分析某M701F3型燃氣輪機氮氧化物排放高原因

黎 暉，江昌標，王 武

(中海福建燃氣發電有限公司，福建 莆田 351156)

某聯合循環電廠一期工程建設四套390 MW三菱M701F3型燃氣-蒸汽聯合循環機組，單軸布置，配套四臺無錫華光生產的三壓、自然循環立式余熱鍋爐。M701F3型燃氣輪機采用了低氮、干式燃燒器，20個環管布置，每個燃燒器設有8個預混燃燒的主燃燒噴嘴和1個擴散燃燒的值班燃燒噴嘴，內筒上同時還設置有旁路閥，通過調節旁路閥的開度來調整燃空比[1]。

機組啟動后負荷達到200 MW標志啟動完成，廠家保證了機組負荷在200 MW以上時，氮氧化物排放濃度應小于國標要求的50 mg/m3[2]。但隨著機組兩班制運行時間的延長，各臺機組的氮氧化物排放逐漸呈現了升高的趨勢。尤其是該廠的#1機組，排放指標要高于其他機組，特別是到了冬季，其350～370 MW的中高負荷區間甚至出現了頻繁超標的工況，嚴重影響了機組的合規運行，迫切需要分析解決。

1 #1機組與其他機組在同條件下的NOx排放橫向對比

1.1 對比情況

表1是12月12日、16日#1機組與其他機組在相同負荷及環境條件下的對比情況，可以看出#1機組的NOx排放實測值在12日濕度較低的情況下比其他機組高6～10 mg/m3，已經出現了中高負荷段超標的現象。而在16日濕度較高的情況下雖然沒有超標工況，但同等情況下也比其他機組高4～9 mg/m3。

1.2 原因分析

1.2.1 PLCSO設定值的影響

從表2加深色部分可以看出#1機組在中、高負荷段的值班燃料PLCSO設定值雖然比#2機組高，但卻低于#3、#4機組，因此我們認為目前#1機組的PLCSO的設定并不是引起其NOx排放高于其它機組的原因。

1.2.2 燃燒室旁路閥設定值的影響

燃氣輪機燃燒室旁路閥主要作用是控制燃燒室內筒燃空比大小。其開度越大，參與燃燒的空氣量越少，內筒燃空比越大，主燃區溫度越高，NOx生成量也就越多。從表1來看，#1機組的燃燒室旁路閥開度在同負荷下比#2、#4機組要高，而且在中高負荷段差別更大。#2、#4機組已接近全關，而#1機組還有11%～13%的開度，因此專業認為燃燒旁路閥的設定是引起#1機組NOx排放偏高的原因之一。

1.2.3 機組特性

各機組由于制造工藝、安裝質量和調試運行存在差異，導致了具有不同的運行特點和燃燒特性。三菱燃燒調整TA(全稱Technical Advisor，技術指導)根據不同機組的燃燒特性設定各自合適的燃燒參數，就會引起各機組在同負荷下有不同的NOx排放水平，這可能也是#1機組排放偏高的原因。

注：PLCSO是Pilot Fuel Control Signal Output值班燃料控制信號輸出的縮寫。

表2 某廠四臺機組值班燃料控制曲線設定表

注：CSO是Control Signal Output機組控制信號輸出的縮寫。

1.2.4 設備老化的影響

當機組運行一段時間后，尤其機組是在兩班制模式下運行，燃氣輪機的許多部位都會隨著運行時間及啟停次數的增加而出現老化，使各個通流間隙、密封間隙發生改變，出現空氣泄漏的情況。這些空氣泄漏將直接導致燃燒的燃空比發生變化，余氣系數變小，偏離設計值，導致NOx排放量升高[3]。

(1) 燃燒室兼壓氣機氣缸垂直中分面漏氣，燃氣輪機旁路閥泄漏等，使參與燃燒的空氣量減少，直接改變了燃料與空氣配比。

(2) 密封保持環發生橢圓變形過大，引起密封及冷卻空氣通流間隙增大，間接改變了燃料與空氣配比等。

(3) 設備磨損，如擋氣板磨損、密封保持環后流側磨損，引起部分通流間隙發生變化，改變了燃料與空氣配比。

(4) 尾筒密封件磨損變形等，也會改變參與燃燒的空氣量[4]。

從表3中看出#1機組的啟動次數已達1 704次，僅次于#2機組，鑒于#2機組率先在2016年出現了類似問題，所以我們認為設備的老化可能是#1機組在同等條件下NOx排放比其他機組高的主要原因。

表3 某廠四臺機組啟動次數和運行時長 (截止2019年12月18日)

注：AOH是Actual Operational Hour機組實際運行時間的縮寫。

2 #1機組在不同季節環境下的NOx排放縱向對比

2.1 對比情況

從表4中看出，隨著#1機組從夏季工況轉入冬季工況運行，環境溫度和濕度都有明顯的降低，而同負荷下的NOx排放實測值則上漲了12～14 mg/m3，尤其是中高負荷段，偶爾出現大于50 mg/m3的超標工況點。

表4 #1機組不同季節環境下NOx排放對比表

2.2 原因分析

2.2.1 大氣溫度、濕度的影響

(1) 機組的NOx排放的測量值受環境溫度和環境濕度的直接影響，隨著環境溫度和濕度的降低，空氣中含水量降低，余熱鍋爐的排煙含水量也隨之降低，NOx無法溶解在水里而更多被真實檢測出來，所以導致實測值真實升高。因此本次#1機組NOx排放超標，環境溫度和環境濕度的降低是最主要的影響因素。

(2) 在11月14日，熱控專業第二次下調#1機組高負荷段PLCSO設定值后，從表5中12月7日—10日的燃燒數據來分析，當環境溫度下降至19.56 ℃且濕度降至56.53%以下時，#1機組首先在340～376 MW之間的負荷段，NOx排放實測值出現超標點。

(3) 隨著環境溫度和環境濕度持續下降，#1機組NOx排放實測值超標的負荷段將不斷增寬，當環境溫度降至11.71 ℃左右且濕度低于22.47%時，#1機組將在280.88～372.38 MW的全負荷段都出現超標情況。

表5 #1機組NOx排放超標工況分析表

注：(1) 10月30日，熱控專業根據三菱回復意見，將#1機組高負荷段的PLCSO設定值下調了0.2%，并復位了ACPFM系統。

(2) 11月14日，根據JV回復建議：熱控專業對#1機組高負荷段PLCSO設定值再下調0.2%。

2.2.2 燃燒調整季節的影響

從表6中可以看出，#1機組上一次的燃燒調整時間為2019年6月26日夏季工況，溫度和濕度較高，NOx的排放大概在33～40 mg/m3，處于合格范圍內。三菱TA的燃燒調整思路是：值班燃料與燃燒室旁路閥的設定取上下邊界的中間值，而不會刻意去減少NOx排放，調低值班燃料和旁路閥的設定值。因此，機組的燃燒調整季節也是一個重要的影響因素。

表6 某廠四臺機組燃燒調整時間表

3 應對措施

12月21日，配合廠家技術人員實施#1機組燃燒調整試驗，通過對各個負荷段燃燒邊界的測試，再結合機組NOx排放指標，重新設定合適的PLCSO和BYCSO(全稱Bypass Control Signal Output燃燒室旁路閥控制信號輸出)參數值。本次燃燒調整大幅度降低了各負荷段的PLCSO(見表7、圖2)和BYCSO(見表8、圖3)設定值，取得了很好的降低NOx排放效果。

表7 #1機組燃燒調整前后PLCSO設定值

圖2 #1機組燃燒調整前后PLCSO設定曲線

注：MWPcs含義是機組實際負荷同理論額定負荷的比值。

圖3 #1機組燃燒調整前后BYCSO設定曲線

#1機組燃燒調整前后，我們選取了大氣溫度和濕度類似的兩天工況點進行對比，大氣溫度18～23℃，濕度60%～70%，從表9中可以看出，燃燒調整后#1機組在各個負荷段NOx排放實測值都有明顯的下降。

表9 #1機組燃燒調整前后NOx排放對比表

4 設想和建議

通過本次#1機組NOx排放超標分析，并參考惠州電廠的相關分析文獻[5]，提出以下設想和建議供參考:

(1) 增加大氣濕度對值班燃料量的補償修正功能，大氣濕度異常偏低時，適當降低PLCSO。

(2) 修改燃氣輪機PLCSO進氣溫度補償函數，加大冬季低溫天氣下的值班燃料量降低補償量。

(3) 探討在TCS畫面上增加PLCSO減少0.2%的功能按鈕。

(4) 壓氣機進氣噴水技改，一方面可提升機組在高溫天氣下的出力，另一方面也可有效抑制低濕度工況下的NOx排放。