Экологические аспекты внедрения газотурбинных технологий в Башкирэнерго

Салихов А. А., Фаткуллин Р. М.

Особенностью современного этапа развития энергетики является внедрение газотурбинных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность использования топлива за счет увеличения производства дешевой электроэнергии на существующем теплопотреблении. Техникоэкономический анализ показывает, что наибольшей инвестиционной привлекательностью (низкие капиталовложения, малые сроки внедрения, высокая удельная выработка электроэнергии на теплопотреблении) обладает схема ГТУ ТЭЦ. Дополнительные преимущества внедрения данной технологии связаны с возможностью “надстройки” существующих котельных и использованием в качестве энергетических ГТУ конвертированных авиационных двигателей отечественного производства [1, 2]. Немаловажное значение имеют экологические аспекты внедрения данных технологий, некоторые особенности которых рассмотрены на примере Башкирской энергосистемы.
Башкирэнерго является одной из первых энергосистем в России, начавших внедрение новых технологий на базе газотурбинных установок. Первая подобная установка - ГТЭ-10/95 электрической мощностью 10 МВт, созданная ГНПП “Мотор” (г. Уфа) на базе авиадвигателя Р-95Ш, проходит с 1997 г. опытно-промышленную эксплуатацию в котельном цехе № 5 “Теплоцентрали” в г. Ишимбае [3]. Вторая установка - ГТЭС “Урал-2500Р” электрической мощностью 4 МВт, созданная ОАО “Авиадвигатель” (г. Пермь) на базе авиадвигателя Д-30У, сооружена в одном из районных центров республики (с. Большеустьикинское) и прошла испытания в объеме комплексного опробования в феврале 2001 г.
Кроме повышения эффективности энергопроизводства, внедрение новых газотурбинных технологий способствует улучшению экологической обстановки в республике. Это обусловлено следующим:
прогрессивностью новых технологических решений с применением газовых турбин;
использованием экологически чистого вида топлива - природного газа;
децентрализацией производства электроэнергии с улучшением экологической обстановки в городах и крупных промышленных центрах с высоким уровнем фонового загрязнения атмосферы;
снижением водопотребления и загрязнения водного бассейна;
высокими экологическими характеристиками оборудования по уровню эмиссии загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Рассмотрим подробнее все эти аспекты, сравнивая характеристики установок ГТЭ-10/95 и ГТЭС “Урал-2500Р” с аналогичными показателями для традиционных технологий энергопроизводства в Башкирэнерго.
Основным показателем прогрессивности энергетической технологии является удельный расход топлива на единицу выработанной продукции. Помимо экономичности, данный показатель характеризует и экологичность производства, поскольку основное воздействие энергообъектов на окружающую природную среду связано с выбросами загрязняющих веществ, образующихся при сжигании топлива. Введение с 1996 г. нового метода разделения расхода топлива на выработку электрической и тепловой энергии с использованием коэффициентов ценности тепла отборов делают несопоставимыми показатели удельных расходов топлива на паротурбинных и газотурбинных установках. В связи с этим анализировались показатели удельных расходов топлива на выработку электроэнергии по старому “физическому” методу (т.е. с отнесением всей экономии топлива при комбинированном производстве на электрическую энергию).
В Башкирэнерго по данным за 2000 г. выработка электроэнергии по конденсационному циклу ведется с удельными расходами условного топлива: 330 г/(кВт-ч) на Кармановской ГРЭС и 468 г/(кВт-ч) в среднем по 10 ТЭЦ. При комбинированной выработке электроэнергии и тепла на ТЭЦ по фактически сложившемуся уровню тепло- потребления удельные расходы условного топлива на выработку электроэнергии по “физическому” методу составляют (в среднем по ТЭЦ) 271 г/(кВт-ч), а в целом по тепловым электростанциям Башкирэнерго с учетом конденсационной и теплофикационной выработки 299 г/(кВт-ч).
Для ГТУ ТЭЦ аналогичный показатель намного ниже - около 150 г/(кВт-ч), в связи с тем, что вся электроэнергия производится на тепловом потреблении. Преимущество газотурбинной технологии по удельным расходам топлива очевидно не только по сравнению с конденсационными теплоэлектростанциями, но и по сравнению с традиционными паротурбинными ТЭЦ. Сравнительные данные по эффективности использования топлива, влияющего на экологичность технологии энергопроизводства, представлены далее.

Значения вээ даны по “физическому” методу разделения топлива на тепло и электроэнергию.
Решающее влияние на экологические характеристики энергопроизводства оказывает вид используемого топлива. Основным и резервным топливом для газотурбинных установок является природный газ. При этом перечень выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ ограничен тремя ингредиентами: оксид азота, диоксид азота и оксид углерода; отсутствуют выбросы таких загрязняющих веществ, как сернистый ангидрид, твердые частицы и бенз(а)пирен. Отсутствие канцерогенного вещества бенз(а)пирена связано с большими избытками воздуха (атту = 3,5 -:- 5,5), намного превышающими избытки воздуха при сжигании топлива в энергетических и водогрейных котлах (ακ= 1,03 -:- 1,1). Кроме того, газообразное топливо намного облегчает проблему снижения выбросов оксидов азота в ГТУ. Сравнение удельных суммарных выбросов загрязняющих веществ на единицу сожженного топлива по Башкирэнерго и в установках по схеме ГТУ ТЭЦ приведено далее.

Сравнение показывает, что удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от ГТЭС “Урал-2500Р” в 4 раза ниже, чем по ОАО Башкирэнерго в целом; в 2 раза ниже, чем на Кармановской ГРЭС с 95%-ной долей сжигания газа; в 10 раз ниже, чем на угольной Кумертауской ТЭЦ. Разница в удельных выбросах ГТЭ-10/95 и ГТЭС “Урал-2500Р” связана с различием в удельных выходах оксидов азота и особенно оксида углерода в двигателях, разработанных в ГНПП “Мотор” (г. Уфа) и ОАО “Авиадвигатель” (г. Пермь).
Дополнительный экологический эффект при внедрении газотурбинных технологий связан с децентрализацией энергопроизводства. Развитие комбинированной выработки электроэнергии и тепла на ТЭЦ является значительным достижением отечественной энергетики. Однако стремление выработать как можно больше электроэнергии на тепловом потреблении приводит к излишней концентрации электрогенерирующих мощностей в крупных городах и промышленных центрах. Спад производства и развитие энергосбережения в большей степени отразились на потреблении тепла, в результате чего на ТЭЦ возросла доля выработки электроэнергии по конденсационному циклу с низкой эффективностью использования топлива.
На ТЭЦ ОАО Башкирэнерго среднегодовая конденсационная нагрузка, сопровождающаяся дополнительными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу городов, составляет около 700 МВт.
Вместе с тем, не используется возможность выработки электроэнергии на тепловом потреблении в средних и малых городах и населенных пунктах, отчасти в связи с низким показателем удельной выработки электроэнергии на полезном отпуске тепла (130-500 кВт-ч/Гкал) при применении традиционных паротурбинных технологий. При использовании газотурбинных технологий данный показатель намного выше - до 1020 кВт-ч/Гкал [2], что позволяет местным ГТУ ТЭЦ замещать конденсационную выработку электроэнергии на крупных ТЭЦ, улучшая экологическую обстановку в городах.
Следует отметить, что проблема загрязнения атмосферы имеет не глобальный, а локальный характер. Известно, например, что доля антропогенных выбросов оксидов азота в общем объеме на земле составляет: 21% при сжигании топлива, 14% от транспорта. Остальные 65% приходятся на естественные природные источники (почвенная эмиссия, грозовые разряды, лесные пожары, вулканическая деятельность, процессы в океанах) [4]. Таким образом, проблема заключается не столько в сокращении общей массы выбросов, сколько в
снижении фонового загрязнения атмосферы в локальных зонах - в крупных городах и промышленных центрах. В основных городах Башкортостана отмечается высокое фоновое загрязнение атмосферы диоксидом азота и оксидом углерода: от 0,86 до 1,5 ПДК по NО2 и от 0,4 до 0,64 ПДК по СО. Децентрализация производства электроэнергии с применением газотурбинных технологий, с одной стороны, облегчает размещение ГТУ ТЭЦ по экологическим критериям в населенных местах с низким фоновым загрязнением атмосферы, с другой стороны - снижает фоновое загрязнение в крупных городах.
Снижение водопотребления и сокращение объемов сброса сточных вод при внедрении ГТУ ТЭЦ связано с тем, что в газовой турбине в качестве рабочего тела при выработке электроэнергии используется не пар, а продукты сгорания топлива - дымовые газы. Таким образом, водопотребление на выработку электроэнергии в ГТУ ТЭЦ отсутствует, тогда как на традиционных паротурбинных ТЭЦ Башкирэнерго удельный показатель водопотребления составляет от 1,7 до 7,1 м³/(МВт-ч), в среднем по энергосистеме - 3,7 м³/(МВт-ч). В ГТУ ТЭЦ также намного ниже удельное водопотребление на единицу тепловой энергии, так как тепло отпускается не с паром, а с горячей водой в замкнутую систему теплоснабжения и отсутствует использование воды на охлаждение в конденсаторах турбин. Дополнительное потребление и подготовка воды при этом требуются только на подпитку теплосети. Кроме того, в ГТЭС “Урал-2500Р”, принята схема передачи тепла сетевой воде через промежуточный замкнутый контур горячей воды, подогреваемой уходящими газами ГТУ. При этом потребление и подготовка воды производятся не постоянно, а периодически - только для заполнения замкнутого контура перед пуском ГТУ и до заполнения отдельных участков после ремонта. По результатам первых испытаний, удельное водопотребление на единицу тепловой энергии в ГТЭС “Урал-2500Р” составит 0,01 м³/Гкал; в ГТЭ - 10/95 -0,63 м³/Гкал, тогда как на традиционных ТЭЦ этот показатель колеблется от 0,82 до 3,0 м³/Гкал, составляя в среднем по энергосистеме 1,63 м³/Гкал. Сравнение удельных показателей водопотребления на оборудовании различных типов по данным за 1999 г. приведено далее.

Удельное водопотребление

Представлены данные по девяти ТЭЦ ОАО Башкирэнерго с оборотной схемой охлаждения.

Кроме значительного сокращения объемов сбрасываемых вод, ГТУ ТЭЦ имеют преимущества по массе сбрасываемых загрязнителей: отсутствуют сбросы ванадия и никеля, содержащиеся в обмывочных водах при сжигании мазута; нет выноса меди и железа из циркуляционных контуров охлаждающей воды; за счет упрощенной водоподготовки намного ниже сбросы хлоридов, сульфатов и взвешенных. На водоподготовительных установках ГТУ ТЭЦ отсутствуют предочистка (осветление) и обессоливание воды, применяется только умягчение воды с использованием Na-катионитовых фильтров. По предварительным оценкам суммарная масса сбрасываемых загрязнителей (сульфаты, хлориды, взвешенные) в удельном исчислении на единицу сожженного условного топлива составляет: 0,26 кг/т для ГТУ ТЭЦ; 4,3 кг/т на традиционной ТЭЦ без обессоливания воды и 5,6 кг/т на ТЭЦ с обессоливающей установкой.
Основное воздействие ГТУ на загрязнение воздушного бассейна связано с выбросами оксидов азота. В среднем по ОАО Башкирэнерго на традиционном энергооборудовании уровень эмиссии оксидов азота составляет 300-400 мг/м³ (концентрации NOr в дымовых газах, приведенные к избытку воздуха а = 1,4). Первые результаты экспериментальных исследований ОАО Башкирэнерго и ГНПП “Мотор” выхода оксидов азота на ГТЭ-10/95 в г. Ишимбае представлены в [3]. При сжигании жидкого топлива (керосина) концентрации NО, составляли в зависимости от нагрузки 120 - 175 мг/м³. (Здесь и далее концентрации NО,- в отходящих газах ГТУ даны приведенными к стандартному избытку воздуха а = 3,5). После перехода на сжигание газа эмиссия оксидов азота была снижена до 120 мг/м³. В настоящее время в ГНПП “Мотор” проводятся испытания новых камер сгорания для ГТЭ-10/95 с улучшенными экологическими характеристиками. Опыт реконструктивных работ на газотурбинных установках свидетельствует о возможности снижения оксидов азота на 30 - 40% [5], что позволяет прогнозировать достижение в перспективе показателя на уровне 70 - 80 мг/м³. Значительно более высокими экологическими показателями обладает пермский газотурбинный привод, устанавливаемый на ГТЭС “Урал-2500Р”. Результаты измерений подтвердили данные стендовых испытаний ОАО “Авиадвигатель”: в рабочем диапазоне нагрузок до 4 МВт концентрации оксидов азота не превышали 50 мг/м³. При этом также отмечались и низкие выбросы оксида углерода - менее 100 мг/м³.

Графики зависимости концентраций оксидов азота в дымовых газах (приведенных к а = 3,5) от электрической нагрузки газотурбинной установки:
1,2- ГТЭ-10/95 (г. Ишимбай), топливо соответственно: керосин, газ; 3 - ГТЭС “Урал-2500Р” (с. Большеустьикинское), топливо: газ; 4,5- норматив по ГОСТ 29328-92 соответственно для существующих и для новых ГТУ

Сравнительные характеристики эмиссии оксидов азота, приведенные к а = 3,5, на оборудовании различных типов представлены далее.

Сравнение показывает; что показатели ГТЭ-10/95 по эмиссии оксидов азота не уступают характеристикам существующих энергетических ГТУ и авиационных газотурбинных двигателей. Показатели ГТЭС “Урал-2500Р” с пермским авиадвигателем намного выше, сопоставимы с экологическими характеристиками лучших западных установок и полностью удовлетворяют жестким требованиям ГОСТ 29328-92 для новых создаваемых ГТУ на газообразном топливе.
Графики зависимости концентраций оксидов азота в дымовых газах от электрической нагрузки газотурбинной установки показаны на рисунке.
Следует также иметь в виду, что выбросы ГТУ обладают большей рассеивающей способностью в атмосфере вследствие большого объема отработанных газов в результате повышенных избытков
воздуха. Согласно методике ОНД-86 максимальное значение приземной концентрации обратно пропорционально корню кубическому от объема [6]. Кроме того, по более сложной зависимости объем дымовых газов влияет на коэффициент т, учитывающий условия выхода газов из устья трубы. Оценочный расчет для ГТЭ-10/95 в г. Ишимбае показал, что за счет увеличенного объема (в 3 раза) выбросы ГТУ дают приземную концентрацию на 60% ниже, чем альтернативный энергетический котел с таким же массовым выбросом загрязнителя. С учетом улучшенной рассеивающей способности выбросов в атмосфере для ГТЭ-10/95 была установлена относительно небольшая высота газоотводящей трубы -16 м. Для ГТЭС “Урал- 2500Р” при проектной высоте трубы 25 м расчетные максимально-разовые концентрации в с. Большеустьикинское не превысили 0,1 ПДК по диоксиду азота, 0,004 ПДК по оксиду азота и 0,002 ПДК по оксиду углерода.
Экологическая характеристика газотурбинных технологий была бы неполной без анализа уровней шума. Ранее, при эксплуатации отдельных энергетических ГТУ на электростанциях, проблема шумового воздействия остро не стояла. Использование в последние годы в качестве газотурбинного привода конвертированных авиационных двигателей вызвало повышенное внимание к шуму (своего рода, акустическую “фобию”), которое обусловлено в основном психологическими причинами.
Исследования, проведенные на первой действующей ГТЭ-10/95 в г. Ишимбае, показали, что уровень шума от ГТУ ненамного отличается от шума, создаваемого обычным котельным оборудованием. В помещении котельной ГТУ не изменялся уровень шума в высокочастотном спектре, а в низкочастотном - увеличение шума было незначительным (на 4 дБ). На территории промплощадки котельной с ГТУ уровень шума составлял 48 - 69 дБА и не превышал ПДУ, равный 75 дБА по СН 2.2, 4/2, 1.8.562-96. На границе жилой зоны, на расстоянии 600 м от ГТЭ-10/95 уровни звукового давления были ниже предельно допустимого уровня на 20 - 25% на низких и средних частотах и на 40 - 45% на высоких частотах [3].
В проекте ГТЭС “Урал-2500Р” в с. Большеустьикинское шумовому воздействию было уделено особое внимание в связи с расположением на границе жилой зоны в 300 м от ГТУ территории районной больницы. Результаты проведенных после пуска ГТУ измерений подтвердили эффективность предусмотренных проектом мероприятий по шумоглушению: измеренные эквивалентные уровни шума на промплощадке составляли 52 дБА при норме 75 дБА, а в жилой зоне на расстоянии 300 м от ГТУ - не превышали 40 дБА при норме 45 дБА. Эксплуатация ГТЭ-10/95 в г. Ишимбае и ГТЭС “Урал-2500Р” в с. Болыиеустьикинское должны способствовать преодолению акустической “фобии” и устранению препятствий для внедрения и размещения подобных установок в непосредственной близости от жилых районов.

Вывод

Комбинированное производство электрической и тепловой энергии с применением газотурбинных технологий имеет экологические преимущества перед традиционной энергетикой. Внедрение установок по схеме ГТУ ТЭЦ позволит не только увеличить эффективность использования топлива, но и улучшить экологическую обстановку в регионах. Темпы внедрения новых технологий будут зависеть от результатов опытной эксплуатации первых установок подобного типа (в Республике Башкортостан - ГТЭ-10/95 в г. Ишимбае и ГТЭС “Урал-2500Р” в с. Болынеустьикинское), а также от возможностей инвестирования новых
проектов.

Список литературы

1. Крайнов В. К., Салихов А. А. Повышение эффективности энергопроизводства. Анализ и пути реализации. - Теплоэнергетика, 1997, № 11.
2. Попырин Л. С, Щеглов А. Г. Эффективные типы парогазовых и газотурбинных установок для ТЭС. - Электрические станции, 1997, № 7.
3. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки ГТЭ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя / Салихов А. А., Фаткуллин Р. М., Гребенюк Г. П., Габбасов В. Г. - Теплоэнергетика, 1999, № 1.
4. Хорват Л. Кислотный дождь, М., 1990.
5. РД 34.02.305-90. Методика определения валовых и удельных выбросов вредных веществ в атмосферу от котельных установок ТЭС.
6. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л., 1987.