燃气轮机烟囱冒“黄烟”原因分析及解决对策

王卫群，华伟，孙虹

(江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211102)

燃气轮机烟囱冒“黄烟”原因分析及解决对策

王卫群，华伟，孙虹

(江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211102)

燃气轮机在启动初始阶段和低负荷运行时，烟囱都会出现不同程度的冒“黄烟”现象，在白天给人的视觉效果差，容易给燃机发电厂带来负面影响。通过对燃机启动阶段排放烟气成分的测量，分析得出烟囱冒黄烟现象主要是烟气中NO2引起的，为电厂运行调试人员提供调整燃烧控制方式的依据，提出了降低NOx排放的建议。

燃气轮机;NOx;燃烧方式;烟气分析仪

0 引言

燃气发电具有能源转换效率高、污染物排放少、启停迅速、运行灵活等特点。近年来，随着我国天然气资源的大规模开发利用，国家“西气东输”、近海天然气开发和引进国外液化天然气等工作全面展开，燃气发电装机容量不断增加，我国燃气发电产业持续快速发展，为优化能源结构、促进节能减排、缓解电力供需矛盾、确保电网安全稳定发挥了重要作用。截止2013年底，江苏省已并网发电的大中型燃气机组共24台，其中9F级机组共8台，9E级机组共16台，机组正常运行时NOx排放都能能满足环保标准要求，但部分机组出现烟囱冒黄烟现象，以前机组只会在启动初期出现烟囱冒“黄烟”的现象。某天然气发电厂共4台燃机，烟囱均出现不同程度的冒黄烟现象，附近居民多次向该地环保局投诉，电厂短时间内也没有找到相应的解决办法，于是委托我们对该厂7号燃机排放烟气成分进行了测试，并提出相应的建议和解决措施。

1 燃气轮机设备概况

1.1 设备概况

7号机组由东方汽轮机公司引进日本三菱燃机技术生产的9E级燃气－蒸汽联合循环机组，采用分轴布置，燃气轮机、蒸汽轮机分别配有发电机。在标况纯凝工况下100%负荷联合循环机组的出力为220.1MW，热耗率为7212 kJ/(kW·h);燃机100%负荷的额定抽汽供热工况下，联合循环机组出力为216.48MW，热耗率为6184 kJ/(kW·h)。

燃气轮机型号为M701DA，它由19级的压气机、18个预混式低NOx燃烧器和4级透平组成，燃烧室为环管型布置，由8个主喷嘴和1个位于中心部位的值班喷嘴组成。

燃机排气成分主要包括以下:O2为13.71%，NO2为3.238%，H2O为7.587%，N2为74.56%，Ar为0.898%。

1.2 主要设计参数

天然气主要成分分析见表1。燃气轮机主要设计参数见表2。

表1 天然气主要成分分析

表2 燃气轮机主要设计参数

2 烟气成分测试结果与分析

测点位于烟囱40m测试平台位置，测试仪器为傅里叶红外烟气分析仪，从燃机点火启动开始测量，直到燃机升至133MW，对排放烟气中NO、NO2、CO、O2等成分进行连续测量并记录。并同时观察烟囱排放气体颜色的，并详细记录下来。

从测试的数据可以看出:随着机组负荷的上升，排放烟气中NO的浓度逐渐上升，同时NO2的浓度逐渐下降;在机组启动初期，负荷从35.6MW升至60MW期间，NO2浓度远高于NO浓度，此时观测烟囱，排放烟气颜色为黄色;负荷从70.7MW升至110MW期间，NO浓度升高较快，NO2浓度逐渐降低，此时观测烟囱，排放烟气颜色为淡黄色(比启动初期明显变淡);负荷从110MW升至120MW期间，NO2浓度在8μL/L～11μL/L，观测烟囱，排放烟气为轻微黄色，时有时无，只有仔细看才能看出颜色;负荷升至120MW以上，观测烟囱烟气颜色，用肉眼几乎观察不到颜色，烟气为无色，此时NO2浓度＜10μL/L。第二天机组再次启动，机组负荷升至133MW左右，重复以上的测量和观测，得到的结果基本一致，在NO2＜10μL/L左右时，烟囱烟气用肉眼观察不到颜色。

从测试的数据和烟囱观测的结果综合分析得出:烟囱冒黄烟颜色从深到浅，再到无，和NO2浓度逐渐减低保持一致性，可以确认是烟气冒黄烟是有NO2引起的，能用肉眼观测的浓度为10μL/L左右，由于NO2气体呈红棕色，稀释后呈黄褐色，这就是为什么在机组启动初期，我们观测到烟囱上冒“黄烟”的缘故［1－2］。

表3 烟气成分测试结果

3 原因分析

燃气轮机排放烟气中NOx有两个来源［3］:第一种为热力型NOx，天然气在燃烧室燃烧的过程中，空气中的 N2会在温度高于1500℃的区域生成NOx，而且随着温度的升高，NOx生成量急剧升高;第二种为燃料型NOx，燃料中的含氮化合物燃烧产生的NOx。由于天然气中的含氮质量分数可忽略不计，因此燃料型NOx产生量很少，热力型NOx为燃气轮机排放烟气中NOx的主要来源。

三菱M701DA型燃气轮机采用的是环管式贫燃料预混多喷嘴干式低氮燃烧器［4－8］，燃烧器中央是一个扩散燃烧的值班喷嘴，周围分布着8个贫燃料预混燃烧的主喷嘴。在机组启动初期，为防止火焰熄灭，值班喷嘴扩散燃烧的燃料多，主喷嘴燃料少，采用扩散燃烧方式，燃烧稳定，火焰面温度高，此时燃烧产物中NOx较多，且NO2含量较大。

随着负荷的上升，机组燃烧控制系统减少值班喷嘴的燃料量，增加主喷嘴的燃料量，从而增加预混燃烧的比重，采用均相预混合的湍流火焰传播燃烧方式，将燃料与空气预先混合成为均相的、稀释的混合物，并实时控制其掺混比，使火焰面温度始终低于热力型NOx生成的温度，从而有效的降低了NOx的排放量，并且使NO2含量逐渐减少，排出的烟气颜色也越来越淡，当负荷升至60% 左右时，肉眼就看不出烟气的颜色了。

当燃机启动后正常运行时，由于电网调度要求其低负荷运行或当气源供气量不足时，机组负荷长时间低于60%额定负荷运行，燃烧器主要采用扩散燃烧控制方式为主，来防止火焰熄灭。从测试的数据中可以看出，当机组负荷低于额定负荷的60%时，烟气中NOx的浓度高于10μL/L，观测到烟囱冒黄烟。该厂由于气源供气减少，为了维持4台燃机的正常运行，机组均不能高负荷运行，甚至长期低于60%额定负荷，就出现4台燃机的烟囱均冒黄烟的现象，虽然燃气轮机排放NOx浓度满足目前的环保标准，但是白天给人视觉效果差，从而引起周围居民的注意，认为该厂“偷排”废气，于是向当地环保部门多次投诉。

4 结语

(1)由于燃机的特性，在启动初期排放NOx浓度高，这一现象无法避免，白天点火启机给人的视觉感受不好，建议电厂在条件允许情况下夜间或凌晨点火启机，能有效的缓解烟囱冒黄烟造成的负面影响。如果在白天点火启机，燃机在启动过程中尽量缩短从启动到60%额定负荷的时间，从而减少烟囱冒黄烟的时间。

(2)从环保角度考虑，随着新版污染物排放标准即将实施，NOx的排放浓度限值更低，对天然气发电厂提出更高的要求，就必须对现有的燃烧器进行技术改造，采用最新的低氮燃烧控制技术［8－9］，或者加装SCR脱硝系统，来有效的降低NOx的排放量，把NO2的浓度控制在10μL/L以下，给人良好的视觉感受，即满足环保标准要求，又不会造成环境敏感问题。

(3)由于江苏省内燃机规模不断增加，天然气供应量不足，天然气供应企业、电力调度机构、燃气发电企业三者之间矛盾较多，存在不协调现象，时常出现需要调峰发电时而供气量不足，导致燃气发电机组不能高负荷运行，从而造成一系列的环境问题。解决这一问题的关键是协调电力调度和供气企业之间的关系，保证发电企业在调峰发电时有充足的气源供应，为燃机的稳定、高效、低氮运行提供有力的支持。

［1］徐明.9E燃气轮机低NOx燃烧技术及应用［J］.华电技术，2013，35(11):49－51.

［2］高和利.LNG电厂烟气排放品质分析［J］.燃气轮机技术，2008，21(4):60－62.

［3］赵昕.燃气轮机低NOx燃烧技术探讨［J］.办公自动化杂志，2011(213):19－24

［4］周国兴，黄红艳，周 晖.PG917E燃气轮机低氮燃烧系统改造［J］.发电设备，2013，27(5):339－342.

［5］金晓刚.M701F燃气轮机燃烧室的特点和燃烧调整［J］.燃气轮机技术，2010，23(1):54－57.

［6］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.

［7］冯冲，祁海鹰，谢刚，等.干式低NOx燃气轮机燃烧室的燃料/空气预混均匀性问题分析［J］.中国电机工程学报，2011，31 (17):9－18.

［8］王五清，王 旭，贺元启.燃气电厂脱硝技术方案的选择与分析［J］.华北电力技术，2013(4):38－41.

［9］岳建华，王凯，萨仁高娃.降低燃气电厂NOx排放量的方法比较［J］.内蒙古电力技术，2005，23(1):5－8.

The causes and solutions of gas turbine chimney emission yellow smoke

when gas turbine start－up phase and low－load operation，the chimney w ill have varying degrees of em ission ye llow smoke，in the daytim e visualeffect is poor，likely to resu lt a negative im pact on gas turbine power plants.By measuring the composition of flue gas，when gas turbine in start－up phase and low－load operation，analysis reveals that this phenomenon is mainly caused by the NO2in flue gas.It provides the basis of adjustment of combustion for power plant operating personnel，and present the proposal to reduce NOxem issions.Key words:gas turbine;NOx;combustion;flue gas analysis

X701

:B

:1674－8069(2016)01－033－03

2015-09-25;

:2015-11-07

王卫群(1984-)，男，湖北孝感人，工程师，主要从事火力发电厂电除尘器性能试验、脱硫脱硝性能试验方面工作和研究。E－mail:wangweiqun201@126.com