CC BY
45Б01: 10.24411/9999-010А-2019-10071
Т.А. ЛАПИНА
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Россия
СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАЛОЭМИССИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ В СОСТАВЕ ДВИГАТЕЛЯ НК-36СТ
Транспортировка газа по магистральным трубопроводам является экологически опасным видом производства. Она влечет за собой целый ряд неблагоприятных воздействий на окружающую среду. Воздушный бассейн испытывает значительные неблагоприятные воздействия даже тогда, когда магистральный газопровод работает в штатном режиме. Выбросы газоперекачивающих агрегатов (ГПА) больше всего влияют на качество атмосферного воздуха. Топливом для ГПА является перекачиваемый газ. Главными загрязнителями воздуха являются оксиды азота и углерода. Их концентрации в существенной степени зависят от двух факторов: технического состояния ГПА и режимов сгорания топливного газа.
После распада Советского Союза российские двигателестроительные компании стали проводить работы, направленные на уменьшение выбросов вредных веществ в продуктах сгорания углеводородных топлив. Однако, несмотря на то, что исследования в данной области ведутся уже на протяжении нескольких десятилетий, российская промышленность по-прежнему отстает в создании экологически чистых камер сгорания (КС). Проблему уменьшения выбросов при транспортировке газа по магистральным трубопроводам не удается решить в основном в связи с отсутствием необходимого научного задела. В таких условиях ведущие российские опытно-конструкторские бюро пошли по пути развития собственных концепций малоэмиссионнного горения, при этом они вынуждены были вести научно-исследовательские опытно-конструкторские работы за свой счет. Решение данной проблемы было представлено в статье «Опыт эксплуатации двигателей НК-36СТ и НК-37, модернизированных с целью снижения концентрации оксидов азота и углерода в продуктах сгорания газоперекачивающих агрегатов» (Аусев и др., 2018).
Специалисты самарского предприятия ПАО «КУЗНЕЦОВ» на протяжении ряда лет проводили собственные исследования, направленные на уменьшение эмиссии оксидов азота и углерода. В результате, они смогли разработать и успешно испытать свой вариант двухзонной камеры сгорания. В первой зоне (дежурная) имеется незначительная эмиссия оксида углерода. Это связано с тем, что в данной зоне на низких режимах поддерживается соотношение компонентов, которое весьма близко к стехиометрическому.
Вторая зона (основная) располагается по ходу движения потока сразу же за первой зоной. В этой зоне имеются собственные топливные форсунки и стабилизаторы пламени. Сам процесс горения здесь происходит на «бедных» смесях при температуре около 1800-1900°К, когда оксиды азота образуются менее интенсивно (Гречишников и др., 2017).
В процессе разработки конструкции КС специалисты ПАО «КУЗНЕЦОВ» учитывали следующие важные положения.
1. Температура горения непосредственно зависит от коэффициента избытка воздуха «а». Следовательно, посредством изменения соотношений компонентов (иначе
говоря - варьируя величиной «а») можно управлять величиной температуры продуктов сгорания в разных зонах КС.
© 2019 Лапина Татьяна Алексеевна; tatkla2938@mail.ru
2. Интенсивность образования оксидов азота происходит в высокотемпературных зонах КС. Здесь необходимо учитывать, что окисляется именно тот азот, который находится в воздухе, поскольку содержание азота в топливе пренебрежимо мало.
3. Оксид углерода образуется при горении богатых топливно-воздушных смесей в условиях недостатка кислорода и низких температурах горения по причине «химического» и «физического» недожога. Необходимо отметить, что в «бедных» смесях оксид углерода практически не образуется в зоне горения.
4. Если в обычных КС большее количество оксидов углерода образуется на режиме «малый газ», то здесь полнота сгорания является более низкой по причине ухудшения распыла топлива.
5. Снижение доли оксидов углерода является следствием повышения температуры пламени, которое приводит к увеличению содержания в выхлопном газе оксидов азота.
6. Необходимо минимизировать время пребывания смеси в КС.
Благодаря использованию двухзонной КС удалось уменьшить выбросы оксидов азота на номинальном режиме от 326 мг/нм3 до 173 мг/нм3, а выбросы оксида углерода от 150 мг/нм3 до 57 мг/нм3, что составляет 46,9% и 62%, соответственно.
Малоэмиссионная камера сгорания с мероприятиями по снижению выбросов оксидов углерода и системой плавного регулирования распределения топлива по трем контурам КС тремя ДУС успешно прошла стендовые испытания и затем была установлена на промышленный газотурбинный двигатель авиационного типа НК-36СТ с целью проведения оценки эмиссионных характеристик в условиях эксплуатации.
Специалисты Инженерно-технического центра ООО «Газпром трансгаз Самара» провели испытания двигателя НК-36СТ с малоэмиссионной камерой сгорания в условиях эксплуатации. Испытания проводились на камере сгорания Тольяттинского ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Самара». Для проведения измерений были использованы газоанализаторы ДАГ-16 и ДАГ-510ГН. В соответствии с программой испытаний сначала были выполнены измерения загрязняющих веществ, при снятии исходной дроссельной характеристики на четырех режимах. Затем, на протяжении 800 часов наработки двигателя проводились измерения с интервалом 100 ± 30 часов (Стандарты организации Газпром 2-3.5-038-2005).
Полученные значения сравнили с результатами измерений на этом же самом двигателе, но до проведения модернизации. Сравнение показало, что наблюдается существенное уменьшение и стабильность приведенных к 15% О2, концентраций выбросов NOx и CO.
В табл. 1 приведены результаты измерений концентраций NOХ и CO как до, так и после модернизации КС на номинальном режиме работы промышленного газотурбинного двигателя НК-36СТ.
На рис. 1 и 2 представлены графики эмиссионных характеристик двигателя НК-36СТ до и после проведения модернизации.
Таблица 1. Результаты изме рений концентраций NOx и СО (по: Аусев. и др., 2018)
Параметр До модернизации После модернизации
N0* мг/нм3, 15% О2 337 15
СО, мг/нм3, 15% О2 111 20
Из представленных рисунков следует, что средняя концентрация СО в продуктах сгорания двигателя НК-36СТ с малоэмиссионной камерой сгорания в диапазоне нагрузок 70-100% составила 100 мг/нм3. При этом концентрация оксидов азота во всем диапазоне рабочих режимов не превышала 50 мг/нм3 и на номинальном режиме составила 15 мг/нм3, что значительно ниже предусмотренной предельно допустимой концентрации (ГОСТ 28775-90).
Ссо, 15% 02 (мг/нм ) jí»i>
51)1! •
>?И Í4H к M (.Vil .1011 1Г11 (,')1> "14 ".lu ""tCT 0С
Рис. 1. Сравнительные зависимости приведенных концентраций углерода и оксидов азота в продуктах сгорания двигателя НК-36СТ с однозонной, двухзонной и малоэмиссионной камер сгораний от температуры газов перед СТ до проведения модернизации (Аусев и др., 2018)
Сж,х -450 400 Ш ЗОЮ 35ft SlO Ш1 IW SÚ О
15% 02 (мг/нм3)
SSI) S7U í"J(l ft 111 ДО ÍÍSll ÍÍ70 690 7 HI 7Jfl
0
tст С
Рис. 2. Сравнительные зависимости приведенных концентраций углерода и оксидов азота в продуктах сгорания двигателя НК-36СТ с однозонной, двухзонной и малоэмиссионной камер сгораний от температуры газов перед СТ после проведения модернизации (по: Аусев и др., 2018)
В табл. 2 приведены экологические показатели газоперекачивающих агрегатов, которые эксплуатируются в ООО «Газпром трансгаз Самара». Здесь же представлены и показатели двигателя НК-36СТ с малоэмиссионной камерой сгорания на номинальном режиме.
На основании данных, которые были приведены в табл. 2, можно сделать вывод о том, что двигатель НК-36СТ, который оснащен малоэмиссионной камерой сгорания, имеет наиболее лучшие показатели по выбросам оксидов углерода и азота на номинальном режиме по сравнению с двигателями нового поколения. Эти показатели полностью соответствуют нормам международных стандартов по экологическим показателям загрязнения.
Таблица 2. Экологические показатели современных газоперекачивающих агрегатов (Аусев и др., 2018)_____
Тип двигателя Шх, мг/нм3, 15% О2 СО, мг/нм3, 15% О2
НК-36СТ с 15 20
малоэмиссионной камерой
сгорания
НК-14СТ 214 80
НК-14СТ-10 313 110
ПС-90ГП-1 148 48
ПС-90ГП-2 177 73
НК-38СТ 61 67
Таким образом, благодаря использованию малоэмиссионной камеры сгорания удастся уменьшить суммарный валовый выброс оксидов азота и оксида углерода с продуктами сгорания НК-36СТ на 90 т. (в годовом исчислении). Помимо этого, также можно будет снизить на 16 тыс. руб. (в расчете на один двигатель) выплаты за неблагоприятное воздействие на окружающую среду (Стандарты организации Газпром 2-1.19-541-2011).
В течение 2017 г. проводились наблюдения за принципом работы данной камеры. Замеры делались один раз в квартал. Согласно протоколу, замеры показали следующие результаты (табл. 3).
Таблица 3. Результаты замеров концентраций продуктов сгорания в двухзонной камере сгорания_
Параметр Режим Примечание
1 квартал 2 квартал 3 квартал 4 квартал
Концентрация 16,1 16,5 16,4 16,3 Исход
кислорода, %
Концентрация 2,8 2,9 2,9 2,8 Исход
диоксида углерода, %
Концентрация оксида 46 48 48 47 Исход
углерода, ррт
Концентрация оксида углерода, мг/нм3 57,5 58,1 57,9 57,8 Расчет
Концентрация оксидов азота (N0^, ррт 6 7 7 6 Исход
Концентрация оксидов азота (N0^ мг/нм3 12,32 12,91 12,67 12,46 Расчет
Концентрация оксида азота (N0), ррт 5,7 5,9 5,8 5,8 Расчет
Концентрация оксида азота (N0), мг/нм3 7,64 7,85 7,77 7,74 Расчет
Концентрация 0,3 0,4 0,3 0,3 Расчет
диоксида азота (N02),
ррт
Концентрация 0,62 0,71 0,68 0,67 Расчет
диоксида азота (N02), мг/нм3
Таким образом, на основании полученных данных следует, что количество выбросов оксида азота и углерода в усовершенствованной двухзонной камере сгорания на максимальном режиме работы двигателя снижается на 80,73% и 94,4%, что соответствует требования ГОСТ 28775-90. Поэтому применение двухзонных камер сгорания в Тольяттинском ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Самара» будет способствовать снижению загрязнения атмосферного воздуха оксидами азота и углерода, а также увеличению экономического эффекта в виде снижении штрафов за не превышение допустимых нормативных требований.
Список литературы
Аусев В.Г., Сергеев С.Г., Соколов А.А., Субботин В.А., Щербо И.В., Холодков С.А. Опыт эксплуатации двигателей НК-36СТ и НК-47 модернизированных с целью снижения концентраций оксидов азота и углерода в продуктах сгорания газоперекачивающих агрегатов // Вестн. Самарск. гос. аэрокосмич. унта им. академика С.П. Королева. 2018. № 6 (62). С. 71-75.
ГОСТ 28775-90 Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия. Министерство тяжелого
машиностроения СССР и Государственный газовый концерн «Газпром».
Гречишников О.В., Остапец И.И., Росляков А.Д., Цыбизов Ю.И. Гомогенные горелки двухзонных камер сгорания // Вестн. Самарск. гос. аэрокосмич. ун-та им. академика С.П. Королева. 2017. № 5 (54). С. 36-43.
Стандарты организации Газпром 2-1.19-5412011 «Учет валовых выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов».
Стандарты организации Газпром 2-3.5-0382005 «Инструкция по проведению контрольных измерений вредных выбросов газотурбинных установок на компрессорных станциях», ООО «ВНИИ-ГАЗ», г. Москва.
