西门子9F燃机NOX排放跟踪及控制优化

程 甫，冯森良，於国良

（萧山发电厂， 杭州 311251）

西门子9F燃机NOX排放跟踪及控制优化

程 甫，冯森良，於国良

（萧山发电厂， 杭州 311251）

某发电厂西门子9F燃机在实际运行过程中，氮氧化物的排放浓度不稳定，甚至会出现超标的现象。通过长时间的数据跟踪及数据比对，发现天然气组分、环境湿度较大幅度的变化对氮氧化物的产生具有很大影响，甚至引起机组排放超标。对此，在确保机组稳定运行的前提下，实施了根据负荷调整氮氧化物、燃烧调整、燃烧器改造等一系列的优化措施，可确保机组在全负荷段氮氧化物均不超标，实现机组的安全稳定运行。

大气污染物；氮氧化物；影响因素

0 引言

根据《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的规定，2014年7月1日起，燃气轮机组的氮氧化物排放必须控制在50 mg/m3以下。某发电厂3，4号机组采用西门子公司生产的V94.3A型燃气轮机，配备低NOX混合型燃烧器，当机组负荷超过50%后，压气机的进口导叶逐渐打开，燃烧器转为均相预混火焰方式，NOX排放量迅速降至 50 mg/m3水平，由于燃烧火焰的温度超过1 100℃，NOX排放量能维持在较低水平。然而，在实际运行中NOX排放量并不稳定，数值变化很大，甚至会出现超标现象，严重威胁了机组的安全稳定生产。先进的燃烧技术可以有效地控制NOX排放量，然而，针对机组稳定运行期间NOX变化较大这一现象进行长时间的跟踪观察、表计比对及数据分析，发现天然气组分、大气湿度等对燃气轮机的NOX排放量也会有较大的影响。

1 现象分析

图1为2013年5月，4号机组的NOX排放数据曲线，机组运行负荷在350～340 MW，NOX排放值从38.6 mg/m3逐渐上升，最高达到56 mg/m3，在这期间机组稳定运行并没有出现异常现象，燃烧设备及燃烧技术不存在变化。针对机组稳定运行期间NOX变化大这一问题，展开了长达一年多的跟踪观察及数据分析。

1.1 天然气组分的影响

对燃气轮机来说，当燃气成分含量发生变化，将会导致燃气总体热值发生变化，在相同的机组负荷下进入燃机的燃料量将发生变化，引起燃烧器喷嘴压比发生波动，偏离设计值。同时各种燃料成分完全燃烧所需的空气量也有所区别，燃气成分的变化会导致过量空气系数发生改变，同时产生的NOX也会发生相应的变化。如图2所示，机组保持在330 MW负荷运行，环境湿度和环境温度没有太大变化，NOX排放量随着天然气组分的变化（主要反映在燃料热值的变化）而变化，天然气热值从36.2 MJ/Nm3上升到37.5 MJ/Nm3，对应的NOX排放量从30.8 mg/m3上升到43.9 mg/m3。从数据结果可以判断，天然气组分出现变化时会影响NOX产生，负荷相同的情况下：天然气热值上升，NOX排放量上升；天然气热值下降，NOX排放量下降。

图1 2013年5月24日的4号机组的NOX排放数据曲线

图2 天然气组分变化和NOX排放数据曲线

1.2 大气湿度的影响

9E燃气轮机及以燃油为原料的燃气轮机往往会采取往燃烧室注水或蒸汽的方式来降低扩散火焰的温度，减少热力型NO生产，与此同时火焰中水蒸汽的存在降低了CH根的浓度，抑制快速型NO生成，以达到降低NOX排放量的目的。

随着技术的进步，以天然气为燃料的9F燃气轮机配置了干式低NOX混合型燃烧器，取消了往燃烧室注水的方式，因此参与燃烧的水含量取决于空气的湿度,空气中水汽含量对NO生成的抑制作用需要根据运行数据判断。如图3数据曲线所示，机组保持在350 MW负荷运行，根据天然气热值数据判断天然气组分没有太大变化，环境湿度从76%下降到52%，对应的NOX排放量从33.1 mg/m3上升到39.0 mg/m3。空气湿度的变化，对NOX排放量存在一定影响，空气湿度的增加有利于抑制NO生成。

图3 大气湿度变化和NOX排放数据曲线

1.3 机组湿度、热值的变化情况

某发电厂所在区域的湿度及天然气热值在一天中可能会有较大变化，从图 4可知在同一天内，燃机运行期间会经历大气湿度从88%下降到25.5%，天然气热值从37.5 MJ/m3上升到39.93 MJ/m3的工况变化。

图4 一天内天然气组分、大气湿度变化曲线

1.4 原因分析

通过实际数据可以判断，随着天然气热值的升高，NOX排放量会增大；随着空气湿度的下降，NOX排放量会增大。虽然空气湿度和天然气组分的变化所导致的NOX变化量相对整体NOX排放量占很小一部分，甚至可以忽略，但是由于燃气轮机组的氮氧化物排放要求控制在50 mg/m3以内，因此这一部分NOX的产生很容易导致NOX排放量不符合《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）的要求。

根据某电厂湿度、天然气热值的变化情况可以得知，电厂使用的天然气热值和空气湿度的变化很大，经常经历天然气低热值、空气高湿度到天然气高热值、空气低湿度的工况转变，从而导致每天的NOX排放值变化较大，遇到天然气相对高热值、空气低湿度的极端工况，NOX排放值很容易超标。如图5所示，机组保持在350 MW负荷运行，天然气热值保持在37.2 MJ/Nm3，当空气湿度降低到16%时，NOX排放量为50.08 mg/m3，不符合标准要求。

图5 NOX超标的数据曲线

2 采取的措施

2.1 根据负荷控制排放

通过控制机组的负荷进行NOX排放量的控制是一个有效解决NOX排放量超标的手段，但是NOX排放量不一定是线性变化过程。如图6所示为4号机组NOX排放量和IGV进口导叶开度的曲线关系，随着IGV开度的减小，NOX排放量并不是递减的过程，因此如何控制机组的负荷以达到有效控制NOX排放量的目的，需要根据机组的特性进行。

图6 NOX排放量与IGV开度的关系

2.2 稳定天然气组分

发电厂天然气管网接入位置处于天然气管网的末端，天然气来源较多，有川气、西一气、西二气以及少量的LNG等，因此机组运行中天然气组分的变化是不可避免的。根据热值统计，发电厂天然气最低热值为36.2 MJ/Nm3，最高热值可以达到39.92 MJ/Nm3，可见天然气组分变化范围较大，不稳定。

2.3 燃烧调整

4号机组在2014—2015年针对NOX排放量进行多次燃烧调整并取得一定的效果，但是燃烧调整主要针对值班气流量和燃气排气温度（OTC）进行，虽然可以降低NOX的排放浓度，但是会影响燃烧稳定性，同时受实际使用的天然气组分、环境湿度变化的影响，因此燃烧调整的效果存在一定的局限性。

2.4 预混燃烧器改造

根据西门子提供的技术方案，将预混燃烧器9孔改8孔，同时结合燃烧调整能有效降低90 Hz段的Humming值，提高燃烧稳定性。在同等负荷下减少值班气流量以达到降低火焰中心温度减少热力型NO产生的目的，预计可以有效降低NOX数值4～8 mg/m3。根据1年来运行数据的分析，NOX若能降低8 mg/m3，即使遇到极端的环境因素，NOX排放值也不会超过50 mg/m3。2015年9月4号机组进行了预混燃烧器9孔改8孔的技术改造工作，改造后不同工况下NOX排放情况如表1所示，即便在高热值低湿度的情况下，NOX的排放值与50 mg/m3存在一定距离，有较大的余量。

3 改进建议

目前北京市《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》（DB 11847-2011）规定燃气轮机的NOX排放量要求控制在30 mg/m3，考虑日后NOX可能存在更高的要求，现有的NOX排放数值依然存在一定差距。

目前NOX的折算值是依据测量到的NO浓度进行计算的，根据2015年7月24日印发的《杭州市2015年污染源自动监控系统建设和改造计划》（杭环函[2015]203号）的技术要求，NO2也需要上传，用于计算NOX，目前NO2的数值按照NOX总量的5%折算，原有CEMS（烟气连续排放监测系统）没有NO2的测量通道，因此西门子9F燃机NO2的实际排放数值并不明确，NO2的数值变化及其影响因素成为今后需要重点关注的对象。

4 结语

2014—2015年热工技术人员经过长期的数据分析和表计比对，确定了影响NOX数值的几个因素，为有效控制NOX排放提供了可靠的数据支持，为同类型机组的NOX数值分析提供了参考，为燃机的改造方向提供了可靠的技术支持。

[1]苏保兴，黄素华，华宇东，等.燃料组分变化对 DLN燃烧器运行的影响[J].燃气轮机技术，2014，27（1）∶48-51.

[2]雷宇，房爱兵，徐纲，等.燃气轮机合成气燃烧室燃料气加湿实验研究[J].工程热物理学报，2008，29（1）∶161-164.

[3]黄素华，陈昱，陆静，等.干式低NOX燃烧器火焰稳定性检测技术探讨[J].华东电力，2011，39（9）∶1533-1537.

[4]黄素华，苏保兴，华宇东，等.燃气轮机NOX排放控制技术[J].中国电力，2012,45（6）∶100-103.

（本文编辑：张 彩）

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

CHENG Fu，FENG 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，工程师，从事发电厂热工专业工作。