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1、#5机组启动时NOx超限原因分析【摘要】燃气轮机的主要污染物为燃烧过程中产生的氮氧化物(NOx)。2011 年发布的GB 13223 2011火电厂大气污染物排放标准要求燃气机组的NOx 排放浓度50mg 。为此，展开对#5机组启动过程中出现NOx排放短时超标的原 因分析与探讨，并提出改善方案，使得在今后的生产过程中NOx排放能够达到环 保要求。【关键词】NOx排放、时均值、折算值、控制建议一、NOx排放超标经过2020年2月25日，接值长令：顺启#5燃机，04:36 点火成功；04:42 #5发 电机并网；05:27 #5汽机冲转；05:33 SSS 离合器啮合，逐带负荷至385 MW (交
2、班)。在启动过程中，根据萧山污染源监控中心在线监测显示，凌晨五点萧 山#5机NOx排放时均值为50.9mg/m3，出现超标。二、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
3、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
4、含水量均对燃料型 NOx 的生成有较 大影响。三、NOx超标原因分析通过观察2月25日开机当天NOx排放数据和曲线图，并与其他日期机组启 动阶段各参数相比较，对可能影响本次机组启动 NOx 排放超标的因素进行原因调 查和具体分析。3.1 燃烧情况影响在机组启动过程中，通过对比不同日期NOx偏高时间段ACC参数值，检查启 动过程中燃烧稳定性。从下表可见燃烧室 ACC 参数小于报警值，燃烧稳定性较好 与25日机组启动阶段NOx排放偏高关系弱。3.2 天然气参数影响调查发现2月 24日、25日、26日启动时间段的不同时刻，天然气参数基本 相同，NOx排放相差较大，因此25日NOx排放值偏高与天然气压
5、力、天然气热值 关系不大。3.3 大气湿度影响#5燃气轮机配置了干式低NOx混合型燃烧器，参与燃烧的水汽含量取决于空 气的湿度。随着空气湿度的下降，NOx排放量会增大。虽然空气湿度和天然气组 分的变化所导致的NOx变化量相对整体NOx排放量占很小一部分甚至可以忽略， 但是由于燃气轮机组的氮氧化物排放要求控制在50mg/m3，因此这一部分NOx的 产生很容易导致NOx排放量不符合火电厂大气污染物排放标准(GB 13223- 2011)的要求。如表中数据所示，随着环境湿度从80左右%下降到56左右，对应的NOx排 放量从预警值上升至报警值，由此结果可以判断，25日机组启动当天空气湿度相 对较低，是
6、NOx排放偏高的一个可能因素。3.4负荷影响根据2月25日机组启动时，负荷和NOx折算值曲线上两种参数随时间逐渐 变化情况，选取相应曲线转折点数值作为研究对象。曲线走势分析：04:36燃机点火成功，开始检测到氮氧化物排放；04:46 NOx排放折算值第一次达到50mg/m3；04:52 NOx排放折算值持续上升至87mg/m3，燃机负荷8MW左右，并在此时 出现小幅度下降趋势；04:54 NOx排放折算值下降至80 mg/m3，随后再次呈现上升趋势；05:02 NOx排放折算值上升至100 mg/m3，且维持在100 mg/m?以上一段时间;05:10 NOx排放折算值逐渐下降，在05:16燃
7、机负荷降至50 mg/m?，此时燃 机开始步入暖机负荷阶段，NOx排放折算值随时间推移持续逐渐下降至环保要求 范围内，直至机组进入联合循环，凌晨6点的NOx排放时均值始终满足环保要求。从时间上来看，05： 02后，负荷从8MW左右逐步上升，而在负荷达到90MW 之前，NOx已经从峰值下降，可以判断，在此过程中负荷逐渐加载会使NOx下降。04 : 43至04 : 5 1之间，燃机负荷被限制加载，查逻辑，限制条件为来自余热 锅炉的温度。再同比22日、24日、26日开机情况可以看出，燃机点火后随着负荷逐步加 载至暖机负荷，NOx排放值逐渐下降至环保要求以内，因此加负荷至暖机负荷快 慢对NOx时均值影
8、响较大，加快启动速度可以有效降低NOx时均值。3.5性能加热器投运情况影响对比不同日期启动过程中，在大气湿度相同时，投入性能加热器的时间与 NOx折算峰值关系不大。性能加热器对燃烧稳定性关系较大，但对NOx生成的影 响不大，具体影响仍需更多数据进行分析。3.6监测设备故障影响通过查看#5机OM界面逻辑，得出NOx排放折算值计算公式为：S二*，:*6，从公式中可以看出，若由于设备故障导致烟气湿度偏大或含氧量偏大，则导 致NOx排放折算值计算结果偏高。3.7 启动时间选择的影响NOx排放分钟数据通过观察2月25日启动时间段NOx排放分钟数据，我们可以发现从凌晨五 点开始至五点十分的分钟数据均在90
9、mg/m3以上，使得五点至六点的NOx排放时 均值提升，从而导致排放告警。若选择合适的启动时间，将峰值与启动前NOx零 排放的数值平均，可能可以将NOx时均值控制在要求范围内。四、运行注意事项1.停机后，做好余热锅炉保温保压措施。提早查看天气预报，分析大气湿度动态，启动过程中，合理疏水，减小汽包 壁温差，提升高压主汽压力，解除来自余热锅炉的应力限制，以此快速加载燃机 负荷。3.结合厂部要求，及时合理投入性能加热器。4.联系相关部门，定期对检测设备进行定标、故障测试。5.与省调做好沟通，选择恰当的时间启动机组，以降低NOx排放时均值。五、远期建议调整方法：5.1 燃烧调整，将燃气轮机运行参数优化
10、燃烧调整的措施只适用于NOx排放较接近排放标准，燃气轮机的燃烧未调整 到最佳的前提下。通过前述对燃气轮机燃烧NOx的生成机理的研究，可以清晰的 看到燃烧调整的方向主要为：（1）减少值班燃气扩散火焰区域。由于SGT5-4000F型燃机采用的环形燃烧 器，值班燃烧器的稳定燃烧作用非常的重要，如果值班阀的开度变小的幅度过大， 将会造成燃烧室内燃烧加速度ACC的波动，对机组的安全运行有较大影响，所以 值班阀的开度不能够无限关小，只能在一定开度以稳定燃烧运行。（2）减少燃烧室的高温区域，即降低表征温度不均匀系数，=（最高温度-出口平均温度）/出口平均温度。值越小，表示出口温度场越均匀，燃气轮机工作寿命越
11、长，工作可靠性也 越好，目前应小于10%。降低高温区域就是降低丄值，从降低最高温度来说, 温度场分布越均匀，无论对机组效率还是NOx排放都有正面的影响。(3) 降低燃烧室出口平均温度T3*，即透平进口处的滞止温度。T3*反应的 是燃烧室内燃气和空气的温度，通过公式计算可得，当温度高于 1800K 的时候， 反应逐渐明显，并随着温度的升高而升高。温度每升100K，反应速度将增大67 倍，NOx势必会有较大的上升。T3*与机组效率密切正相关，降低T3*会明显影响 机组机组效率。故燃烧室出口温度也不能随意降低，只能在一定的温度点稳定运 行。(4) 调整燃空比。一般按天然气的火焰温度为 17001800K 这个标准选择燃 空比，可以适当调低燃空比。主要是调整燃机 IGV 及燃料预混阀的开度之间的对 应关系。IGV控制着燃机进气量，即空气量，预混阀控制的燃机的燃料量。进气 量受环境影响较大，所以需要进一步的换算才能得出具体的燃空比，可以从 OTC 的温度来观察燃空比的变化。5.2 燃烧器改造，选用新型低氮燃烧器。5.3脱硝改造，根据厂内实际生产条件选择SCR或者SNCR，可有效降低NOx 排放值。5.4 加深对压气机进气加湿装置的应用调试，探索启动阶段投运压气机进气 加湿装置对 NOx 排放的影响。
