впливу термодинамічного, паливного і технологічного факторів на систему показників енергоекологічної ефективності, запропоновані зведена таблиця енергоекологічних показників та енергоекологічний паспорт ТЕО, розроблені методики та моделі з використанням ПЕОМ діагностики шкідливих викидів енергетичних котлів і ГТУ та створені відповідні програми і бази даних.

Для забезпечення найбільш екологічно чистих умов практичної реалізації проектів модернізації, реконструкції та створення нових енергооб'єктів за результатами комплексних досліджень взаємозв'язку параметрів і факторів екологічної безпеки запропоновано об'єктивно обгрунтовану стратегію застосування природоохоронних заходів за рахунок впровадження у теплоенергетичну галузь і на промислові об'єкти нового принципу розвитку - принципу екологічної рівноваги, відповідно до якої відносний приріст потужності енергетичної системи ( де: N = Ni - Ni-1 - абсолютний приріст і Ni-1 - установлена чи діюча потужність) не повинен перевищувати темпу зростання показника екологічної безпеки

Nі - gi 0

Умова N - gi < 0 буде відповідати підвищенню рівня екологічної безпеки, N - gi = 0 - нейтральному рівню екобезпеки, а умова N - gi > 0 - нестабільному рівню екологічної безпеки і її зниженню із зростанням потужностей ТЕО.

Запропоновано концепцію створення регіональних та загальнодержавної програм моніторингу довкілля, у результаті практичного використання якої прийнято державний нормативний документ, затверджений наказом Мінприроди і в якому наведено порядок розроблення, структура і зміст програм моніторингу, що дозволяє уніфікувати підходи, оперативно та ефективно організувати моніторинг довкілля у регіоні і у країні в цілому і прогнозувати стан навколишнього природного середовища, запобігати виникненню екологічних ускладнень і загроз.

У третьому розділі для забезпечення відповідності сучасним вимогам щодо екологізації енерговиробництва в сучасних ринкових умовах запропоновано (4) новий механізм ціноутворення на продукцію теплоенергетичних об'єктів.

На підставі аналізу рентабельності та обсягів інвестицій в електроенергетичну галузь країни доведена необхідність впровадження нових об'єктивних та науково обгрунтованих важелів впливу на основні показники діяльності теплоенергетичної галузі. Головним недоліком витратного методу, який використовується у теплоенергетиці України для ціноутворення на продукцію, є те, що у відповідності до нього повністю компенсуються усі витрати енерговиробництва незалежно від його ефективності. Запропонований механізм передбачає застосування єдиних принципів ціноутворення на всіх стадіях від видобутку палива і до надання споживачам кінцевої енергії, а саме:

Однотиповість формування тарифів для усіх складових ПЕК, стимулювання підвищення енергетичної ефективності та рівня екологічності технологічних процесів і зменшення негативного впливу на довкілля і здоров'я людей, незмінність тарифів протягом тривалого часу, максимально можлива компенсація збитків довкіллю для відтворення екологічного стану НПС.

Новий механізм тарифікації енергії по суті відповідає підходу ціноутворення в теплоенергетиці на основі формування раціональних пропорцій у цінах на взаємозамінні енергоносії. У цьому випадку тариф на кінцеву продукцію, який надається споживачеві, включає в себе усі попередні витрати (видобуток - тариф 1 та транспортування палива - тариф 2) і складається з суми попередніх тарифів, витрат на генерацію, передачу енергії споживачеві та прибутку (тариф 3 = тариф 1 + тариф 2 + витрати + прибуток) ( 4). Зазначені тарифи пропонується формувати за єдиним принципом ( 5): тариф складається з постійних витрат (ПВ), змінних витрат (ЗВ) і прибутку (П).

За рахунок прибутку виконується реконструкція (Р) і модернізація (М) виробництва, сплачуються екологічна таксація (ЕТ), соціальні (СВ) і інші (І) витрати. Розмір екологічної таксації (ЕТ) залежить від екологічного податку (ЕП), штрафів за перевищення розмірів чи концентрації шкідливих викидів нормованих значень та плати за використання природних ресурсів (ПВПР) і визначає величину коштів, яки залишаються з отриманого прибутку на М, Р, СВ і І.

Однотиповість формування тарифу 1, тарифу 2 та тарифу 3 дає можливість визначити рівень збитків довкіллю і величину екологічної таксації, переорієнтувати структуру національної економіки на підвищення екологічної безпеки держави, стимулювати розробки, що спрямовані на зростання енергоекологічної ефективності енерговиробництва, покращити екологічну ситуацію в містах і регіонах промислового навантаження з мінімізацією шкідливого впливу виробництв на довкілля і здоров'я людей, створити відповідні екологічні і страхові фонди, збільшити фінансування науково-технічних розробок екологічного спрямування фундаментального і прикладного значення, знизити рівень соціального, побутового і виробничого енергоекологічного нігілізму на всіх рівнях і стадіях виробництва і споживання теплової та електричної енергії.

Екологічна таксація, яка сплачується за новим механізмом підприємствами з прибутку, буде стимулювати їх до її зменшення за рахунок впровадження і використання екологічно чистих технологій енерговиробництва. З цього випливає головний принцип доцільності такої діяльності: вартість фінансових вкладів в екологізацію виробництва повинна бути економічно вигідною і окупатися збільшенням величини прибутку за рахунок зменшення екологічного податку. Збережені кошти можуть бути використані для подальшої модернізації і реконструкції обладнання та систем чи направлені на інші потреби.

Введення нового принципу тарифікації на основі екологічної таксації дозволяє не тільки створити необхідне джерело фінансування реабілітації теплоенергетики, але і закласти суттєвий фундамент для впровадження екологічно чистих і енергозберігаючих виробництв, дозволить реалізувати суттєву перевагу екологічно чистих виробництв - підсумки діяльності енергооб'єкта стають адресними, тобто відносяться до діяльності окремого підприємства, випуск екологічно чистої продукції для якого стає економічно вигіднішим прямо пропорційно рівню екологічної безпеки.

У четвертому розділі обгрунтовано необхідність створення вітчизняної екологічно чистої технології спалювання газоподібного палива, яка повинна дозволити перейти в теплоенергетичній галузі на високоефективні умови модернізації та створення нових пальників для котлів та камер згорання ГТУ за рахунок використання вітчизняного промислового потенціалу. На підставі розробленої концепції малотоксичного пальника та комплексу досліджень створена та реалізована уніфікована для різних типів енергооб'єктів маловитратна та екологічно безпечна технологія спалювання газоподібного палива, в якій реалізовані канонічні способи зниження емісії оксидів азоту та вуглецю, а саме: комбіноване утворення спалювальної суміші, стадійне горіння, прямоплинна аеродинамічна схема, мікрофакельність. Технологія реалізується у пальниках на базі трубчастих елементів з використанням ефектів насадка Борда.

Комплексні дослідження аеродинамічних, вогневих та екологічних властивостей (умови сумішоутворення, особливості процесу спалювання, режими витікання газоподібних потоків, межі іскрового займання, бідного та багатого зриву факела, зони режиму стійкого спалювання, впливу технологічних та експлуатаційних факторів на утворення і зниження емісії токсичних речовин) одиночного трубчастого модуля довели можливість створення на його основі пальникових систем, які характеризуються унікальними властивостями у порівнянні з існуючими вітчизняними та закордонними пальниковими системами.

Розроблені три типи трубчастих модулів (без та з внутрішнім і зовнішнім насадками

У пальникових системах на базі трубчастих модулів найбільшою мірою порівняно з іншими типами пальників реалізуються принципи уніфікації (однакова схема компонування трубчастих модулів в трубних дошках для усіх різновидів пальників), універсалізації (мінімальний "набір" стандартних елементів - труба та листовий метал) та маловитратності (мінімальна металоємність, простота технології виготовлення, монтажу й експлуатації, можливість використання доступних й недорогих матеріалів та ремонтопридатність). Пальники на базі трубчастих модулів мають особливості граничних характеристик спалювання палива, які наведені на 7. Характеристики мають звичний для теорії та практики згорання вуглеводневих палив вигляд, однак у кількісному відношенні є суттєві особливості умов горіння у модулях різного типу, які дозволяють організацію попереднього, дифузійного та комбінованого сумішоутворення з одночасною організацією стадійності спалювання, прямоплинності аеродинамічної схеми течії газоподібного потоку, ефективного впливу на далекобійність факела, широкий діапазон режимів стійкого горіння, можливості їх використання не тільки при створенні стехіометричних пальників (т = 1,0), а і в складі паливоспалюючих пристроїв, що працюють при високих надлишках повітря (т > 1,0) (камери згорання ГТУ і ПГУ).

Дослідження та узагальнення характеристик емісії NOx та СО у трубчастих модулях на базі насадка Борда у діапазоні режимів стійкого горіння дозволили визначити їх екологічні характеристики ( 8). Враховуючи результати проведених досліджень впливу надлишку повітря в області т > кр1 на концентрацію оксидів азоту у процесі спалювання природного газу було проведено узагальнення характеристики NOx = f(т) за допомогою рівняння:

NOx = exp[a + b

Де т = /кр1 - відносний надлишок повітря; a, b - статистичні коефіцієнти.

8. Вплив надлишку повітря на концентрацію оксидів азоту (а) та оксиду вуглецю (б) в продуктах згорання природного газу за різних варіантів сумішоутворення в ізольованих трубчастих модулях: 1 - попереднє сумішоутворення (ТМП); 2 - комбіноване сумішоутворення з нішею (ТМНК-40/2)); 3 - дифузійне сумішоутворення з нішею (ТМДН); 4 - дифузійне сумішоутворення без ніші (ТМД); 5 - дифузійне сумішоутворення з коаксіальною подачею палива

Статистична обробка дослідних даних дозволила отримати коефіцієнти (a), (b) рівняння (9) та відповідну дисперсію узагальнення ( NOх) ( табл. 2).

У результаті виконаних досліджень процесу горіння природного газу в ізольованих (одиночних) трубчастих модулях

( діапазон надлишків повітря від т 1,0 до т > 2,0) при різних схемах сумішоутворення (попередньому, дифузійному та комбінованому), встановлено цілий ряд закономірностей, сукупність яких утворює основи теорії робочого процесу організації горіння палива з застосуванням трубчастої технології, а саме визначено: особливу роль течії газоповітряної суміші у периферійній частині початкової ділянки насадки Борда, яка виконує функції генератора стійкого розвитку факела; помітний вплив конфігурації проточної частини насадки Борда на умови розвитку факела при дифузійному сумішоутворенні; суттєвий вплив методу сумішоутворення на структуру факела, граничні характеристики процесу горіння та закономірності емісії NOx та СО; можливість мінімізації токсичності продуктів згорання за рахунок застосування комбінованого сумішоутворення; можливість суттєвого підвищення рівня.

Таблиця 2. Умови та рівень максимальної емісії оксидів азоту в ізольованих трубчастих модулях і значення коефіцієнтів (a) і (b) у рівнянні (9) при максимальній адіабатичності процесу горіння природного газу (чисельник - зовнішній діаметр трубки, знаменник - товщина стінки)

Тип модуля	Умови максимальної емісії оксидів азоту	Статистичні Коефіцієнти
NOxmax, Мг/м3	Vпmax, М3/г	Кр1	А	B
ТМК (57/3)	117	20	1,08	5,85	1,77
ТМК (40/2)	130	10	1,03	6,91	2,07
TMДН (40/2)	137	10	1,03	5,86	1,18
ТМДК (40/2)	140	10	1,02	7,27	2,56
ТМД (40/2)	143	10	1,03	6,25	1,38
TMП (40/2)	185	10	1,03	12,71	7,29

Результати спеціальних досліджень впливу перерозподілу подачі палива = Vп/Vсум (де Vп - подача палива на попереднє сумішоутворення, Vсум - сумарна витрата палива) на попереднє та дифузійне сумішоутворення для модуля ТМКН з комбінованим сумішоутворенням у широкому діапазоні від 0 до 1,0 на рівень емісії оксидів азоту та вуглецю дозволили виявити екстремальний характер з мінімумом емісії NOх при 0,5 та монотонний характер залежності СО = f ) з мінімальною емісією СО при попередній подачі палива, що дозволило визначити оптимізований варіант перерозподілу подачі палива.

Отримані результати досліджень та висновки відносно особливостей емісії NOx і СО у трубчастих модулях строго справедливі лише для фіксованої швидкості повітря (W 25 м/с), яка є додатковим фактором впливу на їх рівень і була предметом додаткових досліджень.

За звичай, зі зростанням W емісія оксидів азоту монотонно знижується, що обумовлено збільшенням збитку повітря (в області т кр2) і зниженням часу перебування палива у зоні горіння.

Для перевірки можливості переносу підсумків випробувань одиночних трубчастих модулів на їх систему (багатомодульний пальник) була розроблена та досліджена модель камери згорання з фронтовим пристроєм з семи трубчастих модулів, для якої виконані експериментальні дослідження продуктів згорання на стенді на різних режимах спалювання при роботі на природному газі, у тому числі із застосуванням підігріву повітря перед камерою згорання до 220 °С та з подачею водяної пари у зону горіння зі співвідношенням водяної пари і палива mпари/mпал від 0 до 2,0.

Проведені дослідження емісійних характеристик трубчастих пальників типу ДСПМ (дифузійно-стабілізаторний пальник модульний) різної потужності і призначення довели ( 9), що характеристики якісно подібні як для ізольованих трубчастих модулів, так і для їх систем. Характеристики NOx = f (Т) описуються узагальненим співвідношенням одного виду (рівняння 9).

У зв'язку з існуючою сучасною тенденцією підвищення початкової температури циклів ГТУ та особливо у зв'язку з розширенням застосування газопарових технологій, де подача водяної пари в камеру згорання потребує реалізації стехіометричних режимів горіння, необхідність використання трубчастої технології спалювання стає ще більш актуальною завдяки низькому рівню емісії NOx не тільки при високих, але і при низьких надлишках повітря, у тому числі при подачі водяної пари у зону горіння.

Дослідження роботоспроможності багатомодульного пальника для використання в умовах роботи у камері згорання монарних газопарових установок (ГПУ) типу "Водолій" довели ефективне спалювання природного газу у широкому діапазоні значень коефіцієнту надлишку повітря (при бфр > 1,0), у тому числі і при суттєвому збільшенню подачі водяної пари (аж до двократного по відношенню до витрати палива) через фронтовий пристрій. Для цих режимів досягнуто зниження емісії NOх нижче 10 млн-1 при О2 = 15 % , при цьому рівень емісії СО не перевищував 50 млн-1..

Переваги трубчастої технології дозволяють здійснювати використання уніфікованих схем конструкцій пальників у різних галузях промисловості, на різних підприємствах, де є необхідним перетворення хімічної енергії палива у інші її види з високими показниками екологічної безпеки.

Вплив надлишку повітря на концентрацію NOx (а) та CO (б) в продуктах згорання при роботі різних типорозмірів пальників на базі трубчастих модулів: 1 - пальник ДСПМ-30; 2 - пальник ДСПМ-75; 3 - пальник ДСПМ-120; 4 - пальникова система ДСПМ-160Ч2 (два пальника в топковій камері котла ДКВР-4/13); 5 - пальник ДСПМ-750; 6 - гранично нормована концентрація NOx (ГДКNOx = 250 мг/м3 при = 1 для котлів тепловою потужністю 0,1...3,15 МВт); 7 - гранично нормована концентрація СО (ГДКСО =130 мг/м3 при = 1 для пальників котлів тієї ж потужності)

У п'ятому розділі у результаті виконаних комплексних досліджень та експериментального екологічного тестування котла ТГМП-314А зафіксовано одночасний вплив багатьох факторів технологічного, конструктивного й експлуатаційного характеру на шкідливі викиди, що пояснює неможливість побудови єдиної експериментально-статистичної моделі емісії NОx для котлів різного типу. Разом з цим системні дослідження дозволили створити універсальну форму індивідуальної характеристики емісії оксидів азоту для даного типорозміру котла, яка враховує вплив на емісію NОx коефіцієнта надлишку повітря (т), відносного навантаження котла (D/Do), подачі надпальникового повітря (H) і ступеня рециркуляції (r) у вигляді (5), і в якій показники ступенів (n, m, k) і постійна "а" можуть варіюватися зі зміною типорозміру котла й умов його експлуатації ( NOxнорм відповідає вище наведеним вимогам для рівняння (5)).

За рахунок реалізації декількох впливів, а саме застосування нерівномірного подавання газу по ярусах і перерозподілу подачі палива по каналах пальників (за рахунок збільшення подачі палива у внутрішні канали пальників) у процесі мінімізації емісії токсичних оксидів азоту для енергетичного котла ТГМП-314А було досягнуте істотне їх зниження у порівнянні з базовим варіантом (з 580 до 240 мг/м3).

Встановлення зв'язку нормованого параметра NOxнорм від можливо більшого числа неврахованих факторів, що визначають концентрацію оксидів азоту в продуктах згорання, є кінцевою метою побудови більш повної екологічної характеристики котла. За допомогою використання NOxнорм можливе не тільки адекватне розрахункове прогнозування емісії оксидів азоту за різних умов роботи котлів, але й істотно спрощується процедура оптимізації умов роботи котлів, що доведено на підставі аналізу впливу коефіцієнта надлишку повітря, продуктивності та навантаження на показники емісії оксидів азоту для різних типів котлів, які працюють на газоподібному паливі. Аналіз характеристик NOx = f(т) довів наявність у них екстремального характеру, за якого для надлишку повітря т = кр1 досягається максимальна концентрація оксидів азоту (NOxmax) у димових газах. Для кожного випадку можна оцінити критичне значення надлишку повітря кр1 > 1,0, за якого досягається максимальна концентрація оксидів азоту (NOxmax), а також відповідні рівні NOxmax (якщо т = кр1) і NOxнорм (якщо = 1,0). На підставі виконаних оцінок даних відповідних емісійних показників встановлено, що критичне значення надлишку повітря кр1 коливається для різних типів котлів у діапазоні 1,08...1,2 і залежить від умов утворення оксидів азоту. Зафіксовано більш глибокий збіг емісійних характеристик для груп котлів у випадку подання цих характеристик у відповідних безрозмірних координатах = f (т), де т = т/кр1, а = NOxнорм/NOxmax ( 10). Узагальнені характеристики = f (т) якщо т < 1,0 можна інтерполювати у вигляді степеневої функції: Зображення емісійних характеристик NOx = f(т) в узагальнених координатах (паливо - природний газ): 1 - ПТВМ-50; 2 - БКЗ-50-39; 3 - ЛМЗ-60; 4 - Фостер-Уиллер-90; 5 - розрахунок по (11); 6 - розрахунок за (12)

На підставі створеного методу компенсації впливів, який описано у розділі 2, узагальнена емісійна характеристика котлів великої продуктивності має вигляд: Використання методу компенсації впливів дозволяє пояснити та дати об'ктивну оцінку ефективності тих чи інших заходів у напрямку зниження емісії токсичних оксидів азоту (табл.3).

Таблиця 3. Умови іспитів енергетичного котла ТГМП-314 А

Результати мінімізації емісії NOx котла ТГМП-314А за рахунок використання методу компенсації впливів: 1- базовий варіант; 2 - відключено два пальника; 3 - оптимізований варіант

Практична цінність розробленого методу компенсації впливів полягає у тому, що нормована емісію оксидів азоту NOxнорм є об'єктивним критерієм екологічної безпеки котла, яка дозволяє здійснити оптимізацію навантаження для мінімізації шкідливих викидів ( 11) та оцінити ефективність зниження емісії токсичних оксидів азоту від застосування тих чи інших заходів підвищення екобезпеки за рахунок встановлення наступних особливостей:

? локальні емісійні характеристики у вигляді залежностей NOx від експлуатаційних факторів (fi) мають індивідуальний характер, тобто відображають різний ступінь впливу на рівень емісії оксидів азоту, що визначається відповідним показником впливу Кi = (fi), який має безупинний характер впливу; ? локальні емісійні характеристики вигляду NOx = f(т) є якісно подібними, що визначається близькими значеннями надлишку повітря в топці, при якому досягається максимальна концентрація оксидів азоту (NOxmax), та крім того, на характеристиках вигляду NOx = f(т) можна виділити нормовану концентрацію оксидів азоту (NOxнорм), що теоретично може бути досягнута при т = 1,0 і відсутності інших впливів; ? крім впливів на емісію оксидів азоту, що носять безупинний характер, існують також дискретні впливи (тип котла і конструкція топки, вид палива, спосіб розпилювання рідкого палива, компонування пальників у топці та ін.), сукупний параметр впливу яких Кd може бути як більше, так і менше одиниці; - у зв'язку з тим, що очікуване значення надлишку окислювача в топках енергетичних котлів близька до значення кр1 1,17 (йому відповідає концентрація кисню О2 = 3 %), доцільно здійснювати приведення обмірюваних концентрацій оксидів азоту в димових газах енергетичних котлів до даних умов (О2 = 3 %); - існуючі норми гранично допустимих концентрацій у топках енергетичних котлів крім неадекватного щодо надлишку повітря рівня приведення заміряних концентрацій оксидів азоту містять також неадекватну градацію по продуктивності котлів (Do), що включає два рівні: Do420 тонн пари на годину. застосування такої укрупненої дискретної градації не враховує суттєвого впливу продуктивності котлів на максимальну емісію оксидів азоту, що призводить до "установлення" невиправдано пільгового нормативу для котлів середньої й особливо низкої продуктивності і надзвичайно жорсткого нормативу для котлів високої продуктивності; - при пуску енергетичних котлів після монтажу чи ремонту необхідне введення процедури побудови (за запропонованою методикою) узагальненої екологічної характеристики у вигляді (13), на підставі якої можливе оцінювання нормованої концентрації оксидів азоту (NOxнорм), що є об'єктивним критерієм рівня енергетичної безпеки теплоенергетичного об'єкта; - для котлів, що експлуатуються, можлива реалізація процедури розширення бази даних, що йдуть у побудову узагальненої характеристики (13), оцінювання дисперсії (уNOx) і порівняння обмірюваної концентрації NOx з розрахунковим значенням за узагальненим співвідношенням (13). Систематичне відхилення цих значень більш ніж на три дисперсії може бути сигналом про неконтрольовані зміни в організації топкового процесу, які негативно впливають на екологічну безпеку ТЕО.

На підставі розробленої методики створено програмний продукт, який дає змогу окрім визначення емісії оксидів азоту за методом компенсації впливів розраховувати викиди твердих частинок, оксидів сірки, оксидів ванадію та оксидів вуглецю парових та водогрійних котлів, працюючих на усіх видах палива та створювати системи моніторингу шкідливих викидів енергооб'єктів у вигляді автоматизованої системи контролю (АСК) технологічних параметрів агрегату із застосуванням мікропроцесорної техніки ( 12), яка дозволяє оперативно оцінювати значення викидів і показників екологічної безпеки та здійснювати їх моніторинг у реальному часі з можливістю прогнозування стану атмосферного повітря у прилеглих зонах.

Використання мікропроцесорної та комп'ютерної техніки дозволяють створювати системи екологічного моніторингу з використанням цього методу не тільки для одного теплоенергетичного об'єкта, а й для об'єктів цілої галузі чи окремого регіону.

Розробка та впровадження даного методу компенсації впливів створює сприятливі умови для проведення за допомогою мобільної лабораторії ( 13) експрес-аналізу емісії шкідливого викиду NOх різного типу ТЕО з високою точністю для різних навантажень і продуктивності агрегатів, здійснювати ефективний енергоекологічний аналіз реального стану та оцінювати екологічний ризик експлуатації ТЕО.

На підставі цієї методики розроблено програмний продукт, який дає можливість окрім визначення емісії оксидів азоту за методом компенсації впливів розраховувати за існуючими нормативними методами викиди твердих частинок, оксидів сірки, оксидів ванадію та оксидів вуглецю парових та водогрійних котлів, які працюють на усіх видах палива, та маловитратна технологія мінімізації емісії шкідливих оксидів азоту, впроваджену на прямоточному енергетичному котлі ТГМП-314А із економічним ефектом понад 150 тис. грн/рік, що підтверджено відповідним актом.

За рахунок впровадження розробленої трубчастої технології паливоспалювання в реальних типах котлів та теплогенераторів (табл. 4) доведено високу ефективність її застосування для підвищення рівня екологічної безпеки з одночасною економією палива.

Спільно із Корпорацією "КОРТЕС" та Інститутом газу НАНУ виконана робота по забезпеченню широкого впровадження пальників трубчастого типу у котельні агрегати та теплогенератори, у тому числі: розроблена технічна документація на пальники трубчастого типу серії ДСПМ (всього 6 типорозмірів з тепловою потужністю від 0,3 до 12 МВт), на які Міжвідомчою комісією затверджені технічні умови на їх виробництво та експлуатацію

(ТУ У 29.2-05417035-053-2003); розроблена технічна документація на агрегати опалювальні модульні поверхневого типу: АОМ-0.25, АОМ-0.315, АОМ-0.5, АОМ-1.0; затверджені технічні умови на впровадження у виробництво (ТУ У 28.2-05417035-050-2002) агрегатів АОМ; за рахунок використання нового підходу до організації топкового процесу з використанням пальників трубчастого типу у складі високоефективної контактної насадки у конвективній частині створено теплогенератори контактного типу КАОМ з кондексацією продуктів згорання і суттєвими перевагами у порівняні з традиційними поверхневими агрегатами. Наприклад, заміна штатних пальників парового котла ДКВР-4/13 (РК "Виноградар", м. Київ) на трубчасті типу ДСПМ дозволила отримати економічний ефект у 15 тис. грн/рік за рахунок економії палива і зниження сплати за шкідливі викиди.

Таблиця 4. Впровадження пальників трубчастого типу для котлів та текплогенераторів

Типорозмір Пальника	Характеристики трубного пучка	Діаметр Пальника, Dпал (мм)	Об'єкт Застос.
Число Трубок, z	Діаметр Трубок, D (мм)	Крок, T (мм)	Коефіцієнт розкриття,
ДСПМ-30*	19	25/2	45	0,13	250	АОМ-0,315
ДСПМ-75	19	32/2	45	0,24	250	АОМ-0.5
ДСПМ-120	19	40/2	60	0,27	300	КАОМ-1
ДСПМ-160	28	40/2	60	0,30	386/159**	ДКВР-4/13
ДСПМ-750	37	57/3	70	0,385	500	ДЕ-6,5-14

У шостому розділі наведено опис розробленої методики аналізу енергоекологічної ефективності циклів газотурбінних установок за допомогою методу узагальнення емісії NОx, яка базується на основі узагальнень, що випливають з термічної теорії утворення оксидів азоту.

Алгоритм приведення NOx полягає у використанні формули приведення для обробки експериментальних даних:

NOxпр = NOx / ПКі0,5 = k0ехр[- Ееф / RT]

Де NOxпр - сумарна концентрація оксидів азоту (NO і NO2), приведених до діоксиду азоту; ПКі - добуток коефіцієнтів впливу Кі, серед яких враховуються впливи: надлишку окисника К1 = (т -1)/т; тиску К2 = р/рн. у; початкової температури К3 = Тн. у/Т0; концентрації кисню в окиснику К4 = (1 - )2; часу перебування у зоні спалювання К5 = 2Qн / [RT0qv (тLO+1)(Т/Т0 + 1)], який, у свою чергу, залежить від теплоти згорання палива (Qн, МДж/кг), коефіцієнта надлишку окисника (т), температури початку (Т0) та кінця (Т) процесу горіння, питомої густини тепловиділення (qv, Вт/м3), стехіометричного коефіцієнта (LO, кг/кг) та технічної газової сталої R = 287 кДж/кгК.

На основі цієї методики здійснено комплексний аналіз експериментальних та експлуатаційних характеристик ГТУ різних моделей та марок, їх уплив на емісію NOх і, як наслідок, створено банк даних викидів оксиду азота для різних режимів їх роботи. Алгоритм аналізу введених даних дозволяє розрахувати і визначити не тільки концентрацію NOx, але й інші параметри процесу, за допомогою яких можна оцінити вплив усіх визначальних факторів (тиск, температура, надлишок повітря, концентрація кисню, час перебування у зоні спалювання).

На підставі застосування термодинамічного аналізу енергоекологічної ефективності ГТУ та ПГУ з використанням методу коефіцієнтів корисної дії та ентропійного методу запропоновано модель та технологію оптимізації циклів ГТУ: простої схеми (цикл Брайтона), схеми із зовнішньою та внутрішньою регенерацією. Для існуючих установок запропоновано використання методики для енергоекологічної оптимізації робочих параметрів циклів ГТУ і ПГУ та розроблено алгоритм та математичну модель оптимізації, використання яких дозволяє визначити оптимальні значення усіх характеристик та параметрів, величини втрат, що дає можливість порівнювати різні цикли та робити оптимізаційні висновки найбільш наближено до реального стану, визначати головні і другорядні чинники, що впливають на екологічність і ефективність реального циклу ГТУ, та розробляти стратегічні напрями досліджень і впровадження наукових розробок для підвищення екологічної безпеки. Енергоекологічна оптимізація циклів ГТУ та ПГУ, розроблена у роботі, базується на використанні математичної моделі ГТУ, відповідного алгоритму та програми на ЕОМ.

На підставі комплексного термодинамічного аналізу визначено стратегію підвищення ККД ГТУ, яка має бути пріоритетно спрямована на вдосконалення робочих процесів у камерах згорання установок.

На прикладі реального теплоенергетичного об'єкта (компресорної станції магістрального газопроводу), енергетичною основою якого є ГТУ, розроблено основні заходи щодо підвищення екологічної безпеки його експлуатації, серед яких основними є застосування методології та алгоритму забезпечення високого рівня екологічної безпеки експлуатації та впровадження екологічно чистої трубчастої технології спалювання палива. Вказана методологія та алгоритм базуються на оптимізації завантаження енергетичного об'єкта, враховують реальний стан обладнання об'єкта та фактичні режимні параметри експлуатації за допомогою програмно-методичного комплексу.

Ефективність застосування другого важливого заходу доведено на газоперекачувальному агрегаті (ГПА) типу ГТК-10 за рахунок модернізації камери згорання із застосуванням фронтового пристрою трубчастого типу, попередні випробування на якому показали його суттєві переваги у порівнянні зі штатним фронтовим пристроєм, а саме: отримано значний економічний ефект за рахунок економії паливного газу понад 10 %, підвищено ККД на 3 %, доведено незначний термін окупності, підвищено рівень екологічної безпеки за рахунок зниження концентрації NOx з 800 до 285 мг/м3 , оксиду вуглецю - зі 150 до 5 мг/м3 (якщо О2 = 15 %). Економічний ефект від впровадження результатів роботи на одному ГПА потужністю 10 МВт типу ГТК-10 при експлуатації його протягом року становить понад 1 млн грн/рік, що підтверджується відповідним актом впровадження. На підставі отриманих реальних результатів здійснено розрахунок можливого підвищення рівня екологічної безпеки магістрального газопроводу, на якому експлуатуються ГТК-10, та покращення екологічної ситуації у регіонах, через які пролягає газопровід, після проведення аналогічної модернізації усіх ГПА типу ГТК-10.

Унікальні властивості трубчастої технології паливоспалювання газоподібного палива актуалізують застосування трубчастих елементів для реалізації сучасних програм з підвищення екологічної безпеки ТЕО у тому числі для каталітичної технології в камерах згорання ГТУ, у складі когенераційних установок та газопарових монарних установках типу "Водолій".

Апробація результатів дисертації - Маловитратні технології для підвищення екологічної безпеки теплоенергетичних об'єктів та систем

Похожие статьи