林阳星
中电（四会）热电有限责任公司 广东省肇庆市 526200
摘要：本文论述了氮氧化物的定义、氮氧化物的生成原理，结合安萨尔多AE94.3A 型燃机的燃烧方式，阐述了冷态启动过程氮氧化物超标的原因，并通过改进联合循环机组冷态启动过程的控制方式来降低氮氧化物的排放。
一、氮氧化物概述
1）氮氧化物（NOx）的定义：
氮氧化物（NOx）是指氮的氧化物的总称，包括多种化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）、五氧化二氮（N2O5）等。造成大气污染的主要是NO和NO2，因此环境监测废气中的氮氧化物一般就指这二者的总称。
2）燃烧过程中氮氧化物的产生原理：
在天然气燃烧过程中，NOx的生成里与燃烧方式特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。按生成原理分类可分为燃料型、热力型、快速型3种。
1.燃料型NOx
燃料型氮氧化物是燃料中所含有的氮元素，在燃烧过程中与空气中的氧结合后生成的氮氧化物，显然燃料型氮氧化物与热力型氮氧化物不同，它的氮元素来源于燃料，而不是空气中的氮。
2.热力型NOx
燃料燃烧时，空气中的氮在高温下与氧反应生成的氮氧化物，是燃烧过程中形成NOx的主要途径。其中的生成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用泽利多维奇（Zel-dovich）反应式表示。随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T＜1500℃时，NO的生成量很少，而当T＞1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6~7倍。
热力型氮氧化物生成机理：O2+N→2O+N
O+N2→NO+N
N+O2→NO+O
在高温下总生成：N2+O2→2NO
2NO+O2→NO2
3.快速型NOx
主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N2发生反应，形成的CH和HCN等化合物继续被氧化而生成的NO，在燃机燃烧室中，快速型NOx生成里很少。
二、安萨尔多AE94.3A型燃机概述
安萨尔多AE94.3A 型燃气轮机采用单轴、单缸、轴向排气，冷端驱动； 汽轮机设有一个高压缸、一个中、低压合成缸。高压过热器来的主蒸汽经高压缸做功后，经再热冷段在再热器前与中压过热器来的蒸汽汇合后进入再热器，后经再热热段进入中压缸，做完功后的蒸汽在缸内转向经中压缸外层进入低压缸。低压过热器来的蒸汽在低压缸内汇合后进入低压缸做功，凝汽器轴向排汽。
MHDB- AE94.3A-Q1 型三压、再热、卧式、自然循环、无补燃余热锅炉，满足联合循环机组频繁的启动/停止运行的要求。AE94.3A型燃气轮机燃烧室的燃烧方式主要分为两种形式：扩散燃烧和预混燃烧。
三、扩散燃烧和预混燃烧简介
1、燃料和空气分别送入燃烧室，依靠扩散与紊流交换的作用，使它们彼此相互掺混，进而在过量空气系数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；缺点是燃烧速度慢、火焰长、火焰中心温度高、容易产生较多的氮氧化物。
2、燃料与助燃空气或氧气在预混室中预先混合成均匀的可燃气体后再喷到燃烧室内燃烧，这种燃烧方式叫预混燃烧。其优点是预混燃烧火焰较短，因而燃烧室的火焰强度高、NOx排放量低；缺点是预混燃烧稳定性较差，需要值班气喷嘴来稳定燃烧、在低负荷工况下，燃烧效率有较大幅度的降低。
四、启动过程氮氧化物超标的原因分析
天然气主要成份为甲烷、乙烷、丙烷等饱和烃气体，以及少量的高碳分子气体混合组成，其燃烧主要产物是 CO2 和 H2O，SO2 和烟尘排放量极少，排放的主要污染物为 NOx。由于燃机启动过程中燃烧室工况较恶劣，扩散燃烧为主，扩散燃烧温度高造成 NO 大量生成，同时启动阶段烟气含氧量较高，以及燃烧不完全而生成的 CO、未燃尽碳氢等，均促成 NO 转 NO2 的转化率大幅升高，使烟气中NO2 浓度显著升高。机组冷态启动过程中，燃机升负荷受限制，长期在低负荷下运行，燃烧工况较差，因此造成氮氧化物排放长时间超标。
五、机组启动过程如何降低NOx的排放超标的方法
安萨尔多AE94.3A燃机启动速度较快，而汽机、锅炉由于受热应力限制，要求一定的升温升压速率。影响冷态启动的主要原因是汽轮机冷态启动过程中热应力大限制机组升负荷速率。冷态时，汽机缸体、转子金属温度较低，汽机进汽后，转子表面与热容量之比最大，汽机转子比汽机缸壁需要更长时间的受热升温，而且转子表面和中心温升比上、下缸壁的温升更容易不均匀，造成汽机温升速率受转子的应力限制最严重，导致汽机升负荷速率受限，进而燃机升负荷受影响。
影响NOx 浓度的因素有：过量空气系数α，燃料热值，大气湿度，值班气流量等。燃机在低负荷阶段（70MW 以下）长时间运行，NOx 排放超标，启动期间应避开此工况。
六、联合循环机组冷态启动过程及控制方式：
1、燃机发启动令，盘车装置开始脱扣，清吹、点火、升速，达到自持转速之后 SFC 脱扣，燃气轮机加大出力继续升速至全速，启励，同期并网运行之后，带初始负荷 10MW 运行；
2、余热锅炉在燃气轮机点火之后就开始接收燃气的余热，锅炉首先升温升压的是高压系统，而高压汽包壁较厚，容易产生内外壁温差及上下壁温差。为了避免在启动初期，过热器没有足够的蒸汽流量冷却而烧坏，燃机升负荷率就会被限制。待锅炉汽包壁温差小于50℃， 燃机可继续升负荷至氮氧化物不超标为止（＜50㎎/m3），一般燃机负荷得升至80MW~90MW，此时要密切留意高压汽包上、下壁温差以及过热器和再热器减温水开度情况，等待汽轮机的参数满足。
3、蒸汽参数合格后，汽轮机冲转至 870rpm 进行暖机，一般在暖机计时结束且中压轴的计算温度大于 200℃，暖机阶段结束。汽轮机转速释放， 汽轮机升速至全速，并网。燃气轮机在这个过程中负荷基本保持不变。汽轮机在带负荷之后开始进行进一步的暖缸。高中低旁路系统与主汽调阀进行运行模式的切换，切至定压模式后，旁路逐渐关闭。整个联合循环机组在汽轮机主汽调阀模式切换完毕，待暖缸任务完成，燃气轮机在汽轮机应力控制器的作用下接着升负荷，机组投入 AGC 直至满负荷。
（汽机）冷态启动冲转参数：
1、主蒸汽压力 5~8Mpa，温度 380℃（优先投入二级减温水）。
2、再热蒸汽压力 1~2Mpa，温度 390℃（优先投入二级减温水）。
七.联合循环机组冷态启动风险及预控：
1、在冷态启动过程中，容易出现高压、再热主蒸汽减温水流量不足的情况。冷态工况下余热锅炉的蒸发量不能跟上燃机排气温度升高的速率，导致需要大量的减温水。出现减温水量不足时，将燃机负荷降低或稳定在 80~90MW 的时间尽可能长一点，让锅炉有时间进一步吸热提高蒸发量。
2、主、再热蒸汽温度匹配的同时，严防过多的减温水造成蒸汽温度骤降。
3、在主汽压力过高而旁路自动开启速率太慢，需要手动开启的时候，需注意随着旁路阀门的开大，应同时手动增大减温水的流量。
4、由于中压汽包体积小，在冷态启动起压阶段遇到很小的压力扰动也会引起水位的很大的波动。机组启动阶段，建议水位设定值设低，一般为-200mm 左右。
八、结论
综上所述，降低联合循环机组冷态启动过程中氮氧化物超标的方法就是在机组参数安全范围下，适当提高燃机的负荷，防止燃机在低负荷下燃烧不稳定，导致大量的NOx生成。