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

- 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

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”.

Висновки

У дисертації наводиться методологія визначення екологічного стану ТЕО, розробка маловитратних методів та заходів, обґрунтування теоретичних положень, технологій підвищення екологічної безпеки об'єктів теплоенергетичної галузі, які реалізовані у державних нормативних документах та на промислових об'єктах. З метою створення відповідних маловитратних технологій було проведено комплексний аналіз взаємодії факторів та параметрів експлуатації теплоенергетичних об`єктів, визначено їх вплив на рівень екологічної безпеки та запропоновано універсальний критерій оцінки рівня екологічного стану об'єктів, сформульовано принцип екологічної рівноваги розвитку теплоенергетики, розроблено уніфіковану для різного типу ТЕО методику компенсації впливів на НПС емісії шкідливих речовин. Розроблені підходи, проведення комплексу експериментальних досліджень на діючих теплоенергетичних об'єктах послужили основою для створення концепції та уніфікованого для котлів і камер згорання ГТУ нового типу малотоксичного пальника, який пройшов випробовування та експлуатується у різного типу теплоенергетичних установках.

1. Вперше розроблено засади загальної методології енергоекологічного аналізу (експертизи, моніторингу, аудиту, менеджменту) теплоенергетичних об'єктів, які дозволяють здійснювати об'єктивну екологічну оцінку, варіантні прорахунки різних технологічних процесів енергоперетворювання та прогнозувати стан НПС, використані Мінприроди України у законодавчих актах (Законах України, Постановах Кабінету Міністрів України, наказах і інструкціях Мінприроди України, видано нормативний документ зі створення регіональних та загальнодержавної програм моніторингу довкілля), та загальну стратегію підвищення екологічної безпеки теплоенергетичних об'єктів, яка базується на використанні комплексу маловитратних заходів, методів і технологій.

2. Запропонований універсальний показник екобезпеки теплоенергетичного об'єкта (критерій gi), який враховує чотири групи факторів впливу (термодинамічний, паливний, технологічний та експлуатаційний), дозволяє порівнювати стан екологічної безпеки різних агрегатів, установок і систем, за допомогою якого сформульовано принцип екологічної рівноваги розвитку теплоенергетичної галузі і застосування якого дозволить підвищити рівень екологічної безпеки енерговиробництва, покращити екологічну ситуацію в країні.

3. Розроблено новий принцип ціноутворення та єдиний механізм тарифікації у ПЕК, впровадження якого дозволить забезпечити реалізацію економічних важелів екологічного регулювання енерговиробництва та запропоновано на його основі комплексну систему безпосереднього та непрямого впливу на показники екологічної безпеки енергооб'єктів за рахунок використання відповідних фондів та механізмів державного та економічного регулювання.

4. На основі термодинамічних методів аналізу циклів ГТУ (коефіцієнтів корисної дії та ентропійного) враховано взаємозалежності показників енергетичної ефективності та екологічної безпеки ГТУ та ПГУ, визначено стратегію підвищення рівня їх екобезпеки за рахунок оптимізації технологічних параметрів експлуатації (за розробленими моделлю та програмою) та вдосконалення робочих процесів у камерах згорання.

5. Застосування розробленої методики узагальнення емісії NOx дозволило здійснити комплексний аналіз експериментальних та експлуатаційних характеристик ГТУ різних моделей та створити банк даних NOx різних типів ГТУ.

6. На основі експериментально-статистичної моделі емісії шкідливих викидів та розробленої методології компенсації впливів створено концепцію автоматизованих систем контролю та моніторингу показників екологічної безпеки теплоенергетичного об'єкта з урахуванням режимних, паливних, експлуатаційних і технологічних факторів експлуатації вперше розроблено та впроваджено маловитратну технологію комплексної мінімізації шкідливих викидів енергооб'єкта, реалізація якої дозволила отримати на реальних ТЕО суттєвий економічний ефект.

7. Розроблено маловитратну високоефективну та екологічно безпечну трубчасту технологію спалювання газоподібного палива, на базі якої створено та впроваджено пальники для різного типу агрегатів (котлів, теплогенераторів, камер згорання ГТУ), які захищені патентами України і які можливо ефективно використати для підвищення рівня екобезпеки в когенераційних установках, в системах допалювання палива на вихлопі ГТУ та в газопарових установках типу “Водолій”, суттєві переваги якої у порівнянні з існуючими вітчизняними та світовими аналогами доведені при модернізації фронтового пристрою камери згорання ГТУ у складі ГПА типу ГТК-10 з економічним ефектом понад 1 млн грн/рік.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

екологічний безпека теплоенергетичний

1. Христич В. А., Варламов Г. Б. Газотурбинные установки: история и перспективы. - К.: НТУУ “КПІ” ВПІ ВПК “Політехніка”, 2006. - 384 с.

Здобувачем запропоновано ідею та зміст, написано чотири розділи та висновки.

2. Любчик Г. М., Кравчук О. Є., Варламов Г. Б. Екологічні аспекти термодинамічного аналізу циклів ГТУ // Наукові вісті НТУУ “КПІ”, Серія теплоенергетики. - 1997.- С. 101-106.

Здобувачем проаналізовано основні засади техніко-екологічного аналізу циклів ГТУ, вибір об'єктивного екологічного критерію оцінки емісії оксидів азоту, можливі напрямки підвищення екобезпеки ГТУ.

3. Варламов Г. Б., Горбунов О. В., Сердюк С. Д. Інтерактивна програма розрахунків шкідливих викидів котлів // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. Сер. теплоенергетика. - 1997. - С. 124-127.

Здобувачем розроблено методологію розрахунків та алгоритм програми.

4. Сердюк С. Д., Даниленко Н. П., Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Программа и основные результаты комплексных испытаний газомазутного котла блока 250/300 Мвт ТЭЦ-5 “Киевэнерго” // Энергетика и электрификация. - 1998. - № 1 - С. 46-51.

Здобувачем проведено аналіз випробувань, визначення головних чинників впливу на екологічну безпеку котла.

5. Сердюк С. Д., Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Анализ экспериментально-статистических моделей эмиссии NOX в продуктах сгорания котла ТГМП-314А, работающего на природном газе // Промышленная теплотехника. - 2000. - № 1. - С. 103-110.

6. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Факторы, параметры и показатели экобезопасности энергетических объектов // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - № 2 - С. 53-59.

та можливого стану НПС за принципом екологічної рівноваги.

7. Варламов Г. Б. Оцінка негативного впливу та концепція енергоекологічного моніторингу паливоспалювальних енергооб'єктів // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - № 4. -С. 53-57.

8. Варламов Г. Б., Любчик Г. Н., Голота И. Н. Общие условия экологической экспертизы энергообъектов, работающих на органическом топливе // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - № 6. - С. 53-57.

9. Варламов Г. Б. Використання мікропроцесорної техніки для підвищення надійності роботи системи управління водогрійного котла // Енергетика: економіка, технології, екологія. -2001. - № 3.- С. 44-48.

10. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б., Сердюк С. Д. Анализ влияния эксплуатационных факторов на эмиссию NOх и СО в продуктах сгорания стехиометрических горелок // Энергетика и электрификация. - 2001. - № 11.- С. 43-48.

11. Любчик Г. Н., Левчук С. А., Варламов Г. Б., Марченко Г. С., Микулин Г. А. Особенности эмиссии NOх и СО в горелках на базе трубчатых модулей // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2001.- № 4.- С. 59-63.

12. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б., Микулин Г. А., Сердюк С. Д., Трубецкой Е. А. Воздействие коэффициента избытка воздуха, продуктивности и нагрузки котла на показатели эмиссии оксидов азота // Енергетика: економіка, технології, екологія.-2002.-№ 1.-С. 48-54.

Здобувачем здійснено аналіз впливу коефіцієнту надлишку повітря та інших технологічних параметрів на емісію оксидів азоту різного типу котлів.

13. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б., Микулин Г. А., Левчук С. А., Зарицкий А. А., Ольховская Н. Н. Использование конструктивных особенностей и аэродинамических эффектов насадки Борда при создании малотоксичных топливосжигающих модулей // Технологические системы.- 2002.- № 1.- С. 130-133.

14. Варламов Г. Б., Любчик Г. М., Голота І. М., Манжула І. О. До методики комплексної мінімізації емісії оксидів азоту котельних агрегатів // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2002. - № 2.- С. 53-58.

15. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Ресурсные и экологические проблемы глобального и регионального энергопотребления // Энергетика и электрификация.- 2002.- № 9.- С. 35-47.

Здобувачем здійснено статистичний аналіз прогнозу світового енергоспоживання та глобальних викидів NOх, запропоновані основні позиції щодо підвищення енергоекологічної безпеки енерговиробництва в країні.

16. Любчик Г. Н., Варламов Г. Б., Говдяк Р. М. Шелковский Б. И., Марченко Г. С., Микулин Г. А., Левчук С.А. Создание малотоксичных камер сгорания ГТУ // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - № 2.- С. 65-74.

17. Мікулін Г. О., Любчик Г. М., Варламов Г. Б. Марченко Г. С. Левчук С. О., Зарицкий А. О., Кардашев А.В. Використання трубчастих модулів як елементів інтенсифікації горіння та підвищення енергоекологічної ефективності газових пальників // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - №4.- С. 58-65.

18. Говдяк Р. М., Шелковский Б. И., Любчик Г. Н., Варламов Г. Б. Актуальные проблемы модернизации газотурбинных газоперекачивающих агрегатов // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - № 5.- С. 66-72.

19. Варламов Г. Б., Любчик Г. М. Аналіз доцільності впровадження економічних важелів екологічного регулювання енерговиробництва // Энергетика и электрификация. - 2003. -№ 8.- С. 49-56.

20. Размещено на Allbest.ru