Разработка технических решений повышения надежности и экологичности газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций 25. 00. 36 Геоэкология

жүктеу 2,16 Mb.

бет	1/6
Дата	16.02.2020
өлшемі	2,16 Mb.
	#29201
түрі	Автореферат

1 2 3 4 5 6

УДК 577.4:55.551.51 На правах рукописи

УСЕРОВ АСХАТ ГАБДУАЛИЕВИЧ

Разработка технических решений повышения

надежности и экологичности газоперекачивающих

агрегатов компрессорных станций

25.00.36 – Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Тараз, 2009

Работа выполнена в АО «Алматинский институт энергетики и связи».

Научные руководители: доктор технических наук

A.M. Достияров;

доктор технических наук

К.К. Шалбаев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

А.А. Айдосов;

доктор технических наук

М.А. Алтаев.

Ведущая организация: Казахский Национальный

технический университет

имени К.И. Сатпаева.

Защита состоится «_____» _______________ 2009 г. в ______ ч. в зале заседаний диссертационного совета Д14.13.02 Таразского государственного университета им. M.X. Дулати по адресу: 080012, г. Тараз, ул. Толе би, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. М.Х. Дулати.
Автореферат разослан «_____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь М. Сахы

диссертационного совета

Введение
Общая характеристика работы. Стабильность функционирования газотранспортной системы РК зависит от состояния парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Высокая эффективность их эксплуатации, надежность и экологичность работы обеспечивается правильным выбором технических решений модернизации ГПА. Компрессорные станции (КС) магистральных газопроводов Казахстана ежемесячно платят штрафы за превышения экологических норм, которые имеют тенденцию к ужесточению. Многие стационарные газотурбинные установки (ГТУ) компрессорных станций имеют уже большую наработку с начала эксплуатации, вследствие чего их технико-экономические и экологические показатели не отвечают современным требованиям.

В работе разработаны технические решения, которые позволили продлить ресурс ГПА, повысить надежность, экономичность и экологичность газотурбинной установки, отсрочить крупные затраты на их замену и рационально распорядиться выделенным финансированием, что немаловажно в период экономического спада. Натурные испытания модернизированных ГТУ, типа ГТК-10-4М, на КС «Бейнеу», «Кульсары» показали хорошие технико-экономические данные агрегатов, что свидетельствует об эффективности проведенных исследований.

Технические решения по повышению надежности, экономичности и экологичности турбоагрегатов приняты и обоснованы по результатам лабораторных и промышленных исследований. На их основе была разработана и исследована модернизированная камера сгорания со встречно-закрученными потоками; установлена необходимость замены воздухоподогревателя; предложена новая конструкция рекуператора, а также методика комплексной экологической оценки технических решений.

Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР АО «КазНИИЭнергетики имени Ш.Ч. Чокина» и АИЭС в период 1998-2008 гг.

Актуальность работы. В «Концепции экологической безопасности Республики Казахстан на 2004-2015 гг.» акцентируется внимание эксплуатационников на снижение антропогенного воздействия на окружающую среду, так как транспортировка газа по магистральным трубопроводам относится к экологически опасному виду производства и сопровождается рядом негативных воздействий на окружающую среду.

Актуальной проблематикой современных ГПА является загрязнение атмосферы выбросами газа СО₂и кислотообразующих токсичных газов (SO_х и NO_х). Значительное число камер сгорания ГТУ, установленных в 70-х – 80-х годах прошлого века, имеют классическую схему сжигания топлива с одно или много горелочными регистровыми горелками. Высокие температуры в таком факеле приводит к тому, что концентрация NO_х в продуктах сгорания достигает высоких значений.

В Казахстане ПДВ с отработавшими газами ГТУ значения концентрации оксидов азота при ее работе с нагрузкой от 0,5 до 1,0 номинальной не должны превышать 150 мг/м³ на газообразном топливе (О₂=15%). Для вновь вводимых газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом содержание оксидов азота не должно превышать 200 мг/м³ для ГТУ с регенерацией, содержание окиси углерода не должно превышать 300 мг/м³. Для выполнения вышеперечисленных требований ПДВ необходима модернизация существующих камер сгорания с целью значительного снижения выбросов токсичных компонентов.

Существующие горелочные устройства ГТУ НЗЛ и «ОРМА» (г. Санкт-Петербург), Киевского политехнического института не удовлетворяют современным требованиям по токсичности и разработка новых конструктивных схем фронтового устройства требует пересмотра ряда положений, характеризующих рабочий процесс традиционных форсуночно-горелочных устройств и камер сгорания. Здесь целесообразно максимальное рассредоточение очагов горения по сечению рабочей зоны и организация при возможности предварительного смесеобразования в элементах горелочных устройств. Эти мероприятия должны быть нацелены на повышение экономичности, снижение токсичности, металлоемкости, массы, уменьшение габаритов камеры сгорания, а также обеспечение высокой полноты сгорания, уменьшение сажеобразования и образование окислов азота.

Поэтому исследование основ теории и изучение принципов реализации горения в конкретных технических устройствах и разработка технических решений по повышению эффективности теплообменников ГПА и снижению выбросов теплоты в атмосферу открывают новые возможности улучшения экономических, экологических показателей ГПА и определяют актуальность темы диссертации.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка технических решений для повышения надежности ГТУ, снижения вредных выбросов в атмосферу газоперекачивающими агрегатами компрессорных станций и уменьшения выбросов теплоты в окружающую среду. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ работы и оценка совершенства эксплуатируемого оборудования газоперекачивающих станций;

- проведение исследований и разработка рекомендаций технических решений для повышения надежности и снижения вредных выбросов в атмосферу газотурбинных установок;

- разработка малотоксичного горелочного устройства со встречно-закрученными струями, выдача рекомендаций по их использованию и методики расчета выхода оксидов азота;

- разработка технических решений по повышению эффективности теплообменников ГПА и усовершенствование расчетных уравнений для регенераторов змеевикового типа;

- использование комплексной оценки экологической безопасности работы компрессорных станций с применением критерия экологической эффективности технических процессов.

Основная идея работы. Основополагающей идеей диссертационной работы является разработка модернизированной горелки со встречно-закрученными струями на основе микрофакельного фронтового устройства и других технических решений по повышению экономичности, надежности агрегатов и снижению вредных выбросов в атмосферу. Используя эффект трубы Вентури создан надежный регенератор, повышающий общий КПД ГПА, снижающий выбросы тепла в атмосферу и улучшающий экологическую ситуацию в регионе.

Методы и объект исследования. Использованы методы теории подобия, системного анализа, аналитические методы, методы экспериментальных исследований, а также программное обеспечение Math cad. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и в производственных условиях на действующих газотурбинных установках компрессорных станции «Кульсары», «Бейнеу», «Макат», «Индер» АО «ИнтергазЦентральнаяАзия». Полученные данные сопоставлялись с материалами других исследователей.

Научная новизна работы:

- для повышению надежности и экологичности газоперекачивающего агрегата компрессорной станции предложены новая модернизированная горелка со встречно-закрученными струями и винтовое, металлокерамическое уплотнения в компрессоре ГТУ;

- выявлены рациональные геометрические и аэродинамические параметры камеры сгорания ГТК-10-4М с новым фронтовым устройством, обеспечивающие снижение выбросов вредных веществ;

- разработана методика расчета вредных выбросов камеры сгорания и комплексной оценки экологической эффективности технических решений;

- предложена новая конструкция высокоэффективного регенератора, а также уравнения для инженерного расчета данного теплообменника.

Научные положения выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований фронтового устройства модернизированной камеры сгорания ГТУ;

- теоретические основы расчета образования оксидов азота в камерах сгорания ГТД со встречно-закрученными струями;

- конструкция нового регенератора для повышения эффективности теплопередачи, уменьшение массогабаритных характеристик и выброса теплоты в атмосферу, а также методика инженерного расчета регенератора змеевикового типа.

Практическая ценность работы. Новое фронтовое устройство со встречно-закрученными струями можно использовать для сжигания природного газа в камерах сгорания ГТД, что улучшает ее характеристики и сокращает длину камеры. Значительно уменьшается выход токсичных соединений: NO_x, CO и C_xH_y.

Методика расчета NO_xпозволит на этапе проектирования принять оптимальные конструктивные решения и режимные параметры при модернизации камер сгорания ГПА.

Предложенная новая высокоэффективная конструкция змеевикового теплообменника позволит получить степень регенерации выше 0,82 и снизить выбросы тепла в окружающую среду на 2%.

Предложенный автором высокоэффективный регенератор змеевикового типа принят заводом «Сервисный Центр «КазТурбоРемонт» (г. Атырау) на изготовление и производственное испытание.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием апробированных методик и современных измерительных приборов, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, полученных в лабораторных и промышленных условиях.

Диссертационная работа включает в себя расчетно-теоретические, конструктивные разработки и экспериментальные материалы, полученные автором в период работы с 1998 по 2008 гг. в АО «КазНИИЭнергетики им. академика Ш.Ч. Чокина», в Алматинском институте энергетики и связи.

Апробация практических результатов. Результаты расчетных и экспериментальных исследований горелочных устройств камер сгорания ГТУ и промышленных испытаний регенераторов использованы в ЗАО «Интергаз Центральная Азия» в качестве рекомендаций при реконструкции и модернизации существующих камер сгорания ГПА и теплообменного аппарата ВПТ-2000.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Международных научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы экологии» (г. Караганда, 2003 г.); «Железнодорожный транспорт Казахстана: история и перспективы экономического роста», посвященной 100-летию железной дороги Казахстана и 125-летию со дня рождения М. Тынышпаева (г. Алматы, 2004 г.); «Экология и нефтегазовый комплекс» (г. Атырау, 2004 г.); «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (г. Алматы, 2006 г.); «Ауезовские чтения – 6» (г. Шымкент, 2007 г.).

Личный вклад автора. Материалы, использованные в диссертации, получены самостоятельно и в соавторстве с научными руководителями работы. Автором обоснована актуальность работы, проведены промышленные испытания и исследования, разработана модель расчета образования оксидов азота в камере сгорания с новым фронтовым устройством. Предложена новая конструкция регенератора и методика ее расчета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в научно-технических журналах и сборниках 12 статей, тезисов и получено положительное решение на предпатент, из них 3 статьи в изданиях, входящих в список, рекомендованный Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений.
Основная часть
Во введении дана краткая оценка современного состояния проблемы, обоснование актуальности разрабатываемой темы, сформулированы цель работы и основные задачи, направленные на ее достижения, а также отмечены научная новизна и практическая значимость, полученных результатов, изложенных в диссертации.

В первом разделе диссертации приведены данные по исследованию экологичности и надежности газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций. Показаны источники выбросов загрязняющих веществ в регионе компрессорных станций.

Основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды азота и углерода концентрации, которых в значительной степени зависят от режимов сгорания топливного газа, технического состояния и нагрузки газоперекачивающих агрегатов.

Одними из основных причин снижения технико-экономического состояния ГПА и повышение токсичных выбросов являются: неэффективный процесс сжигания топлива в камере сгорания; негерметичность воздушного тракта пластинчатых регенераторов, что обусловливает снижение мощности и КПД ГТУ, возрастают выбросы тепла и вредных веществ в атмосферу.

Показано, что ухудшение технического состояния ГПА приводит к увеличению удельных расходов топлива и их потерь в трактах.

В работе проводится анализ моделей схем и конструкции камер сгорания ГТУ с техническими решениями для снижения выхода вредных веществ. Отмечены основные требования, предъявляемые к камерам сгорания ГПА: высокий коэффициент полноты сгорания топлива в заданном диапазоне режимов работы и параметров топливовоздушной смеси; малые гидравлические потери полного давления в камере; высокая теплонапряженность рабочего объёма; малая неравномерность поля температуры газа на выходе из камеры сгорания; быстрый надежный пуск и устойчивая работа на различных режимах; отсутствие нагара, дымления и токсичных веществ в продуктах сгорания.

Анализ выбросов токсичных компонентов в камерах сгорания ГТК-10-4 и ГТ-750-6 УМГ «Атырау» показывает, что выбросы оксидов азота могут составить от 300 мг/м³и выше. Реконструкция камер сгорания ГТК-10-4 в КС «ИнтергазЦентральнаяАзия», путем замены старых на конструкции АО «ОРМА» приводили к повышению удельной мощности агрегатов, снизили выбросы оксидов азота до 150-200 мг/м³, что не удовлетворяет современным требованиям. Поэтому для существующего парка ГТУ и ГПА с газотурбинным приводом необходим поиск путей снижения образования токсичных компонентов, прежде всего за счет мало затратных мероприятий (перераспределение потоков воздуха, модернизации фронтовых устройств), не затрагивающих конструкции всей камеры сгорания и не требующие перестройки всей ГТУ.

Существенного снижения выбросов оксидов азота до уровня 50-80 мг/м³ можно достичь модернизацией фронтового устройства, обеспечивающие предварительное частичное смешение топлива и воздуха, что показано в исследованиях зарубежных ученых.

Современным направлением в реализации микрофакельного сжигания топлива стали работы по созданию фронтовых устройств, в основе рабочего процесса которых, положено поперечно-циркуляционное движение замкнутой системы торообразных вихрей за кольцевыми горелками-стабилизаторами, обтекаемыми струями с чередующейся круткой потока с пониженной токсичностью продуктов сгорания.

Нами совместно с НЗЛ и EKOL разработано и внедряется конструкция кольцевой камеры сгорания с микрофакельным сжиганием природного газа за системой – стабилизаторов, обтекаемых встречно-закрученными струями (ВЗС) воздушного потока. Интенсификация тепло- и массообмена, характерная для данной системы горения, обеспечила резкое снижение недожога топлива по тракту камеры сгорания, значительно сократились выбросы СО, СН и оксидов азота.

Камеры с ВЗС обладают малыми потерями давления, практически неограниченной возможностью формирования любого профиля радиального распределения температуры на выходе из камеры сгорания.

В общем случае при микрофакельной организации процесса горения целесообразно разбивать сжигаемое топливо на большой количество мелких струй при условии обеспечения для каждой, струйки устойчивого воспламенения. Но вместе с тем все известные микрофакельные камеры сгорания и отдельные микрофакельные горелки на сегодня не лишены определенных недостатков: сложность подвода топлива к многочисленным микрофакельным элементам, заметное влияние технологических отклонений в изготовлении малогабаритных модулей на структуру формируемых ими зон, ограниченный диапазон устойчивой работы из-за малых размеров стабилизаторов пламени.

Перечисленные недостатки отсутствуют в камерах сгорания, где микрофакельное фронтовое устройство выполнено в виде кольцевых ярусно расположенных регистров со встречно-закрученными лопатками. Эти горелки имеют значительные преимущества по сравнению с обычными регистровыми горелками, однако при значительном форсировании рабочего процесса выбросы NO_xбудут увеличиваться и составят не более 50 мг/м³.

На основании анализа научно-технических и конструкторских разработок, а также проведенного патентного и литературного поиска сделан вывод, что исследование возможностей снижения образования оксидов азота в камерах сгорания ГТУ является актуальной. Поставлена задача по модернизации фронта на горелки со встречно-закрученным течением воздушного потока без существенной переделки камеры сгорания, позволяющих при минимальных затратах значительно снизить выбросы NО_х.

Проведен аналитический обзор используемых теплообменных аппаратов в КС России, Казахстана и в дальнем зарубежье. Приведены сравнительные характеристики их по массе, габаритам, эффективности теплообмена, технологичности изготовления, ремонтопригодности и эксплуатационным показателям. Исследования показали о необходимости разработки технических решений для повышения эффективности теплообменников ГПА и снижения выбросов теплоты в атмосферу, которые открывают новые возможности улучшения экономических, экологических показателей ГПА. Поставлена задача разработать высокоэффективный регенератор с целью повышения к.п.д. ГПА и уменьшения выбросов теплоты в окружающую среду.

Во втором разделе теоретическим и экспериментальным исследованием камеры сгорания со встречно-закрученными потоками обоснованы возможности модернизации фронта камеры ГТУ для снижения выбросов СО и NO. Лабораторные эксперименты проводились на стенде (рисунок 1), где были отработаны оптимальные углы закрутки лопаток каждого яруса.

Существует немало методик, преимущественно полуэмпирического типа, для расчетной оценки уровня вредных выбросов. Основная часть таких методик, создавалась для расчета выбросов окислов азота и касалась какого-то определенного, достаточно узкого класса камер сгорания, или сжигания определенного вида топлива. В последнее время стали разрабатываться модели и методики расчета выбросов и окиси углерода. Крайне сложная и неясная природа процессов окисления углеводородов делает невозможным в настоящее время создание удовлетворительной модели образования и расчетов выбросов углеводородов и сажи (дыма). Но в общем-то известно, что снижение выбросов СО и NO_х обеспечивает и одновременное снижение уровня выбросов С_хН_у и сажи.

Рисунок 1 – Общий вид стенда

для исследования модельных горелок

Основными факторами, влияющими на образование вредных выбросов, являются:

скорость химических реакций (r), определяемая температурой и давлением;
уменьшение концентраций рассматриваемого вещества (К) за зоной горения вследствие ввода воздуха в зону разбавления, пропорциональной доле суммарного воздуха, участвующего в горении;
среднее время пребывания продуктов горения в первичной зоне (τ) ;
качество и скорость перемешивания (r_т) топлива с воздухом (для горелочных устройств диффузного типа), являющаяся функцией перепада давления (скоростью воздушных струй) на стенке пламенной трубы (ΔР);
в численном выражении это представлено так:

1) r_NO~p^mexp(zT) для NO и R_CO~pⁿexp(cT) для СО;

2) K_NO=A f для NO и K_NO=C f для СО;
3)

где: _1x – расстояние от горелки до рассматриваемого сечения; L_K – длина камеры сгорания; W_x_cp– средняя скорость газов на данном участке; V_KC– объем топочной зоны КС; V_r – объем газов в единицу времени.

или

где f – доля суммарного воздуха (G_В), проходящего через зону горения;
4)

Перемножая приведенные выше величины и учитывая, что температура и время пребывания оказывает различное воздействие на образование NO и СО, получим:

(1)
где: А – константа; y= 1+ m; Т – температура газов в первичной зоне.

(2)

где: С – константа; b =n-1.

Уравнения (1) и (2), не имея строго теоретического обоснования, включают все важнейшие переменные: размер камеры сгорания, потери давления, распределение воздуха (на первичный и вторичный), давление, температуру и расход воздуха. Из важнейших факторов здесь не учтено качество распыливания топлива и испарения капель.

Из анализа экспериментальных данных для различных камер сгорания было определено: х=-0,5; у=1,2; z=0,09 и а=0,5. Остальные параметры слегка изменяются в зависимости от комбинации форсунок с пламенной трубой.

Таким образом имеем:

ppm (3)

ppm (4)
Приведенный анализ помогает выявить важнейшие параметры, определяющие образование NO_x и CO. Полученные выражения могут быть использованы как при начальном проектировании камеры сгорания, так и при ее доводке.

Рассмотрим методику расчета выбросов NO_xиз горелочных устройств со сжиганием топлива во встречно-закрученных струях воздушного потока:
(5)
где: α_N– коэффициент, α_N =0.41; n_N – коэффициент, n_N= 1.5; Tr – температура газов за камерой сгорания.

Как видно из формулы (5), она предназначена для более узкого класса камер сгорания и оперирует преимущественно температурой газов за камерой сгорания. Наши исследования направлены для получения методики расчета NO_x для более широкого класса камер сгорания со встречно-закрученными струями с учетом угла закрутки, распределением давления и температуры в зоне горения:

(6)
где: k₁– коэффициент, учитывающий угол закрутки; k₂ – коэффициент учитывающий неравномерность распределения температуры и давления.

жүктеу 2,16 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6