Совершенствование экологических показателей приводных ГТУ ПАО "Газпром" Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИВОДНЫХ ГТУ ПАО «ГАЗПРОМ»

УДК 622.279

A.Г. Ишков, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ)

B.Г. Никитин, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ)

Р.С. Кашапов, ООО «НПФ «Теплофизика» (Уфа, Республика Башкортостан, РФ),

[email protected]

А.О. Прокопец, ООО «Газпром трансгаз Югорск» (РФ, Югорск),

[email protected]

А.Н. Пошелюзный, ООО «Газпром трансгаз Югорск»

В статье рассматриваются предпосылки разработки и этапы развития технологии предварительного смешения топлива (ПСТ) и организация горения «бедной» однородной по составу смеси, в зарубежной терминологии - DLE (Dry Low Emission - «сухая» малоэмиссионная технология сжигания топлива). Проведен сравнительный анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей малоэмиссионных камер сгорания (МЭКС) отечественного производства ПСТ и зарубежного DLE.

Приведены итоги применения камер сгорания ПСТ для стационарных агрегатов, эксплуатируемых на объектах ПАО «Газпром». Определены основные перспективы применения технологии ПСт. Внедрение технологии ПСТ позволило обеспечить соответствие современным экологическим требованиям ГПА типа ГТ-750-6, ГТК-10, ГТК-10И, ГТК-10ИР, ГТК-25ИР.

Технология ПСТ является высокотехнологичной отечественной разработкой, обеспечивающей надежную работу газотурбинного двигателя (ГТД) с высокими экологическими характеристиками.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ СМЕШЕНИЕ ТОПЛИВА, ОКСИДЫ АЗОТА, DLE.

В ПАО «Газпром» сформирован и реализуется комплекс программ, направленных на повышение эффективности функционирования объектов компрессорных станций (КС). Основной вклад в реализацию указанных программ вносится за счет проведения технических мероприятий, выполняемых при плановых ремонтах ГПА, в том числе путем применения узлов и агрегатов с улучшенными энергетическими и экологическими характеристиками. Значительным успехом в повышении экологических характеристик приводных ГТУ, работающих на природном газе, явилось использование МЭКС.

В мировой практике применительно к ГТД, работающим на природном газе, абсолютный приоритет отдан «сухому» мето-

ду сжигания топлива. В зарубежной терминологии эта концепция снижения выбросов NOx обозначается как DLE и принята как наиболее доступная технология организации рабочего процесса в камере сгорания на основе предварительного смешения топлива с воздухом и горения «бедной» по составу топливовоздушной смеси (ТВС) (состав с избытком кислорода, обеспечивающий температуру горения с низким уровнем эмиссии NOx и СО).

Практическая реализация концепции DLE заключается в обеспечении, на первый взгляд, простых условий:

• высокой однородности по составу «бедной» ТВС;

• статической и динамической устойчивости горения на всех режимах работы двигателя;

• исключения взаимодействия зоны горения с охлаждающим элементы камеры сгорания воздухом.

Ведущие зарубежные фирмы при создании МЭКС для обеспечения этих «простых» условий применяют сложные, дорогие и требующие постоянного обслуживания системы контроля и комплексы регулирования.

Наиболее известной реализацией концепции DLE являются разработки фирмы General Electric: патентованные технологии серии DLN (Dry Low NOx). Применительно к приводному двигателю MS5002E (ГПА-32 «Ладога») была внедрена технология DLN2+, основанная на использовании 4-канальной системы подвода и регулирования расхода топлива, сложной технологии изготовления

^ГАЗПРОМ Ч СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

ix'

1 - центральное горелочное

устройство;

2 - периферийное горелоч-

ное устройство;

3 - фронтовое устройство;

4 - агрегат зажигания;

5 - распределительный кран

Топливный газ

—с*}—О-

Схема камеры сгорания ГТ-750-6, ГТК-10-4

СО, мг/м3 (при 15 % О2) «М

NOx, мг/м3 (при 15 % О2)

Номинальный

V •V СО режим N

NO,

1-- * —"Г^" »

(АО WO 700 »»

Температура перед ТВД, °С

w

° С

Рис. 1. МЭКС ПСТ для ГПА ГТК-10

3

горелочных устройств с интегрированием в лопатки завихрителя форсунок для впрыска топлива, точеным экраном жаровой трубы из сплава Nenonic с турбу-лизаторами, сложной системой управления процессом горения, требующей постоянной и тонкой настройки.

Опыт эксплуатации приводных двигателей MS5002E с МЭКС на КС ПАО «Газпром» показал недостаточную надежность использования камер сгорания в условиях с резким изменением температуры окружающей среды и режимов работы ГПА, а также выявил ряд недостатков в конструкции горелочных устройств и систем управления процессом горения. Принятые в технологии DLN2+ методы обеспечения высокой однородности состава смеси вызывают сомнения, которые подкреплены появившимися в открытой печати сообщениями о принятых разработчиком конструктивных мероприятиях по

выравниванию поля скоростей на входе в горелочное устройство [1].

В конструкции камеры сгорания DLN2+ двигателя MS5002E не предусмотрены элементы пассивного подавления пульсаций, и в условиях эксплуатации при изменении режимов работы ГПА управляемая подача диффузионной части топлива недостаточно эффективна, существует большая вероятность возникновения автоколебательного процесса. Косвенным признаком возможности возникновения пульсаций давления в камере сгорания DLN2+ являются дефекты проточной части горелочных устройств, обнаруженные в процессе эксплуатации, а также появившиеся в открытой печати разработки (патенты) General Electric [2, 3], направленные на устранение этих дефектов.

В отличие от зарубежных разработчиков МЭКС на основе концепции DLE ООО «НПФ

«Теплофизика» применительно к российским условиям и возможностям использует более простые решения.

В 90-е гг. ХХ в. параллельно с ведущими зарубежными турбостроительными предприятиями ООО «НПФ «Теплофизика» на базе результатов собственных экспериментальных и теоретических исследований разработало технологию организации малоэмиссионного горения - технологию ПСТ (отечественный аналог зарубежной технологии Технология ПСТ включает комплекс расчетных моделей и технических решений по организации малоэмиссионного горения. Технологии ПСТ и 0_Ы имеют как общие ключевые элементы, так и принципиальные отличия. К общим элементам относятся:

• организация качественной предварительной подготовки «бедной» ТВС и горения с температурой пламени не более 1850 К, без применения подачи воды и водяного пара;

'МЭКС ПСТ ГТК-10-4 год разработки - 1994 N0,'= = 50 мг/м3 . СО15 = 300 мг/м3 1 "¡и 11 внедрено 384 единицы

МЭКС ПСТ ГТ-750-6 год разработки - 2005 N0,'= = 50 мг/м3 СО15 = 300 мг/м3 внедрена 41 единица

МЭКС ПСТ ГТК-10ИР год разработки - 2008 N0," = 50 мг/м3 СО15 = 100 мг/м3 внедрена 21 единица

МЭКС ПСТ ГТК-10И год разработки - 2005 N0x15 = 65 мг/м3 СО15 = 300 мг/м3 внедрено 14 единиц

МЭКС ПСТ ГТК-25ИР год разработки - 2014 N0," = 50 мг/м3 СО15 = 100 мг/м3 внедрено 7 единиц

МЭКС 3002 ПСТ+ год разработки - 2016 N0x15 = 50 мг/м3 СО15 = 50 мг/м3 внедрена 1 единица

Рис. 2. МЭКС ПСТ для ГПА ГТК-10-4, ГТ-750-6, ГТК-10И, ГТК-10ИР, ГТК-25ИР, MS3002 ПСТ+

Результаты оснащения камерами сгорания ПСТ по газотранспортным предприятиям и типам ГПА ПАО «Газпром»

Газотранспортное предприятие Тип ГПА Число ГПА (ПСТ) на 1 января 2017 г.

ООО «Газпром трансгаз Югорск» ГТК-10-4 168

ГТК-25ИР 3

ООО «Газпром трансгаз Ухта» ГТК-10-4 82

ГТ-750-6 15

ГТК-10ИР 20

ООО «Газпром трансгаз Волгоград» ГТК-10-4 45

ООО «Газпром трансгаз Саратов» ГТК-10-4 24

ГТ-750-6 23

ГТК-10ИР 1

ООО «Газпром трансгаз Самара» ГТК-10-4 34

ООО «Газпром трансгаз Сургут» ГТК-10-4 20

ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» ГТК-10И 11

ООО «Газпром трансгаз Уфа» ГТК-10-4 8

ООО «Газпром добыча Оренбург» ГТК-10И 3

ООО «Газпром трансгаз Чайковский» ГТК-10-4 3

ООО «Газпром трансгаз Москва» ГТ-750-6 3

ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» ГТК-25ИР 2

Всего:

ГТК-10-4 384

ГТК-10И 14

ГТК-10ИР 21

ГТ-750-6 41

ГТК-25ИР 5

Итого: 467

• модульная компоновка фронтового устройства;

• применение многоканальных горелочных устройств;

• наружное конвективное и ударно-конвективное охлаждение жаровой трубы.

Основным отличием технологии ПСТ является отказ от применения сложных, дорогих и ненадежных устройств регулирования расхода воздуха через зону горения, устройств подачи топлива, изменяющегося с определенной частотой, и прочих элементов активного подавления пульсаций давления.

Для расширения диапазона малоэмиссионной и устойчивой работы камеры сгорания технология ПСТ предусматривает более надежные, простые и доступные решения:

• применение горелочных устройств с саморегуляцией состава ТВС в области стабилизации пламени;

• применение элементов пассивного подавления пульсаций давления в виде резонаторов Гельмгольца, четвертьволновых трубок, замкнутых полостей специальной геометрии.

Несмотря на простоту и ясность основных принципов, разработка МЭКС - длительный процесс. Следует отметить, что задача создания МЭКС на основе концепции DLE является задачей многофакторной оптимизации и требует разрешения противоречий между заданными экологическими показателями, уровнем пульсаций давления, показателями статической устойчивости и ресурса.

При разработке МЭКС для находящегося в эксплуатации ГТД возникают дополнительные задачи, например необходимость размещения новой конструкции в пределах штатного корпуса, поиск компромисса между штатным алгоритмом работы САУ и алгоритмом управления процессом горения.

Впервые в РФ технология ПСТ была применена при создании

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

МЭКС для ГПА ГТК-10. Камера сгорания ПСТ выполнена с внешним конвективным охлаждением, что обеспечивает на основных рабочих режимах уровень эмиссии СО не более 300 мг/м3 в соответствии с требованиями ГОСТ 28775-90. Приемочные испытания, по результатам которых изделие было рекомендовано к применению, проведены в 1994 г. на базе Дюртюлинского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Уфа», и по их результатам достигнуто снижение эмиссии NOx в 3,6 раза по сравнению со штатной конструкцией камеры сгорания ГТК-10 (рис. 1).

Первоначальная конструкция камеры сгорания была далека от совершенства, что не удивительно, учитывая недостаточный на тот момент опыт разработки и эксплуатации подобных изделий, принципиально отличающихся от традиционных камер сгорания. В ходе эксплуатации установочной партии на КС ООО «Газпром трансгаз Югорск» были обнаружены и устранены характерные для малотоксичных камер сгорания неисправности. Массовое промышленное внедрение стало возможным после решения совместно со специалистами ООО «Газпром трансгаз Югорск» ряда технических и организационных задач, таких как:

• отработка всех возможных режимов эксплуатации (запуск, переходные режимы, основные режимы, режим быстрой разгрузки) в различных климатических условиях;

• отработка вариантов согласования алгоритмов управления работой камеры сгорания ПСТ с различными вариантами САУ ГПА;

• разработка надежных систем розжига и вспомогательного оборудования для контроля и управления работой камер сгорания;

• разработка технологических процессов по замене штатных камер сгорания камерами сгорания ПСТ.

Система ПСТ по экологическим показателям не уступает DLN2

Рис. 3. Сравнение технологий ПСТ и DLN2

5002E+ (ГПА-32 Ладога) 3002 ПСТ+ (ГПА-ГТК-10И)

Шрг ( \

5002 (ГПА-ГТК-25ИР)

Щ и;»., 0 /А*!1УИ % Ш

Рис. 4. Конструктивные особенности выполнения фронтовой части МЭКС ПСТ и МЭКС DLN2+

Окончательный конструктивный облик камеры сгорания был сформирован к началу 2000-х гг., что позволило перейти к массовому внедрению. Основные технические решения были использованы при разработке и внедрении МЭКС ПСТ для ГПА типов ГТ-750-6, ГТК-10-4, ГТНР-16. К 1 января 2017 г. в эксплуатации находилось 384 ГПА, оборудованных камерами сгорания ПСТ, максимальная наработка «лидер-ной» камеры сгорания - свыше 80 тыс. ч (ГПА ст. № 24, 27 Дюртю-

линского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Уфа»).

Богатый опыт, накопленный в ходе доводки первых конструкций камер сгорания ПСТ, позволил разработать МЭКС ПСТ для регенеративных ГПА импортной поставки ГТК-10ИР, ГТК-25ИР (рис. 2).

Создание камеры сгорания ПСТ ГТК-10ИР позволило уменьшить эмиссию NOx в 6 раз по сравнению со штатной камерой сгорания. Камера сгорания ПСТ ГТК-25ИР, разработанная при уча-

NOx, мг/м3 (при 15 % О2)

СОх, мг/м3 (при 15 % О2)

510 SM

Температура газов за силовой турбиной, °С

-I-1-

J50 i/o 4»« Sie SM

Температура газов за силовой турбиной, °С

1 - технические требования согласно ТЗ для MS 3002 ПСТ+

2 - результаты измерений для ГПА с камерой сгорания MS 3002 ПСТ+

3 - результаты измерений для ГПА с камерой сгорания ПСТ ГГК-10И

Амплитуда колебаний давления, кПа

Si so ti ÍO

м 10 ¡i го i ь 10 о

Пуск ■ -f- j| 1 -!

—(Основные режимы работы 1_ | Останов

к

t

VE

■ Л:

• ч! ■

1

) МО -WO 600 »00 ¡ООО

•i- датчик 1 •/- датчик 2

Частота колебаний давления, Гц

1100 1400 Время, с

1» ÍÍO 1»

Пуск | Основные режимы работы Останов

•¿•Л * ■

mm ■ ■

/ • ■ i 1 й t

i

* я

400 WO ЮО 1000

- датчик 1 «j - датчик 2

1100 1400 Время, с

Рис. 5. Экологические показатели камер сгорания МБ 3002 ПСТ+ и ПСТ ГТК-10И и амплитудно-частотные характеристики колебаний давления в объеме камеры сгорания МБ 3002 ПСТ+

стии специалистов ООО «Газпром трансгаз Югорск», явилась первой отечественной МЭКС для ГТД мощностью 25 МВт. Ее использование в составе ГПА ГТК-25ИР обеспечивает существенное повышение экологических и эксплуатационных показателей:

• снижение выбросов 1\ЮХ с 300 до 40 мг/м3;

• уменьшение неравномерности температурного поля за турбиной с 30 до 20 °С и, как следствие, увеличение ресурса лопаток турбины;

• снижение гидравлического сопротивления по сравнению со штатной камерой сгорания.

В разработке использован ряд передовых технических решений:

• горелочное устройство со встроенным глушителем колебаний;

• управление работой камеры сгорания по параметру «Температура пламени в зоне горения»;

• предпусковой контроль системы розжига и датчиков пламени.

Камера сгорания ПСТ ГТК-25ИР по техническому уровню и экологическим показателям не уступает лучшим мировым образцам, в том числе камере сгорания 0_\12+ двигателя МБ 5002 Е, которая применяется для ГПА-32 «Ладога» (рис. 3, 4). При этом конструктивное исполнение камеры сгорания ПСТ, топливной автоматики и вспомогательного оборудования значительно проще и надежнее. В случае необходимости камера сгорания ПСТ ГТК-25ИР с незначительными доработками может быть адаптирована для ГПА «Ладога-32».

В 2016 г. ООО «НПФ «Теплофизика» были проведены промышленные испытания усовершенствованной МЭКС МБ 3002 ПСТ+. Камера сгорания МБ 3002 ПСТ+ по ресурсным и экологическим показателям превосходит все известные аналоги и является единственной в РФ камерой сгорания с эмиссией \ЮХ и СО не более 50 мг/м3 во всем эксплуатационном диапазоне (рис. 5, 6). За счет применения оригинальной компоновки и эффективной системы ударно-конвективного охлаждения ресурс жаровых труб доведен до 32 тыс. ч.

Учитывая положительный опыт внедрения отечественных технологий ПСТ для малоэмиссионного сжигания газообразного топлива ГТУ, ПАО «Газпром» принята про-

СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ

грамма по снижению выбросов вредных веществ ГПА до 2020 гг. На 1 января 2017 г. общее число ГПА с камерами сгорания ПСТ составило 467 ед., суммарная наработка - более 8,0 млн ч, годовой валовой выброс N0,, парка ГПА уменьшился на 38 %.

Результаты оснащения камерами сгорания ПСТ по газотранспортным предприятиям и типам ГПА ПАО «Газпром» на 1 января 2017 г. приведены в таблице.

Одним из наиболее актуальных направлений дальнейших разработок является создание МЭКС для двигателей серии ДГ-90. Штатные камеры сгорания ДГ-90 имеют ряд серьезных недостатков, главными из которых являются неудовлетворительные экологические характеристики и низкая надежность.

ООО «НПФ «Теплофизика» выполнены расчетные исследования рабочего процесса штатных камер сгорания ГТД ДГ-90, определены причины неудовлетворительных характеристик и разработана собственная концепция МЭКС, внедрение которой позволит снизить уровни выбросов N0, и СО до 50 мг/м3, повысить надежность запуска, увеличить ресурс горелочных устройств и жаровых труб до 32 тыс. ч.

Концепция включает следующие основные элементы:

• применение горелочных устройств с дополнительным стабилизатором пламени и специальными элементами для выравнивания и турбулизации потока воздуха перед зоной предварительного смешения;

• использование импактной системы охлаждения жаровой трубы и термобарьерного покрытия на основе диоксида циркония;

• применение новых принципов управления работой камеры сго-

• выбросы NO. и СО не более 50 мг/м3; / \ I 1 • ресурс жаровых труб 32 0000 часов; 1 1 • двойная амплитуда колебаний давления V / не более 1,5 кПа (кратковременно 5,0 кПа)

Рис. 6. МЭКС MS3002nCT+ для ГПА ГТК-10И

Рис. 7. МЭКС для двигателя серии ДГ-90 (стадия разработки)

рания на базе контроля за температурой пламени в зоне горения;

• применение системы зажигания с индивидуальными запальными устройствами в каждой жаровой трубе.

В результате проведения стендовых испытаний нескольких вариантов горелочных устройств и жаровых труб камеры сгорания для ГТД ДГ-90 достигнуто снижение эмиссии N0, до 50 мг/м3, а содержание СО в выхлопных газах доведе-

но до минимальных значений и не превышает 10 мг/м3 (рис. 7). В 2018 г. планируется провести испытание новой камеры сгорания ПСТ для двигателя ДГ-90 в составе ГПА.

Учитывая, что двигатель ДН-80 является развитием (форсированной версией) двигателя ДГ-90, опыт создания камеры ПСТ для двигателя ДГ-90 создает условия для разработки надежной и экологически совершенной камеры сгорания ДН-80. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Davis L.B., Black S.H. GE Power Systems Schenectady, NY Dry Low NOx Combustion Systems for GE Heavy-Duty Gas Turbines. International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, 1996, Р. 1-9.

2. Crosby J.D., Yap D.J., Leggett W.F. System and method for controlling combustion instabilities in gas turbine systems. 2013, EP 2 672 730 A2.

3. Fuel cooled combustor. Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha. 2014, WO 2013009211 A1.