Газотурбинные и парогазовые установки в России. Парогазовая установка с вводом пара в газовую турбину - перспективное направление развития энергетических установок, страница 42

Основное преимущество ГТЭ-10/95 в части воздействия выбросов на загрязнение атмосферы обусловлено более высоким коэффициентом полезного использования тепла топлива — вдвое большим, чем при выработке электроэнергии по конденсационному циклу. Эмиссия загрязняющих веществ в атмосферу от газотурбинной установки зависит от вида топлива и конструкции камеры сгорания ГТУ. На первом этапе опытной эксплуатации газотурбинная установка работала на жидком топливе — керосине марки ТС-1. Конструкция камеры сгорания соответствовала конструкции камеры базового авиационного двигателя с незначительными изменениями для улучшения полноты сгорания топлива при бедных составах смеси.

В период опытной эксплуатации концентрации оксидов азота и углерода измерялись за свободной турбиной переносным компьютерным газоанализатором электрохимического действия фирмы «TESTO» (Германия). Значения концентраций, приведенных к стандартному значению коэффициента избытка воздуха 3,5 (соответствует 15 % содержания О₂ в продуктах сгорания), представлены на рис. 1. При нагрузках от 2,5 до 9 МВт и коэффициентах избытка воздуха за свободной турбиной от 5,7 до 4,1 концентрации оксидов азота при О₂ = 15 % составляли 120—170 мг/м³ , а оксида углерода — 690—275 мг/м³. На номинальной нагрузке это соответствовало коэффициентам удельного выхода оксидов азота, равным 6,5 г/кг (или 4,5 кг/т у.т.); оксида углерода — 10,6 г/кг (7,2 кг/т у.т.).

Измеренный уровень концентраций оксидов азота за ГТЭ-10/95 практически совпал с расчетным значением для энергетических ГТУ, полученным по методике РД 34.02.305-90 [1]. Для ГТУ с высокофорсированными камерами сгорания и последовательным вводом воздуха в зону горения при температуре газов перед турбиной 1076 К и давлением в камере сгорания 0,85 МПа расчетная концентрация N0х при сжигании жидкого топлива составляет 175 мг/м³ . Сравнение этой ГТУ с существующими энергетическими ГТУ на жидком топливе показывает, что эмиссия оксидов азота на ГТЭ-10/95 несколько ниже уровня 190—210 мг/м³ , достигнутого на ГТГ-12, ГТ-35-770ХТЗ, ГТЭ-45ХТЗ, ГТЭ-150ЛМЗ с различными типами камер сгорания (регистровые, блочные, кольцевые) [1]. В отличие от отечественных авиационных ГТД, используемых в настоящее время в схемах ГТУ, эмиссия оксидов азота двигателя Р-95Ш также ниже. По данным [2], для ряда авиационных ГТД

уровень эмиссии NOх составляет 190—270 мг/м³ .

Действующий в настоящее время ГОСТ 29328-92 жестко ограничивает концентрации оксидов азота для стационарных ГТУ: при нагрузке от 0,5 до 1,0 номинальной на существующих установках они не должны превышать 150 мг/м³ (при О₂⁼ 15 %) на жидком и газообразном топливах; для вновь создаваемых ГТУ -50 на газообразном и 100 мг/м³ на жидком топливе [3]. Соответствие энергетических ГТУ новым стандартам становится одним из наиболее важных требований предъявляемых к ним, и является, основой их конкурентоспособности на рынке производителей энергетического оборудования.

Требуемые нормативные значения удельных выбросов оксидов азота не могут быть получены при традиционной схеме организации процесса горения в фронтовом устройстве камеры сгорания — диффузионном сжигании раздельно подаваемых в зону горения топлива и воздуха. Несмотря на то что диффузионное горение можно осуществлять с относительно большим средним коэффициентом избытка воздуха, в камере возникают области со стехиометрическим составом смеси и именно в них происходит интенсивное окисление азота воздуха при температурах свыше 2200 К.

Образования таких областей можно избежать, если участвующую в реакции топливовоздушную смесь обеднить до избытков воздуха за фронтовым устройством  L_Ф.У = 2,0-2,4, гомогенизировать и только после этого подать в зону горения. Такая технология «малотоксичного» сжигания природного газа и жидкого топлива реализована в камере сгорания новой конструкции, разработанной ГНПП «Мотор» применительно к стационарным условиям использования двигателя Р-95Ш. Применение во фронтовом устройстве камеры сгорания специальной смесительной горелки позволило обеспечить горение «бедной» газовоздушной смеси с низкой температурой факела (менее 1800 К) и значительно снизить уровень концентрации оксидов азота. Серия стендовых испытаний новой камеры сгорания показала, что на втором этапе опытной эксплуатации ГТЭ-10/95 возможно обеспечение концентрации оксидов азота при работе на газе менее 50 мг/м³ .