Статья о экологическом и технологическом мониторинге выбросов топливосжигающих и газотурбинных установок

Статья о экологическом и технологическом мониторинге выбросов топливосжигающих и газотурбинных установок

Анализ публикаций последних лет в области энергетического и газотурбинного машиностроения, а также программ развития газотранспортных систем в России, в Украине и других странах показывает все возрастающую актуальность вопросов экологического мониторинга и повышения эффективности работы газотурбинных установок (далее ГТУ) в соответствии со стандартом ГОСТ Р ИСО 11042-1-2001 и с материалами реализации Киотского протокола по снижению уровня эмиссии СО2, включая контроль весовой концентрации твердых частиц [1,2 ,3и 4].

Также особую актуальность приобретает и контроль концентрации твердых частиц на выходе воздушных фильтров для газовых турбин, с целью определения момента нарушения их работоспособности из-за дефектов фильтрующих патронов в секциях фильтров. [5]

В октябре 2008 году в Брюсселе прошла конференция, посвященная перспективам развития газотурбинных технологий, где выступили представители Оксфордского университета и ведущие специалисты ведущих мировых электротехнических компаний, например RWE Power (Великобритания) и немецкой Siemens.

Специалисты отметили перспективы применения комбинированного цикла комплексной газификации, обеспечивающего высокую производительность при работе на угле совместно с очисткой потока топливного газа от двуокиси углерода, а также ими отмечено как перспективное направление подавление уровня Nox и СО путем либо интенсификации либо подавления подпитки топливом зон рециркуляции низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ, путем изменения степени обогащения топливовоздушных смесей (ТВС)

Эти технологии позволяют ведущим фирмам мира (Mitsubishi, Hitachi, Siemens, General Electric, Alstom и др.) уже сейчас снижать выбросы СО и NOx до уровня 15-25 ppm [6].
Эти, как и другие задачи не могут быть решены без применения современных стационарных средств контроля отработанных газов с целью экологического мониторинга современных ГТУ, позволяющих не только определять выбросы вредных веществ и контролировать эффективность сжигания топлива, но также оптимизировать технологические процессы его горения.

Также важно обеспечить долговечность и безотказную работу газотурбинного двигателя за счет эффективной работы воздухоочистительных устройств (ВОУ) турбины с целью исключения эрозионного износа лопаток компрессоров, турбин и других проточных частей ГТУ . В этом может помочь система контроля весовой концентрации твердых частиц размером менее 2 мкм в очищенном воздухе на выходе ВОУ.

Целью данной статьи является предоставление проектантам и эксплуатирующим организациям краткой информации по требованиям к построению систем газового и пылевого мониторинга и обратить их внимание на реализацию таких систем на основе аналитического комплекса «Газовая турбина», реализованного на базе газоанализаторов типа SWG300 немецкой фирмы MRU GmbH, совместно с приборами измерения расхода DF252 и измерителями весовой концентрации твердых частиц (аэрозолей) серии S300 (модификации S305/S304) и сигнализаторов дефекта фильтрующих элементов типа Snifter финской фирмы Sintrol Oy.

Рассмотрим структуру и комплектность системы экологического мониторинга «Газовая турбина» на основе стационарного газоанализатора MRU SWG300 и измерителя весовой концентрации аэрозоля Sintrol S305 на примере проекта энергоустановки для цепи 3-х газовых турбин типа Hitachi H25, состоящей из газовой турбины, генератора и вспомогательных устройств.

По техническим требованиям проекта три газовые турбины Hitachi H25 должны быть оснащены тремя отдельными автономными системами мониторинга выбросов. Функцией системы мониторинга является замер отработанного газа из газовой турбины для предоставления местным органам охраны окружающей среды. Система мониторинга выбросов регулирует рабочий диапазон отработанных газов газовой турбины.

Газовые турбины оснащены шумопоглащающим кожухом. Дополнительно предусмотрено погодное укрытие установлено для целой цепи газовой турбины. Шкаф-анализатор планируется установить также в погодном укрытии.

Каждая из автономных систем мониторинга выбросов должна анализировать следующие элементы:

• CO: Окись углерода
• СО2: Двуокись углерода
• NO: Окись азота
• NO2 Двуокись азота
• SO2 (СН4) Двуокись серы или Метан (по заказу C3H8 – пропан)
• O2: Кислород
• Т: Температура
• Пыль Твердые частицы в воздухе ГТУ после фильтров и продуктaх сгорания
• Система должна рассчитывать эффективность термической ступени ГТУ, производить расчет валовых выбросов, включая твердые частицы, и передавать результаты измерений и расчетов по своим информационным каналам в АСУ верхнего уровня.

Система должна работать в следующих климатических условиях :
Минимальная наружная температура шкафа 0°C (ниже до -20^оС по заказу)
Максимальная наружная температура щита в погодном укрытии 50°C

Система должна состоять из следующих подсистем:

• Обогреваемый пробоотборный зонд
• Обогреваемая линия для отбора и транспортирования проб
• Шкаф-анализатор
• Прибор для измерения скорости и расхода в дымовой трубе.
• Прибор для измерения весовой концентрации твердых частиц в дымовой трубе.

Обогреваемый пробоотборный зонд должен быть оснащен следующими элементами:

• Пробоотборная трубка, максимальная длина 1000мм, для взятия пробы отработанного газа
• Керамический фильтрующий элемент, установленный снаружи
• Фильтрующий элемент и уплотнение крышки из витона
• Обогрев для предотвращения сгущения пробы газа
• Соединительный фланец: DN65 PN6 для подсоединения линии отбора

Требования к линии для отбора пробы:

• Шланг внутри пробоотборной трубы из: PTFE
• Электрическое регулирование температуры
• Пригодная для использования при температуре окружающей среды до -40°C
• Длина до 25 м

Шкаф-анализатор должен соответствовать следующим требованиям:

• Отдельный шкаф, материал GFK (армированный пластик), Размеры : 800x600x1600мм (Ш x Д x В),
• Установка Вентиляции и Кондиционирования, для работы при температуре окружающей среды максим. 50°C и минимум 0°C
• Ввод кабеля/трубы : сбоку
• Полная оснащенность электропроводкой
• PTFE шланги для внутреннего перемещения газа
• Минимальная защита интерфейсного процесса: IP55
• Проводка питания, минимальная площадь поперечного сечения 2,5мм
• 4 подъемных болта на крышке шкафа для удобной транспортации
• Маркировка шкафа, приборов внутри шкафа согласно электрической диаграмме В шкаф анализатора должно подводится электрическое питание 220VAC/50Гц, кабельные токовые линии : 4-20 мА и двухпроводной интерфейсный RS485 канал.

Система также должна комплектоваться всеми необходимыми документами для монтажа и сервиса.

Следующее оборудование должны быть установлены внутри шкафа-анализатора: Пробоподготовка анализируемого газа, включающая охладитель отходящих газов, пылевой фильтр, фильтр тонкой очистки, газовый насос, датчик конденсата, конденсатные насосы, конденсатный коллектор и контроль за его уровнем. Газоанализатор для измерения CO,СО2, SO2(СН4) ,NO,O2 ,NO2 / 19” модуль для установки в шкафу, 2 инфракрасных элемента и анализатор О2

Диапазоны измерения, соответствующие выходным токовым сигналам 4-20мА :

• CO: 0-300 / 0-1000 ppm (ИК сенсор)
• NO: 0-300 / 0-2000 ppm (ИК сенсор)
• NO2: 0-100 / 0-500 ppm (NO2/NO конвертор
• SO2или CH4 0-200 / 0-2000 ppm (ИК сенсор)
• CO2: 0-20 % объемных (ИК сенсор)
• O2: 21 % объемных (ZrO2 сенсор)

Систем должна иметь корректировку дрейфа нуля и периодическую калибровки без применения баллонов с ПГС ( калибровка с ПГС по заказу).

Система должна обеспечивать выдачу результатов измерений концентрации компонентов не только в виде mg/m3 или в ppm, но также производить перерасчет весовых выбросов того или иного компонента на единицу вырабатываемой электрической или тепловой мощности . в виде (пример для расчета по NOx):

Измеритель весовой концентрации пыли устанавливается на дымовой трубе или на трубе отвода газов от турбины.
Диапазоны измерения, соответствующие выходным токовым сигналам 4-20мА : Пыль:: 0-10 / 0-50 мг/м³

Измеритель скорости и расхода устанавливается также на дымовой трубе или на трубе отвода газов от турбины.
Диапазоны измерения, соответствующие выходным токовым сигналам 4-20мА : Скорость газового потока :: 3-30 м/с

Всем этим требованиям удовлетворяют системы мониторинга на основе газоанализаторов фирмы MRU – типа SWG 300 в комплекте со стационарными измерителями расхода DF252 и измерителями концентрации твердых частиц фирмы Sintrol – типа S305 и Snifter.

С техническими характеристиками этих и других приборов для контроля ГТУ, инструкциями по эксплуатации и Российскими сертификатами можно ознакомиться на сайтах: www.eco-intech.com, www.mru-rus.com в разделе «Стационарные газоанализаторы» и www.sintrol.ru.

На указанных сайтах вы также найдете информацию по взрывозащищенным и высокотемпературным исполнениям приборов. На базе этих средств можно строить как одноканальные системы экологического и технологического мониторинга, а также двух- и трехканальные, работающие в режиме поочередного опроса каналов и разделения времени. Системы такого типа применяются по всему миру более чем в 20 странах и в России.

Как пример можно привести две трехканальные системы экологического мониторинга на модульных ГТЭС на базе шести ГТУ фирмы OPRA в Красной поляне Сочинского района. Каждая из двух систем обслуживает три турбины.. Системы установлены на открытом воздухе и предназначены для работы при температурах до – 20^оС.

На рисунке 1. приведена : принципиальная схема одноканальной автономной системы мониторинга выбросов турбины на основе указанных средств контроля.


Рис. 1. Принципиальная схема реализации одной автономной системы мониторинга выбросов турбины.


Ниже приведена краткая информация об приборах, входящих в состав системы.

Стационарные газоанализаторы SWG 300 (бюджетная версия SWG200):

Производство фирмы "MRU GmbH" (Германия)

SWG 300/SWG200 – стационарные системы мониторинга выбросов в атмосферу токсичных газов при производстве стекла, кирпича, цемента, стали, при работе стационарных дизель-генераторов, крупных котельных установок и ТЭЦ, а также для проведения измерений в химической и нефтехимической промышленности. Обогреваемый газовый тракт системы позволяет проводить длительные и точные измерения при отрицательных температурах окружающего воздуха при размещении анализатора в специальном шкафу, как показано на рис. 4.
Главное преимущество SWG 300 - это возможность измерения низких концентраций токсичных газов с высокой точностью.
Система позволяет одновременно измерять концентрации 6 газов с использованием электрохимического (возможны циркониевый, парамагнитный) и инфракрасных сенсоров. Это обеспечивает максимально стабильные показания измеряемых величин и длительный срок эксплуатации системы в режиме проведения непрерывного мониторинга. ВНИМАНИЕ, Система позволяет контролировать одним газоанализатором до 3-х точек контроля, т.е. вести контроль трех турбин сразу.

• Одновременное измерение концентраций 6-ти газов в широком диапазоне. Диапазоны измерения могут быть выбраны при заказе практические любые. Измерительные сенсоры: О2 - электрохимический, циркониевый или парамагнитный (по выбору); СО, СО2, NO, NO2, SO2, СН4 (или С3Н8) – инфракрасные. В газоанализаторе SWG200 устанавливаются электрохимические или инфракрасные сенсоры также по выбору К внешним токовым каналам 4-20 мА можно подключать измерители расхода и запыленности.
• Каждая система максимально адаптируется под место проведения замеров
• Постоянный контроль за расходом газа через прибор обеспечивает диагностику состояния встроенных фильтров
• Обогреваемый шланг предотвращает образование конденсата и обеспечивает точные измерения концентраций NO2 / SO2
• Охлажденная элементом Пельтье и сконденсированная влага удаляется с помощью дополнительного насоса
• Мониторинг уровня конденсата
• При работе системы вне помещения она комплектуется обогревателем и, при необходимости, кондиционером для ее охлаждения
• Специальный пробоотборный зонд для проведения измерений при высоком содержании пыли и сажи, который вместе с предварительным фильтром автоматически продувается сжатым воздухом
• Прибор может оснащаться интерфейсом RS 232 / RS 485 для передачи данных на ПК, с программным обеспечением для обработки данных на ПК, а также 8-ми канальным блоком унифицированных аналоговых выхода 4...20 мА
• Электромагнитный клапан позволяет периодически переключать газовый тракт анализатора с анализа газа на продувку и корректировку дрейфа нуля по свежему воздуху. Это обеспечивается работой системы по программе в автоматическом режиме Также осуществляется автоматическая корректировка чувствительности ИК сенсоров без применения баллонов с ПГС (по заказу).
• Зонд с платинородиевыми термопарами позволяет осуществлять отбор газов при высоких температурах: до 1700°C
• Блок коммутации газов из баллонов обеспечивает возможность автоматической калибровки прибора поверочными газами для поддержания максимальной точности измерений (по заказу).

При размещении анализаторов во взрывоопасных зонах они могут быть смонтированы во взрывозащищенных термостатированных электрообогреваемых шкафах типа ШО-Э с маркировкой взрывозащиты 2ExsiceIIСТ4Х IP54 и 2EXeIIТ4Х IP54, изготовление которых производится на «АЗСА» Ангарском филиале ООО «Сибмонтажавтоматика» Более подробная информация на сайте: www.zavod-azsa.narod.ru


Рис.4. Газоанализатор SWG 300 во всепогодном шкафу




Стационарная система измерения скорости и объемного расхода DF 252.

Производство фирмы "MRU GmbH" (Германия)

Для получения реальной информации о газовых потоках (отходящие газы, воздух и т.д.), необходимо постоянное измерение скорости и температуры.
При непрерывном мониторинге массовых выбросов, необходимы дополнительные измерения количества вредных веществ (кг/час).
DF 252 - измерительная система для непрерывного измерения скорости и температуры газовых потоков в газоходах и воздуховодах.
Использование DF 252 обеспечивает технологические и экологические требования.
Применение обратного давления и точного сенсора температуры Pt100 гарантирует простоту в эксплуатации и высокую точность измерения при изменении поля скоростей.

Достоинства:

• Легкий монтаж, т.к. система DF 252 это зонд и блок измерений в одном корпусе
• Индикация данных об измерениях и установках, построение диаграмм в режиме "on-line" на графическом дисплее с высоким разрешением
• Приведение данных к реальным и нормальным условиям
• Индикация дисплея в мбар, м/сек, м³н/час или м³/час с учетом температуры
• Измерение абсолютного давления (опция)
• Простая установка с фланцем DN80PN6

Рис.5 Расходомер DF 252.

Технические характеристики Объект измерения Скорость и расчет расхода в данном сечении газохода Принцип измерения Осредняющая трубка ПИТО (измерение скорости по дифференциальному давлению) Диапазон измерения 3... 30 м/с, погрешность не более 1% от измеренного значения Параметры контролируемого потока Температура От 20 до 600 °С (стандартно) Давление От 0 до 200 кПа (стандартно) / более 200 кПа по заказу Параметры окружающей среды Температура От - 20 до + 50 °С (стандартно) / более низкие температуры по заказу Давление От 0 до 200 кПа (стандартно) / более 200 кПа по заказу Длина измерительного зонда От 300 мм до 2000 мм Вид защиты IP65

Пылемеры серии S300 и Snifter фирмы Sintrol

Производство фирмы "Sintrol Oy" (Финляндия).

Промышленные стационарные цифровые измерители концентрации пыли серии S300 , включая
cигнализаторы запыленности газоочистительных установок типа Snifter, работают
на эффекте переноса заряда. Имеются высокотемпературные и взрывозащищенные исполнения.

Преимущества:

Автоматический выбор диапазона;
• Не требуется ручной настройки;
• Автоматическая компенсация отклонений;
• Не требуется регулярная очистка окна для считывания показаний;
• Скопление пыли на измерительном зонде не влияет на процесс измерения;
• Не требуется специальная установка;
• Вибрация не оказывает влияния на показания.

Области применения:

• Газовая промышленность
• Производство цемента;
• Химическая промышленность;
• Металлургия;
• Литейное производство;
• Энергетика;
• Сжигание отходов и др.

Назначение модификаций:

• S301 - Для сигнализации запылённости с выходом сигнала на два реле.
• S303 - Для контроля запылённости и передачи информации по каналу 4-20 мА.
• S304 - Для мониторинга выбросов с возможностью пересчёта в мг/м³ с .(выход 4-20 мА и RS485)
• S305 - Для продолжительных измерений с сертификацией (TUV) по массовой концентрации пыли
Модификации с расширением –НТ и - ЕЕх для контроля высокотемпературных и взрывоопасных потоков
• Snifter ..Для сигнализации неисправности фильтров карманных и кассетных элементов фильтров воздуха ГТУ.

Общий вид приборов серии S300: S301-S305

Общий вид прибора Snifter

Технические характеристики

Объект измерения	Твёрдые частицы в газовом потоке
Размер частиц	0.3 мкм и более
Диапазон измерения	0.1... 1000 мг/м3 и (более по заказу)
Параметры контролируемого потока
Температура	От –20 до 150 °С (стандартно) / 200... 800 °С ( для приборов S300 по заказу)
Давление	От 0 до 200 кПа (стандартно) / более 200 кПа ( для приборов S300 по заказу)

Параметры окружающей среды
Температура	От - 20 до +45 °С (стандартно) / от - 20 до +60 °С для Snifter и для S300 с питанием 24V
Давление	От 0 до 200 кПа (стандартно) / более 200 кПа по заказу
Длина измерительного зонда	От 500 мм до 2000 мм Для Snifter – 250 мм
Вид защиты	IP65

Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод, что предложенная номенклатура средств обладает достаточной гибкостью в применении и может быть с успехом использована для построения различных систем Экологического и технологического мониторинга ГТУ

ЛИТЕРАТУРА
1. Гост Р ИСО 11042-12001. Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ.
2. Г.С.Акопова, Е.В.Косолапова. Эмиссия парниковых газов от газотранспортной системы ОАО «Газпром». Газотурбинные технологии,№2, 2009, с. 34-35.
3. В.А. Щуровский, Ю.Н. Синицын. Снижение выбросов вредных веществ ГТУ на компрессорных станциях ОАО "Газпром". Семинар ВТИ по проблемам низкоэммисионных камер сгорания газотурбинных установок. Материалы семинары ВТИ по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок. ВТИ, Москва, 2009.
4. А.Г. Тумановский, М.Н Гутник, В.Д. Васильев. Проблемы создания малотоксичных камер сгорания для стационарных ГТУ. Материалы семинары ВТИ по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок. ВТИ, Москва, 2009.
5. А.М.Рассулов, Г.А.Фоминых. ВОУ ГПА серии «Урал». Газотурбинные технологии,№4, 2009, с. 10-12.
6. Г.К.Ведешкин, Е.Д.Свердлов. Разработка принципов организации рабочего процесса и облика низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ на природном газе при вариации времени пребывания газа в камере. Газотурбинные технологии,№4, 2009, с. 14-17.
Авторы:  к. т. н. Дудкин Н. И., Адаев И. С.