Газотурбинное решение позволило китайской электростанции сократить выбросы оксида азота

Глобальная проблема выбросов оксида азота в атмосферу касается не только транспортных средств, но и газовых турбин. Специализированным предприятиям приходится инвестировать в соответствующее оборудование, чтобы соответствовать достаточно строгим экологическим стандартам. Так, международный концерн Sulzer разработал индивидуальную систему автоматической регулировки параметров сгорания (Combustion Automatic Tuning Adjustment System – CATS) для электростанции мощностью 500 МВт, расположенной в Тунчжоу. Технологическое решение помогло сбалансировать ключевые эксплуатационные параметры газовой турбины и позволило избежать излишних затрат на модернизацию горелок и очистку дымовых газов.
Новые стандарты выбросов
В 2021 году провинция Цзянсу утвердила «Нормы выбросов для стационарных газовых турбин», которые предусматривали, что к марту 2023 года все газовые турбины должны были снизить содержание оксида азота в выбросах до 30 мг на один кубометр. На тот момент газовая турбина Siemens V94.2, установленная на электростанции в Тунчжоу, выбрасывала в атмосферу примерно 35-45 мг/м3 азота и требовала модернизации. Для поиска оптимального решения были привлечены специалисты компании Sulzer, занимающейся ремонтом и модернизацией всех типов турбин.
Поиск технического решения
Первым предложенным вариантом, который продемонстрировал свою эффективность для дизельных двигателей, была денитрация дымовых газов с помощью раствора мочевины (AdBlue). Расчеты показали, что это решение требует 2 миллионов долларов США разовых затрат и 685 тысяч долларов ежегодных расходов на обслуживание. В качестве альтернативы также рассматривалась модернизация горелки, на которую необходимо было потратить 342 тысячи долларов плюс 137 тысяч долларов ежегодно. Перечисленные способы являются не только дорогостоящими, но и требуют выполнения больших объемов работ, а длительный простой электростанции является неприемлемым.
Фирма Sulzer предложила еще одно решение по достижению стандарта выбросов без снижения эффективности газовой турбины, которое в итоге и было одобрено. Оно заключалось в балансировке параметров горения в режиме реального времени с помощью системы CATS, позволяющей удерживать выбросы оксида азота в пределах разрешенных норм. Бюджет краткосрочного проекта составил 685 тысяч долларов.
Вычисление параметров горения
При проектировании CATS важно было определить ключевые характеристики горения. Для этого в течение более чем полугода компания Sulzer проводила сбор и анализ информации о работе турбины, определяя показатели, влияющие стабильность горения и выбросы оксида азота. Также были проведены масштабные исследования и испытания оборудования при различных условиях эксплуатации. Весь цикл испытаний, в ходе которых использовались многочисленные датчики, сопровождался постоянным мониторингом выбросов. Анализ показал, что на их уровень влияет микроклимат, температура сгорания и другие характеристики топлива.
Возможности системы
Изучив полученные результаты, специалисты компании Sulzer разработали модульную систему управления горением, совместимую с существующими алгоритмами и позволяющую привести технологический процесс в соответствие с новыми стандартами выбросов. Для удобства контроля рабочих параметров используется дисплей, а функции управления реализуются через специальный интерфейс. Он включает модули автоматической регулировки топлива, контроля стабильности горения, выбросов оксида азота и управления производительностью. Также предусмотрена возможность ручного управления параметрами топлива, отправки уведомлений о критических изменениях показателей и построения графиков за требуемые периоды.
Контролируемое горение
CATS управляет оборудованием в режиме замкнутого контура, получая обратную связь от датчиков и поддерживая рабочие параметры в пределах установленных пороговых значений. Если какой-либо из них выходит за пределы допустимого диапазона, в автоматическом режиме отправляются управляющие сигналы, благодаря чему поддерживается приемлемый баланс выбросов, динамики горения и выходной мощности.
Помимо этого, на основе аналитики исторических данных, собранных в ходе исследований и эксплуатации, можно организовать управление турбиной с прямой связью. Используя алгоритм прогнозирования устойчивости горения в различных условиях, система автоматически отправляет соответствующие команды для предотвращения отклонения от нормы. По мере сбора данных точность прогнозирования повышается и происходит перекалибровка рабочих характеристики турбины. Таким образом, поддержание благоприятных условий эксплуатации газовой турбины способствует снижению выбросов оксида азота.
При различных нагрузках, теплотворной способности газа, колебаниях температуры и влажности воздуха система CATS помогла снизить среднее количество выбросов до уровня, не превышающего 30 мг/м3. После модернизации турбины максимальная зафиксированная концентрация оксида азота составила менее 28,5 мг/м3, а среднечасовой показатель – 27 мг/м3, что на 25-30% ниже выбросов 2020 года. Следовательно, турбина соответствует действующему стандарту выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Модернизация старых газовых турбин
Инновационное решение CATS обеспечило экономию капитальных расходов электростанции в размере 1,4 миллиона долларов и ежегодное снижение эксплуатационных затрат более чем на 41 тысячу долларов. За первый год работы системы выбросы сократились на 120 тонн, а сопутствующие налоги уменьшились почти на 44 тысячи долларов.
Примечательно, что CATS можно использовать совместно с разными моделями турбин Siemens, General Electric и Mitsubishi, которые эксплуатируются в тяжелых условиях. Многочисленные преимущества технологии, продемонстрированные на примере станции в Тунчжоу, применимы и для других электростанций. Многолетний опыт компании Sulzer в сфере реализации проектов для промышленных объектов позволяет предложить электростанциям с газовыми турбинами современные решения для поддержания высокой производительности при низких выбросах.
В частности, есть возможность в кратчайшие сроки модернизировать старые турбины электростанций для приведения их эксплуатационных параметров в соответствие с новыми стандартами эффективности без замены оборудования и значительных инвестиций. Глобальные тенденции ужесточения требований к выбросам подталкивают операторов электрических станций к внедрению технических инноваций, которые позволяют снизить ущерб для окружающей среды и повысить эффективность работы турбин.
По материалам powerengineeringint.com