分析某M701F3型燃气轮机氮氧化物排放高原因

黎 晖，江昌标，王 武

(中海福建燃气发电有限公司，福建 莆田 351156)

某联合循环电厂一期工程建设四套390 MW三菱M701F3型燃气-蒸汽联合循环机组，单轴布置，配套四台无锡华光生产的三压、自然循环立式余热锅炉。M701F3型燃气轮机采用了低氮、干式燃烧器，20个环管布置，每个燃烧器设有8个预混燃烧的主燃烧喷嘴和1个扩散燃烧的值班燃烧喷嘴，内筒上同时还设置有旁路阀，通过调节旁路阀的开度来调整燃空比[1]。

机组启动后负荷达到200 MW标志启动完成，厂家保证了机组负荷在200 MW以上时，氮氧化物排放浓度应小于国标要求的50 mg/m3[2]。但随着机组两班制运行时间的延长，各台机组的氮氧化物排放逐渐呈现了升高的趋势。尤其是该厂的#1机组，排放指标要高于其他机组，特别是到了冬季，其350～370 MW的中高负荷区间甚至出现了频繁超标的工况，严重影响了机组的合规运行，迫切需要分析解决。

1 #1机组与其他机组在同条件下的NOx排放横向对比

1.1 对比情况

表1是12月12日、16日#1机组与其他机组在相同负荷及环境条件下的对比情况，可以看出#1机组的NOx排放实测值在12日湿度较低的情况下比其他机组高6～10 mg/m3，已经出现了中高负荷段超标的现象。而在16日湿度较高的情况下虽然没有超标工况，但同等情况下也比其他机组高4～9 mg/m3。

1.2 原因分析

1.2.1 PLCSO设定值的影响

从表2加深色部分可以看出#1机组在中、高负荷段的值班燃料PLCSO设定值虽然比#2机组高，但却低于#3、#4机组，因此我们认为目前#1机组的PLCSO的设定并不是引起其NOx排放高于其它机组的原因。

1.2.2 燃烧室旁路阀设定值的影响

燃气轮机燃烧室旁路阀主要作用是控制燃烧室内筒燃空比大小。其开度越大，参与燃烧的空气量越少，内筒燃空比越大，主燃区温度越高，NOx生成量也就越多。从表1来看，#1机组的燃烧室旁路阀开度在同负荷下比#2、#4机组要高，而且在中高负荷段差别更大。#2、#4机组已接近全关，而#1机组还有11%～13%的开度，因此专业认为燃烧旁路阀的设定是引起#1机组NOx排放偏高的原因之一。

1.2.3 机组特性

各机组由于制造工艺、安装质量和调试运行存在差异，导致了具有不同的运行特点和燃烧特性。三菱燃烧调整TA(全称Technical Advisor，技术指导)根据不同机组的燃烧特性设定各自合适的燃烧参数，就会引起各机组在同负荷下有不同的NOx排放水平，这可能也是#1机组排放偏高的原因。

注：PLCSO是Pilot Fuel Control Signal Output值班燃料控制信号输出的缩写。

表2 某厂四台机组值班燃料控制曲线设定表

注：CSO是Control Signal Output机组控制信号输出的缩写。

1.2.4 设备老化的影响

当机组运行一段时间后，尤其机组是在两班制模式下运行，燃气轮机的许多部位都会随着运行时间及启停次数的增加而出现老化，使各个通流间隙、密封间隙发生改变，出现空气泄漏的情况。这些空气泄漏将直接导致燃烧的燃空比发生变化，余气系数变小，偏离设计值，导致NOx排放量升高[3]。

(1) 燃烧室兼压气机气缸垂直中分面漏气，燃气轮机旁路阀泄漏等，使参与燃烧的空气量减少，直接改变了燃料与空气配比。

(2) 密封保持环发生椭圆变形过大，引起密封及冷却空气通流间隙增大，间接改变了燃料与空气配比等。

(3) 设备磨损，如挡气板磨损、密封保持环后流侧磨损，引起部分通流间隙发生变化，改变了燃料与空气配比。

(4) 尾筒密封件磨损变形等，也会改变参与燃烧的空气量[4]。

从表3中看出#1机组的启动次数已达1 704次，仅次于#2机组，鉴于#2机组率先在2016年出现了类似问题，所以我们认为设备的老化可能是#1机组在同等条件下NOx排放比其他机组高的主要原因。

表3 某厂四台机组启动次数和运行时长 (截止2019年12月18日)

注：AOH是Actual Operational Hour机组实际运行时间的缩写。

2 #1机组在不同季节环境下的NOx排放纵向对比

2.1 对比情况

从表4中看出，随着#1机组从夏季工况转入冬季工况运行，环境温度和湿度都有明显的降低，而同负荷下的NOx排放实测值则上涨了12～14 mg/m3，尤其是中高负荷段，偶尔出现大于50 mg/m3的超标工况点。

表4 #1机组不同季节环境下NOx排放对比表

2.2 原因分析

2.2.1 大气温度、湿度的影响

(1) 机组的NOx排放的测量值受环境温度和环境湿度的直接影响，随着环境温度和湿度的降低，空气中含水量降低，余热锅炉的排烟含水量也随之降低，NOx无法溶解在水里而更多被真实检测出来，所以导致实测值真实升高。因此本次#1机组NOx排放超标，环境温度和环境湿度的降低是最主要的影响因素。

(2) 在11月14日，热控专业第二次下调#1机组高负荷段PLCSO设定值后，从表5中12月7日—10日的燃烧数据来分析，当环境温度下降至19.56 ℃且湿度降至56.53%以下时，#1机组首先在340～376 MW之间的负荷段，NOx排放实测值出现超标点。

(3) 随着环境温度和环境湿度持续下降，#1机组NOx排放实测值超标的负荷段将不断增宽，当环境温度降至11.71 ℃左右且湿度低于22.47%时，#1机组将在280.88～372.38 MW的全负荷段都出现超标情况。

表5 #1机组NOx排放超标工况分析表

注：(1) 10月30日，热控专业根据三菱回复意见，将#1机组高负荷段的PLCSO设定值下调了0.2%，并复位了ACPFM系统。

(2) 11月14日，根据JV回复建议：热控专业对#1机组高负荷段PLCSO设定值再下调0.2%。

2.2.2 燃烧调整季节的影响

从表6中可以看出，#1机组上一次的燃烧调整时间为2019年6月26日夏季工况，温度和湿度较高，NOx的排放大概在33～40 mg/m3，处于合格范围内。三菱TA的燃烧调整思路是：值班燃料与燃烧室旁路阀的设定取上下边界的中间值，而不会刻意去减少NOx排放，调低值班燃料和旁路阀的设定值。因此，机组的燃烧调整季节也是一个重要的影响因素。

表6 某厂四台机组燃烧调整时间表

3 应对措施

12月21日，配合厂家技术人员实施#1机组燃烧调整试验，通过对各个负荷段燃烧边界的测试，再结合机组NOx排放指标，重新设定合适的PLCSO和BYCSO(全称Bypass Control Signal Output燃烧室旁路阀控制信号输出)参数值。本次燃烧调整大幅度降低了各负荷段的PLCSO(见表7、图2)和BYCSO(见表8、图3)设定值，取得了很好的降低NOx排放效果。

表7 #1机组燃烧调整前后PLCSO设定值

图2 #1机组燃烧调整前后PLCSO设定曲线

注：MWPcs含义是机组实际负荷同理论额定负荷的比值。

图3 #1机组燃烧调整前后BYCSO设定曲线

#1机组燃烧调整前后，我们选取了大气温度和湿度类似的两天工况点进行对比，大气温度18～23℃，湿度60%～70%，从表9中可以看出，燃烧调整后#1机组在各个负荷段NOx排放实测值都有明显的下降。

表9 #1机组燃烧调整前后NOx排放对比表

4 设想和建议

通过本次#1机组NOx排放超标分析，并参考惠州电厂的相关分析文献[5]，提出以下设想和建议供参考:

(1) 增加大气湿度对值班燃料量的补偿修正功能，大气湿度异常偏低时，适当降低PLCSO。

(2) 修改燃气轮机PLCSO进气温度补偿函数，加大冬季低温天气下的值班燃料量降低补偿量。

(3) 探讨在TCS画面上增加PLCSO减少0.2%的功能按钮。

(4) 压气机进气喷水技改，一方面可提升机组在高温天气下的出力，另一方面也可有效抑制低湿度工况下的NOx排放。