某F型燃气轮机NOx排放浓度的影响因素分析*

杨爱勇 舒喜 刘志坦 申智勇 王凯 李玉刚

(国电环境保护研究院有限公司 南京 210031)

0 引言

近年来燃煤机组加速推进超低排放改造工作，排放标准已经与《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)中燃气机组要求相同。燃气机组的NOx排放浓度若折算到相同含氧量，则是燃煤机组的2.5倍；若折算到单位发电量污染物排放量，则是燃煤机组的约1.5倍。因此，降低燃机排放标准成为大势所趋。《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》(DB 11/847—2011)、《火电厂大气污染物排放标准》(DB 12/810—2018)等地方标准中规定，燃气轮机NOx排放质量浓度限值为30 mg/m3(本文中所有质量浓度的状态均为标态、干基、6%O2)。2018年4月深圳出台了《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》，要求燃气电厂2018年11月前全部完成改造。《深圳市大气环境质量提升补贴办法(2018—2020年)》(深人环[2018]581号)提出，NOx排放质量浓度不高于15 mg/m3[1]。

为达到更严格的排放标准，燃气机组需要采取低氮燃烧器、SCR等改造方式降低NOx排放。摸清现有燃气机组NOx排放浓度的影响因素及规律，对于确定燃气机组排放标准、选择最优的减排技术措施并实现稳定达标排放都具有重要意义。

本文以某电厂典型的西门子SGT5-4000F(4+)机组为例，通过对在线历史数据进行统计，分析影响该类型机组NOx排放的相关因素及规律。该机型燃机简单循环额定出力为293.02 MW，联合循环额定出力为432 MW(纯凝工况下)。燃烧室类型为逆时针布置的环型燃烧室，燃烧器数量为24个，配备干式低NOx混合型燃烧器。天然气来源为西气东输，N2体积分数为0.967%。

1 影响NOx排放的因素

燃烧过程中生成的 NOx主要有燃料型、热力型及快速型等3 种。对于燃气轮机，一般认为NOx排放中热力型占绝大部分，其次是快速型，燃料型占比最低[2-3]。热力型NOx一般不会在火焰面上生成，而是在火焰下游的高温区生成，与氧气浓度、火焰温度及在高温区的停留时间成正比。影响燃气机组NOx排放浓度的因素很多，大体可归结为以下4个方面影响：

(1)内在因素

①燃烧器结构与燃烧方式：不同燃机厂家的燃烧器结构不同，NOx排放有极大差异；同一厂家机型的不同型号燃烧器之间也有一定差异，特别是安装干式低氮燃烧器等降氮装置前后[4]。目前GE、西门子、三菱重工均采用干式低氮燃烧技术(简称DLN)，控制燃烧火焰温度以抑制NOx生成。

②制造安装质量：同一电厂相同的燃机由于安装和调试水平受人为影响，因此也存在一定差异，且存在高者恒高、低者恒低的总体趋势。

(2)外部因素

主要是燃料与空气的状态，如空气温度与湿度、燃料温度与成分、压力等因素[2,5-7]，也会对燃机NOx排放有较大影响。

(3)运行因素

①机组负荷：在不同负荷阶段，燃烧方式及状态都不同，对NOx排放影响较大，特别是在启停机阶段。

②设备老化：随着设备老化，燃气轮机的各种通流间隙、密封间隙效果变差，导致发生各种泄漏，改变空燃比，进而影响NOx的生成量，因此设备标定周期、检修状况也有一定影响。

③燃烧运行控制水平：在燃烧调整和运行水平方面，需要优先保证燃烧稳定，调控各级燃料和空气分配，因此不同水平的运行人员和燃烧器厂家技术支持人员对于NOx排放也有一定影响。

(4)其他因素

需要注意的是，CEMS中氧量、NOx等参数测量的精确性以及取样方式对NOx排放浓度的显示值有较大影响。

由于燃烧器结构、制造安装质量、燃烧运行水平、设备老化等影响因素需要大量机组长时间对比分析且难以量化，在一定时间内假定以上设备因素的影响可以忽略，本文分析某电厂西门子SGT5-4000F(4+)机型时仅针对负荷、环境温度、湿度与NOx排放浓度之间的规律。

2 数据选取原则

从CEMS和DCS系统中导出近一年的历史运行数据，数据间隔为1 h，如图1和图2所示。为保证数据的准确性、分析的合理性以及量化表征的需要，对数据作如下处理：

(1)温度、含湿量、负荷率均根据情况分组，温度以1 ℃为一组(如16 ℃对应15.5～16.5 ℃的数据)，负荷率以2%为一组(如80%对应79%～81%的数据)，含湿量以0.1%为一组。

(2)去除缺失数据、启动与停机阶段数据。

(3)去除NOx数据明显不合理的数据区间：以图1为例，2#机组NOx质量浓度基本在20～45 mg/m3之间，1#机组7月以后的NOx质量浓度长时间低于20 mg/m3甚至接近零值，这与2#机组、1#机组7月前数据及常规认知明显不符，因此可以认为1#机组7月以后数据存在偏差，本次以2#机组的历史数据作为分析样板。

(a)1#机组

(4)去除O2体积分数明显不合理的数据：以图2为例，6—8月的O2体积分数波动明显异常，对NOx折算质量浓度有较大影响，为提高数据分析的准确性，剔除6—8月的数据。

(a)随时间变化

(5)剔除少于5个数据点的分组，减少个别不准确数据的影响，提高分析的可靠性。

(6)由于在线数据中缺少NO2的数据，本文中的NOx数据中NO2的数据按恒定比例考虑。

3 燃机负荷对NOx排放的影响

烟气中NOx质量浓度随燃机负荷率等级的分布如图3所示，图中圆点为区间平均值，短线为标准差。可以看出，燃机负荷率与NOx质量浓度呈正相关，这与之前研究相符[8]。当负荷率从74%增大到100%时，NOx质量浓度从(25.2±2.8)mg/m3增加到(32.4±2.9)mg/m3，增幅约30%。一般认为是由于负荷率越高，燃烧区温度更高，因此热力型NOx质量浓度会有一定程度增加。当负荷率大于90%时，NOx质量浓度不再明显变化。

图3 烟气中NOx质量浓度随燃机负荷率等级的分布

需要注意的是，由于缺少70%以下负荷运行的数据，对于该区间NOx质量浓度需要更多进一步分析。

4 环境温度对NOx排放的影响

烟气中NOx质量浓度随温度等级的分布如图4所示，图中圆点为区间平均值，短线为标准差。由图可以看出，随着环境温度升高，NOx质量浓度呈降低趋势，在26 ℃左右时达到最低值；之后随着环境温度升高，NOx质量浓度增加趋势明显。

图4 烟气中NOx质量浓度随温度等级的分布

一般认为大气温度增加后，燃机燃烧温度会有小幅增加，随着燃烧温度的上升，燃机热力性NOx生成量增加，NOx排放应呈增加趋势。也有研究认为环境温度升高，NOx呈降低趋势[8]，该趋势与环境相对湿度和蒸气量相对密度有一定关系[9]。

考虑到燃机功率与环境温度相关，排除燃机功率对NOx排放增加的影响，分负荷率区间分析温度的影响。3个典型负荷率区间下NOx质量浓度与环境温度之间的变化关系如图5所示，图中数据为区间平均值。

由于环境温度与燃机的最大负荷呈负相关，以及电力需求等因素，图5中高负荷率区间缺少高环境温度的数据，低负荷率区间缺少低环境温度的数据。

图5 在80%，86%，92%负荷率等级区间下烟气中NOx质量浓度随温度等级变化的分布

从图5中可看出，在不同的负荷率区间，NOx质量浓度均呈现出随环境温度的升高先降低后升高的现象。初步分析低温环境下NOx质量浓度更高的原因主要有两方面：首先是空气中含水量低，导致NOx质量浓度升高；其次是环境温度低时会导致压气机出口压力升高(根据历史数据分析，可从约1.6 MPa升高到2.0 MPa)，压气机出口压力升高会提高NOx排放浓度[2]。高温环境下NOx质量浓度更高则应是燃烧区温度更高，导致热力型NOx质量浓度升高所致。

同时从图5中也可以看出，不同负荷率区间最适宜的环境温度有一定差异，随着负荷率增加，最适宜的温度区间向低温区域移动。负荷率越高，在环境温度较高时更容易导致NOx大幅增加。

因此，通过控制环境空气温度是可以降低燃机NOx排放浓度的，但是最优的温度范围与负荷有一定关系。通过对进气系统进行改造，提高冬季的空气温度，不仅可以提高燃机机组效率和设备稳定性，也可以一定程度降低NOx排放；在夏季降低空气温度可以在提高燃机负荷的同时降低NOx排放。

5 环境湿度对NOx排放的影响

早期燃气轮机通常采用向燃烧室注水或蒸气的方式来降低扩散火焰的温度，减少热力型NOx生成，同时火焰中水蒸气的存在降低了CH5+的浓度，抑制快速型NOx生成，以达到降低NOx排放[10-11]，但该方式会对燃烧的稳定性产生影响。

随着预混燃烧和旋流稳定燃烧器技术的发展，燃烧稳定性得到进一步提高，可接受的蒸气与空气质量比也在不断增大，未来采用注入蒸气等增湿技术降低NOx排放以及使用高氢含量燃气成为一种可能[2，12-14]。

文中采用水蒸气体积比(或含水率、含湿量等)来量化空气中的水蒸气，即水蒸气分压与大气压的百分比，其中水蒸气分压由环境温度、相对湿度计算得出。

烟气中NOx质量浓度随空气水蒸气体积比等级的分布如图6所示，图中圆点为区间平均值，短线为标准差。可以看出，随着空气中水蒸气体积比升高，NOx质量浓度整体呈降低趋势，这与先前研究基本相符[5]。在空气中水蒸气体积比为2.6%时，NOx质量浓度达到最低值(22.3±1.8)mg，降幅约35%。

图6 烟气中NOx质量浓度随空气中水蒸气体积比等级的分布

3个典型负荷率区间下NOx质量浓度与水蒸气体积比之间的变化关系如图7所示，图中数据为区间平均值。由于水蒸气体积比的上限与环境温度呈正相关，而负荷率与环境温度呈负相关，因此图7中高负荷率区间缺少高水蒸气体积比(即高温环境)的数据，低负荷率区间缺少低水蒸气体积比(即低温环境)的数据。

图7 在80%，86%，92%负荷率区间下烟气中NOx质量浓度随空气中水蒸气体积比等级变化的分布

从图7可以看出，在各负荷率区间，随着水蒸气体积比增大，NOx质量浓度整体均呈降低趋势，由于环境温度等因素的影响，部分区域存在波动。

因此，适当提高空气中的水蒸气体积比是一种辅助降低NOx的技术手段。目前燃烧器一般配备预混燃烧器，可通过增大燃气或空气中的水汽含量降低NOx。根据研究成果，两种方式对氮氧化物的降低幅度无明显差异，但是前者CO排放更低[15]，且不同增湿方式也会有一定影响[16]。未来采用该方式应该根据具体机型开展优化实验研究，以确定最优方式。

6 结语

本研究仅分析了一台西门子SGT5-4000F(4+)机组的历史数据，呈现的规律不一定适用于其他机型或其他地区相同机型的燃机。

需要注意的是，空气中水蒸气体积比极值和机组最大运行负荷受空气温度的限制，3个因素之间存在相互影响，增加了分析各因素与NOx质量浓度变化关系的难度。

CEMS历史数据(如NOx质量浓度、环境温度与相对湿度等)受监测仪表准确性影响大，对数据的量化分析不可避免存在影响。分析中也没有剔除燃气成分变化引起热值和过量空气系数的变化对NOx质量浓度以及机组运行和老化的影响。由于现有CEMS系统不监测NO2数据，因此实际排放值有一定差异。

本台燃机历史数据中呈现出以下规律：

(1)环境空气温度、空气中水蒸气体积比(或环境相对湿度)、负荷等因素对NOx排放均有明显影响；

(2)负荷率在70%以上时，负荷与NOx排放浓度呈正相关，在90%负荷率时基本不再明显增加；

(3)空气中水蒸气体积比与NOx排放浓度呈负相关，降低幅度约35%。

(4)环境温度与NOx排放浓度关系比较复杂，随着环境温度升高，NOx质量浓度出现先升高再降低再升高的现象；最适宜的环境温度区域与负荷率相关，综合考虑机组最大运行负荷、燃机效率、NOx排放浓度，采用进气系统改造是一种经济可行的方式。