Modifikácia turbosústrojov T23MW Nuovo Pignone zo SAC na DLE

SLOVGAS❙december 2015

Techniky a technológie

Eustream sa postupne podarilo získať zručnosť a istotu pri nastavovaní spaľovania plynového generátora RB211 24G DLE, a dnes patria do veľmi úzkej skupiny prevádzkovateľov v celosvetovom meradle, ktorí sú schopní efektívne nastavovať proces spaľovania plynového generátora RB 211 24G DLE bez asistencie výrobcu. Operatívne dokážu reagovať a vykonávať potrebné korekcie podľa potreby v požadovanom čase, za minimálne náklady, bez nutnosti asistencie servisných technikov Rolls Royce a pri minimalizácii rizika zlyhania high-tech technológie. Lektor: Ing. Anton Zelenaj, PhD., Eustream Pozn. lektora: Prevádzkovanie takýchto výkonných jednotiek patrí k raritám nielen na Slovensku, ale aj v Európe a prístup k údržbe a nastavovaniu takýchto zariadení si vyžaduje od tímu pracovníkov profesionalitu a detailnú znalosť každého technického prvku. Kolegovia pod vedením G. Kardosa, ktorému udelila Slovenská spoločnosť údržby cenu „Údržbár roka 2014“, patria medzi ľudí, spĺňajúcich najvyššie požiadavky znalosti technického know-how.

Gejza Kardos (1963) Po skončení Strednej priemyselnej školy elektrotechnickej v roku 1982 nastúpil do firmy Trans Gas Praha na kompresorovú stanicu Jablonov nad Turňou, kde prešiel viacerými pozíciami. Od roku 1997 sa špecializuje na novú technológiu Rolls Royce s nízkoemisným spaľovaním. Od roku 2005 zastáva funkciu vedúceho oddelenia údržby pre celú flotilu technológie Rolls Royce v rámci Eustreamu a zodpovedá za technickú prípravu a realizáciu všetkých veľkých plánovaných a neplánovaných opráv technológie Rolls Royce. V roku 2014 získal cenu „Údržbár roka“, ktorú udeľuje Slovenská spoločnosť údržby.

Modifikácia turbosústrojov T23MW Nuovo Pignone zo SAC na DLE Gabriel BALÁŽ, Tomáš STOPKA História vývoja aeroderivátotov LM2500 Začiatkom 70. rokov minulého storočia bol z leteckého motora CF6-6, s ktorým dodnes rozličné komerčné lietadlá nalietali viac ako 300 miliónov letových hodín, odvodený plynový generátor LM2500. LM2500 využil modul 16-stupňového kompresora s vodiacimi lopatkami na vstupe a 6-stupňov variabilných lopatiek statora s modulom 2-stupňovej vysokotlakovej turbíny (HPT). Pôvodný dizajn mal ISO menovitý výkon 17,9 MW s účinnosťou jednoduchého cyklu 35,8 %. V roku 1992 prebehla modifikácia dizajnu. ISO menovitý výkon sa zvýšil na 23,8 MW s tepelnou efektivitou jednoduchého cyklu 37,5 %. V roku 1997 sa LM2500 modifikoval na LM2500+, keď sa na začiatok kompresora pridal nulový stupeň disku lopatiek, čím sa zvýšil kompresný pomer z 20:1 na 23:1. Niektoré zmeny materiálu v časti vysokotlakovej turbíny, ako aj zvýšenie prietokového množstva voľnej výkonovej turbíny zvýšilo ISO menovitý výkon na 31,3 MW s efektivitou jednoduchého cyklu 39,5 %. V roku 2005 bola predstavená plynová turbína LM2500+G4, najnovšie zvýšenie výkonu rodiny LM2500. LM2500+G4 poskytla nárast výkonu o 10 % oproti modelu LM2500+. 24

Smernice Európskeho parlamentu a Rady o priemyselných emisiách viedli v spoločnosti Eustream k rozhodnutiu realizovať projekt modifikácie 4 ks turbosústrojov T23MW SAC na T23MW DLE. Problematika emisných limitov spaľovacích turbín a systémy ich redukcie Plynové turbíny produkujú značné množstvo emisií, napr. NOx, SOx, CO, UHC, preto podliehajú regulačným obmedzeniam. Základnou zásadou, ktorá sa aplikuje pri nových jednotkách, je súlad s najlepšou dostupnou technológiou - Best Available Technology (BAT), zatiaľ čo pri starších, skôr nainštalovaných jednotkách, zvyknú


byť nariadenia tolerantnejšie. Z tohto dôvodu dostávajú výrobcovia plynových turbín požiadavky na modernizáciu nimi nainštalovanej flotily s cieľom zníženia emisií. Najnebezpečnejším druhom škodlivín, ktoré produkujú plynové turbíny, sú NOx. Ich zníženie je primárnym cieľom vyvíjaných technológií. Všetky plynové turbíny, ktoré v súčasnosti vyrába GE, majú k dispozícii systémy na znižovanie NOx, ktoré je možné vo všeobecnosti rozdeliť na „SUCHÉ“ a „MOKRÉ“ technológie, v závislosti od toho, či sa znižovanie NOx dosahuje pomocou využitia vody (mokré technológie) alebo bez vody (suché technológie). Okrem technológií vyvinutých na znižovanie emisií na úrovni motora, konkrétne v rámci spaľovacieho systému motora, existujú technológie, ktoré zavádzajú znižovanie emisií na systéme výfuku motora (systémy selektívnej katalytickej redukcie). Metódy na zníženie emisií NOx (obr.1): •S NCR, selektívna nekatalytická redukcia (Selective Non Catalytic Reduction), • WI, vstrekovanie vody (Water Injection),

obr. 1

obr. 2


• SI, vstrekovanie pary (Steam Injection), • DLE, suché nízke emisie (Dry Low Emissions), • CLN, technológia Cheng, homogénne predzmiešavanie pary s palivom Cheng Low NOx, • SCR, selektívna katalytická redukcia (Selective Catalytic Reduction), • SCONOx, technológia katalytickej redukcie s využitím katalytickej oxidácie a absorpčnej technológie (Catalytic Absorption System), • Catalytic, katalytický spaľovací systém.

Spaľovacie systémy plynovej turbíny

Spaľovacia komora plynovej turbíny je zariadenie, ktoré zabezpečuje tepelnú energiu pre termodynamický cyklus motora pomocou spaľovacej reakcie. Spaľovanie v plynovej turbíne je nepretržitý proces a musí sa udržať stabilný v širokom rozsahu prevádzkových podmienok. Palivo sa spaľuje s nadmerným množstvom vzduchu, aby sa teplota na vstupe do turbíny udržala na zodpovedajúcej úrovni. Spaľovacie systémy ply novej turbíny môžu byť difúzneho typu, alebo tzv. typ s predmiešaním. V difúznych spaľovacích komorách (obr. 2) sa palivo a vzduch vstrekujú do reakčnej zóny samostatne. Reakčné látky sa pomocou difúzneho procesu kombinujú a ako výsledok sa rýchlosť plameňa obmedzí mierou difúzie. Tieto spaľovacie komory boli štandardnými jednotkami asi pred 30 rokmi. Geometria je Úrovne emisií pre technológie znižovania emisií NOx vzhľadom k SAC relatívne jednoduchá a môže sa veľmi ľahko regulovať vďaka schopnosti difúzneho plameňa udržať stabilné spaľovanie v širokom rozsahu pomerov paliva/vzduchu. Hlavnou nevýhodou difúznych spaľovacích komôr je problematické riadenie emisií NOx. Ako je znázornené na obr. 2, primárny parameter, ktorý má vplyv na tvorbu NOx, je reakčná teplota, ktorá je silno závislá od pomeru palivo/ vzduch. V týchto spaľovacích komorách sa, vďaka procesu difúzie, reakcia stabilizuje v stechiometrických oblastiach, kde je teplota a následne tvorba Difúzna/predzmiešaná spaľovacia komora NOx vysoká. 25



Na prekonanie obmedzenia difúznych spaľovacích systémov sa pre plynové turbíny predstavili systémy DLE s predzmiešaným spaľovaním. V systémoch DLE sa palivo a vzduch potrebný pre spaľovanie pred vstreknutím do reakčnej zóny dokopy zmiešajú. Je teda možné riadiť pomer paliva/vzduchu, pri ktorom dochádza k spaľovaniu a teplota plameňa sa môže znížiť chudobným spaľovaním tak, aby sa dosiahla veľmi nízka produkcia NOx. Na dosiahnutie nízkych NOx bez zhasnutia plameňa a vysokého CO sa pomer palivo/vzduch musí udržiavať v relatívne úzkom rozsahu. Keďže od vznietenia po plné zaťaženie sa celkový pomer paliva/vzduchu plynovej turbíny mení nad rámec optimálneho rozsahu plameňa s predzmiešanou zmesou, je potrebné zaviesť stratégie špeciálneho riadiaceho a prevádzkového režimu.

obr. 3

Spaľovacia komora DLE

obr. 4

Klenba spaľovacej komory

Spaľovacie systémy DLE Pôvodné plynové turbíny LM2500 pracovali so štandardnou prstencovou spaľovacou komorou, ktorá využívala jeden prechod difuzéra kompresora a jeden rad 30 palivových dýz. Znižovanie emisií NOx sa dosahovalo vstrekovaním pary alebo vody na zníženie teploty horenia a zníženie tvorby NOx. V roku 1995 bola predstavená technológia spaľovania - Suché nízke emisie – Dry low emissions (DLE) a dosiahla 25 ppm NOx emisií bez vstrekovania vody alebo pary. Spaľovacia komora DLE využíva 30 predzmiešavačov, 75 vstrekovačov podelených do stupňov a štvorcestný difuzér kompresora. Plynová turbína LM2500 DLE môže dosiahnuť 25 ppm NOx a 25 ppm CO od zaťaženia 75 % do plného výkonu. Rez spaľovacej komory DLE je znázornený na obr. 3. Je to spaľovacia komora prstencovitého typu s typickou konfiguráciou viacerých horákov. Využíva koncept stupňovania paliva na optimalizáciu pomeru vzduch/palivo pri spaľovaní v čiastočnom zaťažení. Klenba spaľovacej komory (obr. 4) sa skladá z troch prstencových kruhov predzmiešavačov. Dve vonkajšie prstencové zóny majú každá 30 predzmiešavačov, zatiaľ čo vnútorná prstencová zóna má 15. Toto rozloženie 75 predzmiešavačov uľahčuje stupňovanie paliva počas výkonu pri neúplnom zaťažení v prevádzke plynovej turbíny.

Modifikácia plynových turbín PGT25 SAC na DLE v spoločnosti Eustream Plynové turbíny PGT25 SAC (SAC, Single Annular Combustion, štandardná jednoduchá 26

prstencová spaľovacia komora) boli inštalované v rokoch 1991 až 1995. Pre tieto stroje výrobca garantoval emisný limit NOx 450 mg/m3. Súčasná slovenská legislatíva predpisuje pre tieto zariadenia maximálne hodnoty NOx na úrovni 370 mg/m3 a pre CO 100 mg/m3. Aby sa dodržali hodnoty NOx, bolo potrebné obmedzovať výkon strojov najmä v letných mesiacoch. V roku 2008 bol predložený návrh smernice Európskeho parlamentu a Rady o priemyselných emisiách, ktorý upravuje nové emisné limity. Smernica EÚ nadobudne účinnosť 1. 1. 2016. Emisné limity sa vzťahujú na stroje s tepelným príkonom, ktorý sa rovná alebo je vyšší ako 50 MW. Do tejto skupiny patria existujúce plynové turbíny PGT25 SAC. Maximálna hodnota emisných limitov bude predstavovať: NOx = 75 mg/m3 a CO = 100 mg/m3. Z týchto skutočností vyplývala nevyhnutnosť modifi kácie strojov T23 MW tak, aby mohli byť prevádzkované aj po 31. 12. 2015. Z týchto dôvodov bolo vedením spoločnosti Eustream rozhodnuté realizovať projekt modifikácie 4 ks


turbosústrojov T23MW SAC na T23MW DLE. Na obr. 5 je porovnanie plynového generátora LM2500 SAC a DLE. V rámci modifikácie plynovej turbíny PGT25 SAC za plynovú turbínu s nízkoemisnou spaľovacou komorou DLE bolo potrebné vykonať tieto činnosti (obr. 6): • demontáž plynového generátora LM2500 SAC, • inštaláciu plynového generátora LM2500 DLE, • úpravu protihlukového krytu (výmena žeriavu, úprava systému ventilácie krytu), • úpravu systému odberu vzduchu z axiálneho kompresora, • úpravu palivového systému (vrátane inštalácie chromatografu palivového plynu), • výmenu protinámrazového systému, • úpravu sacieho traktu (nasávaný vzduch pre proces spaľovania), • inštaláciu nových káblových rozvodov, meracích a regulačných členov, • náhradu riadiaceho systému MARK V za MARK VI, • modifikáciu protipožiarneho systému a plynovodetekčného systému v protihlukovom kryte stroja, • modifikáciu výkonovej turbíny PGT25, • inštaláciu nového prechodového kusa, • štart a mapovanie stroja, • komplexné skúšky a skúšobnú prevádzku. Rozsah modifikácie bol realizovaný na štyroch

obr. 5


Eustream projektom modifikácie 4 ks turbosústrojov získal, okrem iného, možnosť prevádzkovať jednu z kľúčových technológií bez rizika prekračovania emisií.

obr. 6

Modifikácia výkonovej turbíny PGT25 SAC na DLE

Porovnanie plynového generátora LM2500 SAC a DLE 27



množstvo NOx pre modifikáciou 300

množstvo NOx po modifikáciou

množstvo NOx pre modifikáciou

273,77

207,839 200

200 NOx (t)

NOx (mg/m3)

250

150 100 50

41,25

0

obr. 7

množstvo NOx po modifikáciou

250

150 100 40,918

50 0

Porovnanie priemerného množstva vyprodukovaných emisií NOx počas prevádzky PGT 25 po dobu 4 900 hod. pred a po modifikácii: vľavo v mg/m3, vpravo v t.

turbosústrojoch na týchto kompresorových staniciach: • KS01 Veľké Kapušany - 1 turbosústroj, • KS03 Veľké Zlievce - 2 turbosústroje, • KS04 Ivanka pri Nitre - 1 turbosústroj. Konštrukčná životnosť turbosústroja po modifikácii bude minimálne 20 rokov, alebo minimálne 170-tisíc prevádzkových hodín, pri zachovaní špecifikovaného cyklu údržby.

Benifity modifikácie plynovej turbíny PGT25 SAC na DLE Eustream projektom modifikácie 4 ks turbosústrojov T23MW SAC na T23MW DLE získal tieto benefity:

Ing. Gabriel Baláž (1964) Je absolventom Vysokej vojenskej technickej školy v Liptovskom Mikuláši, odbor automatizované systémy riadenia. V spoločnosti Eustream pracuje od roku 1990 na rôznych technických a manažérskych pozíciách prevádzky 25 MW elektrosústrojov, prevádzky 23 MW a 27 MW turbosústrojov. V súčasnosti je supervízorom v organizačnej jednotke turbosústrojenstiev v sekcii aktív. [email protected]

• možnosť prevádzkovať jednu z kľúčových technológií aj po nabehnutí platnosti novej európskej legislatívy bez rizika prekračovania emisií, • komplexnú modernizáciu tejto technológie, ktorú by inak bolo nevyhnutné tak či tak realizovať postupne – riadiaci systém, generálne opravy plynových generátorov, • potvrdenie stratégie firmy ako ekologicky orientovanej spoločnosti. Zníženie množstva emisií v tonách demonštruje obr. 7, • nižšie ekonomické nároky na servis a údržbu technológie. Lektor: Ing. Peter Paulis, Eustream

Ing. Tomáš Stopka (1987) Je absolventom Strojníckej fakulty STU v Bratislave, odboru tepelné energetické stroje a zariadenia (2011). Počas vysokoškolského štúdia stážoval v spoločnosti Eustream na oddelení diagnostiky. Okrem prvého miesta v súťaži „Národná cena plynárenského priemyslu SR za rok 2011” získal za svoju diplomovú prácu aj ocenenie dekana Strojníckej fakulty STU v Bratislave. Od marca 2012 pracuje v spoločnosti Eustream. Do januára 2015 pôsobil v rámci organizačnej jednotky oprava a údržba kompresorov CR a RR. Momentálne je súčasťou tímu organizačnej jednotky turbosústrojenstvá. [email protected]

28

Modifikácia turbosústrojov T23MW Nuovo Pignone zo SAC na DLE

Recommend Documents