论文部分内容阅读
摘 要：本文结合NOx生成机理、西门子9F型燃气轮机燃烧方式及运行具体数据，分析影响NOx排放量的原因，为以后机组安全、环保运行提供参考。
关键词： 天然气 数据分析 NOx排放量
引 言：随着国民经济的发展，能源消耗的快速增加，带来越来越严重的环境污染。众所周知，燃气-蒸汽联合循环机组主要污染物为NOx。按照国家环保局最新《火电厂大气污染物排放标准》规定，天然气NOx排放量小于50mg/m?。
1、 燃烧过程中NOx生成机理
1.1 热力型
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。根据泽尔道维奇机理，温度对热力型NOx的影响是非常明显的，当温度低于1800K时，热力型NOx生成量很少，当温度高于1800K时，反应逐渐明显，而且随着温度的升高，NOx生成量急剧升高。
1.2 快速型
快速型NOx指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团（CH）等反应而生成NOx。其基本现象是碳氢燃料在过量空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NOx，而CO、H2等非碳氢燃料在空气中燃烧却没有发生这种现象。碳氢燃料的种类对快速型NOx的生成影响较大，火焰温度对快速型NOx生成的影响不大，但随着压力的增大，快速型NOx会有所增加。
1.3 燃料型
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。常用的天然气含甲烷85%以上。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。
2、 西门子9F燃气轮机燃烧方式
西门子9F型燃气轮机，在组织天然气的燃烧过程时有两种基本模式：第一种是扩散燃烧模式，另一种是预混燃烧模式。
2.1 扩散燃烧方式
燃料和空气分别送入燃烧室，依靠扩散与湍流交换的作用，使它们彼此相互掺混，进而在过量空气系统α=1的火焰面上进行燃烧，形成一个高达理论燃烧温度的火焰，称之为“扩散燃烧”，其燃烧过程是边混合边燃烧。
采用扩散燃烧的优点是燃烧稳定，不易熄火，燃烧效率随负荷降低的程度也不那么严重；缺点是在着火前需要依靠紊流扰动与空气混合，而混合过程比燃烧过程缓慢得多，因此它的火焰要比预混燃烧的长；火焰面上的α=1，其燃烧区温度甚高，通常为理论燃烧温度，并且它总是高于空气中N2和O2产生化学反应时生成NOx的起始温度1650℃，所以燃烧过程必然会产生数量较多的“热NOx”污染物。
2.2 预混燃烧模式
均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法就是指：把燃料与空气预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧，那时，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时掺混比的数值相对应（不再只是αf=1的理论燃烧温度了）。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，这样就能控制“热NOx”生成。
图1为西门子公司的混合型DLN燃烧器在按扩散火焰方式和预混火焰方式工作时，燃烧区内不同反应温度的波及范围。从图中可以明显地看到：当改为预混火焰的燃烧方式后，α<1.0和1.0<α<1.6的范围将大大缩小，大部分区域为α>1.6的低温燃烧区，这必将有利于减少“热NOx”的生成。
图1西门子公司的混合型DLN燃烧器在扩散火焰和预混火焰状态下，
不同空气/燃料的过量空气系统α时的反应区范围区域1：
α<1.0；区域2：1.0<α<1.6；区域3：α>1.6，
α=1时的理论燃烧温度为2100℃，α=2.1时的平均温度为1390℃
同扩散燃烧相比较，预混燃烧火焰比较短，因而燃烧室的火焰强度高；NOX排放量低。但预混燃烧稳定性比较差，需由值班气喷嘴来稳定燃烧。我厂燃气轮机在带负荷运行中，值班气均保持一定的流量供给。
合理地选择均相预混可燃混合物的实时掺混比和火焰温度。对于天然气来说，按火焰温度为1700-1800K这个标准来选择燃料/空气的混合比是比较合适的。这样才有可能使燃烧室的NOx和CO的排放量都比较低。
图2燃烧火焰温度对NOx和CO排放量的影响关系
3、 机组运行中NOx排放量的影响因素
3.1 机组负荷
机组在高负荷运行中，由于天然气流量相对较大，燃烧室火焰温度较高。当NOx排放量超过报警值时，通常采用降低燃气轮机负荷的方式来降低NOx排放量。表1可以看出在大气湿度、天然气温度及热值变化不大的情况下，随机组负荷降低，值班气流量减小，NOx排放量减小。
表1 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.13 机组
负荷
MW 大气
湿度 环 境
温 度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 天然气
温度
℃ 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
18：29 367 36.8 7.0 37.96 100.5 1.28 45.57
18：41 267 36.9 6.9 37.97 100.3 1.14 32.68
18：52 167 36.9 7.0 37.96 100.2 1.09 12.86
3.2 天然气热值
天然气的主要成分是甲烷，也含有乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳等组分。其组成不同或各成分的比例不同热值也不同。乙烷、丙烷的热值高于甲烷，若天然气中高热值组分的含量较高则热值也较高。随着天然气热值的增加，天然气可燃气体组分中C的含量增加，燃烧温度提高。根据阿雷尼乌斯定律，当温度高于1800K时，N2氧化形成的NOx量反应速度按指数规律增加，热力型NOx产量相应增加。 从表2可以看出，在其它参数变化不大的情况下，NOx排放量与天然气热值的波动几乎是同步的，影响明显。
表2 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.12 机组
负荷
MW 大气
湿度 环 境
温 度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 天然气
温度
℃ 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
11：40 415 23.0 8.4 38.52 109.4 1.19 45.37
11：47 414 23.0 8.5 37.45 109.5 1.20 39.41
12：00 416 23.1 8.8 36.11 109.1 1.20 33.92
3.3 天然气温度
萧山发电厂#5机组设置天然气性能加热器，用来自于余热锅炉中压给水管道（运行压力 5.8MPa；运行温度 130℃），在流经性能加热器对气侧燃气进行加热，将燃气预热至110℃—130℃左右。天然温度升高，在保证燃气轮机ACC及排烟温度温度的情况下，减小运行中值班气的流量。值班气流量降低可以有效降低燃烧室温度，NOx生成量相应减小。分析表3数据，可以得出：在机组负荷及天然气热值不变的情况下，当性能加热器流量减小造成天然气温度下降， NOx排放量增大。
表3 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.17 机组
负荷
MW 性能加热
器流量
t/h 天然气
温度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
13：09 418 26.45 111.6 38.72 1.19 45.71
13：15 418 23.35 104.21 38.59 1.22 49.31
13：22 417 19.59 97.60 38.49 1.26 53.32
3.4 空气温度及湿度
在冬季运行工况下，空气湿度波动较大。#5机组前置模块设置性能加热器，天然气温度较高，空气湿度及环境温度波动对NOx排放量影响不大。萧山发电厂#3、#4机组没有设置性能加热器，空气湿度对NOx排放量影响相对明显。分析表4数据，可以得出：当其它参数变化不大的情况下，空气湿度由46%降至23%，#5机组NOx排放量波动不大，#3机组降20MW负荷后，NOx排放量仍然较高。
表4 机组运行参数汇总表
机组 取样时间
2014.
12.23 机 组
负 荷
MW 大气
湿度 环境
温度
℃ 天然气
温度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? NOx
排放量
mg/m?
#3 9：12 300 46.24 12.87 15 38.69 44.94
#3 12：46 280 23.64 13.32 15 38.68 49.02
#5 9：12 400 46.86 12.87 110 38.69 37.28
#5 12：46 401 23.75 13.32 115 38.69 36.06
3.5 燃烧器类型
西门子已在改良型的燃气轮机上取消了扩散燃烧模式，由“三段混合燃烧器”改为“二段混合燃烧器”，称为PMP（Pre-Mix Pilot）燃烧器。 PMP燃烧器已作为SGT5-4000F（4）型燃气轮机的标准配置。
与“三段混合燃烧器”相比较，PMP燃烧器的值班气体喷嘴位于轴向旋流器内部，并位于点火电极附近，确保点火电极形成的电弧能点燃值班气体喷嘴出口的燃料和空气混合物。值班气体采用预混燃烧模式，有效降低了NOX的排放。#5机组采用PMP燃烧器，在一定程度上降低了NOx的排放。
4、 结语
随着经济的不断发展，社会对环保的要求更加严格，要求我们在保证经济运行的同时，还要保持环保运行。运行人员在机组正常运行中，应严密监视大气温度、湿度以及天然气温度、热值对NOx排放量的影响，及时投运性能加热器。当NOx排放量超过报警值是，及时降低机组负荷，控制NOx排放量不超标。若机组在低负荷时，NOx排放量仍然较大，应联系专家对燃烧进行调整。
参考文献
[1] 焦树建，《燃气-蒸汽联合循环》，北京：机械工业出版社，2006
[2] 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司编，《燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置》（上、下册），北京：中国电力出版社，2007
[3] 姚秀平，《燃气轮机与联合循环》，北京：中国电力出版社，2010
[4] 萧山发电厂编，《SIEMENS-1S.V94.3A联合循环发电机组培训资料》（1～12册），2005
关键词： 天然气 数据分析 NOx排放量
引 言：随着国民经济的发展，能源消耗的快速增加，带来越来越严重的环境污染。众所周知，燃气-蒸汽联合循环机组主要污染物为NOx。按照国家环保局最新《火电厂大气污染物排放标准》规定，天然气NOx排放量小于50mg/m?。
1、 燃烧过程中NOx生成机理
1.1 热力型
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。根据泽尔道维奇机理，温度对热力型NOx的影响是非常明显的，当温度低于1800K时，热力型NOx生成量很少，当温度高于1800K时，反应逐渐明显，而且随着温度的升高，NOx生成量急剧升高。
1.2 快速型
快速型NOx指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团（CH）等反应而生成NOx。其基本现象是碳氢燃料在过量空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NOx，而CO、H2等非碳氢燃料在空气中燃烧却没有发生这种现象。碳氢燃料的种类对快速型NOx的生成影响较大，火焰温度对快速型NOx生成的影响不大，但随着压力的增大，快速型NOx会有所增加。
1.3 燃料型
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。常用的天然气含甲烷85%以上。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。
2、 西门子9F燃气轮机燃烧方式
西门子9F型燃气轮机，在组织天然气的燃烧过程时有两种基本模式：第一种是扩散燃烧模式，另一种是预混燃烧模式。
2.1 扩散燃烧方式
燃料和空气分别送入燃烧室，依靠扩散与湍流交换的作用，使它们彼此相互掺混，进而在过量空气系统α=1的火焰面上进行燃烧，形成一个高达理论燃烧温度的火焰，称之为“扩散燃烧”，其燃烧过程是边混合边燃烧。
采用扩散燃烧的优点是燃烧稳定，不易熄火，燃烧效率随负荷降低的程度也不那么严重；缺点是在着火前需要依靠紊流扰动与空气混合，而混合过程比燃烧过程缓慢得多，因此它的火焰要比预混燃烧的长；火焰面上的α=1，其燃烧区温度甚高，通常为理论燃烧温度，并且它总是高于空气中N2和O2产生化学反应时生成NOx的起始温度1650℃，所以燃烧过程必然会产生数量较多的“热NOx”污染物。
2.2 预混燃烧模式
均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法就是指：把燃料与空气预先混合成为均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧，那时，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时掺混比的数值相对应（不再只是αf=1的理论燃烧温度了）。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，这样就能控制“热NOx”生成。
图1为西门子公司的混合型DLN燃烧器在按扩散火焰方式和预混火焰方式工作时，燃烧区内不同反应温度的波及范围。从图中可以明显地看到：当改为预混火焰的燃烧方式后，α<1.0和1.0<α<1.6的范围将大大缩小，大部分区域为α>1.6的低温燃烧区，这必将有利于减少“热NOx”的生成。
图1西门子公司的混合型DLN燃烧器在扩散火焰和预混火焰状态下，
不同空气/燃料的过量空气系统α时的反应区范围区域1：
α<1.0；区域2：1.0<α<1.6；区域3：α>1.6，
α=1时的理论燃烧温度为2100℃，α=2.1时的平均温度为1390℃
同扩散燃烧相比较，预混燃烧火焰比较短，因而燃烧室的火焰强度高；NOX排放量低。但预混燃烧稳定性比较差，需由值班气喷嘴来稳定燃烧。我厂燃气轮机在带负荷运行中，值班气均保持一定的流量供给。
合理地选择均相预混可燃混合物的实时掺混比和火焰温度。对于天然气来说，按火焰温度为1700-1800K这个标准来选择燃料/空气的混合比是比较合适的。这样才有可能使燃烧室的NOx和CO的排放量都比较低。
图2燃烧火焰温度对NOx和CO排放量的影响关系
3、 机组运行中NOx排放量的影响因素
3.1 机组负荷
机组在高负荷运行中，由于天然气流量相对较大，燃烧室火焰温度较高。当NOx排放量超过报警值时，通常采用降低燃气轮机负荷的方式来降低NOx排放量。表1可以看出在大气湿度、天然气温度及热值变化不大的情况下，随机组负荷降低，值班气流量减小，NOx排放量减小。
表1 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.13 机组
负荷
MW 大气
湿度 环 境
温 度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 天然气
温度
℃ 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
18：29 367 36.8 7.0 37.96 100.5 1.28 45.57
18：41 267 36.9 6.9 37.97 100.3 1.14 32.68
18：52 167 36.9 7.0 37.96 100.2 1.09 12.86
3.2 天然气热值
天然气的主要成分是甲烷，也含有乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳等组分。其组成不同或各成分的比例不同热值也不同。乙烷、丙烷的热值高于甲烷，若天然气中高热值组分的含量较高则热值也较高。随着天然气热值的增加，天然气可燃气体组分中C的含量增加，燃烧温度提高。根据阿雷尼乌斯定律，当温度高于1800K时，N2氧化形成的NOx量反应速度按指数规律增加，热力型NOx产量相应增加。 从表2可以看出，在其它参数变化不大的情况下，NOx排放量与天然气热值的波动几乎是同步的，影响明显。
表2 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.12 机组
负荷
MW 大气
湿度 环 境
温 度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 天然气
温度
℃ 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
11：40 415 23.0 8.4 38.52 109.4 1.19 45.37
11：47 414 23.0 8.5 37.45 109.5 1.20 39.41
12：00 416 23.1 8.8 36.11 109.1 1.20 33.92
3.3 天然气温度
萧山发电厂#5机组设置天然气性能加热器，用来自于余热锅炉中压给水管道（运行压力 5.8MPa；运行温度 130℃），在流经性能加热器对气侧燃气进行加热，将燃气预热至110℃—130℃左右。天然温度升高，在保证燃气轮机ACC及排烟温度温度的情况下，减小运行中值班气的流量。值班气流量降低可以有效降低燃烧室温度，NOx生成量相应减小。分析表3数据，可以得出：在机组负荷及天然气热值不变的情况下，当性能加热器流量减小造成天然气温度下降， NOx排放量增大。
表3 机组运行参数汇总表
采样时间
2014.12.17 机组
负荷
MW 性能加热
器流量
t/h 天然气
温度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? 值班气
流量
kg/s NOx
排放量
mg/m?
13：09 418 26.45 111.6 38.72 1.19 45.71
13：15 418 23.35 104.21 38.59 1.22 49.31
13：22 417 19.59 97.60 38.49 1.26 53.32
3.4 空气温度及湿度
在冬季运行工况下，空气湿度波动较大。#5机组前置模块设置性能加热器，天然气温度较高，空气湿度及环境温度波动对NOx排放量影响不大。萧山发电厂#3、#4机组没有设置性能加热器，空气湿度对NOx排放量影响相对明显。分析表4数据，可以得出：当其它参数变化不大的情况下，空气湿度由46%降至23%，#5机组NOx排放量波动不大，#3机组降20MW负荷后，NOx排放量仍然较高。
表4 机组运行参数汇总表
机组 取样时间
2014.
12.23 机 组
负 荷
MW 大气
湿度 环境
温度
℃ 天然气
温度
℃ 天然气
热 值
MJ/m? NOx
排放量
mg/m?
#3 9：12 300 46.24 12.87 15 38.69 44.94
#3 12：46 280 23.64 13.32 15 38.68 49.02
#5 9：12 400 46.86 12.87 110 38.69 37.28
#5 12：46 401 23.75 13.32 115 38.69 36.06
3.5 燃烧器类型
西门子已在改良型的燃气轮机上取消了扩散燃烧模式，由“三段混合燃烧器”改为“二段混合燃烧器”，称为PMP（Pre-Mix Pilot）燃烧器。 PMP燃烧器已作为SGT5-4000F（4）型燃气轮机的标准配置。
与“三段混合燃烧器”相比较，PMP燃烧器的值班气体喷嘴位于轴向旋流器内部，并位于点火电极附近，确保点火电极形成的电弧能点燃值班气体喷嘴出口的燃料和空气混合物。值班气体采用预混燃烧模式，有效降低了NOX的排放。#5机组采用PMP燃烧器，在一定程度上降低了NOx的排放。
4、 结语
随着经济的不断发展，社会对环保的要求更加严格，要求我们在保证经济运行的同时，还要保持环保运行。运行人员在机组正常运行中，应严密监视大气温度、湿度以及天然气温度、热值对NOx排放量的影响，及时投运性能加热器。当NOx排放量超过报警值是，及时降低机组负荷，控制NOx排放量不超标。若机组在低负荷时，NOx排放量仍然较大，应联系专家对燃烧进行调整。
参考文献
[1] 焦树建，《燃气-蒸汽联合循环》，北京：机械工业出版社，2006
[2] 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司编，《燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置》（上、下册），北京：中国电力出版社，2007
[3] 姚秀平，《燃气轮机与联合循环》，北京：中国电力出版社，2010
[4] 萧山发电厂编，《SIEMENS-1S.V94.3A联合循环发电机组培训资料》（1～12册），2005