（浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂 浙江萧山 311226）
摘要：本文介绍了西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机的三种燃烧运行模式，针对该型燃气轮机NOx排放浓度偏高的现象，提出了几种降低NOx排放浓度的方法，并重点介绍了该型燃气轮机预混燃烧器的改造方法和效果，为同类型燃气轮机降低NOx排放浓度和提高燃烧稳定性提供了有效的解决方案。
关键词：燃气轮机；NOx排放浓度；预混燃烧器；燃烧稳定性
0引言
“十五”期间，我国采取捆绑招标方式引进的西门子F级大型单轴燃气轮机机组为SGT5-4000F（2）型燃气轮机，该型燃气轮机的燃烧室由一个环型的燃烧区和24个干式低NOX混合型燃烧器组成，每个燃烧器组件由扩散、预混、值班燃烧器组成，并根据不同的燃烧要求或燃烧工况进行切换，即为“三段混合燃烧器”。虽然天然气发电作为高效、清洁能源，但近年来，随着雾霾天气的进一步加重，环境压力与日俱增，燃气机组的环保排放要求也越来越高。而西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机由于受到燃烧稳定性、燃烧器型式等因素影响，部分负荷阶段和大气湿度偏低时存在NOx排放浓度超标可能，影响机组的负荷响应能力。
1.西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机的燃烧运行模式
西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机三段混合燃烧器有三种燃烧模式，分别为扩散燃烧模式、值班燃烧模式和预混燃烧模式。
1.1扩散燃烧模式
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。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。
1.1预混燃烧模式
预混燃烧模式是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α=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SGT5-4000F（2型）燃气轮机的混合型DLN燃烧器在按扩散火焰方式和预混火焰方式工作时，燃烧区内不同余气系统（也就是反应温度）的反应区范围。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。但预混燃烧稳定性比较差，需由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。
1.2值班燃烧模式
值班的燃烧原理同扩散，值班气体喷嘴位于点火电极附近，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，能起到稳定燃烧的作用。值班气流量大，则火焰中心温度高，燃烧稳定，Humming和ACC值就低，对整个燃烧室燃烧的稳燃作用更加明显。但是，值班气流量大，NOx产物多，NOx排放浓度随之增加。通常，机组负荷越高，值班气流量越小。在燃气轮机调试或者燃气轮机燃烧调整等，值班气流量是重要的调整参数和对象。
注：萧山发电厂数采仪数据上传至环保网站，NO2含量是根据经验公式NO（mg/m3）的含量乘1.53再除以0.95来折算。
从表中预混孔改造前后数据对比分析，预混孔改造后燃烧的稳定裕度有了提高，有效降低了Humming和ACC值，在同等负荷下减少了值班气流量，值班气流量的减少能降低火焰中心温度，因此达到了降NOx的目的。数采仪显示NOx最高值小于35mg/m3左右，NOx排放浓度下降40%左右。预混孔改造后，在高负荷阶段、大气湿度较低或天然气热值发生突变等运行工况时，NOx排放值仍有可能接近50mg/m3的环保标准，由于环保要求是时均值，因此在运行时需要尽量避开排放高的负荷阶段。
5.结论
世界三大燃机生产制造商美国GE公司、日本三菱公司和德国西门子公司都在积极寻求突破降氮氧化物的燃烧技术和结构工艺改良。西门子F级燃气轮机的天然气预混孔9孔改8孔技术虽然能有效降低氮氧化物的排放，但仍然需要经受天然气高热值、低空气湿度和全氮测量的严峻考验。在未来环保要求进一步趋严的情况下，仍然需要进一步积极寻求更加有效的方法。
参考文献：
[1]卢广法.西门子F级燃气-蒸汽联合循环发电机组培训教材.浙江大学出版社，2014
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[3]吴晋湘，苟湘，刘联胜，等.天然气燃烧的低NOx排放研究现状和发展动向[J]，燃气技术，2003，344（10），17-22.
作者简介：
陈强峰（1973），男，浙江海宁人，工程师，主要从事发电厂生产管理工作。通信地址：浙江省杭州市萧山区临浦镇萧山发电厂，邮编311226
论文作者:陈强峰
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/19
标签：燃气轮机论文; 火焰论文; 温度论文; 燃烧器论文; 模式论文; 浓度论文; 负荷论文; 《电力设备》2016年第23期论文;