西門子9F燃機(jī)NOX排放跟蹤及控制優(yōu)化

程 甫，馮森良，於國良

（蕭山發(fā)電廠， 杭州 311251）

西門子9F燃機(jī)NOX排放跟蹤及控制優(yōu)化

程 甫，馮森良，於國良

（蕭山發(fā)電廠， 杭州 311251）

某發(fā)電廠西門子9F燃機(jī)在實際運(yùn)行過程中，氮氧化物的排放濃度不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象。通過長時間的數(shù)據(jù)跟蹤及數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)天然氣組分、環(huán)境濕度較大幅度的變化對氮氧化物的產(chǎn)生具有很大影響，甚至引起機(jī)組排放超標(biāo)。對此，在確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實施了根據(jù)負(fù)荷調(diào)整氮氧化物、燃燒調(diào)整、燃燒器改造等一系列的優(yōu)化措施，可確保機(jī)組在全負(fù)荷段氮氧化物均不超標(biāo)，實現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大氣污染物；氮氧化物；影響因素

0 引言

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的規(guī)定，2014年7月1日起，燃?xì)廨啓C(jī)組的氮氧化物排放必須控制在50 mg/m3以下。某發(fā)電廠3，4號機(jī)組采用西門子公司生產(chǎn)的V94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)，配備低NOX混合型燃燒器，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷超過50%后，壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉逐漸打開，燃燒器轉(zhuǎn)為均相預(yù)混火焰方式，NOX排放量迅速降至 50 mg/m3水平，由于燃燒火焰的溫度超過1 100℃，NOX排放量能維持在較低水平。然而，在實際運(yùn)行中NOX排放量并不穩(wěn)定，數(shù)值變化很大，甚至?xí)霈F(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。先進(jìn)的燃燒技術(shù)可以有效地控制NOX排放量，然而，針對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間NOX變化較大這一現(xiàn)象進(jìn)行長時間的跟蹤觀察、表計比對及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)天然氣組分、大氣濕度等對燃?xì)廨啓C(jī)的NOX排放量也會有較大的影響。

1 現(xiàn)象分析

圖1為2013年5月，4號機(jī)組的NOX排放數(shù)據(jù)曲線，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷在350～340 MW，NOX排放值從38.6 mg/m3逐漸上升，最高達(dá)到56 mg/m3，在這期間機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行并沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，燃燒設(shè)備及燃燒技術(shù)不存在變化。針對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間NOX變化大這一問題，展開了長達(dá)一年多的跟蹤觀察及數(shù)據(jù)分析。

1.1 天然氣組分的影響

對燃?xì)廨啓C(jī)來說，當(dāng)燃?xì)獬煞趾堪l(fā)生變化，將會導(dǎo)致燃?xì)饪傮w熱值發(fā)生變化，在相同的機(jī)組負(fù)荷下進(jìn)入燃機(jī)的燃料量將發(fā)生變化，引起燃燒器噴嘴壓比發(fā)生波動，偏離設(shè)計值。同時各種燃料成分完全燃燒所需的空氣量也有所區(qū)別，燃?xì)獬煞值淖兓瘯?dǎo)致過量空氣系數(shù)發(fā)生改變，同時產(chǎn)生的NOX也會發(fā)生相應(yīng)的變化。如圖2所示，機(jī)組保持在330 MW負(fù)荷運(yùn)行，環(huán)境濕度和環(huán)境溫度沒有太大變化，NOX排放量隨著天然氣組分的變化（主要反映在燃料熱值的變化）而變化，天然氣熱值從36.2 MJ/Nm3上升到37.5 MJ/Nm3，對應(yīng)的NOX排放量從30.8 mg/m3上升到43.9 mg/m3。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以判斷，天然氣組分出現(xiàn)變化時會影響NOX產(chǎn)生，負(fù)荷相同的情況下：天然氣熱值上升，NOX排放量上升；天然氣熱值下降，NOX排放量下降。

圖1 2013年5月24日的4號機(jī)組的NOX排放數(shù)據(jù)曲線

圖2 天然氣組分變化和NOX排放數(shù)據(jù)曲線

1.2 大氣濕度的影響

9E燃?xì)廨啓C(jī)及以燃油為原料的燃?xì)廨啓C(jī)往往會采取往燃燒室注水或蒸汽的方式來降低擴(kuò)散火焰的溫度，減少熱力型NO生產(chǎn)，與此同時火焰中水蒸汽的存在降低了CH根的濃度，抑制快速型NO生成，以達(dá)到降低NOX排放量的目的。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，以天然氣為燃料的9F燃?xì)廨啓C(jī)配置了干式低NOX混合型燃燒器，取消了往燃燒室注水的方式，因此參與燃燒的水含量取決于空氣的濕度,空氣中水汽含量對NO生成的抑制作用需要根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷。如圖3數(shù)據(jù)曲線所示，機(jī)組保持在350 MW負(fù)荷運(yùn)行，根據(jù)天然氣熱值數(shù)據(jù)判斷天然氣組分沒有太大變化，環(huán)境濕度從76%下降到52%，對應(yīng)的NOX排放量從33.1 mg/m3上升到39.0 mg/m3?？諝鉂穸鹊淖兓?，對NOX排放量存在一定影響，空氣濕度的增加有利于抑制NO生成。

圖3 大氣濕度變化和NOX排放數(shù)據(jù)曲線

1.3 機(jī)組濕度、熱值的變化情況

某發(fā)電廠所在區(qū)域的濕度及天然氣熱值在一天中可能會有較大變化，從圖 4可知在同一天內(nèi)，燃機(jī)運(yùn)行期間會經(jīng)歷大氣濕度從88%下降到25.5%，天然氣熱值從37.5 MJ/m3上升到39.93 MJ/m3的工況變化。

圖4 一天內(nèi)天然氣組分、大氣濕度變化曲線

1.4 原因分析

通過實際數(shù)據(jù)可以判斷，隨著天然氣熱值的升高，NOX排放量會增大；隨著空氣濕度的下降，NOX排放量會增大。雖然空氣濕度和天然氣組分的變化所導(dǎo)致的NOX變化量相對整體NOX排放量占很小一部分，甚至可以忽略，但是由于燃?xì)廨啓C(jī)組的氮氧化物排放要求控制在50 mg/m3以內(nèi)，因此這一部分NOX的產(chǎn)生很容易導(dǎo)致NOX排放量不符合《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）的要求。

根據(jù)某電廠濕度、天然氣熱值的變化情況可以得知，電廠使用的天然氣熱值和空氣濕度的變化很大，經(jīng)常經(jīng)歷天然氣低熱值、空氣高濕度到天然氣高熱值、空氣低濕度的工況轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致每天的NOX排放值變化較大，遇到天然氣相對高熱值、空氣低濕度的極端工況，NOX排放值很容易超標(biāo)。如圖5所示，機(jī)組保持在350 MW負(fù)荷運(yùn)行，天然氣熱值保持在37.2 MJ/Nm3，當(dāng)空氣濕度降低到16%時，NOX排放量為50.08 mg/m3，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 NOX超標(biāo)的數(shù)據(jù)曲線

2 采取的措施

2.1 根據(jù)負(fù)荷控制排放

通過控制機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行NOX排放量的控制是一個有效解決NOX排放量超標(biāo)的手段，但是NOX排放量不一定是線性變化過程。如圖6所示為4號機(jī)組NOX排放量和IGV進(jìn)口導(dǎo)葉開度的曲線關(guān)系，隨著IGV開度的減小，NOX排放量并不是遞減的過程，因此如何控制機(jī)組的負(fù)荷以達(dá)到有效控制NOX排放量的目的，需要根據(jù)機(jī)組的特性進(jìn)行。

圖6 NOX排放量與IGV開度的關(guān)系

2.2 穩(wěn)定天然氣組分

發(fā)電廠天然氣管網(wǎng)接入位置處于天然氣管網(wǎng)的末端，天然氣來源較多，有川氣、西一氣、西二氣以及少量的LNG等，因此機(jī)組運(yùn)行中天然氣組分的變化是不可避免的。根據(jù)熱值統(tǒng)計，發(fā)電廠天然氣最低熱值為36.2 MJ/Nm3，最高熱值可以達(dá)到39.92 MJ/Nm3，可見天然氣組分變化范圍較大，不穩(wěn)定。

2.3 燃燒調(diào)整

4號機(jī)組在2014—2015年針對NOX排放量進(jìn)行多次燃燒調(diào)整并取得一定的效果，但是燃燒調(diào)整主要針對值班氣流量和燃?xì)馀艢鉁囟龋∣TC）進(jìn)行，雖然可以降低NOX的排放濃度，但是會影響燃燒穩(wěn)定性，同時受實際使用的天然氣組分、環(huán)境濕度變化的影響，因此燃燒調(diào)整的效果存在一定的局限性。

2.4 預(yù)混燃燒器改造

根據(jù)西門子提供的技術(shù)方案，將預(yù)混燃燒器9孔改8孔，同時結(jié)合燃燒調(diào)整能有效降低90 Hz段的Humming值，提高燃燒穩(wěn)定性。在同等負(fù)荷下減少值班氣流量以達(dá)到降低火焰中心溫度減少熱力型NO產(chǎn)生的目的，預(yù)計可以有效降低NOX數(shù)值4～8 mg/m3。根據(jù)1年來運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，NOX若能降低8 mg/m3，即使遇到極端的環(huán)境因素，NOX排放值也不會超過50 mg/m3。2015年9月4號機(jī)組進(jìn)行了預(yù)混燃燒器9孔改8孔的技術(shù)改造工作，改造后不同工況下NOX排放情況如表1所示，即便在高熱值低濕度的情況下，NOX的排放值與50 mg/m3存在一定距離，有較大的余量。

3 改進(jìn)建議

目前北京市《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11847-2011）規(guī)定燃?xì)廨啓C(jī)的NOX排放量要求控制在30 mg/m3，考慮日后NOX可能存在更高的要求，現(xiàn)有的NOX排放數(shù)值依然存在一定差距。

目前NOX的折算值是依據(jù)測量到的NO濃度進(jìn)行計算的，根據(jù)2015年7月24日印發(fā)的《杭州市2015年污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和改造計劃》（杭環(huán)函[2015]203號）的技術(shù)要求，NO2也需要上傳，用于計算NOX，目前NO2的數(shù)值按照NOX總量的5%折算，原有CEMS（煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)）沒有NO2的測量通道，因此西門子9F燃機(jī)NO2的實際排放數(shù)值并不明確，NO2的數(shù)值變化及其影響因素成為今后需要重點(diǎn)關(guān)注的對象。

4 結(jié)語

2014—2015年熱工技術(shù)人員經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)分析和表計比對，確定了影響NOX數(shù)值的幾個因素，為有效控制NOX排放提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，為同類型機(jī)組的NOX數(shù)值分析提供了參考，為燃機(jī)的改造方向提供了可靠的技術(shù)支持。

[1]蘇保興，黃素華，華宇東，等.燃料組分變化對 DLN燃燒器運(yùn)行的影響[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2014，27（1）∶48-51.

[2]雷宇，房愛兵，徐綱，等.燃?xì)廨啓C(jī)合成氣燃燒室燃料氣加濕實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2008，29（1）∶161-164.

[3]黃素華，陳昱，陸靜，等.干式低NOX燃燒器火焰穩(wěn)定性檢測技術(shù)探討[J].華東電力，2011，39（9）∶1533-1537.

[4]黃素華，蘇保興，華宇東，等.燃?xì)廨啓C(jī)NOX排放控制技術(shù)[J].中國電力，2012,45（6）∶100-103.

（本文編輯：張 彩）

The NOXEmission Tracking and Control Optimization for Siemens 9F Class Gas Turbine

CHENG Fu，F(xiàn)ENG Senliang，YU Guoliang

（Xiaoshan Power Plant，Hangzhou 311251，China）

NOXemission concentration was unstable or even excessive during the actual operation of Siemens 9F gas turbine.Through long-time data tracking and comparison，it is found that natural gas composition and great change of ambient humidity have significant impact on NOXgeneration or even lead to excessive emission.Therefore，optimization measures such as NOXregulation in accordance to the load，combustion regulation and burner transformation are implemented with the units operation stability assured to make sure NOXdoes not exceed the standard in full load of units and its operation is stable and safe.

air pollutants；NOX；influencing factor

X773

B

1007-1881（2016）12-0077-03

2016-10-17

程 甫（1982），男，工程師，從事發(fā)電廠熱工專業(yè)工作。