Какие нормы выбросов применяются к газогенераторным установкам на промышленных объектах?

Применимый стандарт выбросов определяется условиями установки, а не только маркировкой генератора. Газовый двигатель на промышленном объекте обычно оценивается в соответствии с сочетанием национальных или региональных норм выбросов двигателей, условий местного разрешения на выбросы в атмосферу, требований к топливному газу и ограничений по выбросам из дымовой трубы, установленных для конкретного объекта. Поэтому один и тот же агрегат номинальной мощности может иметь разные обязательства по соблюдению требований при переводе из резервного режима в непрерывную эксплуатацию, с удалённого нефтяного месторождения в городскую промышленную зону или с природного газа из трубопровода на попутный нефтяной газ.

Для газогенераторных установок основными регулируемыми загрязняющими веществами обычно являются оксиды азота (NOx), оксид углерода (CO), несгоревшие углеводороды или летучие органические соединения (VOC), формальдегид в некоторых юрисдикциях и твёрдые частицы. Углекислый газ обычно регулируется отдельными механизмами отчётности по парниковым газам, ценообразования на углерод или утверждения проектов, а не локальными лимитами загрязняющих веществ для двигателя. Следует также учитывать проскок метана при высокой доле метана в топливе, поскольку низкая видимая дымность не подтверждает низкое воздействие на климат.

Начните с нормативной категории установки

Органы регулирования часто различают двигатели, выпускаемые на рынок, и двигатели, работающие на стационарном промышленном объекте. Требования к соответствию продукции могут применяться при поставке двигателя или генерирующего комплекса, тогда как правила по выбросам от стационарных источников регулируют установленное оборудование после ввода в эксплуатацию. Поэтому сертификат соответствия двигателя является полезным подтверждением, но не означает автоматического выполнения условий разрешения на эксплуатацию объекта.

В большинстве юрисдикций генератор классифицируется сразу по нескольким условиям:

• Режим работы: аварийный резерв, резерв с ограниченным количеством часов работы, покрытие пиковых нагрузок, управление спросом, а также основной или базовый режим могут регулироваться по-разному. Годовые ограничения по часам работы часто столь же важны, как и предел концентрации выбросов.
• Номинальная мощность: пороговые значения могут основываться на электрической выходной мощности, механической мощности двигателя, тепловой мощности на входе или суммарной мощности нескольких агрегатов. Сопоставление номинала в кВт с нормативом, указанным в единицах тепловой мощности на входе, может привести к неверной классификации.
• Местоположение: промышленное зонирование не отменяет местных обязательств по качеству воздуха. Близость жилых зон, охраняемых территорий, существующих источников загрязнения и региональные условия образования озона могут привести к более строгим условиям разрешения.
• Источник и состав топлива: трубопроводный газ, биогаз, свалочный газ, APG и факельный газ имеют существенно разные характеристики сгорания и профили загрязняющих веществ.

Объект с несколькими небольшими агрегатами не должен исходить из того, что каждая машина будет оцениваться отдельно. Регулирующие органы могут рассматривать генераторы с общей топливной системой, общим отводом выхлопных газов, согласованной работой или общей производственной целью как одну группу источников. Этот вопрос часто возникает на поздней стадии проекта, когда отдельные двигатели уже выбраны.

Пределы выбросов необходимо рассматривать с учётом метода измерения

Значение выбросов мало что означает без указания основы испытаний. Пределы могут выражаться как концентрация в сухих выхлопных газах с приведением к заданному содержанию кислорода, масса на единицу подведённой энергии, масса на единицу механической работы или общая годовая масса выбросов. Внешне более низкая концентрация не обязательно лучше, если отличаются поправка на кислород, учёт влажности газа, нагрузка двигателя или период усреднения.

Например, газовый двигатель с обеднённой смесью обычно работает с избытком воздуха. Измеренная концентрация NOx может существенно меняться в зависимости от соотношения воздух-топливо, температуры окружающей среды и нагрузки. Если в разрешении указано значение для сухого газа с поправкой на содержание кислорода, а заводские данные приведены для влажного газа без такой поправки, эти два значения нельзя сопоставлять напрямую. Та же проблема возникает, когда в паспорте установки выбросы указаны при полной номинальной нагрузке, а на объекте агрегат будет длительное время работать при частичной нагрузке.

Качество топлива может вывести двигатель за пределы его исходного диапазона выбросов

Природный газ не является единообразным топливом. Попутный нефтяной газ и факельный газ могут содержать меняющиеся доли метана, более тяжёлых углеводородов, углекислого газа, азота, сероводорода, водяного пара и уносимых жидкостей. Эти изменения влияют на запас по детонации, стабильность сгорания, температуру выхлопа и образование загрязняющих веществ. Агрегат, соответствующий целевому уровню выбросов на определённом эталонном газе, может потребовать перенастройки, оборудования для подготовки топлива или иной схемы очистки выхлопных газов при изменении состава промыслового газа.

Подготовка топлива также выполняет функцию контроля выбросов. Унос жидкости может нарушить регулирование соотношения воздух-топливо и повредить компоненты камеры сгорания. Соединения серы могут сокращать срок службы катализатора; силоксаны в некоторых возобновляемых газах способны образовывать отложения, снижающие активность катализатора и ухудшающие работу датчиков. Удаление этих загрязнений является не только мерой обеспечения надёжности. Оно поддерживает условия эксплуатации, при которых были подтверждены показатели выбросов.

На нефтяном месторождении использование APG или факельного газа для выработки электроэнергии меняет сопоставление между факельным сжиганием и выхлопом двигателя, но не освобождает генератор от применимых требований к выбросам в атмосферу. Для проекта по-прежнему необходимы определённая спецификация топлива, метод реагирования на газ, не соответствующий спецификации, и записи, подтверждающие, что двигатель работал в утверждённом диапазоне. Поэтому газогенераторная установка мощностью 1000 кВт, настроенная для преобразования APG или факельного газа в электроэнергию, должна оцениваться как по диапазону параметров газового анализа, так и по местным требованиям к стационарным источникам, а не только по номинальной мощности.

Конструкция двигателя и очистка выхлопных газов влияют на разные загрязняющие вещества

Сгорание на обеднённой смеси обычно выбирают для газовых двигателей, поскольку оно может обеспечить эффективную работу и сравнительно низкое образование NOx. Его профиль выбросов чувствителен к управлению составом смеси и балансу цилиндров. Конфигурации с богатой смесью могут сочетаться с трёхкомпонентным каталитическим нейтрализатором, который способен снижать NOx, CO и выбросы углеводородов, если соотношение воздух-топливо поддерживается в узком диапазоне регулирования. Ни один из этих подходов не является универсально подходящим: изменчивость топлива, переходные изменения нагрузки, условия окружающей среды и требуемый предел определяют, может ли система управления поддерживать необходимый рабочий диапазон.

Селективное каталитическое восстановление является ещё одним возможным способом снижения NOx, особенно там, где действуют низкие пределы NOx. Оно влечёт собственные требования к соблюдению норм, включая хранение реагента, управление дозированием, температурный диапазон катализатора, управление проскоком аммиака и мониторинг. Каталитическую систему никогда не следует выбирать только по её номинальному проценту снижения выбросов. Существенный вопрос состоит в том, поддерживает ли она требуемую выходную концентрацию при минимальной ожидаемой нагрузке на объекте, максимальной ожидаемой температуре окружающей среды и ожидаемом диапазоне характеристик топлива.

Соблюдение пределов по CO и углеводородам может быть затруднено во время запусков, быстрых изменений нагрузки, пропусков воспламенения или работы холодного катализатора. Разрешение может разграничивать выбросы при нормальной эксплуатации и выбросы при запуске, остановке, неисправности или аварийной работе. Эти определения важны, поскольку установка, часто работающая циклами, может проводить больше времени в переходных режимах, чем агрегат с непрерывной нагрузкой. Учёт только результатов стабильных испытаний при полной нагрузке может скрыть этот риск.

Доказательная документация для разрешения должна соответствовать установленной конфигурации

Комплект подтверждающей документации должен идентифицировать точное семейство двигателей, номинальную мощность, режим сгорания, пределы по топливу, настройки системы управления, схему выхлопной трубы и установленную на поставленном агрегате систему очистки выхлопных газов. Общие брошюры и данные испытаний для иной мощности или другого топлива являются слабым подтверждением, если разрешения требуют информации для конкретной конфигурации.

Конструкция дымовой трубы также является частью оценки выбросов. Моделирование рассеивания, когда оно требуется, зависит от высоты трубы, скорости выхода, температуры выхлопных газов, близлежащих зданий и взаимодействия нескольких выхлопных выпусков. Более высокая труба может улучшить рассеивание в точке воздействия без изменения массы выбросов двигателя; она не заменяет соблюдение предела для источника. И наоборот, соответствующий требованиям двигатель всё равно может потребовать пересмотра конструкции трубы, если эффекты аэродинамического следа от зданий вызывают повышенные концентрации у поверхности земли.

Ввод в эксплуатацию и постоянная проверка

Первоначальные испытания следует проводить после того, как топливная система, системы управления двигателем, выхлопные трубопроводы, катализатор и система вентиляции будут приведены в окончательное рабочее состояние. Изменения калибровки, внесённые после испытаний, могут изменить выбросы, особенно на агрегатах с обеднённой смесью. Полезные эксплуатационные записи включают часы работы по категориям режима, историю нагрузки, анализы топлива, журналы аварийных сигналов и отключений, записи технического обслуживания катализатора, сведения о запасных частях и документированные изменения настройки двигателя.

Непрерывный мониторинг выбросов требуется не для каждой установки, но одних периодических измерений на дымовой трубе может быть недостаточно при строгих пределах или существенной изменчивости качества топлива. Некоторые разрешения вместо этого требуют мониторинга параметров, таких как соотношение воздух-топливо, температура выхлопных газов, температура катализатора, уровень кислорода или данные о расходе топлива. Эти параметры ценны только тогда, когда их допустимые диапазоны связаны с подтверждёнными показателями выбросов.

Перед окончательным выбором практический вопрос заключается в том, смогут ли предполагаемый режим эксплуатации, диапазон характеристик топлива и схема отвода выхлопных газов соответствовать применимому пределу в течение всего разрешённого срока эксплуатации установки. Генератор, выбранный только по номинальной мощности, единственному показателю выбросов при полной нагрузке или заявлению о соответствии неуказанному стандарту, оставляет слишком много из этих условий неурегулированными.