田东奇
浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂
【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 /m3。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。
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/m3以上一段时间；
05:10 NOx排放折算值逐渐下降，在05:16燃机负荷降至50 mg/m3，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04:51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：
.png)
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90mg/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
a.停机后，做好余热锅炉保温保压措施。
b.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。
c.结合厂部要求，及时合理投入性能加热器。
d.联系相关部门，定期对检测设备进行定标、故障测试。
e.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
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 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6~7 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1700~1800K 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。