摘要：本文介绍了NOx的生成机理，西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机的三种燃烧模式，针对该型燃气轮机NOx排放偏高的现象重点介绍了预混燃烧器的改造方法和效果，为同类型燃气轮机降低NOx排放和提高燃烧稳定性提供了有效的解决方案。
关键词：NOx排放；预混燃烧器；9孔改8孔
一、引言
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，低NOx排放成为燃气轮机发电重点研究的方向。西门子SGT5-4000F（2）型燃气轮机预混燃烧器做9孔改8孔技术改造，既能提高燃烧稳定性，又能有效降低火焰中心温度从而降低NOx排放量。
二、氮氧化物的生成机理
氮氧化物（NOx）是指氮的氧化物的总称，环境监测废气中的氮氧化物一般是指NO和NO2的总称。研究表明，NOx的生成途径有三种：
（1）热力型NOx，指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx；
（2）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx；
（3）快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应然后快速与氧气反应生成NOx。
快速型NOx通常所占比例不到5%；萧山天然气气源中含氮化合物的含量非常低，所占体积分数不超过0.1%，因此燃料型NOx的比例也很低；在温度低于1500℃时，热力型NOx的生成率很低，但是在1500℃以上时，热力型NOx生成速度迅速增长，尤其是1650℃以上时，热力型NOx的生成率将大幅提高，且温度越高，生成率就越高。故燃气轮机NOx的排放量主要来自于热力型。
三、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，并根据不同的燃烧工况进行切换，称为“三段混合燃烧器”。相对应的，此类型燃烧器有扩散、预混和值班三种燃烧模式。
扩散燃烧模式用于点火和升速阶段，用以保证点火成功率与较高的燃烧温度，使燃气轮机快速升速。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。扩散燃烧燃烧稳定，不易熄火，燃烧效率几乎不受负荷降低影响，但是在着火前需要依靠紊流扰动与空气混合，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；火焰面上的理论燃烧温度，总是高于1650度，因此必然会产生数量较多的“热NOx”污染物。
预混燃烧模式的湍流火焰传播燃烧方法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，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。当α＜1.0和1.0＜α＜1.6时是高温燃烧区，α＞1.6时是低温燃烧区。预混燃烧模式下高温燃烧区范围将大大缩小，大部分区域为低温燃烧区，有利于减少“热NOX”的生成。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。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。
值班燃烧原理同扩散。值班气流量大，则火焰中心温度高，燃烧稳定，但是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。
燃机点火前扩散阀预先打开，燃气轮机由扩散燃烧器点火和升速；升速至25Hz时预混阀打开；进一步升至空载转速时，所有防喘放气阀关闭（延时10s），IGV位置反馈在最小位置激活，ESV阀前后天然气压力<MIN值的信号没有激活，天然气比例分配调节器PO投入运行，值班阀开始打开，扩散和值班阀反向动作，当天然气扩散控制阀关闭时，值班控制阀开启至一定开度，达到稳定燃烧的目的，预混控制阀根据燃机的转速调节天然气流量，燃机进入预混运行模式。
四、9孔改8孔技术改造
SGT5-4000F（2）型燃气轮机的每个预混燃烧器上，有20片角向旋流器叶片，每个叶片上有9个用于喷出天然气的小孔，其中内弧面5个孔，外弧面4个孔。改造堵孔方法：用脉冲点焊的方法，将每个叶片内弧面中间小孔用一片4mm×5mm×1.5mm的不锈钢片焊住，每片点焊约10个点，如图1所示。
图1 9孔改8孔焊片堵孔改造结果示意图
改造完成后需进行4-5天的燃烧调试。燃烧调整主要对值班气流量和燃气轮机排气温度OTC进行调整，降低值班气流量虽可以降低NOx排放浓度，但会影响燃烧稳定性，燃机可能因ACC值偏高而触发机组跳减负荷甚至引起跳机。燃烧调整虽然从一定程度上可以降低NOx排放浓度，但由于受到燃烧稳定性影响而存在一定局限性。预混燃烧器9孔改8孔改造结合燃烧调整能有效降低90Hz Humming，提高燃烧稳定性，在同等负荷下减少值班气流量，降低火焰中心温度，是在保证燃烧稳定的前提下降低NOx排放的有效手段之一。
五、改造前后NOx排放情况对比
针对SGT5-4000F（2）型燃气轮机NOx排放浓度偏高的现象，萧山发电厂对#3、#4机组均进行了9孔改8孔改造并实施了燃烧调试，调试过程针对不同大气湿度、天然气热值、OTC温度和负荷段分别对NOx排放和燃烧稳定性进行了测试，数据如表1所示：
表1 #3、4机组9孔改8孔改造前后运行参数对比
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。
从表中可看出，改造后有效降低了Humming和ACC值，提高了燃烧稳定性，并在同等负荷下减少了值班气流量，降低了火焰中心温度，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。
七、结语
世界三大燃机生产制造商GE、三菱和西门子都在积极寻求突破降NOx排放技术。西门子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加严的情况下，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
[2]卢广法.西门子F级燃气轮机技术问答.浙江大学出版社，2015
论文作者:施星鸥
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/10
标签：燃气轮机论文; 火焰论文; 温度论文; 燃烧器论文; 燃料论文; 稳定性论文; 氧化物论文; 《电力设备》2016年第16期论文;