СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКИСЛОВ АЗОТА В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1994 года по МПК F23N5/24 

Изобретение относится к газотурбостроению и касается способа контроля изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки в процессе ее эксплуатации.

В процессе эксплуатации газотурбинных установок происходит ухудшение технического состояния, сопровождающееся повышением концентрации окислов азота в выхлопных газах.

Это обуславливает необходимость организации постоянного контроля концентрации окислов азота в выхлопных газах.

Известен способ контроля изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки с использованием реактивов Грисса-Илосвая. Этот метод основан на поглощении окислов азота реактивами с образованием азотной кислоты или ее солей. Азотистую кислоту или ее соли определяют по реакции образования азокрасителей с помощью фотокалориметр. Калориметрические методы определения окислов азота громоздки, требуют значительного времени, специального лабораторного оборудования, наличие химика в составе бригады, участвующей в испытаниях. Поэтому широкого применения этот способ, особенно в промышленных условиях, не получил.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ контроля изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки путем сравнения текущей величины концентрации с ее исходной величиной путем проведения периодических измерений концентрации окислов азота в процессе эксплуатации автоматическими газоанализаторами, например, типа "Бекман" (США).

Недостатками этого способа являются:
- данные газоанализатора рассчитаны только на периодическое измерение концентрации окислов азота в выхлопных газах и не позволяют организовать постоянный замер концентрации в промышленных условиях, что не обеспечивает надежный постоянный контроль за изменением концентрации окислов азота в процессе длительной эксплуатации ГТУ;
- отсутствие отечественных аналогов и высокая стоимость газоанализаторов;
- газоанализаторы не являются штатными приборами, оснащение ГТУ дополнительными приборами (особенно в условиях удаленных районов) усложняет и удорожает эксплуатацию и техническое обслуживание агрегатов;
- ограниченный ресурс работы автоматических анализаторов, необходимость постоянного технического обслуживания их.

Указанные недостатки не позволяют организовать точный контроль за изменением концентрации окислов азота в выхлопных газах ГТУ в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является повышение точности контроля за изменением концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки в процессе эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что на режиме постоянной средней температуры продуктов сгорания в проточной части турбины измеряют неравномерность температур продуктов сгорания и последнюю используют в качестве параметра, характеризующего концентрацию, определяют неравномерность температур продуктов сгорания и по ней определяют изменение концентрации окислов азота по следующему соотношению
ΔC= K C , где К - постоянный коэффициент, зависящий от типа газотурбинной установки;
t_ср - средняя температура продуктов сгорания;
Δt_o, Δt - исходная и текущая неравномерность температуры продуктов сгорания;
C - исходная концентрация окислов азота в выхлопных газах.

Сопоставительный анализ предложенного способа с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что контроль за изменением концентрации окислов азота сводится к контролю за изменением неравномерности поля температур продуктов сгорания, что позволяет проводить его с помощью штатных систем контроля и автоматики агрегата (штатные термопары). При этом отпадает необходимость в оснастке агрегатов дорогостоящими, сложными и ненадежными в промышленных условиях газоанализаторами. Кроме того, так как измерение температур продуктов сгорания производится постоянно в процессе эксплуатации и показания выводятся на самописец, то это позволяет обеспечить постоянный и автоматизированный контроль за изменением концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинных установок. Этим достигается повышение точности и надежности предложенного способа.

На чертеже схематически представлена газотурбинная установка, реализующая предлагаемый способ.

Газотурбинная установка содержит входной патрубок 1 для подачи атмосферного воздуха в компрессор 2, камеру сгорания 3 (камера сгорания может быть как встроенной, так и выносной), коллектор 4 для подачи топлива в камеру сгорания 3, турбину 5 высокого давления со ступенями 6 и 7 для привода компрессора 2, турбину 8 низкого давления со ступенью 9 для привода, например, нагнетания 10 природного газа, выхлопной патрубок 11 турбины 8.

В газовоздушном тракте перед турбиной 5 высокого давления установлены датчики 12 (термопары) системы измерения и контроля температуры продуктов сгорания перед турбиной 5. Для определенного типоразмера газотурбинных установок система контроля и измерения продуктов сгорания обеспечивается датчиками 13 (термопарами), установленными в газовоздушном тракте после турбины 8. Датчики 12 и 13 системы измерения и контроля температуры продуктов сгорания позволяют определять неравномерность поля температур и среднюю температуру продуктов сгорания соответственно перед турбиной 5 высокого давления или турбиной 8 низкого давления.

В выхлопном патрубке 11 предусмотрен штуцер 4 для установки газоанализатора 15 для измерения исходной величины концентрации окислов азота в начальный период эксплуатации. После проведения измерения газоанализатор 15 снимается и используется в дальнейшем для замера во вновь вводимых в эксплуатацию агрегатах.

Техническое решение в варианте газотурбинной установки с системой измерения контроля температуры продуктов сгорания перед турбиной реализуется следующим образом.

В начальный период эксплуатации газотурбинную установку выводят на установившийся режим работы. Датчиками 12 температур измеряют среднюю температуpу продуктов сгорания t_1ср и неравномерность поля температур продуктов сгорания t₁₀ перед турбиной 5.

( Δ t₁₀ - разница между максимальной и минимальной температурой продуктов сгорания перед турбиной 5 по результатам измерения датчиками 12).

Одновpеменно известными способами, например с помощью газоанализатоpов 15, измеряют исходную концентрацию окислов азота С в выхлопных газах в патрубке 11. Полученные результаты фиксируются и в дальнейшем используются как исходные величины параметpов для контроля изменения концентрации окислов азота в процессе длительной эксплуатации газотурбинной установки.

При необходимости контроля изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах измеряют датчиками 12 среднюю температуру продуктов сгорания на входе в турбину 5. Изменяя расход топливного газа через коллектор 4 в камеру сгорания 3, устанавливают такой режим работы агрегата, чтобы средняя температура продуктов сгорания перед турбиной 5 была равна средней температуре продуктов сгорания t_1ср перед турбиной 5, зафиксированной в начальный период эксплуатации агрегата. На установившемся режиме работы агрегата по результатам измерений датчиками 12 определяют текущую неравномерность поля температур продуктов сгорания Δ t₁ перед турбиной 5.

Изменение фактической концентрации окислов азота в выхлопных газах от ее исходного значения в начальный период эксплуатации определяют по изменению неравномерности продуктов сгорания перед турбиной по следующему соотношению:
ΔC= KC, мг/м³ где К - постоянный коэффициент, зависящий от типа газотурбинной установки;
t_1ср - средняя температура продуктов сгорания пеpед турбиной;
Δt₁₀, Δt₁ - исходная и текущая неравномерность температуры продуктов сгорания перед турбиной;
C - исходная концентрация окислов азота в выхлопных газах.

При достижении предельнодопустимого уровня концентраций окислов азота агрегат выводят в ремонт.

Для газотоурбинных установок с системой измерения и контроля температур продуктов сгорания (t_2ср, Δ t₂) после турбины 8 последовательность проведения операций по определению изменения концентраций окислов азота аналогична описанным. В этом случае изменение концентрации определяют при постоянной средней температуре продуктов сгорания, измеренной датчиками 13, после турбины 8 по изменению неравномерности температур продуктов сгорания после турбины 8.

ΔC= KC, мг/м³
где К - постоянный коэффициент, зависящий от типа газотурбиной установки;
t_2ср - средняя температура продуктов сгорания после турбины;
Δt₂₀, Δt₂ - исходная и текущая неравномерность температуры продуктов сгорания после турбины;
C - исходная концентрация окислов азота в выхлопных газах.

Численное значение постоянного коэффициента К было получено по pезультатам совместных теплотехнических и экологических испытаний агрегатов нескольких типоразмеров, в частности ГТК-10-2, ГТК-10-3, ГТК-10-4, ГТНР-12,5, ГТН-10, ГПА-10.

Для агрегатов с системой измерения и контроля температуры продуктов сгорания перед турбиной значение коэффициента К находится в диапазоне 1,5-2,5; среднее значение К-2. Для агрегатов с системой измерения и контроля температуры продуктов после турбины значение коэффициента К находится в диапазоне 3-6; среднее значение его составляет 5.

Примеры конкретного использования технического решения приведены для агрегата ГТК-10.

П р и м е р 1. Контроль изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки с системой измерения и контроля температуры продуктов сгорания перед турбиной.

В начальный период эксплуатации агрегата на установившемся режиме работы были зафиксированы следующие параметры ГТУ: средняя температура продуктов сгорания перед турбиной t_1ср= 765^оС, неравномерность температур продуктов сгорания на входе в турбину Δ t₁₀= 20^оС, концентрация окислов азота в выхлопных газах C= 320 мг/м³.

После 1500 ч эксплуатации установки режим работы агрегата со средней температурой продуктов сгорания перед турбиной t_3ср= 765^оС. Измеренная неравномерность температур продуктов сгорания перед турбиной составила Δ t₁= 95^oC.

Изменение текущей величины концентрации окислов азота в выхлопных газах от ее исходной величины составляет
Δ C= 2 320= 63 мг/м³
Величина концентрации окислов азота в процессе эксплуатации составило 320+63= 383 мг/м³, т. е. увеличилась на 19,7% .

П р и м е р 2. Контроль изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки с системой измерения и контроля температур продуктов сгорания за турбиной.

В начальный период эксплуатации агрегата на установившемся режиме работы были зафиксированы следующие параметры ГТУ: средняя температура продуктов сгорания после турбины t_2ср= 520^оС, неравномерность температур продуктов сгорания на выходе из турбины Δ t₂₀= 7^оС, концентрация окислов азота в выхлопных газах C= 350 мг/с³.

После 2000 ч эксплуатации установили режим работы агрегата со средней температурой продуктов сгорания после турбины t₂₀= 520^оС. Измеренная неравномерность температур продуктов сгорания после турбины составила Δ t₂= 47^oC.

Изменение текущей величины концентрации окислов азота в выхлопных газах от ее исходной величины составляет
Δ C= 4 350= 108 мг/м³
Величина концентрации окислов азота в процессе эксплуатации составила 350+108= 458 мг/м³, т. е. увеличилась на 30,8% .

Использование изобретения позволяет повысить точность и надежность контроля изменения экологических характеристик газотурбинных установок в процессе их длительной эксплуатации. (56) Патент ША N 3744712, кл. 431-115, 1964.

Перегуд Е. А. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. М. : Химия, 1970, с. 358.

Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л. : Недра, 1988, с. 162-165.

Использование: газотурбостроение, для контроля в промышленных условиях изменения концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки. Сущность изобретения: определяют изменение концентрации окислов азота в выхлопных газах газотурбинной установки по изменению неравномерности поля температур продуктов сгорания с использованием штатных систем контроля. 1 ил.

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКИСЛОВ АЗОТА В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ путем измерения параметра, характеризующего концентрацию окислов азота, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, на режиме постоянной средней температуры продуктов сгорания в проточной части турбины измеряют неравномерность температур продуктов сгорания и последнюю используют в качестве параметра, характеризующего концентрацию, определяют изменение неравномерности температур продуктов сгорания и по ней определяют изменение концентрации окислов азота по следующему соотношению:
ΔC= K ·C
где K - постоянный коэффициент, зависящий от типа газотурбинной установки;
t_ср - средняя температура продуктов сгорания;
Δt₀ , Δ t - заданная и текущая неравномерность температуры продуктов сгорания;
C_NOx - исходная концентрация окислов азота в выхлопных газах.