西門子9F燃機NOX排放跟蹤及控制優化

程 甫，馮森良，於國良

（蕭山發電廠， 杭州 311251）

西門子9F燃機NOX排放跟蹤及控制優化

程 甫，馮森良，於國良

（蕭山發電廠， 杭州 311251）

某發電廠西門子9F燃機在實際運行過程中，氮氧化物的排放濃度不穩定，甚至會出現超標的現象。通過長時間的數據跟蹤及數據比對，發現天然氣組分、環境濕度較大幅度的變化對氮氧化物的產生具有很大影響，甚至引起機組排放超標。對此，在確保機組穩定運行的前提下，實施了根據負荷調整氮氧化物、燃燒調整、燃燒器改造等一系列的優化措施，可確保機組在全負荷段氮氧化物均不超標，實現機組的安全穩定運行。

大氣污染物；氮氧化物；影響因素

0 引言

根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的規定，2014年7月1日起，燃氣輪機組的氮氧化物排放必須控制在50 mg/m3以下。某發電廠3，4號機組采用西門子公司生產的V94.3A型燃氣輪機，配備低NOX混合型燃燒器，當機組負荷超過50%后，壓氣機的進口導葉逐漸打開，燃燒器轉為均相預混火焰方式，NOX排放量迅速降至 50 mg/m3水平，由于燃燒火焰的溫度超過1 100℃，NOX排放量能維持在較低水平。然而，在實際運行中NOX排放量并不穩定，數值變化很大，甚至會出現超標現象，嚴重威脅了機組的安全穩定生產。先進的燃燒技術可以有效地控制NOX排放量，然而，針對機組穩定運行期間NOX變化較大這一現象進行長時間的跟蹤觀察、表計比對及數據分析，發現天然氣組分、大氣濕度等對燃氣輪機的NOX排放量也會有較大的影響。

1 現象分析

圖1為2013年5月，4號機組的NOX排放數據曲線，機組運行負荷在350～340 MW，NOX排放值從38.6 mg/m3逐漸上升，最高達到56 mg/m3，在這期間機組穩定運行并沒有出現異常現象，燃燒設備及燃燒技術不存在變化。針對機組穩定運行期間NOX變化大這一問題，展開了長達一年多的跟蹤觀察及數據分析。

1.1 天然氣組分的影響

對燃氣輪機來說，當燃氣成分含量發生變化，將會導致燃氣總體熱值發生變化，在相同的機組負荷下進入燃機的燃料量將發生變化，引起燃燒器噴嘴壓比發生波動，偏離設計值。同時各種燃料成分完全燃燒所需的空氣量也有所區別，燃氣成分的變化會導致過量空氣系數發生改變，同時產生的NOX也會發生相應的變化。如圖2所示，機組保持在330 MW負荷運行，環境濕度和環境溫度沒有太大變化，NOX排放量隨著天然氣組分的變化（主要反映在燃料熱值的變化）而變化，天然氣熱值從36.2 MJ/Nm3上升到37.5 MJ/Nm3，對應的NOX排放量從30.8 mg/m3上升到43.9 mg/m3。從數據結果可以判斷，天然氣組分出現變化時會影響NOX產生，負荷相同的情況下：天然氣熱值上升，NOX排放量上升；天然氣熱值下降，NOX排放量下降。

圖1 2013年5月24日的4號機組的NOX排放數據曲線

圖2 天然氣組分變化和NOX排放數據曲線

1.2 大氣濕度的影響

9E燃氣輪機及以燃油為原料的燃氣輪機往往會采取往燃燒室注水或蒸汽的方式來降低擴散火焰的溫度，減少熱力型NO生產，與此同時火焰中水蒸汽的存在降低了CH根的濃度，抑制快速型NO生成，以達到降低NOX排放量的目的。

隨著技術的進步，以天然氣為燃料的9F燃氣輪機配置了干式低NOX混合型燃燒器，取消了往燃燒室注水的方式，因此參與燃燒的水含量取決于空氣的濕度,空氣中水汽含量對NO生成的抑制作用需要根據運行數據判斷。如圖3數據曲線所示，機組保持在350 MW負荷運行，根據天然氣熱值數據判斷天然氣組分沒有太大變化，環境濕度從76%下降到52%，對應的NOX排放量從33.1 mg/m3上升到39.0 mg/m3。空氣濕度的變化，對NOX排放量存在一定影響，空氣濕度的增加有利于抑制NO生成。

圖3 大氣濕度變化和NOX排放數據曲線

1.3 機組濕度、熱值的變化情況

某發電廠所在區域的濕度及天然氣熱值在一天中可能會有較大變化，從圖 4可知在同一天內，燃機運行期間會經歷大氣濕度從88%下降到25.5%，天然氣熱值從37.5 MJ/m3上升到39.93 MJ/m3的工況變化。

圖4 一天內天然氣組分、大氣濕度變化曲線

1.4 原因分析

通過實際數據可以判斷，隨著天然氣熱值的升高，NOX排放量會增大；隨著空氣濕度的下降，NOX排放量會增大。雖然空氣濕度和天然氣組分的變化所導致的NOX變化量相對整體NOX排放量占很小一部分，甚至可以忽略，但是由于燃氣輪機組的氮氧化物排放要求控制在50 mg/m3以內，因此這一部分NOX的產生很容易導致NOX排放量不符合《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）的要求。

根據某電廠濕度、天然氣熱值的變化情況可以得知，電廠使用的天然氣熱值和空氣濕度的變化很大，經常經歷天然氣低熱值、空氣高濕度到天然氣高熱值、空氣低濕度的工況轉變，從而導致每天的NOX排放值變化較大，遇到天然氣相對高熱值、空氣低濕度的極端工況，NOX排放值很容易超標。如圖5所示，機組保持在350 MW負荷運行，天然氣熱值保持在37.2 MJ/Nm3，當空氣濕度降低到16%時，NOX排放量為50.08 mg/m3，不符合標準要求。

圖5 NOX超標的數據曲線

2 采取的措施

2.1 根據負荷控制排放

通過控制機組的負荷進行NOX排放量的控制是一個有效解決NOX排放量超標的手段，但是NOX排放量不一定是線性變化過程。如圖6所示為4號機組NOX排放量和IGV進口導葉開度的曲線關系，隨著IGV開度的減小，NOX排放量并不是遞減的過程，因此如何控制機組的負荷以達到有效控制NOX排放量的目的，需要根據機組的特性進行。

圖6 NOX排放量與IGV開度的關系

2.2 穩定天然氣組分

發電廠天然氣管網接入位置處于天然氣管網的末端，天然氣來源較多，有川氣、西一氣、西二氣以及少量的LNG等，因此機組運行中天然氣組分的變化是不可避免的。根據熱值統計，發電廠天然氣最低熱值為36.2 MJ/Nm3，最高熱值可以達到39.92 MJ/Nm3，可見天然氣組分變化范圍較大，不穩定。

2.3 燃燒調整

4號機組在2014—2015年針對NOX排放量進行多次燃燒調整并取得一定的效果，但是燃燒調整主要針對值班氣流量和燃氣排氣溫度（OTC）進行，雖然可以降低NOX的排放濃度，但是會影響燃燒穩定性，同時受實際使用的天然氣組分、環境濕度變化的影響，因此燃燒調整的效果存在一定的局限性。

2.4 預混燃燒器改造

根據西門子提供的技術方案，將預混燃燒器9孔改8孔，同時結合燃燒調整能有效降低90 Hz段的Humming值，提高燃燒穩定性。在同等負荷下減少值班氣流量以達到降低火焰中心溫度減少熱力型NO產生的目的，預計可以有效降低NOX數值4～8 mg/m3。根據1年來運行數據的分析，NOX若能降低8 mg/m3，即使遇到極端的環境因素，NOX排放值也不會超過50 mg/m3。2015年9月4號機組進行了預混燃燒器9孔改8孔的技術改造工作，改造后不同工況下NOX排放情況如表1所示，即便在高熱值低濕度的情況下，NOX的排放值與50 mg/m3存在一定距離，有較大的余量。

3 改進建議

目前北京市《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（DB 11847-2011）規定燃氣輪機的NOX排放量要求控制在30 mg/m3，考慮日后NOX可能存在更高的要求，現有的NOX排放數值依然存在一定差距。

目前NOX的折算值是依據測量到的NO濃度進行計算的，根據2015年7月24日印發的《杭州市2015年污染源自動監控系統建設和改造計劃》（杭環函[2015]203號）的技術要求，NO2也需要上傳，用于計算NOX，目前NO2的數值按照NOX總量的5%折算，原有CEMS（煙氣連續排放監測系統）沒有NO2的測量通道，因此西門子9F燃機NO2的實際排放數值并不明確，NO2的數值變化及其影響因素成為今后需要重點關注的對象。

4 結語

2014—2015年熱工技術人員經過長期的數據分析和表計比對，確定了影響NOX數值的幾個因素，為有效控制NOX排放提供了可靠的數據支持，為同類型機組的NOX數值分析提供了參考，為燃機的改造方向提供了可靠的技術支持。

[1]蘇保興，黃素華，華宇東，等.燃料組分變化對 DLN燃燒器運行的影響[J].燃氣輪機技術，2014，27（1）∶48-51.

[2]雷宇，房愛兵，徐綱，等.燃氣輪機合成氣燃燒室燃料氣加濕實驗研究[J].工程熱物理學報，2008，29（1）∶161-164.

[3]黃素華，陳昱，陸靜，等.干式低NOX燃燒器火焰穩定性檢測技術探討[J].華東電力，2011，39（9）∶1533-1537.

[4]黃素華，蘇保興，華宇東，等.燃氣輪機NOX排放控制技術[J].中國電力，2012,45（6）∶100-103.

（本文編輯：張 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，工程師，從事發電廠熱工專業工作。