Маловитратні технології для підвищення екологічної безпеки теплоенергетичних об’єктів та систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Маловитратні технології для підвищення екологічної безпеки теплоенергетичних об'єктів та систем

Для забезпечення функціонування і сталого розвитку економіки країни енергетична галузь повинна розвиватися більш високими темпами, ніж усі інші галузі народного господарства. Модернізація і реконструкція існуючих та будівництво нових теплоенергетичних об'єктів для збільшення енерговиробництва у необхідних для країни масштабах з використанням закордонних агрегатів, установок та технологій малоймовірні у зв'язку з їх високовитратністю, капіталоємністю та монопольною захищеністю.

Переробка колосального масштабу паливно-енергетичних ресурсів, експлуатація потужних теплоенергетичних об'єктів (ТЕО) для виробництва необхідної кількості теплоти та електроенергії, використання на підприємствах установок для перетворення хімічної енергії палива у інші види енергії малоефективними застарілими технологіями з низьким рівнем екологічної безпеки є джерелами значних обсягів викидів шкідливих речовин в навколишнє природне середовище (НПС). У першу чергу це стосується атмосферного повітря, куди потрапляють парникові гази та токсичні сполуки. Ситуація ускладнюється у зв'язку зі значними розмірами шкідливих викидів. Наприклад, емісія шкідливих оксидів азоту (NOx) та вуглецю (СО) в установках деяких ТЕО перевищує у декілька разів існуючі допустимі норми.

Висока вартість більшості існуючих технологій знешкодження чи зниження рівня токсичності продуктів згорання органічного палива є причиною ігнорування підприємствами їх використання у повному обсязі. Крім цього, відсутність науково обґрунтованої методології та ефективних методів контролю екологічного стану й заподіяної довкіллю та населенню шкоди викидами ТЕО не дозволяють державним та галузевим органам аналізувати діяльність підприємств та оперативно впливати на екологічний стан НПС.

Затвердження Урядом України “Енергетичної стратегії розвитку на період до 2030 року”, ратифікація Кіотського протоколу змушують виконати низку національних заходів, серед яких одним із найважливіших є здійснення досліджень, розробок та широке впровадження відновлювальних джерел енергії, нових технологій поглинання парникових газів та передових сучасних екологічно безпечних технологій енергоперетворення.

Тому актуальною є необхідність розробки і впровадження науково обґрунтованої методології аналізу енергоекологічного стану, умов експлуатації паливоспалювальних об'єктів та систем, сучасних вітчизняних маловитратних технологій, уніфікованих пристроїв та устаткування для забезпечення сталого розвитку теплоенергетичної галузі з високим рівнем екологічної безпеки для довкілля та здоров'я людей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана за пріоритетними напрямами державних фундаментальних наукових досліджень “Охорона навколишнього природного середовища” та “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, в межах державної тематики:

Тема: “Система контроля вредных выбросов промышленных предприятий” (д/б № 2693) № державної реєстрації 0195U030635. Автор - керівник теми. Термін виконання: 1994, 1995 рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Розробка регіональної концепції енергоекологічного моніторингу паливоспалювальних енергооб'єктів” (д/б № 62019) № державної реєстрації 0196U006897. Автор - керівник теми. Термін виконання: 1996, 1997 рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Створення загально-методичних засад та моделей для оцінки екологічного ризику від діяльності енергооб'єктів, що проектуються або знаходяться в стані експлуатації” (д/б № 2235) № державної реєстрації 0198U000816. Автор - керівник теми. Термін виконання: 1998, 1999 рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Системний аналіз та розробка наукових засад енергоекологічної оптимізації циклів ГТУ та ПГУ” (д/б № 2375) № державної реєстрації 0100U000938. Автор - керівник теми. Термін виконання: 2000, 2001рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Застосування аеродинамічних ефектів насадка Борда в напрямку інтенсифікації горіння вуглеводних палив, мінімізації токсичності продуктів згорання та уніфікації характеристик пальникових систем” (д/б № 2536) № державної реєстрації 0102U002150. Автор - співвиконавець теми. Термін виконання: 2001, 2003 рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Підвищення ефективності камер згорання ГТУ та ПГУ на основі зниження термодинамічної необоротності та застосування модульної технології” (д/б № 2738)

№ державної реєстрації 0104U000639. Автор - співвиконавець теми. Термін виконання: 2004, 2006 рр. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Тема: “Розробка концепції Державної цільової програми з забезпечення екологічної безпеки об'єктів теплоенергетики та її громадське обговорення” (д/б № 3/1), № державної реєстрації 0104U008501. Термін виконання: 2005, 2006 рр. Замовник - Міністерство палива та енергетики України.

Мета і задачі досліджень

Метою дисертаційної роботи є створення науково обґрунтованих маловитратних технологій, методів та засобів підвищення екологічної безпеки об'єктів та систем, які використовують органічне паливо для виробництва теплової та електричної енергії.

Поставлена мета визначила необхідність проведення масштабного аналізу стану енерговиробництва та енергоспоживання, комплексу багатопланових теоретичних та експериментальних досліджень, математичного моделювання процесів експлуатації, циклів і установок, розробки методологій та технологій для здійснення аналізу, визначення впливу та забезпечення їх впровадження для створення умов сталого розвитку теплоенергетичної галузі країни з високим рівнем екологічної безпеки, який здатен забезпечити життєдіяльність населення на довгий термін із збереженням здоров'я і розвиток наступних поколінь.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання:

- розроблення загальних методик оцінювання та діагностики забруднення навколишнього природного середовища шкідливими викидами об'єктами теплоенергетики у т. ч. методики енергоекологічного аналізу;

- створення методології якісного аналізу енергоекологічної ефективності експлуатації теплоенергетичних об'єктів на основі термодинамічних методів;

- дослідження та узагальнення характеру впливу факторів, параметрів та показників експлуатації на емісію шкідливих викидів, аналіз стану та розробка заходів зниження викидів;

- розроблення концептуальних засад створення автоматизованих систем контролю та моніторингу енергоекологічних показників забруднення атмосфери шкідливими викидами енергооб'єкта;

- дослідження можливості створення та застосування маловитратних та легкодоступних екологічно чистих методів, засобів та технологій зниження шкідливого забруднення відходами спалювання органічного палива на теплоенергетичних об'єктах;

- аналіз можливості активізації державних та використання економічних важелів екологічного регулювання енерговиробництва.

Об'єкт дослідження: підвищення екологічної безпеки експлуатації теплоенергетичних об'єктів та систем, покращення екологічного стану довкілля.

Предмет дослідження: методи, засоби та технології забезпечення експлуатації теплоенергетичних об'єктів та систем з високим рівнем екологічної безпеки.

Методи дослідження: системні науково обґрунтовані аналізи, теоретичні та експериментальні дослідження, моделювання процесів, масштабування від дослідного елемента до експериментальної та дослідно-промислової установки, виготовлення, випробування та впровадження натурних зразків.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше здійснено комплексний аналіз взаємодії факторів та параметрів експлуатації теплоенергетичних об'єктів, проаналізовано їх вплив на рівень екологічної безпеки та запропоновано універсальний показник екологічної безпеки, який враховує вплив паливного, технологічного та експлуатаційного факторів та дозволяє реалізувати об'єктивно обґрунтовану стратегію використання природоохоронних заходів і ефективні умови їх практичної реалізації на стадіях прогнозування, проектування, експлуатації та модернізації теплоенергетичних об'єктів;

- на підставі термодинамічних методів аналізу із застосуванням ентропійного методу і методу коефіцієнтів корисної дії розроблена методологія енергоекологічного аналізу й оптимізації циклів газотурбінних (ГТУ) та парогазових (ПГУ) установок;

- вперше сформульовано принцип екологічної рівноваги розвитку теплоенергетики і запропоновані критерії оцінки стану рівня екологічної безпеки та перспектив розвитку країни, розроблено методологію здійснення енергоекологічного менеджменту ТЕО на основі енергоекологічної експертизи, аудиту та моніторингу, розроблені методика, технічні умови та алгоритм енергоекологічної експертизи потужних енергооб'єктів (ТЕС, ГТУ, ПГУ), наведені форми енергоекологічного паспорту;

- розроблено уніфіковану для різного типу ТЕО методику компенсації впливів для оцінки емісії шкідливих речовин та вперше запропоновано універсальну форму індивідуальної екологічної характеристики енергетичного котла, яка враховує комплексний вплив на екологічну безпеку коефіцієнта надлишку повітря, відносного навантаження котла, відносної подачі надпальникового повітря та ступеня рециркуляції;

- створено та реалізовано методологію маловитратної технології мінімізації емісії токсичних компонентів (NOx, CO) під час експлуатації енергетичних котлів та оптимізації завантаження технологічного обладнання на основі ГТУ;

- створено концепцію уніфікованого для котлів та камер згорання ГТУ малотоксичного пальника для забезпечення спалювання газоподібного палива з високим рівнем екологічної безпеки;

- розроблено концепцію та методологію підвищення екологічної безпеки стаціонарних джерел забруднення атмосферного повітря, які використано Міністерством екології та природних ресурсів України (Мінприроди) для затвердження державних нормативних документів, а саме: Закону України, Постанов Кабінету Міністрів України, наказів і інструкцій Мінприроди України.

Практичне значення одержаних результатів

Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямами:

- видано державні нормативні документи стосовно упорядкування контролю стаціонарних джерел забруднення атмосферного повітря з питань підвищення екологічної безпеки, а саме: Закон України № 2556-ІІІ від 21 червня 2001 року “Про внесення змін до Закону України “Про охорону атмосферного повітря”; Постанова Кабінету Міністрів України № 343 від 9 березня 1999 року “Про затвердження порядку організації та проведення моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря” та “Порядку організації проведення моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря”; Постанова Кабінету Міністрів України № 303 від 1 березня 1999 року “Про затвердження “Порядку встановлення нормативів збору за забруднення навколишнього природного середовища і стягнення цього збору” та “Порядку встановлення нормативів збору за забруднення навколишнього природного середовища і стягнення цього збору””; наказ Мінприроди України № 177 від 10 травня 2002 р. про затвердження “Інструкції про порядок та критерії взяття на державний облік об'єктів, які справляють або можуть справити шкідливий вплив на здоров'я людей і стан атмосферного повітря, видів та обсягів забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферне повітря”;

- затверджено державний нормативний документ “Методичні рекомендації з підготовки регіональних та загальнодержавної програм моніторингу довкілля”;

- створені концепція, математичні моделі, програми та накопичені банки реальних даних шкідливих викидів котлів та камер згорання ГТУ;

- здійснено впровадження розроблених методик для оцінки можливого впливу на НПС (ОВНС) реконструкції діючого енергооб'єкту (Дарницька ТЕЦ-4, м. Київ) за рахунок переобладнання його у цикл ПГУ;

- впроваджено на реальному теплоенергетичному об'єкті технологію комплексної маловитратної мінімізації емісії токсичних компонентів (NOx, CO) з економічним ефектом понад 150 тис. грн/рік;

- впроваджено на реальному об'єкті (водогрійний котел) автоматизовану систему моніторингу, аналізу та оптимізації енергоекологічних параметрів з економічним ефектом понад 45 тис. грн/рік;

- розроблено уніфіковану трубчасту технологію спалювання газоподібного палива (природний газ, біогаз, метан і т. ін.), створені на її основі та впроваджені на реальних ТЕО пальникові пристрої різних типів та теплових потужностей із високим рівнем екологічної безпеки;

- доведена можливість здійснення маловитратної та короткотермінової модернізації паливоспалювальних пристроїв з високим рівнем показників екологічної безпеки та економічної ефективності за рахунок використання трубчастої технології на прикладі камери згорання ГТУ у складі газоперекачувального агрегату типу ГТК-10 із суттєвим економічним ефектом понад 1млн грн/рік.

Особистий внесок здобувача

Автором особисто запропоновано концепцію енергоекологічного моніторингу паливоспалювальних енергооб'єктів, розроблені загальні положення, методика, технічні умови та алгоритм екологічної експертизи і паспортизації, енергоекологічний паспорт теплоенергетичних об'єктів, основні положення концепції регіональних та загальнодержавної програм моніторингу довкілля.

Вперше автором розроблені методики і моделі діагностики шкідливих викидів ТЕС, ГТУ та ПГУ та методологія оцінки екологічного ризику впровадження нових енерготехнологій, створені системи комплексного контролю шкідливих викидів та технологічних параметрів у реальному часі, які реалізовані на реальних енергооб'єктах.

Особисто автором розроблена методологія здійснення енергоекологічного менеджменту теплоенергетичного об'єкта.

Автором розроблені методики оцінки енергоекологічної ефективності ГТУ на основі методу коефіцієнтів корисної дії та ентропійного методу, які використані для розробки алгоритму енергоекологічної оптимізації циклів ГТУ та ПГУ, що експлуатуються або знаходяться у стадії проектування, математичні моделі та інтерактивні програми розрахунків шкідливих викидів енергооб'єктів, які дозволили за підсумками проведених досліджень створити банки даних енергоекологічних характеристик котлів та камер згорання ГТУ.

Особисто автором розроблена маловитратна технологія комплексної мінімізації емісії токсичних оксидів азоту котельних агрегатів та створена з використанням мікропроцесорної техніки мобільна лабораторія експрес-контролю стану екологічної небезпеки ТЕО (котла, ГТУ).

Вперше на підставі проведення комплексних аеродинамічних, вогневих та екологічних досліджень розроблена та реалізована концепція малотоксичного пальника зі створенням уніфікованої екологічно чистої та ефективної технології спалювання газоподібного палива, конструкції та технологія виготовлення і використання пальникових пристроїв трубчастого типу, які захищені патентами України і впроваджені на енергетичних об'єктах із суттєвими екологічними та економічними ефектами.

Особисто автором розроблена методологія підвищення рівня екологічної безпеки та енергетичної ефективності експлуатації теплоенергетичного об'єкта за рахунок оптимізації завантаження технологічного обладнання, яка реалізована на прикладі компресорної станції магістрального газопроводу.

Вперше запропоновано універсальний критерій екологічної безпеки енергооб'єктів, який дозволяє оцінити стан екологічних заходів зі зниження шкідливих викидів на енергооб'єктах, що експлуатуються або проектуються, сформульовано принцип екологічної рівноваги розвитку теплоенергетичної галузі.

Особисто автором запропоновано використання системи економічних важелів екологічного регулювання енерговиробництва у ПЕК та універсальний для всіх складових ПЕК механізм ціноутворення на продукцію, в якому екологічна таксація розглядається як економічна основа для екологізації енерговиробництва і джерело фінансування реабілітації теплоенергетики.

Апробація результатів дисертації

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 обґрунтовано 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

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 обґрунтовану 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 обґрунтованих 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 обґрунтовано 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)

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: Do<420 і Do>420 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;