西门子V94.2A型燃气轮机NOX排放分析

盛守志;姚继宇;赵智辉

【摘 要】文章介绍了西门子V94.2A燃机正常运行中NOx的生成机理，分析了随环境变化NOx排放量变化趋势，燃机在燃烧方式切换过程中NOx排放量的变化情况及燃机在升降负荷过程中NOx排放量的变化情况；并提出了NOx排放控制方案。%This paper introduces the formation mechanism of Siemens V94.2A NOx combustion engine during normal operation, analyzed the changes in the environment with the NOx emissions trends, emissions of NOx gas turbine and gas turbine changes in combustion mode switching process in lifting load changes in the process of NOx emissions; and proposed NOx emission control program. 【期刊名称】《无线互联科技》 【年(卷),期】2015(000)017 【总页数】3页(P86-88)

【关键词】燃气轮机;NOx排放;环境温度;燃烧方式;机组负荷 【作 者】盛守志;姚继宇;赵智辉

【作者单位】北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209;北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209;北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209 【正文语种】中 文

随着环境污染的日益严重，对电力生产排放标准的要求越来越高，甚至提出电力生产零排放；燃气轮机主要运行中污染物排放很低，因此近年来得到良好的发展，燃机运行中NOx排放量的控制也显得十分重要，按照北京市环保要求NOx排放不大于30mg/NM3，机组运行中要求脱硝系统必须投入运行，从而保证烟气排放NOx含量达标，因此了解NOx的生成机理及掌握NOx排放量的变化趋势，减小氨水的喷放量，从而减小生产成本。 1 设备概述

我公司燃气—蒸汽联合循环机组采用西门子SGT5-2000E（V94.2）型燃机“一拖一”多轴布置。2个筒形燃烧室，每个燃烧室有8个西门子组合式燃烧器（可进行扩散和预混燃烧模式切换），锅炉为无锡华光锅炉厂生产的卧式无补燃双压余热锅炉，并配有脱硝系统。 2 燃烧过程中NOx生成机理 2.1 热力型NOx生成机理

（1）热力型NOx是指空气中的N2在高温条件下氧化生成的氮氧化物，其主要成分是NO。空气中的N2在高温下氧化，生成NO所需的活化能很大，通常氧原子与燃料中可燃成分之间的反应所需活化能较小，反应较快，因此，NO通常不在火焰面上生成，主要生成区域位于火焰下游高温区。

（2）过量空气系数对热力型NOx的影响也是非常明显的，热力型NOx生成量与氧浓度的平方根成正比，即氧浓度增大，在较高的温度下会使氧分子分解的氧原子浓度增加，从而使热力型NOx的生成量增加。但在实际燃烧过程中情况会更复杂一些，因为过量空气系数的增加一方面增加了氧浓度，另一方面也降低了火焰温度，从总体趋势上来看，随着过量空气系数的增加，NOx生成量先增加，到达一个极值后下降。

2.2 燃料型NOx生成机理

天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等低分子量的烷烃,还含有少量的硫化氢、二氧化碳、氢、氮等气体。燃用含氮燃料也会排放出NOx，这部分氮氧化物通常被称之为燃料型NOx。随着燃烧温度的升高，燃料氮的转化率不断升高，氧浓度对氮向NOx转化率影响很大，另外，燃料的存在形式、氮含量、燃料含氧量、挥发分含量、金属氧化物含量以及含水量均对燃料型NOx的生成有较大影响。 3 运行中NOx排放变化分析

我公司从调试阶段到投入商业运行以来，观察NOx排放量的变化情况，大致可分为以下4种情况：（1）由扩散燃烧模式切预混燃烧模式；（2）由预混燃烧模式切扩散燃烧模式；（3）机组负荷升降过程中；（4）机组稳定负荷环境温度，湿度改变过程中。以下是对正常运行中前4种运行工况NOx变化的分析。 3.1 燃烧方式改变时，扩散切预混（见表1）

表1 扩散切预混参数变化曲线颜色 曲线名称 单位 光标1 光标2红色 脱销入口NOX mg/m3 141 53浅蓝色 脱销出口NOx mg/m3 103 13黑色 IGV开度 % 9 6.6灰色 氨水流量 Kg/h 54 98绿色 负荷 MW 101 127粉色 天然气量 Nm3/h 25749 29857黄色 OTC温度 ℃ 465 529浅粉色 环境温度 ℃ 31 31红色阴影 预混模式 0 1黄色阴影 扩散模式 1 0

在升负荷过程中燃烧切换条件达到后燃烧模式自动切换的参数曲线图，扩散切预混时逻辑关小IGV开度，减小燃烧过量空气系数，从而减小NOx的生成，由于预混燃烧空气与天然气提前混合，降低了火焰温度，进而减小了NOx的生成。表1中可以看出燃烧模式由扩散切预混后脱销装置入口和出口NOx快速降低，这符合西门子燃烧器的设计理念和要求。

按照热力型NOx生成机理，升负荷时排烟温度总体是上升趋势。NOx生成量应有所增加，但此时燃烧方式的切换对NOx生成量起主导作用致使脱销装置入口和

出口NOx快速降低。

3.2 燃烧方式改变时 预混切扩散（见表2）

表2 预混切扩散参数曲线颜色 曲线名称 单位 光标1 光标2红色 脱销入口NOX mg/m3 25 116浅蓝色 脱销出口NOx mg/m3 11 85黑色 IGV开度 % 2 10灰色 氨水流量 Kg/h 78 78绿色 负荷 MW 105 104粉色 天然气量 Nm3/h 参数未上传黄色 OTC温度 ℃ 482 465浅粉色 环境温度 ℃ 33 32红色阴影 预混模式 1 0黄色阴影 扩散模式 0 1

为降负荷过程中燃烧切换条件达到后燃烧模式自动切换的参数曲线图，预混切扩散时逻辑开大IGV开度，防止排气温度升高，从而增大燃烧过量空气系数，增加了NOx的生成，由于扩散燃烧提高了燃烧火焰温度，进而增加了NOx的生成。按照热力型NOx生成机理，降负荷时排烟温度总体是上升趋势。NOx生成量应有所降低，但此时燃烧方式的切换对NOx生成量起主导作用致使脱销装置入口和出口NOx快速增加。

为了降低NOx排放水平，必须降低燃烧火焰温度。采用预混燃烧可以有效降低燃烧室内火焰温度。将一定量的空气和燃料预混均匀后再燃烧，将燃烧室内部火焰温度控制在合适的范围内，从而达到降低NOx生成量的目的;另外预混过程中天然气燃烧比较充分，能够达到比扩散更高的燃烧效率。 3.3 升降负荷情况（见表3）

表3 升降负荷参数曲线颜色 曲线名称 单位 光标1 光标2 光标3红色 脱销入口NOX mg/m3 39 45 38浅蓝 脱销出口NOx mg/m3 13 13 12黑色 IGV开度 % 22 50 21灰色 氨水流量 Kg/h 89 123 77绿色 负荷 MW 152 182 152粉色 天然气量 Nm3/h 32839 37786 32795黄色 排气温度 ℃ 544 550 544

联合循环升负荷时，燃机负荷增加，燃气量增加，IGV开度自动增加，燃烧室内燃烧强度变强，排烟温度增加，说明燃烧室内火焰温度升高，根据NOX生成机理的

分析，温度升高NOX生成量增加，燃料量增加，空气量增加，NOX生成量也会增加，因此脱硝装置入口NOX生成量增大，由于机组投NOX排放量自动，为了维持脱硝出口NOX含量在规定范围内，氨水喷放量随脱硝装置入口NOX生成量的增加而增加。降负荷过程与升负荷过程正好相反。 3.4 负荷不变，空气温度、湿度变化（见表4）

表4 负荷不变环境温度变化参数曲线曲线颜色 曲线名称 单位 光标1 光标2 光标3红色 脱销入口NOX mg/m3 37 50 39浅蓝色 脱销出口NOx mg/m3 13 11 13黑色 IGV开度 % 19 24 20灰色 氨水流量 Kg/h 74 117 79绿色 负荷 MW 152 152 152粉色 天然气量 Nm3/h 33178 32676 33098黄色 排气温度 ℃ 538 548 541浅粉色 环境温度 ℃ 18 35 23细红 环境湿度 % 80 22 68蓝色 压气机排气温度℃ 195 208 199

选取一天的联合循环负荷不变，NOX生成量变化趋势，北京夏天夜间环境温度低、湿度大，白天中午环境温度高、湿度小，由表4分析环境温度与环境湿度对NOX生成量变化的影响：白天随大气温度的上升，湿度降低，压气机排气温度升高，湿度降低，因此在燃烧室和天然气混合燃烧后生成的水分减小，水分的减小使燃烧火焰温度升高，燃烧效率升高，使排气温度有所升高，燃烧室内温度的升高使NOX生成量增加，排气温度升高，IGV开度增大，过量空气系数增加，NOX生成量也随之增加；午后随着环境温度的降低，湿度增加，NOX生成量又有所下降。因此脱硝装置入口NOX生成量随环境温度、湿度变化而变化，由于机组投NOX排放量自动，为了维持脱硝出口NOX含量在规定范围内，氨水喷放量因脱硝装置入口NOX生成量的变化而发生相应变化（脱销出口NOx在正常运行时有所波动，原因为脱销入口NOX发生变化时，氨水喷放调整门自动跟踪有所滞后。） 4 减小NOx排放量控制措施

（1）根据机组负荷变化而引起NOx排放量变化的趋势，提前控制氨水喷放量；

从而保证NOx排放达标而又不会因为过调而多消耗氨水。（2）查看当地天气预报，根据环境温度及湿度变化对NOx的影响及时调整氨水喷放量来调整NOx在控制范围之内。（3）机组正常运行中优先选择预混燃烧方式，降低火焰温度从而降低NOx排放，减少氨水喷入量；在进行预混和扩散燃烧方式切换时，可根据NOx生成及排放规律提前调节氨水喷入量，做到提前调节防止NOx排放超标。（4）正常运行时注意氨水的稀释浓度和喷嘴处的含氨量在规定范围之内，压缩空气气源稳定，保证脱硝系统的效率。（5）正常运行中燃机IGV控制器可靠投入，燃机排气温度控制在正常范围之内，减少NOx的生成量，达到环保要求。（6）当发生设备故障或气源故障时，出口NOx无法控制时，及时汇报环保部门并做好记录。（7）当发生设备及人身安全的事故时，及时停运设备汇报环保部门并采取措施启动应急预案。（8）当发生氨泄漏严重恶性事故时，及时停运设备汇报环保部门并采取措施启动应急预案。 5 结语

本文从理论与实际来分析了NOx生成机理和排放量的变化规律，通过试验和调取大量数据，总结了西门子V94.2A型燃机NOx排放量的各种影响因素，并提出了脱硝系统运行中注意事项，在满足环保对NOx排放要求的前提下降低氨水喷放量，使机组安全经济运行得到保障。