Джим Иверсон – Cummins Power Generation

Агентство по охране окружающей среды (ЕРА – Environmental Protection Agency) разрабатывает в настоящее время новые стандарты NSPS (New Source Performance Standards) по эмиссии для дизель-генераторных установок, вводимых в эксплуатацию. Предварительная редакция стандартов была опубликована в июле 2005 года. Полное соответствие NSPS необходимо обеспечить для стационарных дизельных двигателей, которые будут производиться после 1 января 2007 года.

 

Дизель-генераторные установки по-прежнему остаются наиболее приемлемым источником энергии для работы в базовом и резервном режимах. В условиях рынка распределенного производства электроэнергии количество поставляемых установок растет с каждым годом. Заказчики ценят в них высокую надежность, низкие затраты за жизненный цикл, сравнительно высокий КПД, доступность на рынке, ремонтопригодность и т. д. Система обеспечения топливом дизель-генераторных установок также досконально отработана.

Выхлопные газы ДГУ содержат вредные примеси: оксиды азота (NOx), углеводороды (HC), оксиды углерода (СО) и твердые примеси (РМ – particulate matter). Действующие в настоящее время стандарты ЕРА и других государственных организаций направлены на максимальное сокращение этих выбросов. Наиболее жесткие требования предъявляются по эмиссии NOx, так как этот показатель должен соответствовать уровням эмиссии двигателей, работающих на природном газе, с использованием передовых технологий контроля и управления ВАСТ (Best Available Control Technology).

Компания Cummins Power Generation после появления новых норм по эмиссии представляла на рынке установки в диапазоне мощности 15…2700 кВт, которые соответствовали стандартам Tier 1. По сравнению со старыми моделями уровень эмиссии NOx был сокращен на 54%, выбросы РМ – на 70%.

До появления NSPS нормы по эмиссии для стационарных дизельных двигателей значительно отличались от тех, которые применялись для двигателей внедорожной техники. Федеральных экологических стандартов для стационарных двигателей практически не существовало. Они устанавливались местными органами по охране окружающей среды и зависели от годовой наработки оборудования, которая в разных штатах сильно отличалась. Например, для установок, работающих в базовом режиме, предельная наработка составляла 2000 часов в год. Для оборудования, предназначенного для снятия пиковых нагрузок, – 1000 часов. Стандарты для резервных энергоисточников, которые разрабатывались с учетом выполнения требований ЕРА, предусматривали годовую наработку 200 часов.

Категория двигателей для внедорожного применения была введена ЕРА (так как юрисдикция местных регулирующих организаций распространялась только на стационарные установки).

К ней отнесены двигатели, которые используются в составе оборудования ферм, строительной техники, а также передвижных генераторных установок. Одновременно были разработаны экологические стандарты для данного оборудования, которые распространяются и на вновь вводимые в эксплуатацию двигатели.

Стационарные двигатели (двигатели внедорожного применения, временно установленные на площадке и использующиеся в качестве энергоисточника) включают базовые и резервные установки, а также установки для снятия пиковых нагрузок. Передвижные энергоустановки попадают в эту категорию, если они работают на одной площадке более года. В соответствии с новыми стандартами с 1 января 2007 года ко всем категориям будут предъявляться аналогичные требования по уровням эмиссии.

Некоторые требования новых стандартов NSPS вступили в силу с даты их публикации в Федеральном реестре. Однако быстрое введение всех стандартов поставило бы производителей оборудования в крайне затруднительное положение, поскольку будет необходима существенная модернизация двигателей для полного соответствия всем требованиям ЕРА. В связи с этим был введен переходный период, в течение которого производители должны были обеспечить требуемые уровни эмиссии оборудования, поставляемого на рынок.

В течение переходного периода стандарты NSPS применяются для стационарных двигателей, которые были заказаны после 11 июля 2005 года и произведены после 1 апреля 2006 года. Все энергетические установки, выпущенные позже, должны соответствовать требованиям стандарта Tier 1. С 2007 года ко всем дизельным двигателям в составе генераторных установок будут предъявляться установленные стандарты с даты их вступления в силу. Уровни предъявляемых требований по эмиссии (Tier) зависят от мощности двигателей (табл.). Предусмотрены только два исключения:

1. Для стационарных двигателей мощностью более 2500 кВт будут применяться требования стандарта Tier 1 вплоть до введения Tier 4 в 2011 году.

2. Нормы по эмиссии резервных и аварийных генераторных установок не будут превышать требований последнего стандарта Tier, который не требует дополнительных мероприятий по очистке выхлопных газов.

Уровни эмиссий

(щелкните по картинке для увеличения)

Несмотря на то что ЕРА установило единые унифицированные экологические стандарты по энергоустановкам для всех штатов, местные организации сохранили право ужесточать федеральные требования в зависимости от экологической ситуации в регионе. В частности, особенно жесткие требования по эмиссии NOx и PM предъявляются к оборудованию, которое эксплуатируется в густонаселенных районах. При этом они всячески поощряют развитие малоэмиссионных технологий и способствуют их скорейшему выводу на рынок.

В табл. представлено развитие экологических стандартов ЕРА (Tier 1, Tier 2, Tier 3 и Tier 4) для промышленных и стационарных дизельных двигателей в период до 2017 года.

С 1 января 2007 года до 2011-го все генераторные установки мощностью 37…74 кВт должны соответствовать стандарту Tier 2, мощностью 75…560 кВт – стандарту Tier 3, более 560 кВт – стандарту Tier 2. К стационарным двигателям, мощность которых превышает 2500 кВт, будут предъявляться требования по стандарту Tier 1 до вступления в силу Tier 4 в 2011 году.

Местные экологические стандарты почти всех густонаселенных территорий США соответствуют федеральным требованиям по защите атмосферы от загрязнения (NAAQS – National Ambient Air Quality Standards). Те штаты, где единые национальные стандарты не выполняются, должны разработать и реализовать мероприятия по приведению экологических норм в соответствие с федеральными требованиями (SIP – State Implementation Plans). Надзор за выполнением этих мероприятий возложен на Департамент по защите атмосферы (OAQPS – Office of Air Quality Planning and Standards ).

Основной проблемой, связанной с загрязнением воздушной среды и образованием выбросов NOx, остается озон. Там, где нормы по озону и состоянию воздушной среды удовлетворяются, ЕРА осуществляет лишь общий контроль. Для территорий, где федеральные нормы не выполняются или выполняются не в полном объеме, ЕРА установило пять уровней несоответствия. Каждый из них содержит различные требования и, соответственно, различные методы воздействия. Местные надзорные организации имеют право устанавливать здесь более жесткие требования. Для получения разрешения на строительство новых энергоустановок необходимо представить развернутый технический отчет по оборудованию и получить большее количество согласований.

Технологии по подавлению выбросов

При разработке передовых двигателей проблемой становится компромисс между уровнями эмиссии NOx и РМ. Оба типа эмиссии связаны с температурой горения. При ее повышении у большинства двигателей эмиссия РМ уменьшается, а NOx повышается – и наоборот.

Приведенные ниже технологии позволяют осуществлять глубокий контроль уровней выбросов во время процесса горения или после него.

При модернизации двигателей все усилия разработчиков направлены на оптимизацию процесса горения с целью снижения эмиссий NOx и РМ без уменьшения мощности. Производители оборудования обычно применяют при этом следующие технологии:

  • использование большего количества электронных сенсоров и микропроцессорных котроллеров. Это способствует повышению эффективности сжигания топлива и увеличению мощности двигателей при заметном снижении объемов выбросов NOx и РМ. Применение такого оборудования позволяет оптимизировать процесс горения путем тщательного контроля качества топлива, интенсивности впрыска, плотности воздушного потока после турбонагнетателя и т. д.;
  • применение передовых систем впрыска топлива. Они обеспечивают лучшую синхронизацию впрыска, оптимальное давление топлива, что приводит к значительному снижению эмиссии. Задержка цикла впрыска с повышенным давлением топлива способствует сокращению объемов выбросов NOx без существенного увеличения уровней СО, HC, PM. Более высокое давление топлива при впрыске обеспечивает его лучшее распыление по камере сгорания. Это, в свою очередь, приводит к экономии топлива и сокращению выбросов РМ;
  • конструкция камеры сгорания. Передовые камеры сгорания обеспечивают оптимальную степень сжатия и качественное смешение воздуха и топлива для получения топливовоздушной смеси. Этим достигается значительное снижение уровней эмиссии;
  • системы турбонаддува. В составе всех дизель-генераторных установок большой и средней мощности используются турбонагнетатели, обеспечивающие большую мощность двигателя, эффективность процесса горения и снижение эмиссии. В передовых установках используется промежуточное охлаждение с применением воздушных или водяных теплообменников для увеличения плотности потока и мощности двигателя;
  • система рециркуляции выхлопных газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation). Применение EGR является достаточно эффективным методом снижения выбросов NOx. Использование части выхлопных газов в смеси с воздухом обеспечивает снижение температуры горения и, следовательно, уровня NOx. Хотя данная система сегодня широко не используется, она может успешно применяться на отдельных двигателях с целью их соответствия стандартам ЕРА;
  • использование систем внешнего подавления выбросов на выхлопе с целью максимального сокращения уровней эмиссий NOx и РМ. Большинство из них требуют использования топлива с низким содержанием серы. В системах SCR используется раствор мочевины, который впрыскивается в поток выхлопных газов. При прохождении через катализатор достигается снижение выбросов NOx на 90%;
  • использование систем улавливания твердых примесей. Это фильтры для механического улавливания частиц (они требуют частой замены) или каталитические фильтры, обеспечивающие частичное окисление примесей и преобразование их в СО2. Наибольшее распространение получил второй тип фильтров, так как он является более эффективным и экономичным. При их использовании достигается низкий уровень эмиссии, соответствующий экологическим стандартам ЕРА. Однако для предотвращения забивания фильтра топливо должно быть с низким содержанием серы. При этом достигается уровень фильтрации до 90% вредных выбросов;
  • использование передовых видов топлива или их заменителей. Это открывает большие перспективы для максимального снижения выбросов NOx и РМ;
  • использование топлива с низким содержанием серы. Поскольку ее содержание в топливе приводит к образованию выбросов SO2, необходимо дополнительное оборудование для внешнего подавления данного типа эмиссии. Для обеспечения соответствия двигателей стандартам Tier 3 необходимо использовать топливо с содержанием серы около 15 ppm.

Согласно прогнозам, в ближайшем будущем такое топливо будет более доступно.

Перспективным является также применение биодизельного топлива, получаемого из растительных или животных жиров. Испытания подтвердили эффективность его использования в смеси с обычным дизельным топливом (его объем в топливовоздушной смеси составляет 5%).

Почти на всех типах двигателей применение биодизельного топлива обеспечивает значительное снижение эмиссии СО2. Однако уровень эмиссии остается при этом несколько выше допустимых норм.