автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование влияния режимов работы газотурбинных установок на концентрации оксидов азота в выхлопных газах

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОМАТИКИ

те од

п п На правах рукописи

и ОПТ -до/,

КОСТЕНКО Людмила Ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ

05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент — 1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проект-но-технологическом институте «Атмосфера» при Госкомитете Республики Узбекистан по охране природы

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Цирульников Л. М.

Научный консультант —

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Тумановский А.. Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мухиддинов Д. Н.

кандидат технических наук, профессор Сайдаминов С. С.

Ведущая организация —

Узбекский научно - исследовательский и проектный институт нефти и газа

Защита диссертации состоится «. // » 1994 г.

12.

.. час. на заседании специализированного совета

К 015.28.21 в Институте энергетики и автоматики АН РУз по адресу: 700143, г. Ташкент, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института энергетики и автоматики АН РУз.

Автореферат разослан « ¿0 » 1994 г.

Ученый секретарь специализированного соаета, кандидат технических наук

АБДУРАХМАНОВА С. Ф.

ОЩАЯ &ГЛКТСЙПТШ ГАГСГ«

Актуальность т'-'уч. Галотурбинние устанорки (ГТУ), обладал рядом ноеогнепних преимуществ перед другими источниками энергии, р. то же пр^кл /голяггся суцсстя'чимми оггрг:житслг»»и поздугшого бассеПна, г/г-внчм обраяом, оксидами азота, среди котор'к паибольгую спгсность представляет диоксид азота. При репении проблол) сокрг-цения выбросов оксидоч пг<отя от ГТУ на-галоза'кное значение даеет создание средств п методов, даг^их надежную количественную ин^оркапт о масштабах их внбросоп и птмосЧхзру. Актуальность решения лтой проблем! обостряется и необходимостью раздельного нормирования концентрации ГОХ и 1Г02 • в атмосфере.

Несмотря :;а го, что в Узбекистане н других странах СНГ используется многотнсячний парк стаииоиярнтк ГТУ, отличаг^ихся высокими гоплириа-энсргетическими хяр&ктеристикпми, в том числе рядом теплотехнических параметров, в настоящее время нет системятизировалктг даниих о концентрациях оксидов азота, внб-раенваемых ими в атгас^еру.

Знание фактических концентраций на выхлопе ГТУ особенно ватло в связи с современном мотодсм строительства много-пехоянх компрессорных станций (Ж) и одновременно суцествуп-щей тенденцией роста налапьшсс параметров рабочего тела в газотурбинном, ццкло при увеличении единичной мощности агрегата. В то те Бремя сашт,г>нк« нормы лимитирует содрртант оксидов азота' в приземном слое агкостеры, а сухарная концентрация оксидов азота (в пересчете на диоксид) в вихлолмк газах ГТУ не должна превшать 220 мг/м3 в услокно» рэкиме с содсржпнис-м кислорода 1Ъ% (еб = 3,5).

Данная работа направлена на изучение влияния реятоя работч ПУ на образование океидс!\ азота и на разработку методики расчетного прогнозирования копиейтрений сцсид&.и диоксида азота в выброса?: ГТУ в атмосферу.

Цель работч - исследование влияния реяимннх факторен на концентрации оксидов азота в выбросах ГТУ и создание методики расчетного прогнозирования концентраций оксидов апота в ¡¡ро-дуктзх сгорания.

Ке г од.м и с сл> д о п а н и й♦ Для проведения исследований исполь~ зовались э иепероди'га&л ыгп, аналитические кетедм и. метод ма-

тематического моделирования.

Научная н.ониана получении результатов заключается в следущен: установлена эавнсшостг, суммарной концентрации оксидов азота в выбросах ГТУ от режимных факторов; создана методика акспертюнтальноро опрэделзния концентраций оксида и диоксида азота в продуктах сгорания энергетических топлив; предложены эмпирические уравнения дня расчета концентраций оксидов азота в ппбросах ГТУ.

Не. риниту впносптся; результаты исследований слияния ре-иимоп работы ГТУ ня концентрацию оксидов азота в выхлопных газах ГГУ; разработанные методики расчета концентраций оксидов азот в и выбросах ГТУ.

Практическая ценность 'работи заключается п разработке ыетодики, поанолпетдйй контролировать концентрации оксида и диоксида азота в продуктах сгорания энергетических топлив; создании банка дпншлс о концентрациях оксидов азота в выбросах практически веек типов пракггшленн-цс ГТУ, эксплуатируем,-х на гязсгерекачнваущгас комяроссоршяс .станциях Узбекистана и других стран СНГ*. На основании этого балка разработан "Каталог удель-дах »ыйрссоп оксидов азота в вжлопши гааах ГПА", утвержден-!(нй и качестве отрпелегого нормативного документа Нипгяяпроыа СССР,

Реал и.чация ре зуд ьтя.тпв поел едовя; шй. Разработанная "Методика наполнения изморений концентраций оксида и диоксвдасшгд раздельно в продуктах сгорания пнергетопееких теплил" уттюрх-дена п качестве руководящего отраслевого нормативного документа Мннгаапро^а СССР СРД Ы.14Й-09) при проведении лаборатории''.', стендовых и лромюшшш исштпшй к яссдедогтшй котлов, гаэотурбиннах И Других ТОПЛИЬОЮЯК'Ш'ЧЦИХ УСТЯНОПСК И ДОПУ^Н« к ппит.чтоиип Госкомприрода Республики Усб'акистлн. Разработан-in.it! "Каталог удольнш: выйросоа оксидон азота в шхлопшк газах ПК" используется в кьписгпе юршпшюго документа для всех рваотурбишрлс установок на предприятиях Реппубякгп Уобоюмтт и Других стррн С1Г.

Апрэй.чцщ' у^оги. Результаты раЗотк доюч>дегаалияь ня: реенубликаногон »г&учло-техначаош.! «оиалйро "Д'скс^чшо гешическогс прогрессу и охрана овЕУкчшщеЗ среду в газовой «(т'мисодгоггм рнснуЗлшсп иа счет ташдранлк ы' щ -"дпрпк'г^./.х ч'.рез прост!!' ног :■!'.;.,Д0|"'Т;< .п'ы.-.й ]. 'г)л:<с и добччи, цодгоген.-

ки, переработки и троиспорта газе" (г.'Ташкент, 1988 г.), конференции "Снитение и очистка гаповчх выбросов в атмосферу" (г. Киев, 1969 г.), конференции "Снижение еыбросоп окевдоп азота при еэтигании жидких и гязообрагчгчх топлив в энергетике и транспорте" (г. Москва, 1РЯ9 г.), республиканской научно-технической конференция "Разработки и внедрение технологии комбинированного производства тепловой и электрической анергии и использование газотурбинных установок" (г. Ташкент, 1990 г.), НТС САЗ ВНИШромгоэ по топочи! м процессам и оярпне атуос$ери (г.Ташкент, 1908, 1909 гг.), НТС ШШТК "Атмосфера" (г.Ташкент, 1990-1992 гг.).

Дубликатам. По тете диссертации опубликовано 8 печатан* работ и получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

■Структура .и сб-ьек робота." Диссертация изло,тенп на 192 стрянипах магинописного текст, состоит из введения, трех глав, прилотениП и списка использованной литерэтурн из 149 наименование, содержит 19 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕШШЕ РАБОТ!)

В пррвоП главе приведена наиболее изученное механизм образования оксидов азота в пламени в условиях, характерных для

ГТУ. ,

Ыногочнсленнчми исследованиями определено, что основными

факторами, влште,има нп образопшм оксида азота, является температура и время пробивания тотшивопоздушной смеси в лоне горения, давление в камере сгорания. Однако существующие уравнения для рпс?ета суммарноЯ кмшентраппи оксидов азота в продуктах сгорсния ГТУ недостаточно полно учитыяапт влияние этих факторов, а также конструктивнее особенности кемер сгорания, поэтому применнг/ость етих уравнений ограничена и затруднительна для ГТУ, особенно находящихся в промышленной эксплуатации.

Па основе анэлиза характеристик разнообразных методов, применяемых для измерений концентраций оксидов озот'а в продуктах сгорания, У'чяэлено, что наиболее чувствительней и экспрессными является кетодм автоматического контроля. Однако, го: отсутствие п Республике Узбекистан и других странах С1!Г исключает го?:;с?нссть в настоящее время оперативно контролировать состав я-'брссов.

В главе сформулирорякч конкретные задачи данной раб.'.»ч:окс-пер5!»лентаяы!0 определить когшентрг.щш оксидов аоот.л н тшдош-нх

газа! ГТУ, находящихся в прошалшнюЛ ¡эксплуатации, для чего необходимо предварительно разработать штодаку измерения концентрации диоксида азота в продуктах сгорания ГТУ; экспериментально исследовать влиянио ражимннх факторов' ГГУ на концентрации оксидов азота в газовых выбросах ГТУ; на основе обобщения нолучеиних Дании х разработать атирическиа методики расчета концентраций оксидов азота в продуктах сгорания прошалешшх ГТУ.

£i-iü2E2iLl3ä2ä проводится анализ экспериментальных результатов измерений концентраций оксидов азота в выхлошшх газах ГТУ. Наш проведены лрошмешше испытания на 16 КС по определеиш ког цэнтрации ;íos в гыхлоиншс газах ГТУ 20 типов отечественного и за рубокиого производств - гт-700-4, ГГ-700-5, ГТК-5, ГТ-6-750, ГГ-750-6, ГТН-Э, ГТК-10, гш>~12,5/ ГТК-16, ГТН-16, ГПУ-16, ИН-25

(наг), гтн-25 (газ), гпыье.э, пм-ю, гпа-ц-16, гш-юи,. гтк-

25И, Коберра, Центавр, отличаищшсся кошюновкоа камар сгоршпш в схемо Г1У и ох конегруктивнии о$орыдошем» Столь большой парк- & рогатов позволил проследить влияние тараыетров рабочего тела щ. валкчину суммарной концентращц: оксидов азота ( кох). Измерст-..;: концентрации но* выполнялись по отраслоьоц методике-Шагазпро.-.а ОСТ 51.136-35 с в&личаисй логреияюстй->Ь^. Одиовремэшю с взкерв-иияш концентраций оксвдсв азота в вихлоншх газах гту "во .сбдойри-кятцц штодакам определялись концентраций следующих компонентов: с02 в Og - газоанализатором ГХП-1Ш с паграсшостьа +5?; СО, Hg'ii -Ш4 - хро«атогра$оц 'Тазскрои - 3101" с погрвшс-сугьа ч£$.. Измерения раздольных концентраций икс ада в диоксида азота выполнялись • по разработанной 'наш методика,-основанной на методе йаплрации анализируемся газовой rrpoötz продуктов сгорания с расходом (200 ¿20) мл/иш через водний раствор рзактивп Грисса по схема; яо-■глещешио даокзвда азота, оккслакио оксида азота до-диоксида, но-глощание диоксида азота. Соотношений компонентов: I г реактива ■ Грисса, £0 мл ледяной уксусной кислоты, 250 щ диотиллйровышоа вода.

Результаты лэшреаий Оно и Сио2 . полученные по нашеЗ методике, с-раваяЕ&лйсь с показаниями хешлшкнеецэнтного газоелализа-тора фирмы " Бескшаи " (США), имеющего погрешность

Величина относительной погрешности средних значений измерен-• ной концентрации Ско„и показаний газоанализатора "Бес^ваи" не преьш;аег ;.;0;S в диапазоне низких коицойтргщнй,. 6*10 мт/и? и ушт-

иается до I0J5 при увеличении СЕ0 до 30 ?/ц/ма. Отклонение кон-лонтрацни оксида азота по насси Методике от показания прибора ■Веокшап" не препчиэдо 15!',

Основные промчплешгыо испытания методики проведены на ТУ типов ГТ-6-7Г'0, ГТИ-Iu, ГТ-750-G, ГШ-9 и I'HÍ-IO при слипании природного газа. Процентное отномзние вихлол-газах ГТУ имеет широкий диапазон ~ от 0,0 до Г/f, в эапи-:имости от типа и ренпма работы ГТУ. В широких пределах варь-ФУотся и величина концентрации Н02 - от 0,5 мг/и3 (ГТН-16) Ю 65,5 иг/м3 (ГТ-750-G). Наиболее пнеокий уровень Сцо2 oavo-)ен у агрегатов ГТ-750-G и ГТК-Ю. При этом следует отмстить, 1то значения Сдо,, и их доля в сум/е концентраций ЯОх очень ¡Лизки для одного типа ГТУ. При испытаниях методики на Г'ТН-15 )беспечена чувствительность на нижнем граничном уровне Сцо2 , «данном при разработке - 0,5 it/m3. Относительная и случая-|ая погрешности в подавляющем большинство измерений но npefu-lariT + 10$. Для концентраций но эти погрешности имеют еще ¡олее низкие значения. Для большинства опытов средняя величн-ia случайной погрешности не! превышает

Нами выполнена расчетная опенка погрешностей объема сна-niaitpyef.'oi*. пробч и концентраций оксида и диоксида азота. Методе пп затипепа авторским свидетельством на изобретение Г" 1502122).

Анализ полученгел: данник о суммарной концентрации оксн-,ов азота показал, что уровень концентраций в выхлопных азах типов ГПЛ-Ц-6,3, ГПЛ-Ц-16, ГГЛ-IC "Волна", ГПУ-16, ГТ-б-5С, ГТК-16, агрегатов ГТН-25 (Н2Л) с никро^акедьной камерой горания. и агрегатов зарубежного произподства (Центавр, Кобср-ra, ГТК-ICíl, ГЖ-25И) не только не пропирает предельно допус-имого значения, по и заметно ничп его. Однако следует отке-ить слестпешгде концентрации продуктов недожЬга в вкхлопнж азах агрегатов ГЯА-Ц-6,3, ГПА-Ц-IG и ГТН.-25 (ЬЗЛ) дате на но-иналъноЯ нагрузке. Так, концентрация оксида углерода доети-ает 0,1? (1250 мг/мэ) при пересчете на 4 =1. •

В пределах допустимого уровня находится содержание окси-,ов азота и в продуктах сгорания ГТ-700-4, ГТН-9, ГШ-16.

Повышенное содержание ífo^ характерно для всех агрегатов ре-снеротирного никла с. регистровыми крмерпми сгорания,но наиболее нсокие концентрации оксидов азота,' до --ICO нг/м3, зафиксированы

в ьихлсгашх глазах ГГУ типов №-750-6 и ГГК-10, что при п'оросчат! на усдоишй решил с содержанием кислорода С^ - ТЬ'Х в 3-4 раза и; ьишает допустимый ГОСТ 21199-82 уровень 2~0 мг/мэ. Эш агрегаты имеют семягорелочние рагистрсвиа кашри сгорания с раздельной п даче»1 топлива а воздуха. Вамчина кой-^фщиеита избытка воздуха эони гороння на номинальной нагрузка равна 1,1*1,2, что, одно-вракашю с высокой температурок воз,духа (677М, приводит к существенному повш1вн1ш максашльшх температур в зона горения и вр. №Ш пребывания скоси в мой зоне. С увеличенном единичной ыощш тн аграгага увэлцчиваегся давление воздуха за осевым коыпроссор< (от 0,39 Ш1а у IT-7G0-5, ПК-5 до 0,46 МПа у ГТК-10) и ого темп, ратура (от 647К j ГТ-700-5, ГТК-5 до 677К у ITK-I0) и, как следствий, возрастам концентраты оксидов азота.

Низки а уровни коицзктрациИ оксидов азота характерны для arj гатов с кольцевыми кахараш сгорания: двадцатигорелочныш (ГТК-: к ПН-16) ила двйнадцатигороло'ашии (ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16). Ннзш уровень Cjio^b високофорскрошшных кольцевых каморах (ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16. Кобарра) с послэдователышм вводом воздуха в зону горе ния достигается за очзт умэпьаония. времени пробивания смоси в зс горашш и ступенчатой подачи воздуха, Коой-ицивят ^ j 1» -копцо ai докигалмя равен 1,3-^1,5. В к&шрв сгорания ПУ "Kocioppa" с целы еща более глубокого снижения температуры в зона горозяя фронтов! часть камеры сгорания стационарного применения сиаошш дополнительно ПДЫЮЧ1ШМ к ноцвютгвним охлаждение;.!. Беличкна в колы вих каморах находится в пределах 5-6 мс.

Невысокий выход оксидов азота кольцевой камора ГШ-25 (ЮЛ) обвсаочеи мшфо4ак9ли;ой схемой горения, при которой эквздгвлык в 2-3 раза, сокрашэно время пробивания смеси в ьисокотомпаратур-ной зоне, а коэффициент избитка воздуха кисет повюетше ааачв-ния ( <1 ~ 2-1-5).

Результаты взмэроиий С ¡¡yjc проанализированы в зависимости о: следувдих раиших параметров 117: темнератури рабочего тала noj турбиной высокого давления (Г.[-дд), давления воз^&'ха за осевым к; ярвссором (Рок) п. коэффициента избытка воздуха Ы- ) в выхлешшх sax. Результаты-н ыдо графических зависимостей С^о,,. =- (Т-р ^д, представлена на рис. I, из которого видаю, что нснциатрацля o'tce.i ааота от ташерагуры газов имээт и е линейной характер. На ьач.'ЛХ! участке в диапазона текнар-атур, эдракторшх для работы ГТУ i:l Hi грузках (0,5-0,7) Кдам , зависимость имеет Одиакий к ланей,г:-;-\

¿л су Л///у

и<с

! ; пк чо

; л/

.............»--л/---»

! ' ъ7 7 г

! //-/.V ггпр^РЛ

! Л-<" л / л у

/.¿С:....../,

} /

! У ,, /

......../'•'^р^^" \-----

..»^-"С,,*. „Л,-«'1^---

но

та

ноо 'гсо

Пнч I. Иы.-ша рохнмшх параметров Г1У ил кегпоятрацто оксидов азота

ак.-ор. ¡1-мгэт место крутой подъем при темпе]: атурих, близких к ра-Такое нарпотаиш С>;охло экспоненциальному 'закону хирпх-орно для шт.ягатоп регаюратщшого цикла. Более слабая зависк-ооть Сиох с-т ТТЗд наблюдается у агрегатов с кикро^акельноЯ и ольиевой многорегистровой камерами сгорания мощностью 25 Шт. о-в1щк;да,7, значения тошератур в зона горения, при когорщс про-С5ходит интенсивное образованно.оксидов азота, но достигаятея. ГШ-25 (КЗЛ) это условие обсслечшзаогся высоким кооф^цг.зчтся збытка первичного воздуха в любом рсажло работы ГТУ. Лад наюте-

рих типов ГТУ (ЛТУ-Ю, ГГ1У-16, ГГК-16) температура продуктов сго-рвини регистрируется за турбиной высокого давления. Заксноыерност увеличения Сног с возрастанием температуры продуктов сгорания и лииойний характер зависимости сохраняются и для этих агрегатов.

Основное влияние на томпературнш! уровень факела и состав газон в зоно горения оказывает коэ-ЭДнциент избытка первичного воз духи ^ р вэлич:ша которого для данной, конструкции камеры сгорания связана со значением общего коэймциента избытка воздуха <1 .

Концентрацияв выхлопных тазах ГТУ определяется, в основном, концентрацией образуадогося в зоие горения, но с учетом разбавления ггредктов сгорания вторичным воздухом. .Анализ экспери ментальных данных о Сцох в ьихлотшх газах ГТУ показал, что пр: увеличении I концентрация мохсяикаатся. }Ш регистровых камор сгорания агрегатов ГГ-700-5, ГГК-10, Г1-750-3 зависимость Слох = Г практически одинакова, поскольку процесс горения в этих камерах организован идентично, В отличие от регистровых. кашр сгорания с подачей всего первичного воздуха через фронтовое устройство, камеры с последовательным вводом воздуха .в зону горения (Г11Л-Ц—6^3) и многорегистровые (ГТН-16) характеризуются более слабой зависимостью Скох от I .

На основа обобщения-получошшх дшшшс нами для приближенного расчета суммарной концентрации оксидов азота (мг/м3) в выхлопных газах ГГУ продлоЕено урашениез:

СН0=/сР°^хр (Тпл!РОО), (I)

где: Р - избыточное давление воздуха за.осевшл компрессором,кГс/сь Тщ, - температура выхлопных газов перед турбиной высокого давления, К; К — коэффициент, ималций для каждого типа ГТУ собственное значение, зависящее от конструкции камеры сгорания, определяющей протекшие процесса горения. Для шестнадцати типов ГТУ расчетные значения Сшх удовлетворительно согласуются с измеренными концентрациями. Величины Сцо, , измеренные в выхлопных газах ГТУ на режимах, близкая к номинальному,' на превышают^ ила достаточно- близки к расчетной' величине Сцо^ . Для 90$ результатов относительная погрешность находится в пределах +¡25$, а 5% расчетных значений Снох расходятся с экспериментальными данными не более, чем на 30%. Графические зависимости расчет-■■шх значений Сцох от температуры перед ТВД и экспериментальные дан и а представлены на ряс. 2.

с

Mr¡n5 350 ЗОй 250 200 ií¡> m

i'O

ГЫ-5 „ ,

'ФuttÄ _

^ "v__aitL ii-tt- ^r/K-yj

' " rrf¿- q-ál -¿л- fiK'jsy^- i'

- -- J» -- . ® ' ф '

/т-г -да —ъФ/тн-б

<r л'- fp4

800 9ü3 meo t<co то т~ТЗД,К

Рис. 2. Сопоставление экспериментальных концентраций нох с расчетными кривыми

В третьой глава исследуется влияния режимных факторов на концентрации оксидов азота в газоходе ГТУ. Используя разработанную методику раздельного определения концентраций N0 и Ж>2 в продуктах сгорания, мы определили раздольно уровни концентраций оксида и диоксида азота в выхлопных газах ЛУ. Поскольку величина процентного содержания диоксида азота в суммарной концентрации N0X существенно различна для разных типов ГТУ - от практического отсутствия(0,5-0,ГТН-16 до 25-30Í у ГГ-700-5, ГГК-5 -для кавдого типа РТУ было рассмотрело 'изменение концентрации no2 от температуры вихлогошх газов Т^щ. На рис. 3 величины соотношения Суд /ско нредставлоны в зависимости от Тщд с индексацией каждого результата соответствующей велшшной Сдо и затем соединены линиями изоконцентраций. Это дало возможность проследить закономерность изменения соотношения Сцс^/Сцо-г от температуры для пяти линий изоконцентраций NOjí 60 (П-6-750) - 100 (ГГ-6-750) от/ы3; НО (ГТ-700-4) - 135 (ГТК-ЮМ) глг/м3; 230 (Ш-ЮИ) - 260 (П'К-Ю) - 280 (ГТ-750-6) мг/м3; 130 (ГТН-9) - 160 (ГГО-16) мг/м3; 335 (ГТК-Ю) - 345 (ГТ-750-6) - 360 (П'К-Ю) мг/м3.

л ¡с

' ч» 2$

?0 /Г 10 £

Ш 600 650 700 760- £00 7~ „А

пщ

Гад, 3, Соотношение Сно2 /Сио, в зависимости от температуры шмогашх гг.зо1> НУ

Дан всех линий изо*оицентрйци8 в^сдо^ваетоя закономерность \ъолачеп1;п доли Сц^ ирн уменьшении трмл^рагуры, нрпчам характер яаковетзпрноати в кэучошюм диапазоне температур '6^0-Б20)К в газоходах ГТУ разного типа - линеШщй. Однако в диапазона болов дамки* температур (750-840)К, характерных для ГТК-Ю и ГТ-750-6, доля С но2 вше, чем в продуктах сгорания .ГТ-6-750 с более югапииц температурами. Объяснить зто южно значите льны юг различиями в уровнях концентраций образующегося в зоне горения исходного оксида азота (N0 ), так. как содержание кислорода в вкхлопшас газах практически всех типов ГТУ очень велико в сравнении с Ск0 и в первом приближении ее иото принять величиной постоянной для кавдого типа ГТУ. Таким образом, полученные на разных ГТУ результаты измерений Сио и сюо2е пР°ДУКтах сгорания свидетельствуют о том, что степень окисления до в ке2 зависит от гемперазуры выхлопных газов я концентрации исходного оксида азота.

С цель» уточнения условий протекания процесса окисления, наш проведены специальные исследования с использованием разработанной матодкки раздельного определения концентраций оксидов азота на коы-

<«" ссг

о-о—

■О;----О

'аг

О

ш

— а—

.НС N.

Ы'

- 97с

—О-О

11 хз \

—м- -о

ГЙ5

ш

ео

, -а-а ¡о. .

■'А **

И

а

'К'**.1

■ЭЯ 'В

84

- о«*

иа

- К.' ~ и

С, Ъ'О

прзссорной стятъш "Ургенч". 1штеитрацнн НО и ИО^ определялись п дпул' тачках гогюходо, отстоящих друг от друга пи. расстоянии ¡УО к. Температура вьклсшил газон гз начпльноО точка отбора практически ряпнядае?.. «го-мпоратуро шчлояних гаэоз за турбшюН нипкого датиюиия ь60 1С при избыточном цаплонни 1333,33 На. I) конечной точке отбора средняя температура рнх-лилных гапоп состапляла 530 К при иибнточпом давлении ,Хб,б'1 Па. Время прохождения шхлопних газов от начальной до конечной точки отбора ссстпшнтло около 10 с. Полученные? результат!/ так-ке подтвердили постенапив процесса окйслонин но в 1Ю2 при данных условиях.

По нашему миопию, практически отот прошсс происходит елвдууетиг образом. ОбрааоЕагашОся в зона горения оксцд ааота поступает в зону разбавдоыт пторичнш воздухом, гдо продукта сгорания ¡три высоком члбпточнем дапле.шн (до 1,3 Ша) значительно охлаждается до относительно пилкой температуры, вследствие чего вопмо^ип окислешо но . За турбиной низкого давления и долов я шклопнои тракте проекты сч-орспия охладдаютчя еще болыпо, особенно о агрегатах: рогонератипного цикла, что способетпуат протсканич реакции образования ;ю2 , о чей сяи-де/ольстпуе? ирпсутстпие бурого дсма на тшюпе этих агрвгатич,

Ь соотчотстпии о согреиеппими прсдстапляниями о сложно» механизм», отш'о процесса, 'шшн и качество рабочей гипотепы принят дгухступепчаткй механизм окисления в Яо2 :

А/О + 03 Т., Щ (2)

для которого отчасти исследование является лишь вторая ступень - ропкппя (3). Известии константн скоростей и энергии активации прямой и обратной реакции (3) и диапазоне температур (473-703)К, близком к температуре вгалопних газов ГТУ. Данные о величин« К£ и энергии активации нерпой стадии реакции (2) отсутствуют Отсутствие этих даиитге делает иевозмоошим расчьт концентрации ио2 на итулопе ГТУ. В спаси с этим, нами одолена погаггка определить леличину К}- расчетный путем.

Лап компонентой, участяугмпих в ряакчкчх (25, (3), еостаз-тт систему кинети«ескяк уравнений:

" 4 Cftc С/ X-; Со CW3 f д'-.

i

! ac-

c ■г <vo.

A^ Cso 0>г '

Co/~ кг '■ас/ к-г Со,

:

-wo,

(4)

(5)

(6) (7)

где: С но, С нсг С 1103, Со2- концентрации компонентов; KT,Kg -кслсганты скоростей прямых реакций; К_р К_2 - константы скоростей обратных реакций; 1' - время реакции. Для решения задачи делаем допущение о равномерности концент-. рацииио и используем метод стационарных концентраций, в соответствии с которым время жизни промежуточных продуктов достаточно шло в сравнении с общим временем суммарной реакции и в каждый данный момент времени в системе устанавливается кинетически равновесная (стационарная) концентрация промэя^точных продуктов, при которой их скорости образования и расходования равны между собой, то есть:

ИГ 0 (8)

С учетом этого допущения, после преобразований, имеем систему уравнений:

- " ..........г

с(Сно „ zA^ÎIÂ^IÎ^0 Ji й^^-^гАяЗг ~qLZ + ¿1 Спо г

dC-MOf - 2К)*г

Cit

кч -f- je с.

(9) (Ю)

■но

Проинтегрировав уравнения (9), (10), получаем решение для определения концентраций ю , ио2 в неявном виде: .

¡.[к t ¿KïK-iK-zLtf),. 1__

к

'г V -2 AOf

'NO

г ' /Cvc )t

где: [Сы0 }0 + (СлЮг}0.

Для вычисления константы Kj наряду с использованием известных значений Kg, мы воспользовались нашими экспериментальными данными'о начальных и конечных значениях концентраций НО и Н02 и вволи следующие допущения: з рассматриваемом диапазоне температур константа K_j долкна быть меньше Kgi в противном случае невозможна реакция (3). Выполненный нам расчет для средней температуры в газоходе, равной БЗОК, определил величину lgKj, равную 3,34, и дал возможность подойти к расчету концентрации tfOg в выхлопных газах ГТУ.

Для приближенного расчета концентрации но2 мы воспользовались уравнением (10) и сделали ряд допущений, чтобы упростить ого:

- const , что вполне приемлемо, так как концентрация О2 на несколько порядков вш:о концектрац;;й fío , й02 ; скорость обратной реакция (2) .пренебрежимо мала; начальная концентрация диоксида азота в первом приближении равна нуля. При этом уравнение (Ю) приникает вид: ' (£f> ' ■

—-¿^¿я ~ 2 KJ Сп Сип

■ . аг ■ ' (13)

Интегрируя уравнонсю (13)'с учетом ЕьшеизлоЕоннкх допущений, получаем: . ^ •

¿/У£> " ^N0 í (14)

Из урпвления(14) следует,, что значение концентрации f;0g в выхлопных газах ГТУ зависит линейно от исходной концентрации окегда азота, концентрата; кислорода, времени нахождения в газохода ГТУ а константы скорости прямой реакции (2).

Относительная, погрешность расчетных и экспериментальных значений С¡:о не лрошзаот ¿3C& Погрешности расчетной велдчшш ПГОо зависит такка от корректности определения времени нахогдения продуктов сгорания в газоходе.

На основании установленной зависимости концентрации диоксида азота в выхлопном тракта ГТУ ог концентрации оксида азота, образующегося в камэро сгорания ГТУ, рекомендуется ссущвствзгь мероприятия, сшошюдо образование !tox "в каюре сгорания. Зга задача мопат быть решена двумя путями:

IS

- снишэниэм температуры в первичной зоне камеры сгорания;

- уменьшением времени пребывания газов в зоне высоких температур.

Первый путь реализован путем разработки нами (в соавторство) способа снакения температуры в зоне горения газотурбинной установки ПК-ГО sa счет увеличения коэффициента избытка первич ного воздуха путем перераспределения вторичного воздуха. Это те шпесг.ое резонно выполняется перекрытием окон смесителя, при не изданной площади проходного сечения тракта первичного воздуха, что приводит к снижению концентрации оксидов азота в выхлопных газах ПК-Ю на 20-25$. Предложенный способ защищен авторским сш'днтольством на изобретение.

Для реализации второго пути наш выполнонн на газотурбшшо: установке ПН-25 (НЗЛ) исследования микрофакельной схемы горени. газа в спеадальш« конструкциях сгабилизаторшх фронтовых устра ств. При использовании этой схемы время пребывания газов в зоне горения в 2-3 раза меньше, чем в обычных каморах с растянутым m длине зоны горения факелом, что.позволяет снизить концентрацию Я0Х на 40-БСЙ.

. ОСНОНШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .. ■ .

1. Экспериментально определены концентрации оксидсв азота i выхлошшх газах газотурбинных установок 21 типов отечественного и зарубежного производств. Исследования выполнены на базе разр; ботапной нами методики раздельного измерения концентраций окевдг и диоксида азота в продуктах сгорания энергетических топлив, да! щей погрешность измерения оксида азота в пределах-+5% й диоксидг азота £10$. Наиболее удовлетворительными в экологическом отношении являются каморы сгорания, в которых процесс горения оргаяизс ваи с учетом ешмеипя максимальных температур факела в зоне горе пня и времени пребывания в этих зонах: многогорелочные с коэффициентом избытка первичного воздуха 1,8-2,0; високофорскрован-ннз со ступенчатым вводом воздуха в зону горения; с микрофакуль-нма сжиганием. Самые высокие концентрация оксидов азота, нампок превышаюаще регламентируемый ГОСТом уровень, характерны для arpe гатов регенеративного цикла. ■

2. Предложена эмпирическая зависимость величины' суммарной. кокиеитрашя оксидов азота от параметров, характеризуют»: реяик

работи ГТУ в промышленных условиях. Относительные отклонения 90$ значений от расчотгшх но лраЕншаот 25$. Зависимость нозвода-зт' оценить уровень суммарной концентрация оксидоп азота б про.цуг-гах сгорания регистровых, кольца eux ц секционных хакер сгорашш ГТУ.

3. Разработала методика - расчета концентрации диоксида азота в продуктах сгорания Г1У. Наибольшая концентрация диоксида азота имеет место в ГТУ регенеративного цикла, где она достигает 25? эт суммарной концентрации оксидов азота.

4. Полученные экспериментальные результаты и расчетные методики используются для оценки валовых выбросов оксидов азота ГТУ,

а также при работах, направленных на экологическое совершенство камер сгорания газотурбинных установок,

5. Разработаны рекомендации по сокращению выбросоз оксидов азота гаэогурбтпшш установками путем снижения томпоратурц в первичной зоне каморы сгорания ц уменьшения времени пребывания газов в зона высоких тешорагур.

По теме диссертации опубликованы слэ,дующие работы:

1. Костонко Л.И., Цирульников Л.Ы. Влияние регелорации на концентрацию окислов азота в вцхлош-шх газах ГТ> // Газовая про-«ншяоннооть, - 1ЭЭ7. - »■ 5. - G. 34-35.

2. Косгеико Л.И., Грэк Е.В., Цирульников Л.М. Раздолыюо определение концентраций ш я NOg в продуктах сгорания // Экспресс-гафор^. ВНШЭГазирома "Транспорт и хранение газа". - 1937. - я Vi.

- С. I2~Ib.

3. Костенко Д.И. Оксида азота в продуктах сгорания ГТУ // Ta-зисн докладов Всесовзного юу чно-îодического совещания "Пошага-:ше XuviooTBu сгагания тошииа ц охрана окрупиздоб среди от загрлг-;шш;я продавца вкбросш/з TOC п ирулыми прскяродпраятияь'и". - Ль-гантрад, TDW. - С. 127-128.

4. Костеичо Л.П. Результаты пэмэр.зняй концентраций ж>;. , до в 302« яихлепияг' газах ГПА .// Твзаоы докладов ва кифретш по г о по "Cifi'.r.ftiiHft очистка raaou« выбросов ь aTvor.^py", ~ K«60s Гжглзгг газа ЛИ УССР. - 1$89. - mir. ?.. - С. 35.

!i. Коетышо Л.П., ^допевшей! А.Г. Урошга xnunoiivpactrißwo^. з cf:<r,nira»x I arnt ГГ" // Гпаоэдя щхлиаяенность. - 1SS9. - '.?„

- С. -'.й-4ft»

6. Цирульников Л.М., Костенко Л.И. Об окислении оксида азо1 в диоксид в газоходе ГТУ при сжигании природного rana // Ш. на учних трудов "Экологические проблемы в энергетике" Э1МН им. Г.М Кржижановского. - Москва, 1989. - С. 28-33.

7. РД 51.142-88 Методика выполнения "измерений концентраций оксида и диоксида азота раздольно в продуктах сгорания энергетических топлив. - Введен с I толп 19Э9г. - Москва, 1989.- 29 с.

8. A.c. № 1582122 - 1990 г. Способ определения концентраци! оксида и диоксида азота раздольно в продуктах сгорания. Цирулын ков Л.М., Костенко Л.П., Грек Е.В.

9. Костенко Л.И. Расчет концентраций оксидов азота в выбросах газоперекачивающих ИУ }/ Сб. нодчннх трудов "Повышение око-логических показателей котельных агрегатов и промышленных топли-вос-кигаотих установок" ШКЦ "Атмосфера". - Москва, 1992. - С. 12$ 133.

10. Положительное решение по заявке í 4932274/06 от 15 апреля 1992 г. Камера сгорания газотурбинной установки. Цирульников Л.М., Нурмухамедов Б.У., Костешсо Л.И.

МАЗЫ У НН ОМ А

ГАЗТУРБИНА КУРШШЛАРИ (ПК) ИШ РШЫЛАРШМНГ

ЧИКАРУВ ГАЗЛАРИДАП1 АЗОТ ОКСВД ДОВДТРАЦЖШ

ШСИРИ ЗДЩОТИ

■ Диссертация -шлира саноат эксплуатациясида булган газ турбина-курилмаларининг режим параметрларини атмосферага чицарилаётган. газлар таркибидаги азот окендлари ва' га таъсири урга-нилган.

Тажриба патолащ асоснда ПК чикарув газлари таркибида-ги азот окендлари (И0х-ва HÓg) концентрациясини хисоблаш уиун тенгламалар ишлаб чшдоган ва ПК .дан чицаетган азот оксидлари ыивдорини камаПтириш учун.тавсиялар берилган.

ANNOTATION

THE RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE RATES OF WORK GAS TURBINE PLANT ON THE CONCENTRATION OF NITROGEN OXIDES IN THE EHXAUST GASES

In the work there was investigated the influence of Gas Turbine Plant's (GTP) regime parameters on the concentration of nitrogen oxides NO and NO2 in the ehxaust gases thrown out to the atmosphere.

X

On the base of the experimental data <he equations for calculation of

summary concentration of nRrogen oxides and concentration dioxide in

the exhaust of GTP were obtained, the recomendations for reduce NO

x

emission by GTP are giwen.

P. — Подписано к печати 19.07.94 г. Зак.— III-2554 Тираж 100 1994 г. 06.1 п. л.

Отпечатано в АП ТПК Ташкент, Навои, 30