白榮格

摘 要： 西門子燃氣輪機在采用干式低氮燃燒方式后，NOx排放已得到有效降低。但燃氣輪機NOx排放形勢依然嚴峻。面對國內(nèi)日益提高的環(huán)保要求，如何進一步降低NOx排放成為迫在眉睫的問題。本文對西門子內(nèi)部控制邏輯進行分析，針對燃機運行過程中存在的NOx排放高問題，采取調(diào)整值班氣流量和OTC溫度的手段，有效降低燃機NOx排放。

關(guān)鍵詞： 西門子；燃氣輪機；氮氧化物；燃燒調(diào)整

引言

某電廠2015年新建2臺西門子SGT5-4000F（4+）型燃氣輪機，投產(chǎn)后作為地區(qū)主力調(diào)峰機組。在經(jīng)過西門子預混燃燒器9孔改8孔技術(shù)改造后，NOx排放依然較高。

面對氮氧化物（NOx）全負荷、全時段排放達標的環(huán)保要求，該廠根據(jù)NOx排放情況，研究分析，采取調(diào)整值班氣流量和OTC溫度的方式，成功降低機組NOx排放，滿足國家環(huán)保要求。

一、NOx生成機理

（一）燃料型NOx

燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成的NOx。燃料型NOx的生成與燃料成分有關(guān)。

（二）快速型NOx

快速型NOx指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團反應然后快速與氧氣反應生成NOx。根據(jù)費尼莫爾反應機理，在富燃料燃燒的情況下，快速型NOx大量生成。

（三）熱力型NOx

熱力型NOx指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的NOx。根據(jù)澤爾道維奇機理，熱力型NOx與溫度呈指數(shù)型關(guān)系，在1650℃以上，NOx大量生成。

二、西門子燃氣輪機熱力型NOx生成分析

（一）值班燃燒模式

值班燃燒器采用擴散燃燒模式，是一種將燃氣和空氣分別送入燃燒室直接混合反應的燃燒模式。擴散燃燒在擴散面上行成一個化學當量比下的混合區(qū)域進行燃燒。天然氣的理論燃燒溫度能達到2300℃，高于熱力型NOx的大量生成溫度1650℃。

（二）預混燃燒模式

預混燃燒器采用預混燃燒模式，是一種在反應前對燃料和空氣進行均勻混合的燃燒模式。在預混燃燒模式下，通過控制空氣量和燃料量的比值，間接控制過量空氣系數(shù)α及燃燒溫度，使燃燒溫度一直低于1650℃，避免熱力型NOx大量生成。但預混不均勻?qū)е戮植繀^(qū)域溫度超過1650℃，導致生成熱力型NOx。

燃機正常運行時NOx排放降低措施

三、燃氣輪機控制方式

（一）值班氣流量控制方式

西門子對值班天然氣量的控制主要從壓氣機進口可調(diào)導葉（IGV）角度和透平排氣修正溫度（OTC）兩個方面進行。值班天然氣量的控制分2個階段進行：第一個階段是IGV動作前，此時IGV關(guān)閉，值班氣流量隨著OTC溫度變化而變化；第二個階段是IGV動作后，此時OTC已達到并控制在設定值，值班氣流量隨著IGV角度變化而變化。

OTC溫度作為判斷燃燒室火焰溫度的依據(jù)，當OTC溫度下降時，燃燒穩(wěn)定性下降，當OTC溫度小于540℃時，燃機控制系統(tǒng)會根據(jù)OTC溫度增加值班氣流量。

IGV用于控制壓氣機進氣流量，為了控制燃燒溫度，IGV隨著燃機負荷升高而增大?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)IGV角度折算出一個值班氣設定流量，用于更好的控制各階段負荷下的燃燒情況。

（二）OTC溫度控制方式

燃機控制系統(tǒng)使用壓氣機進口參數(shù)、水洗后運行小時數(shù)、ISO工況等計算當前的負荷百分比，根據(jù)負荷百分比確定OTC控制值。

四、降低NOx排放的可行措施

（一）降低透平排氣修正溫度

燃燒室內(nèi)的燃氣溫度達到1200℃以上，西門子通過測量透平排氣溫度達到間接測量透平初溫的目的，通過調(diào)整IGV角度控制OTC，減少熱力型NOx的生成。相同工況下，OTC溫度降低10℃，NOx排放下降了7mg/m3左右。降低透平排氣修正溫度來降低NOx的手段是切實可行的。

（二）降低值班天然氣流量

預混燃燒的火焰溫度比擴散燃燒低，在低溫條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低，預混燃燒的穩(wěn)定性較差。在預混模式下，保留一定的值班天然氣，穩(wěn)定燃燒。值班天然氣的燃燒方式為擴散燃燒，燃燒溫度高于1650℃，容易產(chǎn)生大量熱力型NOx。降低值班氣流量可以顯著降低NOx排放。

五、綜合后采取的NOx降低措施

OTC溫度下降時，燃燒室火焰溫度下降，燃燒火焰不穩(wěn)定。值班氣也是用于穩(wěn)定火焰燃燒。降低NOx不可避免的要受到燃燒穩(wěn)定性的限制。因此，調(diào)整的幅度是相當有限的。

該廠同時調(diào)節(jié)值班氣流量或OTC溫度設定值，值班氣流量與OTC溫度對NOx排放和燃燒穩(wěn)定性的影響程度不一樣，通過同時對兩個參數(shù)進行調(diào)節(jié)配合，可以獲得更多的調(diào)節(jié)量。

2017年5月，因燃氣輪機高負荷下NOx排放超標，對燃氣輪機進行了參數(shù)調(diào)整。調(diào)整的結(jié)果如圖1至圖3所示。

從調(diào)整結(jié)果可以看出，該廠燃氣輪機值班氣流量對NOx排放的影響要大于OTC溫度對NOx排放的影響，因此此次調(diào)整中提高了OTC設定值，同時降低了值班氣流量。從結(jié)果上看，滿負荷時NOx排放降低了3mg/m3，調(diào)整措施切實有效。

結(jié)論

干式低氮燃燒技術(shù)并不能一勞永逸的解決NOx排放高問題。本文通過研究NOx的生成機理，分析降低NOx排放的不同措施，結(jié)合現(xiàn)場實際，采取調(diào)整OTC和值班氣的方式后，成功降低西門子機組NOx排放。

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