Pravidelný monitoring má u nás legislatívny základ v zákone o ovzduší č. 137/2010, ktorý stanovuje požiadavky na inštaláciu a prevádzkovanie zdrojov znečisťovania ovzdušia a vo vyhláške Ministerstva pôdohospodárstva, životného prostredia a regionálneho rozvoja SR č. 356/2010 Z. z. o monitorovaní [10].
Tento príspevok je orientovaný na monitorovanie škodlivých znečisťujúcich látok na technologických zariadeniach, ktoré sú využívane spoločnosťou zaoberajúcou sa prepravou a distribúciou zemného plynu. Riešenie tejto problematiky je na mieste, pretože v dôsledku zavádzania stále prísnejších emisných limitov pre jednotlivé zariadenia, ako aj samotné zdokonaľovanie zariadení prepravujúcich zemný plyn, vedie k zvyšovaniu kvality životného prostredia v celosvetovom meradle.

MATERIÁL A METÓDY
Ako predmet monitorovania emisií vyprodukovaných technologickými zariadeniami sme zvolili turbosústroj Nuovo Pignone T 23 MW. Na monitorovanie koncentrácií a objemu emisií spalín vypúšťaných do ovzdušia sme sa rozhodli využiť dva systémy. Hlavným systémom monitorovania je emisný monitorovací systém, ktorý zbiera informácie o aktuálnych hodnotách emisií a výsledky posiela na Úrad životného prostredia.
Ako záloha k tomuto systému funguje priebežné monitorovanie prostredníctvom prístroja Horiba PG-250, ktorý predstavuje kontrolu správnosti ukazovateľov emisného monitorovacieho systému a predstavuje taktiež zálohu v prípade poruchy na emisnom monitorovacom systéme.

Obr.1. Turbína PGT 25 (Solin, 2015)

 

Stručná charakteristika turbosústroja Nuovo Pignone T 23 MW
Samotný turbosústroj sa skladá z troch základných častí, ktoré zastrešujú všetky jeho funkcie:
• Generátor plynu LM 2500 SAC (Standard Annular Combustor) – je plynová turbína s otvoreným cyklom. Slúži na výrobu horúcich plynov, ktoré poháňajú výkonovú turbínu. Spaľovacia komora má po obvode rozmiestnených 30 palivových trysiek vytvárajúcich vírivé prúdenie, zabezpečujúce stabilitu plameňa a zmiešavanie paliva so vzduchom [7, 8, 11].
• Výkonová turbína PGT 25 (obr.1) – je dvojstupňová a predstavuje pracovnú turbínu, ktorá využíva na vytvorenie krútiaceho momentu energiu horúcich plynov, dodávaných plynovým generátorom (tab.1). Medzi výkonovou turbínou a kompresorom je zubová spojka s možnosťou vyrovnávať rozdielnu výškovú polohu hriadeľov spôsobenú prevádzkovými dilatáciami. Generátor plynu LM 2500 spolu s výkonovou turbínou PGT 25 tvoria plynovú turbínu PGT 25 (GT – PGT 25) [4, 7].
• Odstredivý plynový kompresor PCL 602/30 – ide o dvojstupňový kompresor s tangenciálnym vstupom a výstupom plynu. Kompresor PCL 602/30 je jednotelesový, barelového typu s vertikálnou deliacou rovinou, poháňaný výkonovou turbínou cez zubovú spojku [5, 6, 9].

Tab. 1. Technické parametre turbíny PGT 25 (Zelenický, 2000)

 

Stručná charakteristika použitých metód monitorovania
Emisný monitorovací systém
Emisný monitorovací systém je systém, ktorý slúži na nepretržité monitorovanie plynových turbín, ktoré sú definované do skupiny veľkých zdrojov znečistenia. Tento systém počas prevádzky zbiera informácie o aktuálnom stave emisií, tieto informácie následne vyhodnocuje a ukladá do databázy.
Význam využívania EMS systému monitorovania strojových zariadení je zvlášť dôležitý v prevádzke s rotačnými strojmi. Výhodou diaľkového prenosu údajov je hlavne prenos informácií zo vzdialených prevádzok v reálnom čase, sledovanie chodu strojov a vyhodnocovanie získaných údajov [1, 2].
Jednou z najdôležitejších vlastností EMS systému je zachytenie všetkých prevádzkových stavov, pod ktorými sa rozumie nábeh, odstávka, alebo zmena otáčkového režimu.

Horiba PG-250
Ide o prenosný pristroj (obr. 2) s pomerne nízkou hmotnosťou a malými rozmermi. Obsahuje systém úpravy vzorky, ktorý je použitý aj v stacionárnych meracích systémoch. Hlavným využitím analyzátora PG-250 je záloha kontinuálneho merania emisii, meranie účinnosti spaľovania a nastavovania spaľovacích procesov [3, 6].

Obr. 2. Analyzátor Horiba PG-250 (Horiba, 2015)

 

Prístroj obsahuje kompletnú úpravu vzorky, vrátane čerpadla plynu, elektrického chladiča plynu, konvertora NO2-NO, zdroja O3 pre chemiluminiscenčnú reakciu, prípravy referenčného plynu [12].

Meracie princípy prístroja:
• NO/NOx – chemiluminiscencia,
• SO2 – IR infračervená absorpcia,
• CO – IR infračervená absorpcia,
• CO2 – IR infračervená absorpcia,
• O2 – paramagnetický princip galvanickeho članku.

VÝSLEDKY A DISKUSIA
Účelom priebežného merania, je stanovenie koncentrácií a hmotnostných emisií znečisťujúcich látok v spalinách vypúšťaných do ovzdušia pri rôznych otáčkových režimoch prevádzkovaných turbosústrojov. Pri tomto konkrétnom prípade merania ide o to, aby sa potvrdilo, či sú dodržané garantované emisné parametre.

Priebeh monitorovania
Pri priebežnom monitorovaní koncentrácií oxidov dusíka (NOx) a oxidu uhoľnatého (CO) na turbosústroji Nuovo Pignone T23MW sa odberné miesto na zaznamenávanie hodnôt emisií nachádzalo priamo v spalinovode, v mieste medzi strojovňou a komínom, kde bol pripravený presný návarok s otvorom na vloženie odberovej sondy (obr. 3).

Obr.3. Odberné miesto pre priebežné monitorovanie (Vlastné, 2015)

 

Samotný odber vzoriek sa pravidelne vykonával v spalinovodnom potrubí pomocou odberovej sondy s dĺžkou 1 500 mm.
Proces monitorovania sa vykonával od momentu dosiahnutia výkonu na hranicu 15 MW a kontinuálne pokračoval až po maximálny výkon, ktorý dovoľuje prevádzkový režim daného stroja. Vzorka bola cez vyhrievanú odbernú sondu dopravená do prenosného systému úpravy vzoriek. Suchá vzorka bola dopravená do analyzátora, kde boli zmerané hodnoty emisií.
V tab. 2 sú zaznamenané prevádzkové parametre, ktoré boli odčítané z riadiaceho systému. Tieto hodnoty nám poskytujú obraz o stave vypúšťaných emisií z tohto technologického zariadenia na základe emisných limitov. Pre tieto stroje platí emisný limit pre NOx – 300 mg.m-3 x 37/30 = 370 mg.m-3 a pre COr – 100 mg.m-3.

Tab. 2. Prevádzkové parametre a emisie namerané počas monitorovania

 

Z hodnôt v tab. 2 bolo následne zostrojené grafické znázornenie obr. 4, ktoré poukazuje na priebeh emisii pri zadaných prevádzkových parametroch, závislosť emisií v spalinách voči výkonu. Pri tomto meraní bolo potvrdené, že emisie COr dosiahli maximálnu hodnotu 23,7 mg.m-3, pričom emisný limit je 100 mg.m-3. Hodnoty emisií NOxr sú vysoké a pri maximálnom menovitom výkone dosahujú hodnotu 371,8 mg.m-3, čo je už vyššia hodnota ako dovolený emisný limit 370 mg.m-3.

Obr.4. Namerané hodnoty počas monitorovania

 

Na riešenie problému vysokých emisií NOx v turbosústrojoch Nuovo Pignone je navrhovaných viacero alternatív, nakoniec sa na základe všetkých technických ukazovateľov dospelo k záveru, že najlepším riešením bude nahradiť pôvodne spaľovacie sekcie turbosústrojov sekciami DLE – Dry Low Emissions.
Princíp funkcie systému DLE spaľovania spočíva v predzmiešaní vzduchu s palivom ešte pred horením. Hlavnou výhodou tohto systému je možnosť dosiahnuť nižšiu reakčnú teplotu, ako teplotné pásmo, v ktorom je produkcia emisií NOx vysoká. Samotná konštrukcia systému DLE je charakteristická niekoľkými predzmiešavacími spaľovacími zariadeniami, ktoré sú nainštalované priamo na plynovom generátore [7, 9, 12].

Záver
Hlavným cieľom tohto príspevku bolo vykonať monitorovanie emisií vypúšťaných z technologického zariadenia Nuovo Pignone do ovzdušia. Zamerali sme sa na emisný monitorovací systém, ako aj na využitie prenosného monitorovacieho systému. Pomocou monitorovania sme zaznamenali parametre emisných hodnôt vznikajúcich pri prevádzke turbosústroja Nuovo Pignone T 23 MW. Preukázali sme význam monitorovania v tejto oblasti, nakoľko sme zaznamenali aj prekročenie emisného limitu pre emisie NOx do 370 mg.m-3. Emisie CO sa pohybovali v dovolenom pásme pre tento typ emisií. Vzhľadom na budúcu zmenu v legislatíve a zníženie emisných limitov pre emisie NOx do 75 mg.m-3, je vhodné zaoberať sa možnosťami monitorovania i následného znižovania množstva emisii, ktoré sa dostávajú do ovzdušia. Zaujímavým riešením by mohla byť konverzia plynovej turbíny so štandardným spaľovaním SAC (Standard Annular Combustor) na systém DLE (Dry Low Emissions) s nízkymi hodnotami produkovaných emisii v spalinách, čím by sa znížila produkcia emisii v predpokladanom rozsahu na jednu tretinu hodnôt aktuálneho stavu. Samozrejme, tento efekt by mal vplyv aj na životné prostredie a samotné ovzdušie, ktoré je dôležitým činiteľom v živote všetkých živých organizmov.

Poďakovanie
Príspevok je súčasťou riešenia projektu KEGA č.008TU Z-4/2016 s názvom „Nové formy a metódy výučby v oblasti bezpečnosti strojových zariadení“.

LITERATÚRA
1. ANTHONY, G. 2006: Gas Turbine Handbook: Principles and practices. 3.vyd. The Faimont Press, 2006. ISBN 0-88173-515-9.
2. BOYCE, M., P.: Gasturbine engineering handbook. Fourt edition 2012. 1000 p. ISBN 978-0-12-383842-1.
3. EUSTREAM, a. s.: LM2500 + DLE GE Industrial Aero Derivative Gas Turbines: Geproprietary information.
4. KISS, G.: Zvýšenie kompresného pomeru kompresorovej stanice 01: Záverečná práca PGŠ. Košice, 2002.
5. KOPNY, R.: 2004. Prevádzka spaľovacích turbín v SPP, a. s.; aspekty emisii a hluku s navrhom riešení. Slovgas 3/2004.
6. OCHODNICKÝ, M. – KOŠTIAL, I.: Kontinuálny emisný automatizovaný merací systém strojov NUOVO PIGNONE.
7. PEŤKOVÁ, V.: 2010. Teória a aplikácia vybraných metód technickej diagnostiky. Technická univerzita v Košiciach, s. 44 – 45, ISBN 978-80-553-0483-0.
8. SINAY, J.: Riziká technických zariadení – Manažérstvo rizika. Košice: Technická univerzita, 1997, ISBN 80-967783-0-7.
9. SOARES, C.: Gasturbines. Butterworth- Heineman 2008. 750 p. ISBN 978-0-7506-7969.
10. SOLIN, Ľ.: 2015. Environmentálne aspekty úprav spaľovacích komôr na vybraných zariadeniach. Diplomová práca. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre. 54 s.
11. ZELENICKÝ, M.: 1995. Predpis pre prevádzku T 23 MW NUOVO PIGNONE.
12. ŽARNOVSKÝ, J. – PEŤKOVÁ, V. – RUŽBÁRSKY, J.: 2009. Diagnostika strojov a zariadení. Nitra: Slovenská poľnohospodárska univerzita, 2009, ISBN 978-80-552-0300-3.

TEXT/FOTO Dominik GAŠPAROVIČ, Jozef ŽARNOVSKÝ, Dušan NÓGLI, Technická fakulta, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Recenzent/Reviewer
Ing. Štefánia Salokyová, PhD.