降低西門子燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放濃度的研究

白榮格

摘 要： 西門子燃?xì)廨啓C(jī)在采用干式低氮燃燒方式后，NOx排放已得到有效降低。但燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放形勢(shì)依然嚴(yán)峻。面對(duì)國(guó)內(nèi)日益提高的環(huán)保要求，如何進(jìn)一步降低NOx排放成為迫在眉睫的問題。本文對(duì)西門子內(nèi)部控制邏輯進(jìn)行分析，針對(duì)燃機(jī)運(yùn)行過程中存在的NOx排放高問題，采取調(diào)整值班氣流量和OTC溫度的手段，有效降低燃機(jī)NOx排放。

關(guān)鍵詞： 西門子；燃?xì)廨啓C(jī)；氮氧化物；燃燒調(diào)整

引言

某電廠2015年新建2臺(tái)西門子SGT5-4000F（4+）型燃?xì)廨啓C(jī)，投產(chǎn)后作為地區(qū)主力調(diào)峰機(jī)組。在經(jīng)過西門子預(yù)混燃燒器9孔改8孔技術(shù)改造后，NOx排放依然較高。

面對(duì)氮氧化物（NOx）全負(fù)荷、全時(shí)段排放達(dá)標(biāo)的環(huán)保要求，該廠根據(jù)NOx排放情況，研究分析，采取調(diào)整值班氣流量和OTC溫度的方式，成功降低機(jī)組NOx排放，滿足國(guó)家環(huán)保要求。

一、NOx生成機(jī)理

（一）燃料型NOx

燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成的NOx。燃料型NOx的生成與燃料成分有關(guān)。

（二）快速型NOx

快速型NOx指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)然后快速與氧氣反應(yīng)生成NOx。根據(jù)費(fèi)尼莫爾反應(yīng)機(jī)理，在富燃料燃燒的情況下，快速型NOx大量生成。

（三）熱力型NOx

熱力型NOx指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox。根據(jù)澤爾道維奇機(jī)理，熱力型NOx與溫度呈指數(shù)型關(guān)系，在1650℃以上，NOx大量生成。

二、西門子燃?xì)廨啓C(jī)熱力型NOx生成分析

（一）值班燃燒模式

值班燃燒器采用擴(kuò)散燃燒模式，是一種將燃?xì)夂涂諝夥謩e送入燃燒室直接混合反應(yīng)的燃燒模式。擴(kuò)散燃燒在擴(kuò)散面上行成一個(gè)化學(xué)當(dāng)量比下的混合區(qū)域進(jìn)行燃燒。天然氣的理論燃燒溫度能達(dá)到2300℃，高于熱力型NOx的大量生成溫度1650℃。

（二）預(yù)混燃燒模式

預(yù)混燃燒器采用預(yù)混燃燒模式，是一種在反應(yīng)前對(duì)燃料和空氣進(jìn)行均勻混合的燃燒模式。在預(yù)混燃燒模式下，通過控制空氣量和燃料量的比值，間接控制過量空氣系數(shù)α及燃燒溫度，使燃燒溫度一直低于1650℃，避免熱力型NOx大量生成。但預(yù)混不均勻?qū)е戮植繀^(qū)域溫度超過1650℃，導(dǎo)致生成熱力型NOx。

燃機(jī)正常運(yùn)行時(shí)NOx排放降低措施

三、燃?xì)廨啓C(jī)控制方式

（一）值班氣流量控制方式

西門子對(duì)值班天然氣量的控制主要從壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉（IGV）角度和透平排氣修正溫度（OTC）兩個(gè)方面進(jìn)行。值班天然氣量的控制分2個(gè)階段進(jìn)行：第一個(gè)階段是IGV動(dòng)作前，此時(shí)IGV關(guān)閉，值班氣流量隨著OTC溫度變化而變化；第二個(gè)階段是IGV動(dòng)作后，此時(shí)OTC已達(dá)到并控制在設(shè)定值，值班氣流量隨著IGV角度變化而變化。

OTC溫度作為判斷燃燒室火焰溫度的依據(jù)，當(dāng)OTC溫度下降時(shí)，燃燒穩(wěn)定性下降，當(dāng)OTC溫度小于540℃時(shí)，燃機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)OTC溫度增加值班氣流量。

IGV用于控制壓氣機(jī)進(jìn)氣流量，為了控制燃燒溫度，IGV隨著燃機(jī)負(fù)荷升高而增大。控制系統(tǒng)根據(jù)IGV角度折算出一個(gè)值班氣設(shè)定流量，用于更好的控制各階段負(fù)荷下的燃燒情況。

（二）OTC溫度控制方式

燃機(jī)控制系統(tǒng)使用壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)、水洗后運(yùn)行小時(shí)數(shù)、ISO工況等計(jì)算當(dāng)前的負(fù)荷百分比，根據(jù)負(fù)荷百分比確定OTC控制值。

四、降低NOx排放的可行措施

（一）降低透平排氣修正溫度

燃燒室內(nèi)的燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1200℃以上，西門子通過測(cè)量透平排氣溫度達(dá)到間接測(cè)量透平初溫的目的，通過調(diào)整IGV角度控制OTC，減少熱力型NOx的生成。相同工況下，OTC溫度降低10℃，NOx排放下降了7mg/m3左右。降低透平排氣修正溫度來降低NOx的手段是切實(shí)可行的。

（二）降低值班天然氣流量

預(yù)混燃燒的火焰溫度比擴(kuò)散燃燒低，在低溫條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低，預(yù)混燃燒的穩(wěn)定性較差。在預(yù)混模式下，保留一定的值班天然氣，穩(wěn)定燃燒。值班天然氣的燃燒方式為擴(kuò)散燃燒，燃燒溫度高于1650℃，容易產(chǎn)生大量熱力型NOx。降低值班氣流量可以顯著降低NOx排放。

五、綜合后采取的NOx降低措施

OTC溫度下降時(shí)，燃燒室火焰溫度下降，燃燒火焰不穩(wěn)定。值班氣也是用于穩(wěn)定火焰燃燒。降低NOx不可避免的要受到燃燒穩(wěn)定性的限制。因此，調(diào)整的幅度是相當(dāng)有限的。

該廠同時(shí)調(diào)節(jié)值班氣流量或OTC溫度設(shè)定值，值班氣流量與OTC溫度對(duì)NOx排放和燃燒穩(wěn)定性的影響程度不一樣，通過同時(shí)對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)配合，可以獲得更多的調(diào)節(jié)量。

2017年5月，因燃?xì)廨啓C(jī)高負(fù)荷下NOx排放超標(biāo)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整。調(diào)整的結(jié)果如圖1至圖3所示。

從調(diào)整結(jié)果可以看出，該廠燃?xì)廨啓C(jī)值班氣流量對(duì)NOx排放的影響要大于OTC溫度對(duì)NOx排放的影響，因此此次調(diào)整中提高了OTC設(shè)定值，同時(shí)降低了值班氣流量。從結(jié)果上看，滿負(fù)荷時(shí)NOx排放降低了3mg/m3，調(diào)整措施切實(shí)有效。

結(jié)論

干式低氮燃燒技術(shù)并不能一勞永逸的解決NOx排放高問題。本文通過研究NOx的生成機(jī)理，分析降低NOx排放的不同措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采取調(diào)整OTC和值班氣的方式后，成功降低西門子機(jī)組NOx排放。

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