Способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа Российский патент 2025 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к промышленной экологии и может быть использовано для определения массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

В соответствии с действующим природоохранным законодательством, непрерывный автоматизированный контроль вредных выбросов из стационарных источников загрязнения предусмотрен только для объектов первой категории по негативному воздействию на окружающую среду. Для источников загрязняющих веществ компрессорных станций, являющихся объектами третьей категории по негативному воздействию на окружающую среду, проводится периодический (1 раз в квартал) контроль выбросов оксидов азота и углерода.

Учитывая, что газоперекачивающие агрегаты работают непрерывно в широком диапазоне режимов, для мониторинга и совершенствования мероприятий по снижению выбросов, направленных на повышение экологической безопасности с целью прогнозирования возможных кратковременных превышений максимально разовых выбросов, возникает необходимость разработки альтернативных методов определения эмиссии загрязняющих веществ.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, представленное в патенте РФ №2573625 от 01.10.2013 (авторы: Нохрин Лев Владимирович, Тишечкин Николай Николаевич, Дятлов Алексей Викторович, Сайченко Сергей Иванович), которое выбрано нами за прототип.

Способ-прототип предназначен для определения расхода дымовых газов от энергетического оборудования, использующего в качестве топлива метан, по содержанию в дымовых газах кислорода и расходу топливного газа.

Прототип, на наш взгляд, имеет недостатки, ограничивающие его применение для непрерывного определения массовых выбросов загрязняющих веществ в составе дымовых газов:

- прототип определения расхода дымовых газов, по существу, является математической моделью, основанной на строгом балансе объемов топлива и продуктов сгорания, и не содержит элементов, которые необходимы для реализации расчета массовых выбросов загрязняющих веществ, основанных на параметрах работы газоперекачивающих агрегатов. К таким основным технологическими параметрам, позволяющим рассчитать состав дымовых газов, относятся термогазодинамические параметры;

- математическая модель прототипа содержит экспериментальные данные о содержании кислорода в дымовых газах с обязательным использованием переносного газоанализатора и данные о расходе топливного газа, полученные штатными средствами измерения. Нами предложен метод расчета выбросов загрязняющих веществ без использования газоанализатора.

Технической проблемой изобретения является разработка способа определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа с достижением следующего технического результата: определение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду в режиме реального времени, что позволит использовать его в системе мониторинга.

Предлагаемый способ определения величины выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа заключается в том, что измеряют барометрическое давление, температуру атмосферного воздуха, разряжение на всасе осевого компрессора, температуру на входе в осевой компрессор, температуру воздуха после осевого компрессора, частоту вращения ротора турбины низкого давления, частоту вращения ротора турбины высокого давления, среднюю температуру за турбиной низкого давления, избыточное давление после осевого компрессора; рассчитывают приведенные параметры для расчета эффективной (фактической) мощности N_e; определяют эффективную мощность при конкретных условиях эксплуатации по формуле:

,

где π_т - степень расширения на турбинах, определенная по формуле:

где - приведенное абсолютное давление газа на входе в турбину высокого давления, кгс/см;

- приведенное абсолютное давление газа за турбиной низкого давления, кгс/см;

Т_2т - средняя температура за турбиной низкого давления, К;

затем определяют мощность, приведенную к нормальным условиям N_{e пр} по формуле:

,

где Т_1к - температура на входе в осевой компрессор, К;

Р_а - барометрическое давление, Мпа;

в завершение производят расчет величины выбросов оксида углерода М_со и оксида азота в зависимости от температурного диапазона окружающей среды, в котором работает газотурбинный двигатель в данный момент времени, по следующим зависимостям:

для температурного диапазона от -25 до 0°С:

г/с;

г/с;

для температурного диапазона от 0 до 10°С:

г/с;

г/с;

для температурного диапазона от 10 до 25°С:

г/с;

г/с.

Для определения величины выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду используется не аналитическое оборудование, а математическая модель, эмулирующая величину мощности выбросов загрязняющих веществ в зависимости от технологических параметров газоперекачивающих агрегатов, полученных из штатных систем контроля и САУ:

- барометрическое давление;

- температура атмосферного воздуха;

- разряжение на всасе осевого компрессора;

- температура на входе в осевой компрессор;

- температура воздуха после осевого компрессора;

- частота вращения ротора турбины высокого давления;

- частота вращения ротора турбины низкого давления;

- средняя температура за турбиной низкого давления;

- избыточное давление после осевого компрессора.

Способ определения концентраций загрязняющих компонентов в выбросах по текущим технологическим параметрам является частным случаем математического моделирования, основные принципы которого описаны в литературе (например, «Теория горения и детонации газов» / под ред. Н.Н. Семенова, Я.Б. Зельдович - издательство АН СССР, 1994 -71 с.).

В качестве объекта были использованы ГПА стационарного типа номинальной производительностью 10,0 МВт. Перед расчетом содержания в дымовых газах загрязняющих веществ NO_x, СО рассчитывают комплексы, связывающие указанные выше величины. Определение величины выбросов осуществляют в приведенном ниже порядке.

1) Измерение параметров:

- Р_а - барометрическое давление, кПа;

- t_a - температура атмосферного воздуха,°С;

- ΔP_1к - разряжение на всасе осевого компрессора, кПа;

- t_1к - температура на входе в осевой компрессор,°С;

- t_2к - температура воздуха после осевого компрессора,°С;

- n_тнд - частота вращения ротора турбины низкого давления, об/мин.;

- n_твд - частота вращения ротора турбины высокого давления, об/мин.;

- t_2т - средняя температура за турбиной низкого давления,°С;

- Р_2к - избыточное давление после осевого компрессора, кПа.

2) Расчет приведенных параметров для расчета эффективной мощности по следующим формулам:

где - Т_1к - температура на входе в осевой компрессор, К;

где - Т_{2 т} - средняя температура за турбиной низкого давления, К;

где - Р_1к - давление воздуха на входе в осевой компрессор (абсолютное), кПа;

где - n_{твд пр} - обороты турбокомпрессора приведенные, об/мин;

где - n_{тнд пр} - обороты турбины низкого давления приведенные, об/мин;

где - Т_{2т пр} - приведенная температура газов за турбиной низкого давления, К;

где - - абсолютное давление воздуха за осевым компрессором, кПа;

где - ε_ок - степень сжатия воздуха в осевом компрессоре;

где - - приведенное абсолютное давление воздуха за осевым компрессором, кПа;

где -- приведенное абсолютное давление газа на входе в турбину высокого давления, кгс/см;

- - приведенное абсолютное давление газа за турбиной низкого давления, кгс/см;

- π_т - степень расширения на турбинах.

Степень расширения газа в турбине π_т показывает, во сколько раз снижается давление при расширении газа в турбине.

3) Определение эффективной мощности при конкретных условиях эксплуатации по формуле:

где - N_e - мощность фактическая, кВт.

4) Расчет приведенной мощности N_{e пр} в кВт:

где - N_{e np} - мощность, приведенная к нормальным условиям, МВт.

5) Расчет выбросов оксида азота и оксида углерода (NO_x, СО) производят в зависимости от температурного диапазона (t_атм) окружающей среды, в котором работает газотурбинный двигатель в данный момент времени:

5.1) Расчет величины выброса оксида углерода (М_со) по зависимостям: для температурного диапазона от -25 до 0°С:

для температурного диапазона от 0 до 10°С:

для температурного диапазона от 10 до 25°С:

5.2) Расчет величины выброса оксида азота (M_NOx) по зависимостям: для температурного диапазона от -25 до 0°С:

для температурного диапазона от 0 до 10°С:

для температурного диапазона от 10 до 25°С:

Погрешность расчета выбросов загрязняющих веществ по заявляемому способу (с учетом погрешности средства измерения) составляет ±10% по NO_x, ±15% по СО.

Для вывода эмпирических формул использовался экспериментальный метод. Замеры выбросов загрязняющих веществ от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа проводились переносным газоанализатором в соответствии с СТО Газпром 2-3.5-038-2005 «Инструкция по проведению контрольных измерений вредных выбросов газотурбинных установок на компрессорных станциях. Москва, 2005 г.».

Способы определения коэффициентов в полученных уравнениях на основании экспериментальных данных достаточно широко представлены в литературе по статистике и в специальной литературе (например, Джонсон К. Численные методы в химии: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 504 с.).

Пример определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа приведен в таблицах 1-3.

Изобретение относится к промышленной экологии и может быть использовано для определения массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Способ определения величины выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду заключается в том, что измеряют барометрическое давление, температуру атмосферного воздуха, разряжение на всасе осевого компрессора, температуру на входе в осевой компрессор, температуру воздуха после осевого компрессора, частоту вращения ротора турбины низкого давления, частоту вращения ротора турбины высокого давления, среднюю температуру за турбиной низкого давления, избыточное давление после осевого компрессора; рассчитывают приведенные параметры для расчета эффективной (фактической) мощности N_e; определяют эффективную мощность при конкретных условиях эксплуатации по формуле:

где π_т - степень расширения на турбинах, определенная по формуле: - приведенное абсолютное давление газа на входе в турбину высокого давления, кгс/см; - приведенное абсолютное давление газа за турбиной низкого давления, кгс/см; Т_2т - средняя температура за турбиной низкого давления, K; затем определяют мощность, приведенную к нормальным условиям N_{e пр} по формуле:

, где Т_1к - температура на входе в осевой компрессор, K; Р_а - барометрическое давление, Мпа; в завершение производят расчет величины выбросов оксида углерода М_со и оксида азота M_NOx в зависимости от температурного диапазона окружающей среды, в котором работает газотурбинный двигатель в данный момент времени, по следующим зависимостям: для температурного диапазона от -25 до 0°С:

для температурного диапазона от 0 до 10°С:

для температурного диапазона от 10 до 25°С:

Технический результат - определение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду в режиме реального времени для использования в системе мониторинга. 3 табл.

Способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от газоперекачивающих агрегатов стационарного типа, заключающийся в том, что измеряют барометрическое давление, температуру атмосферного воздуха, разряжение на всасе осевого компрессора, температуру на входе в осевой компрессор, температуру воздуха после осевого компрессора, частоту вращения ротора турбины низкого давления, частоту вращения ротора турбины высокого давления, среднюю температуру за турбиной низкого давления, избыточное давление после осевого компрессора; рассчитывают приведенные параметры для расчета эффективной фактической мощности N_e; определяют эффективную мощность при конкретных условиях эксплуатации по формуле:

,

где π_т - степень расширения на турбинах, определенная по формуле:

- приведенное абсолютное давление газа на входе в турбину высокого давления, кгс/см;

- приведенное абсолютное давление газа за турбиной низкого давления, кгс/см;

Т_2т - средняя температура за турбиной низкого давления, К;

затем определяют мощность, приведенную к нормальным условиям N_{e пр} по формуле:

,

где Т_1к - температура на входе в осевой компрессор, К;

Р_а - барометрическое давление, Мпа;

в завершение производят расчет величины выбросов оксида углерода М_со и оксида азота в зависимости от температурного диапазона окружающей среды, в котором работает газотурбинный двигатель в данный момент времени, по следующим зависимостям: для температурного диапазона от -25 до 0°С:

г/с;

г/с;

для температурного диапазона от 0 до 10°С:

г/с;

г/с;

для температурного диапазона от 10 до 25°С:

г/с;

г/с.