Экологические аспекты внедрения газотурбинных технологий в Башкирэнерго

Салихов А. А., Фаткуллин Р. М., кандидаты техн. наук

ОАО Башкирэнерго

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 каче- стве 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 электри- ческой мощностью 10 МВт, созданная ГНПП “Мотор” (г. Уфа) на базе авиадвигателя Р-95Ш, проходит с 1997 г. опытно-промышленную эксплуатацию в котельном цехе ¹ 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 электриче- ской 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 комбини-

рованной выработке электроэнергии и тепла на

ТЭЦ по фактически сложившемуся уровню теплопотребления удельные расходы условного топлива на выработку электроэнергии по “физическо-

му” методу составляют (в среднем по ТЭЦ) 271 г (кВт ч), а в целом по тепловым электростан-

циям 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 âýý 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 (ãòó = 3,5 5,5), намного превышающими избытки воздуха при сжигании топлива в энергетических и водогрейных котлах (ê = 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.

Удельный вы-

Доля сжигания Электростанция брос условного

ãàçà, %

топлива, êã ò

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 удель-

ной 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 NO2 и от 0,4 до 0,64 ПДК по CO. 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 (ÌÂò ÷), â

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 Ãêàë; â ÃÒÝ10 95 – 0,63 ì3 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.

* 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-кати- онитовых фильтров. По предварительным оценкам суммарная масса сбрасываемых загрязнителей (сульфаты, хлориды, взвешенные) в удельном ис- числении 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 NOx в дымовых газах, приведенные к избытку воздуха = 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 NOx составляли в зависимости от нагрузки 120 – 175 мг м3. (Здесь и далее концентрации NOx в отходящих газах ГТУ даны приведенными к стандартному избытку воздуха = 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. Сравнительные характеристики эмиссии оксидов