Экология энергетики

скорости Диапазон измерения 0...500 температуры

Измерения разности давлений

141

Для повышения эффективности атмосфероохранных мероприятий постоянно ведутся разработки по созданию автоматических или автоматизированных систем контроля выбросов ТЭС. В качестве примера на рис. 7.1 приведена система контроля выбросов в атмосферу, реализованная на одной из ТЭЦ России. В ней использовано измерительное оборудование производства фирмы SICK AG, состоящее из пяти оптоэлектронных газоанализаторов, трех твердоэлектролитных кислородомеров и одного ультразвукового измерителя расхода дымовых газов.

142

Измерительная информация используется персоналом станции как для оперативного контроля работы котлов по текущим концентрациям NOх и СО, так и для соблюдения установленных природоохранных нормативов по выбросам оксидов азота, диоксида серы и оксида углерода, поступающим в атмосферу через дымовую трубу. Отчетность по измеряемым компонентам можно получать за любой необходимый период времени в виде цветных графиков, таблиц, диаграмм и итоговых рапортов о валовых выбросах.

Результаты эксплуатации системы контроля выбросов подтвердили возможность осуществления непрерывного контроля экологических нормативов на электростанциях и экономическую целесообразнось такого контроля с точки зрения платы за выбросы.

1.7.6. Подсистема "Экология" в составе задач АСУ ТП ТЭС

Общие сведения

Автоматизированная система контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от ТЭС должна создаваться для повышения оперативности и достоверности информации о фактических выбросах, а также возможности регулирования уровней этих выбросов в зависимости от загрязненности окружающей местности, заданных нормативов выбросов и метеоусловий.

Значительные успехи в части создания и внедрения АСУ ТП с решением экологических задач достигнуты в ряде развитых зарубежных стран, включая США, Великобританию, ФРГ, Японию и др.

Разрабатываются и внедряются АСУ ТП ТЭС, в которых, наряду с задачами расчета технико-экономических показателей и контроля общестанционных систем, решаются вопросы контроля за выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду. В системах применяется распределенная иерархическая структура с накоплением информации от блочных и общестанционных АСУ и отображением информации на дисплеях, используются графопостроители.

Как правило, разрабатываются и осваиваются системы непрерывного контроля за выбросами в атмосферу загрязняющих веществ. Контроль за выбросами осуществляется для управления технологическим процессом сжигания топлива. Контролируется выброс СО, NH3, SO2, NOх. Наблюдается тенденция расширения перечня контролируемых параметров.

Задачи по контролю экологического воздействия ТЭС функционируют в числе целого ряда задач по контролю, расчету и анализу ТЭП, оборудования ХВО, топливоподачи. Широкое применение за рубежом находят промышленные газоанализаторы, не требующие предварительного отбора и подготовки проб при контроле за выбросами.

Работы по созданию и внедрению задач АСУ "Экология" должны выполняться как для блочного, так и общестанционного уровня. На основании этого нужно установить очередность решаемых задач.

144

К числу загрязняющих веществ, содержащихся в газовых выбросах ТЭС, которые подлежат обязательному контролю, отосятся в первую очередь:

-при сжигании природного газа – оксиды азота;

-при сжигании мазута – оксиды азота, сернистый газ;

-при сжигании твердого топлива – оксиды азота, секрнистый газ, твердые частицы.

Поскольку выброс оксидов азота и пыли во многом определяется совершенством технологии сжигания топлива, то снижение загрязнения воздуха этими веществами в первую очередь должно быть направлено на оптимизацию параметров процесса горения топлива, при котором должен быть уменьшен валовой выброс загрязняющих веществ.

Для создания технологического алгоритма автоматизированной системы контроля выбросов с продуктами сгорания топлив нужно установить минимум необходимых исходных параметров. Важнейшим параметром является концентрация примесей в дымовых газах при разных режимах работы котла. Последние в первую очередь нужны для организации управляющих воздействий на объект.

Как известно, по газовому тракту котлов происходит изменение концентраций оксидов азота. Меняется соотношение содержания оксида и диоксида азота. Существуют поля концентраций по сечению газоходов, в которых продукты сгорания распределяются неравномерно. Поэтому выбор места отбора проб на анализ имеет решающее значение для представительности результатов измерений содержания оксидов азота в дымовых газах.

Необходимо учитывать, что экологическое воздействие на окружающую среду любой тепловой электростанции определяется не только валовым выбросом загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлив, а и условиями рассеивания этих выбросов в соответствии с метеорологическими параметрами среды и структурой местности. Распространение факела дымовых газов в атмосфере в значительной степени зависит от температурного градиента в инверсионных слоях. Инверсия может иметь различную толщину слоя, быть приподнятой или приземной. Это существенным образом сказывается на подъеме факела над устьем дымовой трубы и на результатах его рассеивания. Поэтому при построении автоматизированной системы экологического воздействия ТЭС на окружающую среду нужно исходить не только из необходимости контроля выбосов, а и учитывать необходимость создания системы контроля загазованности атмосферы этими выбросами с осуществлением управляющих воздействий на источники выбросов.

Исходными параметрами является концентрация токсичных компонентов

вдымовых газах. По ним можно оценить валовые выбросы загрязняющих веществ. Подсистема сбора данных должна базироваться на автоматической аппаратуре получения значений концентраций основных токсичных

компонентов, содержащихся в продуктах сгорания топлив, в частности SO2, NOх и взвешенных частиц.

Для определения концентраций токсичных веществ, содержащихся в дымовых газах котельных установок, предпочтительнее устанавливать

145

приборы, позволяющие осуществлять многокомпонентный анализ. Комплексные аналитические системы позволяют получить ценную информацию для оптимизации параметров процесса сжигания топлива и минимизации выбросов токсичных веществ в атмосферу.

Энергетика РБ и стран СНГ пока не располагает в достаточном количестве надежными средствами автоматического сбора информации и концентрации перечисленных выше загрязняющих веществ в продуктах сгорания топлив. Поэтому создание АСУ "Экология" может быть ориентированно на два направления: первое – получение исходных данных на базе прямых измерений с помощью приборов, второе – на основе косвенных измерений режимных параметров источников выбросов и последующего расчета содержания загрязняющих веществ в продуктах сгорания топлив. Оба подхода к определению экологических показателей источников выбросов не равноценны по представительности данных.

Особую сложность при создании АСУ "Экология" представляют задачи по управлению технологическим процессом сжигания топлив с минимальными выбросами загрязняющих веществ. На стадии разработки математического обеспечения задачи нужно решить вопрос выбора оптимального способа подавления оксидов азота применительно к конструкции котельной установки. Необходимо отметить, что однозначных решений по этому вопросу нет, и он в каждом конкретном случае требует специальной проработки.

Известные способы подавления выбросов оксидов азота в паровых котлах основываются на поддержании соответствующих значений двух определяющих параметров: избытка воздуха в зоне горения и температурного уровня в зоне образования оксидов азота. Необходимо отметить, что существующие САР котлов ориентированы на достижение максимальной экономичности. В то же время работа котлов с пониженными выбросами оксидов азота преимущественно связана с ухудшением экономических показателей. Поэтому необходимо решать компромиссную комплексную и оптимизационную задачу, обеспечивая максимально возможное сокращение выбросов оксидов азота с минимальной потерей экономичности работы котлов.

Функциональная структура

Подсистема "Экология" должна разрабатываться с учетом передовых достижений мировой науки и техники и рассчитываться на длительную перспективу, а также одновременно она должна учитывать современный уровень эксплуатации отечественных ТЭС с тем, чтобы иметь возможность применения на работающих электростанциях. Однако, необходимо учесть, что именно в области экологии энергетики наблюдается значительный разрыв между фактическим уровнем эксплуатации тепловых электростанций и мировыми достижениями, внедренными в энергетике передовых зарубежных стран.

По своему назначению подсистема "Экология" должна осуществлять учет и контроль выбросов вредных веществ, а также вести управление

146

технологическими процессами, направленными на снижение величины этих выбросов на блочном и общестанционном уровне. В зависимости от наличия средств прямого контроля и принятых технологических схем очистки структура подсистемы ИАСУ ТЭС "Экология" (рис. 7.2) может быть образована из ряда перечисленных функций:

1.Учет и контроль выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котлоагрегата энергоблока, а также трубами ТЭС.

2.Контроль и управление процессом горения топлива с учетом экологических характеристик котла.

3.Контроль и управление очисткой дымовых газов от твердых частиц.

4.Контроль и управление работой установки азото- и сероочистки.

5.Контроль и учет качества сбросных вод и управление их очисткой.

6.Контроль концентрации вредных веществ в окружающей среде.

7.Управление распределением нагрузок с учетом экологических характеристик энергоблоков.

8.Управление топливоиспользованием по экологическим характеристикам энергоблоков.

В настоящем почсобии в рамках подсистемы "Экология" рассматриваются вопросы, связанные только с охраной атмосферного воздуха.

7.6.3. Требования к качеству реализации функций и обеспечению

Подсистема "Экология" должна обеспечить возможность автономного функционирования задач блочного уровня, а также контроля и учета выбросов

147

загрязняющих веществ на общестанционном уровне при отключении одного из звеньев технологической цепочки очистки дымовых газов.

Периодичность решения задач – 20 мин. Периодичность опроса датчиков – 2-10 с.

Функции подсистемы должны быть связаны между собой каналами обмена информацией. При отключении одного из звеньев технологической цепи очистки дымовых газов соответствующая входная информация для функционирования задач контроля и учета величины выбросов вредных веществ должна поступать независимо от задачи автоматизированного контроля и управления соответствующего вида очистки дымовых газов.

Оперативная информация о недопустимом превышении величины выбросов вредных веществ и управляющие сигналы о необходимости проведения мероприятий по профилактическому обслуживанию очистных установок, снижения нагрузки котла из-за неудовлетворительных экологических показателей и другие сообщения должны выдаваться на дисплей оперативного персонала.

Задачи учета величины выбросов вредных веществ должны обеспечивать накопление выходной информации, которая может быть выдана на печать по требованию руководящего персонала КТЦ, ПТО ТЭС и представлена в виде отчетов по форме 2-ТП воздух.

Оперативная информация, содержащая экологические показатели работы энергоблока и ТЭС в целом за последний оперативный интервал, должна выводиться на дисплей руководящего и оперативного персонала КТЦ, ТЭС.

Подсистема "Экология" должна быть обеспечена каналами обмена информацией с подсистемами "Управления топливоснабжением" и "Оптимизация режимов ТЭС".

Качество информационного обеспечения подсистемы АСУ Э определяет эффективность ее функционирования, а, следовательно, оказывает влияние на состояние окружающей среды. Поэтому основное требование к техническим средствам измерения и информационным каналам – это обеспечение точности измерения контролируемых параметров на уровне, соответствующем наиболее современным разработкам отечественной и мировой науки и техники.

Основные требования к организационному обеспечению связаны с возможным несовершенством средств технического контроля и заключаются в своевременном обеспечении ручного ввода периодически обновляемой информации. К таким данным относятся результаты лабораторных исследований качества топлива и содержания некоторых токсичных компонентов в уходящих дымовых газах и сбросных водах ТЭС, автоматическое измерение которых не обеспечено средствами технического контроля в принятом к реализации варианте функционирования подсистемы.

. Характеристика комплекса задач

В зависимости от технической оснащенности объекта управления датчиками прямого контроля содержания вредных компонентов в дымовых

148

газах эта функция может быть реализована с использованием различных алгоритмов.

Наиболее предпочтительным вариантом, характеризующимся высокой точностью и простотой программного обеспечения, является осуществление учета величины выбросов по результатам непосредственного прямого замера концентрации токсичных компонентов в дымовых газах.

При отсутствии необходимых средств технического контроля содержания всех вредных составляющих в продуктах сгорания функция может быть реализована с использованием косвенных режимных параметров, получаемых от штатных средств технического контроля, с учетом экологических характеристик энергоблоков, определенных экспериментальным путем.

Кроме того, независимо от наличия средств контроля, в соответствии с требованиями по составлению отчетов по форме 2-ТП воздух в подсистеме должна функционировать задача расчета валовых выбросов вредных веществ, основу алгоритма которой составляет "Методика определения валовых выбросов в атмосферу от котлов ТЭС". Эта задача осуществляет обработку информации как на блочном, так и на общестанционном уровне и обеспечивает оперативный и руководящий персонал ТЭС оперативной и статистической отчетной информацией.

Среди функций управления подсистемы важными и в то же время универсальными, не зависящими от принятых технических решений по очистке дымовых газов, являются функции контроля и управления процессом горения топлива и распределения нагрузок между энергоблоками с учетом их экологических характеристик. Функция контроля и управления процессом горения реализуется на блочном уровне и предназначена для контроля выбросов вредных веществ и поддержания режимных параметров котла на уровне, обеспечивающем минимальные выбросы оксидов азота при данной нагрузке. В качестве регулируемых параметров, на которые оказывается управляющее воздействие, используются коэффициент избытка воздуха в топке, доля рециркуляции дымовых газов, расход воды или водяного пара, впрыскиваемых в топочную камеру, соотношение "топливо-воздух" для каждого горелочного устройства и по отдельным каналам горелки. Функция распределения нагрузок между котлоагрегатами определяет оптимальный вариант нагрузки для каждого энергоблока с учетом его экологических характеристик, определенных предварительно экспериментальным путем и обработанных в виде эмпирических зависимостей, включенных в базу нормативно-справочной информации.

Организационно-техническая сущность функций контроля и управления установками очистки дымовых газов полностью определяется технологической схемой применяемого способа очистки, однако, обязательными элементами этих функций является контроль состава газов на входе и выходе из установки, управление работой регулирующих органов и дозирующих устройств, осуществляющих подачу химического реагента для восстановления NOх и поглощения окислов серы и соответствующий вывод продуктов химической реакции из цикла очистки, а также диагностический контроль технического

149

состояния оборудования установок с выдачей рекомендаций оперативному персоналу о необходимости своевременного проведения профилактического обслуживания.

Снижение выбросов оксидов азота энергетическими котлами представляет собой довольно сложную задачу. Возможности относительно дешевых первичных методов подавления оксидов азота ограничены. Внедрение денитрификационных установок, реализующих химические методы, сдерживается их дороговизной, а во многом вследствие этого неотработанностью технологий самой очистки. В последние годы разрабатываются и проходят опытно-промышленную проверку установки по очистке дымовых газов паровых котлов от сернистого газа и оксидов азота озонным методом, а по очистке только от оксидов азота аммиачнокаталитическим методом путем восстановления окиси азота до молекулярного азота с применением катализаторов из пятиокиси ванадия и окиси титана.

В качестве возможных вариантов рассмотрены наиболее распространенные и технически опробированные схемы восстановления оксидов азота аммиачно-каталитическим способом (рис. 7.3) и сероочистка дымовых газов мокрым известковым способом (рис. 7.4).

150