(1)

 (2)
(3)
 (4)

где концентрация реагирующего компонента дымовых газов; длина каталитического реактора; площадь поперечного сечения реактора, м² объем катализатора, м³; энергия активации реакции, кДж/моль; температура процесса, К; константа скорости химической реакции, тепловой эффект химической реакции, кДж/моль.
На основе численного решения системы уравнений (1) – (4) изменяя значения длины слоя контактной массы и соответствующую ей температуру, определено изменение концентрации оксидов азота в дымовых газах, приведенные на рис.1.

Рисунок 1 – График изменения концентрации оксида азота по длине катализатора

Рисунок 1 показывает, что по мере прохождения дымовых газов по каталитическому реактору концентрация оксидов азота на первоначальном участке возрастает, а затем в ходе превалирующих реакций восстановления компонентов начинает уменьшаться. Таким образом, на выходе из СКВ-реактора объемное содержание оксидов азота в уходящих газах составляет не более 0,02%, что подтверждает высокую эффективность применения каталитических технологий в системах газоочистки котельных установок.

Более существенные результаты дает впрыск воды или пара непосредственно в камеру сгорания ГТУ. Этот принцип принят при разработке схемы ГПТУ с газотурбинной установкой ГТУ-160, которая построена на концепции ГТУ фирмы Siemens модели V.94.2 [3]. Помимо экологического впрыска пара, который составляет 5 % расхода пара от расхода воздуха в компрессоре, предлагается производить и энергетический впрыск, который составляет 14 % расхода пара от расхода воздуха в компрессоре.

Предполагаемый подход реализован в схеме работы ГТУ с впрыском пара в камеру сгорания, на которую получен патент на изобретение [4]. Рассмотрим схему газопаровой установки, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Способ работы газопаровой установки

Установка состоит из двух независимых двигателей, которые включают потребителей мощности 1 и 2, компрессоры 3 и 4, котел – утилизатор 5, камеры сгорания 6 и 7, газопаровую турбины 8, два сетевых подогревателя 9 и 10, газовую турбину 11, трехступенчатый пароструйный эжектор 12, деаэратор 13 и конденсатоочистное устройство 14.

Результаты исследования, характеризующие влияние экологического и энергетического впрыска на технико-экономические показатели работы ГТУ-160 в составе ГПТУ представлены на рис. 2 – рис. 4.

Рис. 2. Зависимость расхода топлива от доли впрыскиваемого пара

Рис. 3. Зависимость мощности ГТУ от доли впрыскиваемого пара

Анализ результатов указывает на значительное влияние экологического впрыска пара в камеру сгорания ГТУ на ее характеристики. Так, диапазон роста электрической мощности на силовом валу модернизированной газовой турбины составил от 161 до 169 МВт (большее значение соответствует 5 % впрыску пара). В аналогичных климатических условиях без впрыска пара мощность этой ГТУ была на уровне 158 МВт. Возрос также и КПД ГПУ на различных режимах работы, на максимальной мощности с впрыском пара он достигает 42 % против 35% без впрыска.

Рис. 4. Зависимость коэффициента полезного действия от доли впрыскиваемого пара

Из результатов расчетов выявлено, что на 1 %, вводимого в камеру сгорания пара, мощность ГПТУ увеличивается на 2 МВт, расход топлива уменьшается в среднем на 0,25 кг/с, КПД установки возрастает на 1,0 – 1,5 %, что подтверждает эффективность использования данного режимно-технологического мероприятия для улучшения характеристик ГПТУ.

Впрыск пара в зону горения камеры сгорания ГТУ-160 за счет регулирования температуры сжигания топлива позволяет снизить содержание оксидов азота в отработавших газах. Оценки показывают, что 5 % впрыск влаги в камеру сгорания ГТУ позволяет снизить выбросы оксидов азота на 11,8 %.