F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥技改后NOx排放異常分析及處理

李 峰， 李永超

(上海申能崇明發(fā)電有限公司， 上海 202155)

某燃?xì)怆姀S有2臺(tái)SGT5-4000F(4)型燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和透平組成。壓氣機(jī)和透平為多級(jí)軸流設(shè)計(jì)。壓氣機(jī)有15級(jí)，壓比為17；透平有4級(jí)；燃燒室為環(huán)型結(jié)構(gòu)，呈逆時(shí)針布置，內(nèi)置陶瓷遮熱板。整套機(jī)組及燃料控制閥組件布置在罩殼內(nèi)[1]，值班閥及預(yù)混閥原設(shè)計(jì)各有2路位移傳感器，為提高運(yùn)行的可靠性及降低各負(fù)荷段燃燒波動(dòng)的可能性，對(duì)原設(shè)計(jì)值班閥及預(yù)混閥的位移傳感器進(jìn)行了設(shè)備改造及控制邏輯優(yōu)化。技改完成后，機(jī)組初次啟動(dòng)時(shí)余熱鍋爐煙氣中氮氧化物(NOx)排放量偏離了正常值。

針對(duì)該問題，筆者通過對(duì)機(jī)組技改前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，以探究問題的原因并提出相應(yīng)處理措施。

1 NOx排放異常問題

圖1為技改完成后機(jī)組啟動(dòng)時(shí)各參數(shù)的變化。技改完成后機(jī)組第一次聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)，當(dāng)1號(hào)機(jī)組維持滿負(fù)荷(395 MW)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)余熱鍋爐煙氣NOx排放質(zhì)量濃度瞬間波動(dòng)接近至50 mg/m3，即將超過限值(50 mg/m3)。將機(jī)組負(fù)荷降低至385 MW，NOx排放質(zhì)量濃度隨之下降，并穩(wěn)定在46～48 mg/m3，然后全面檢查機(jī)組參數(shù)并分析原因。在NOx排放超限報(bào)警前，該機(jī)組一直維持滿負(fù)荷運(yùn)行，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度從最高值(76%)逐漸下降至60%，其他參數(shù)無明顯變化。壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度的降低直接影響燃?xì)廨啓C(jī)燃燒火焰最高溫度，導(dǎo)致熱力型NOx生成量急劇上升，從而造成機(jī)組短時(shí)間NOx排放超限。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至385 MW后，煙氣NOx排放量隨之下降。待壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度上升至70%左右時(shí)，再將機(jī)組負(fù)荷恢復(fù)至滿負(fù)荷，NOx排放質(zhì)量濃度可以穩(wěn)定在46～48 mg/m3；但是，NOx排放質(zhì)量濃度仍比技改前(35 mg/m3)高出很多，需要對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行具體分析。

圖1 技改后機(jī)組啟動(dòng)時(shí)各參數(shù)的變化

技改后機(jī)組第一次啟動(dòng)時(shí)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 技改后機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的相關(guān)參數(shù)

2 原因分析

2.1 技改前機(jī)組相關(guān)參數(shù)

技改前機(jī)組運(yùn)行情況良好，除啟動(dòng)階段NOx排放量偏高以外，其他負(fù)荷段均正常。技改前，機(jī)組正常運(yùn)行相關(guān)參數(shù)見表2。機(jī)組在技改前，各負(fù)荷段NOx排放量均比較穩(wěn)定，且都不在排放量的高位值，機(jī)組的燃燒情況及排放指標(biāo)均良好。

表2 技改前機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)

技改前，該燃?xì)廨啓C(jī)通過NOx調(diào)整、燃燒調(diào)整試驗(yàn)、燃燒器技改等一些優(yōu)化措施，確保機(jī)組在全負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)NOx排放量均不超標(biāo)。機(jī)組預(yù)混燃燒器已由原設(shè)計(jì)的9孔改造為8孔，并在改造后進(jìn)行了燃燒調(diào)整優(yōu)化試驗(yàn)，能夠使燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的燃燒加速度(ACC)明顯減小且保持穩(wěn)定，從而保證燃燒更加平穩(wěn)。同時(shí)，NOx排放量大幅度降低，NOx排放質(zhì)量濃度從40 mg/m3左右降低至32 mg/m3左右。

2.2 燃料熱值的影響

表3為技改前后燃料熱值的變化。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，如果天然氣成分發(fā)生變化，會(huì)對(duì)天然氣熱值產(chǎn)生影響。在相同的機(jī)組負(fù)荷下，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料量，以及燃料完全燃燒所需的氧量(空氣量)也會(huì)變化。因此，天然氣成分的變化會(huì)導(dǎo)致過量空氣系數(shù)發(fā)生改變，對(duì)NOx的生成量也會(huì)有影響[2]。但是，該機(jī)組技改前后燃料熱值變化不大，且基本保持穩(wěn)定。

表3 技改前后燃料熱值的變化

2.3 壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度的影響

F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒過程中，燃料中的水分含量主要取決于空氣的濕度，火焰中蒸汽的存在抑制了NOx的生成，從而可以降低NOx的排放量[3]。實(shí)際上，空氣中水分含量對(duì)NOx生成的抑制作用需要根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析。

圖2為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度對(duì)NOx排放量的影響。機(jī)組保持在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組實(shí)時(shí)氣耗變化不大，說明天然氣成分沒有太大變化，而當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度從76%下降到60%的期間，對(duì)應(yīng)的NOx排放質(zhì)量濃度從46.1 mg/m3上升到49.0 mg/m3，說明空氣相對(duì)濕度的變化對(duì)NOx排放存在一定影響，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度的增加有利于抑制NOx的生成。

圖2 壓氣機(jī)進(jìn)口空氣相對(duì)濕度對(duì)NOx排放量的影響

2.4 機(jī)組負(fù)荷的影響

圖3為機(jī)組負(fù)荷、進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)開度對(duì)NOx排放量的影響。通過調(diào)整機(jī)組負(fù)荷對(duì)NOx排放量進(jìn)行控制是機(jī)組運(yùn)行中有效降低NOx排放量的具體措施。隨著IGV開度的逐漸減小，煙氣中NOx排放量是一個(gè)階躍式減少的過程，因此控制機(jī)組負(fù)荷可以有效降低NOx排放量[4-5]。

圖3 機(jī)組負(fù)荷、IGV開度對(duì)NOx排放量的影響

但是，該燃?xì)廨啓C(jī)主要是“日開夜?！闭{(diào)峰運(yùn)行模式，機(jī)組負(fù)荷控制均是投入自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)組負(fù)荷大多處于波動(dòng)狀態(tài)，在這種情況下必然會(huì)造成燃燒工況的不斷波動(dòng)。一般情況下，燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放量與機(jī)組負(fù)荷并不一定會(huì)持續(xù)保持線性的變化，NOx排放量一般會(huì)隨著燃?xì)廨啓C(jī)IGV開度的變化出現(xiàn)一定的曲線波動(dòng)。因此，當(dāng)燃料閥技改后，機(jī)組第一次啟動(dòng)且滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)NOx排放量上升后，降低機(jī)組負(fù)荷至385 MW，IGV開度相應(yīng)地從100%降低至93%，燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放質(zhì)量濃度隨之下降，穩(wěn)定在46～48 mg/m3。

2.5 值班閥天然氣流量的影響

圖4為值班閥天然氣流量的變化。燃料閥技改前，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒比較穩(wěn)定，NOx排放質(zhì)量濃度維持在30～35 mg/m3的較低水平，但在燃料閥技改優(yōu)化后，NOx排放量并不穩(wěn)定。值班閥及預(yù)混閥各增加1路位移傳感器后，與技改前的相同工況相比，值班閥天然氣流量有所增加。

圖4 值班閥天然氣流量的變化

由圖4可得：在相同工況下，技改前值班閥天然氣質(zhì)量流量一般穩(wěn)定在0.88～0.90 kg/s，而技改后增大到0.90～0.96 kg/s，說明值班閥天然氣流量變大增強(qiáng)了燃?xì)廨啓C(jī)的擴(kuò)散燃燒，火焰中心溫度有所升高，導(dǎo)致NOx排放量上升。

技改前后燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度也發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為：機(jī)組負(fù)荷為395 MW時(shí)，在同樣工況下，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度從技改前的570 ℃上升至技改后的582 ℃，上升了12 K。這說明值班閥天然氣流量偏大確實(shí)導(dǎo)致了燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的上升，進(jìn)而造成燃燒室內(nèi)擴(kuò)散燃燒的增強(qiáng)，產(chǎn)生了較多的NOx。

通過多方面對(duì)比分析，基本確定NOx排放異常是由于值班閥天然氣流量增大。值班閥控制邏輯為：將值班閥開度指令信號(hào)與位移傳感器反饋信號(hào)偏差經(jīng)伺服器比例積分微分(PID)控制運(yùn)算后，再將信號(hào)送至值班閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成閥門調(diào)節(jié)操作。現(xiàn)場(chǎng)檢查值班閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)無異常，位移傳感器變送器電阻值正常，位移傳感器中鐵芯無彎折現(xiàn)象。通過對(duì)機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱后發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，即值班閥開度指令信號(hào)相同時(shí)，技改后值班閥位移傳感器位移計(jì)算反饋信號(hào)出現(xiàn)了漂移，導(dǎo)致值班閥實(shí)際開度大于指令開度，燃?xì)廨啓C(jī)流量曲線偏離了原燃燒調(diào)整工況下的原始流量設(shè)定曲線。

針對(duì)位移傳感器位移計(jì)算出現(xiàn)漂移的問題，參考原燃燒試驗(yàn)工況對(duì)燃料閥綜合位移進(jìn)行了在線標(biāo)定和小幅調(diào)整。在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷保持不變的情況下，采取調(diào)整值班閥天然氣流量至正常流量的措施，將燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度降低，進(jìn)而抑制燃燒時(shí)熱力型NOx的產(chǎn)生，以達(dá)到降低鍋爐煙氣NOx排放量的目的。優(yōu)化前后值班閥天然氣流量對(duì)比見圖5。

圖5 優(yōu)化前后值班閥天然氣流量的變化

另外，燃?xì)廨啓C(jī)技改后，或者在不同季節(jié)運(yùn)行時(shí)，還需要及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，優(yōu)化燃燒控制條件，在保證燃燒穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)一步降低NOx排放量。

3 結(jié)語

通過對(duì)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)值班閥及預(yù)混閥位移傳感器技改后煙氣NOx排放異常的各影響因素進(jìn)行分析，得到的結(jié)論為：

(1) 技改后值班閥位移傳感器位移計(jì)算出現(xiàn)了漂移，偏離了原燃燒調(diào)整工況下的原始流量設(shè)定曲線，從而導(dǎo)致燃燒室擴(kuò)散燃燒增強(qiáng)，熱力型NOx異常增多。根據(jù)機(jī)組原燃燒調(diào)整試驗(yàn)工況，將燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥綜合位移進(jìn)行小幅調(diào)整后，相同IGV開度下值班閥天然氣流量明顯降低，燃燒室燃燒溫度同步下降，煙氣NOx排放量恢復(fù)至正常范圍。

(2) 為保證機(jī)組后期運(yùn)行NOx排放量在正常范圍內(nèi)，不僅要將燃料閥控制邏輯算法進(jìn)行跟蹤優(yōu)化及標(biāo)定，還要及時(shí)對(duì)機(jī)組技改或檢修前后的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的條件下運(yùn)行。