降低西门子燃气轮机NOx排放浓度的研究

摘 要： 西门子燃气轮机在采用干式低氮燃烧方式后，NOx排放已得到有效降低。但燃气轮机NOx排放形势依然严峻。面对国内日益提高的环保要求，如何进一步降低NOx排放成为迫在眉睫的问题。本文对西门子内部控制逻辑进行分析，针对燃机运行过程中存在的NOx排放高问题，采取调整值班气流量和OTC温度的手段，有效降低燃机NOx排放。

关键词： 西门子；燃气轮机；氮氧化物；燃烧调整

引言

某电厂2015年新建2台西门子SGT5-4000F（4+）型燃气轮机，投产后作为地区主力调峰机组。在经过西门子预混燃烧器9孔改8孔技术改造后，NOx排放依然较高。

面对氮氧化物（NOx）全负荷、全时段排放達标的环保要求，该厂根据NOx排放情况，研究分析，采取调整值班气流量和OTC温度的方式，成功降低机组NOx排放，满足国家环保要求。

一、NOx生成机理

（一）燃料型NOx

燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成的NOx。燃料型NOx的生成与燃料成分有关。

（二）快速型NOx

快速型NOx指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应然后快速与氧气反应生成NOx。根据费尼莫尔反应机理，在富燃料燃烧的情况下，快速型NOx大量生成。

（三）热力型NOx

热力型NOx指空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx。根据泽尔道维奇机理，热力型NOx与温度呈指数型关系，在1650℃以上，NOx大量生成。

二、西门子燃气轮机热力型NOx生成分析

（一）值班燃烧模式

值班燃烧器采用扩散燃烧模式，是一种将燃气和空气分别送入燃烧室直接混合反应的燃烧模式。扩散燃烧在扩散面上行成一个化学当量比下的混合区域进行燃烧。天然气的理论燃烧温度能达到2300℃，高于热力型NOx的大量生成温度1650℃。

（二）预混燃烧模式

预混燃烧器采用预混燃烧模式，是一种在反应前对燃料和空气进行均匀混合的燃烧模式。在预混燃烧模式下，通过控制空气量和燃料量的比值，间接控制过量空气系数α及燃烧温度，使燃烧温度一直低于1650℃，避免热力型NOx大量生成。但预混不均匀导致局部区域温度超过1650℃，导致生成热力型NOx。

燃机正常运行时NOx排放降低措施

三、燃气轮机控制方式

（一）值班气流量控制方式

西门子对值班天然气量的控制主要从压气机进口可调导叶（IGV）角度和透平排气修正温度（OTC）两个方面进行。值班天然气量的控制分2个阶段进行：第一个阶段是IGV动作前，此时IGV关闭，值班气流量随着OTC温度变化而变化；第二个阶段是IGV动作后，此时OTC已达到并控制在设定值，值班气流量随着IGV角度变化而变化。

OTC温度作为判断燃烧室火焰温度的依据，当OTC温度下降时，燃烧稳定性下降，当OTC温度小于540℃时，燃机控制系统会根据OTC温度增加值班气流量。

IGV用于控制压气机进气流量，为了控制燃烧温度，IGV随着燃机负荷升高而增大。控制系统根据IGV角度折算出一个值班气设定流量，用于更好的控制各阶段负荷下的燃烧情况。

（二）OTC温度控制方式

燃机控制系统使用压气机进口参数、水洗后运行小时数、ISO工况等计算当前的负荷百分比，根据负荷百分比确定OTC控制值。

四、降低NOx排放的可行措施

（一）降低透平排气修正温度

燃烧室内的燃气温度达到1200℃以上，西门子通过测量透平排气温度达到间接测量透平初温的目的，通过调整IGV角度控制OTC，减少热力型NOx的生成。相同工况下，OTC温度降低10℃，NOx排放下降了7mg/m3左右。降低透平排气修正温度来降低NOx的手段是切实可行的。

（二）降低值班天然气流量

预混燃烧的火焰温度比扩散燃烧低，在低温条件下火焰传播速度比较低，预混燃烧的稳定性较差。在预混模式下，保留一定的值班天然气，稳定燃烧。值班天然气的燃烧方式为扩散燃烧，燃烧温度高于1650℃，容易产生大量热力型NOx。降低值班气流量可以显著降低NOx排放。

五、综合后采取的NOx降低措施

OTC温度下降时，燃烧室火焰温度下降，燃烧火焰不稳定。值班气也是用于稳定火焰燃烧。降低NOx不可避免的要受到燃烧稳定性的限制。因此，调整的幅度是相当有限的。

该厂同时调节值班气流量或OTC温度设定值，值班气流量与OTC温度对NOx排放和燃烧稳定性的影响程度不一样，通过同时对两个参数进行调节配合，可以获得更多的调节量。

2017年5月，因燃气轮机高负荷下NOx排放超标，对燃气轮机进行了参数调整。调整的结果如图1至图3所示。

从调整结果可以看出，该厂燃气轮机值班气流量对NOx排放的影响要大于OTC温度对NOx排放的影响，因此此次调整中提高了OTC设定值，同时降低了值班气流量。从结果上看，满负荷时NOx排放降低了3mg/m3，调整措施切实有效。

结论

干式低氮燃烧技术并不能一劳永逸的解决NOx排放高问题。本文通过研究NOx的生成机理，分析降低NOx排放的不同措施，结合现场实际，采取调整OTC和值班气的方式后，成功降低西门子机组NOx排放。

参考文献

[1] 赵昕. 燃气轮机低NOx燃烧技术探讨[J]. 办公自动化， 2011（18）：112-113.

[2] 潘科锋， 卢如飞. V94.3A燃气轮机DLN混合型燃烧器的低NOx排放特性[J]. 发电设备， 2011， 25（2）：102-105.

[3] 王贵彦， 黄素华. DLN燃烧系统运行维护特点[J]. 燃气轮机技术， 2015（1）：42-45.

[4] 宋洪鹏， 周屈兰， 惠世恩，等. 过量空气系数对燃气燃烧中NOx生成的影响[J]. 节能， 2004（1）：12-13.

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