CN110285446A

CN110285446A - 一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法

Info

Publication number: CN110285446A
Application number: CN201910412737.7A
Authority: CN
Inventors: 杨敏; 陈强峰; 吕力行; 童小忠; 吴恒刚; 王小荣; 陆陆; 叶建君; 徐雷
Original assignee: Xiaoshan Power Plant Of Zhejiang Zhengneng Electric Power Co Ltd; Zhejiang Co Ltd Of Zhe Neng Institute For Research And Technology
Current assignee: Xiaoshan Power Plant Of Zhejiang Zhengneng Electric Power Co Ltd; Zhejiang Co Ltd Of Zhe Neng Institute For Research And Technology; Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2039-05-17
Also published as: CN110285446B

Abstract

本发明涉及一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法，包括步骤：1)NOx排放＞48mg/m³时，三个进气口的加湿装置全部投运；2)当42mg/m³＜NOx排放＜45mg/m³时，投运两个进气口的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口，确保有一个进气口处于干燥和再生过程；3)当相对环境湿度＜40％时，且NOx排放＜50mg/m³，投运两个进气口的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口，确保有一个进气口处于干燥和再生过程。本发明的有益效果是：在燃气轮机的压气机进气小室外增加一套雾化加湿装置，通过设置逻辑条件，使得当触发装置投运条件时，雾化加湿装置启动，增压泵将满足要求的水通过雾化喷嘴雾化后喷出，增加进气湿度，降低燃机烟气氮氧化物的排放。

Description

一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法

技术领域

本发明涉及控制排放的方法，更具体地说，它涉及一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法。

背景技术

燃气轮机及其联合循环常采用天然气作为燃料，具有能源转换效率高、污染物排放少、启停迅速、运行灵活等特点。现有国家标准《火电厂大气污染物排放标准》规定，大型燃气轮机烟气中的氮氧化物(NOx)最高排放限值为50mg/m³。

燃气轮机排放烟气中的氮氧化物，主要有两个来源：一种为热力型氮氧化物，另一种为燃料型氮氧化物。由于天然气中氮成份含量极低，因此燃料型氮氧化物可忽略不计。天然气在燃烧室燃烧过程中，烟气中氮氧化物生成量与燃烧温度、空燃比和燃烧停留时间等因素有关。

燃气轮机正常工作时，天然气总流量包括预混燃气流量和值班燃气流量两部分。在燃气 —蒸汽联合循环区，值班燃气流量基本恒定，处于扩散燃烧低值工况，生产负荷是通过调节预混天然气流量来实现调节的。由于预混燃烧是将天然气与助燃空气先混合成均匀的可燃气体后再喷到燃烧室内燃烧，火焰产物温度均匀，温度值一般低于大量氮氧化物生成的临界温度。因此，氮氧化物生成量与天然气流量的增加成正相关，即一般机组负荷越高，氮氧化物排放量越大。

燃气轮机机组正常运行过程中，氮氧化物一般不会超过排放限值，但是部分情况下，氮氧化物排放量并不稳定，数值变化较大，甚至会出现超标情况。在环保压力越来越大的今天，污染物排放超标将直接影响机组的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法。

控制燃气轮机氮氧化物排放的方法，压气机具有进气小室，进气小室具有三个进气口，三个进气口上分别设有加湿装置，其特征在于，包括如下步骤：

1)NOx排放＞48mg/m³时，三个进气口的加湿装置全部投运；

2)当42mg/m³＜NOx排放＜45mg/m³时，投运两个进气口的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口，确保有一个进气口处于干燥和再生过程；

3)当相对环境湿度＜40％时，且NOx排放＜50mg/m³，投运两个进气口的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口，确保有一个进气口处于干燥和再生过程；

4)当相对环境湿度＜20％时，且NOx排放＜50mg/m³，三个进气口的加湿装置全部投运。

作为优选：加湿装置包括:增压泵、连接管道和雾化喷嘴，所述增压泵通过连接管道连接雾化喷嘴，所述雾化喷嘴安装在进气小室的防雨罩外侧。

本发明的有益效果是：在燃气轮机的压气机进气小室外增加一套雾化加湿装置，通过设置逻辑条件，使得当触发装置投运条件时，雾化加湿装置启动，增压泵将满足要求的水通过雾化喷嘴雾化后喷出，增加进气湿度，降低燃机烟气氮氧化物的排放。

附图说明

图1：雾化加湿装置立体图；

图2：雾化加湿装置正视图；

图3：雾化喷嘴安装方向示意图；

图4：实施例图表；

附图标记说明：增压泵1、连接管道2、雾化喷嘴3、进气口4、进气小室5、防雨罩6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明针对机组稳定运行期间氮氧化物变化较大这一现象进行分析，通过长时间的跟踪观察差、表计比对及数据分析，指出天然气组分、大气湿度等对燃气轮机的氮氧化物排放量有很大影响。

1.天然气组成的影响

天然气主要由甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈)等饱和烃气体，以及极少量的高碳分子 C_nH_2n+2和C_mH_n气体混合组成，具体成分因产地而异。对于燃气轮机而言，当燃气成分含量发生变化，将导致燃气热值发生变化。在相同的负荷下进入燃机的燃料量将发生变化；同时各种燃料成分完全燃烧所需的空气量也有所区别，燃气成分的变化会导致过量空气系数发生改变，从而产生的氮氧化物也会发生相应的变化。负荷相同的情况下，天然气热值上升，氮氧化物排放量也会上升；反之，天然气热值下降，烟气中氮氧化物排放量也会下降。

以某机组实际运行数据为例，在330MW负荷运行条件下，环境湿度、环境温度基本保持稳定，但天然气热值从36.2MJ/Nm³上升到37.5MJ/Nm³，对应的NOx排放量从30.8mg/m³上升到43.9mg/m³。因此可以判断，当天然气组分出现大幅度变化时，对NOx排放量存在影响。

部分燃气轮机所在电厂天然气管网中，天然气来源较多，机组运行中天然气组成的变化不可避免面。比如某电厂天然气最低热值为36.2MJ/Nm³，最高热值可达到39.92MJ/Nm³，变化幅度达10.3％。

NO的摩尔浓度场峰值随天然气的热值变化表

2.大气湿度的影响

部分燃气轮机如西门子9E燃气轮机及以燃油为原料的燃气轮机，往往会采取往燃烧室注水或蒸汽的方式来降低扩散火焰的温度，减少热力型氮氧化物的产生。与此同时，水蒸汽的产生降低了CH根的浓度，抑制了快速型一氧化氮的生产，达到降低氮氧化物的目的。部分燃气轮机如西门子9F燃气轮机，以天然气为燃料，配置了干式低氮氧化物混合型燃烧器，取消了往燃烧室注水的方式。该种燃气轮机运行工况下，参与燃烧的水含量取决于空气的湿度。

空气中水蒸汽含量对氮氧化物生成的抑制作用，这可以通过相应的运行数据判断得出。以某9F燃气轮机为例，在350MW负荷下运行时，天然气热值基本稳定，当环境湿度从76％下降到52％时，对应的氮氧化物排放量从33.1mg/m³上升到39.0mg/m³。

虽然空气湿度和天然气组成的变化，导致机组氮氧化物变化流量相对整体氮氧化物排放量占比较小，但是由于燃气轮机机组的氮氧化物排放限值为50mg/m³以内，因此这一部分氮氧化物的产生，很容易导致机组排放超标。

数值模拟结果

NO的摩尔浓度场峰值随天然气的湿度变化

控制策略

一种降低燃机烟气氮氧化物排放的雾化加湿装置，通过雾化喷水后增加压气机进气湿度，抑制燃烧室内氮氧化物的生成，从而降低燃机烟气氮氧化物的排放。

要求：加装湿度计及烟气排放中监测氮氧化物排放指标。

加湿装置投入及退出控制策略：

1.当环境温度低于5℃时，机室温度低于8℃时，禁止投运加湿装置。

2.加湿装置投运目的是控制NOx排放，防止排放超标。

3.加湿装置投入及退出策略：

1)NOx排放＞48mg/m³时，，三个进气口4的加湿装置全部投运。

2)当42mg/m³＜NOx排放＜45mg/m³时，投运两个进气口4的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口4，确保有一个进气口4处于干燥和再生过程。

3)当相对环境湿度＜40％时，且NOx排放＜50mg/m³，投运两个进气口4的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口4，确保有一个进气口4处于干燥和再生过程，可提高机组性能。

4)当相对环境湿度＜20％时，且NOx排放＜50mg/m³，，三个进气口4的加湿装置全部投运，以提高机组性能。

4.增高压雾化水泵开启前，先对整个系统进行充水放气，开启水箱顶部放气阀，三面雾化喷嘴均能连续出水，排净管路内空气，确保雾化泵启动后快速起压，以免雾化泵变频器保护动作。

5.超过一周时间的长时间停运后，首次投运加湿装置，应对管道进行冲洗，以免杂质堵塞雾化喷嘴。

6.加湿装置长时间停运后，应当放尽存水，防止冬季模式下，管路结冰。

实例：

以萧山电厂#4燃机联合循环机组为例，2018年10月8日14:40，环境温度26℃，大气湿度35％左右，负荷290MW左右，烟气中NOx排放浓度达到45.31mg/m³，加湿装置投入运行。下表中数据为1分钟1个点的采集率，经过20分钟的运行，烟气中NOx排放浓度降至41.04mg/m³，下降了4.27mg/m³，下降比例为9.4％，效果明显。

2018年10月8日下午14:40左右雾化加湿装置投运后，参数变化。1分钟一个点进行记录。具体数据表如下；

1	机组负荷	MW	290.29	286.67	289.03	297.97	295.03	292.55	283.83	282.30
											2	燃机计算负荷	MW	200.10	197.11	197.64	206.53	205.88	201.88	194.46	189.93
3	汽机计算负荷	MW	90.26	91.16	90.92	90.69	89.69	90.44	91.12	91.53
											4	OTC温度	℃	582.02	582.18	581.62	580.90	581.33	581.29	582.37	582.85
5	压气机进口温度	℃	26.568	26.4237137	26.343	25.8761	25.6325	25.7816	25.7516	25.3699
											6	IGV开度	％	38.06	35.51	36.52	42.93	41.70	39.11	32.42	28.63
7	压气机出口压力	MPa	1.40	1.38	1.39	1.42	1.42	1.40	1.37	1.35
											8	压气机出口温度	℃	404.55	403.12	401.91	401.24	400.56	399.89	399.22	398.54
9	燃机平均排烟温度	℃	597.71	598.12	597.58	597.03	596.85	596.73	596.95	597.47
											10	余热锅炉进口烟气温度	℃	578.53	578.41	578.30	578.18	578.07	577.96	577.84	577.71
11	预混调节阀开度	％	32.15	32.22	32.33	32.78	32.58	32.36	31.81	31.77
											12	值班调节阀开度	％	42.07	42.06	42.05	42.03	42.02	42.01	41.99	42.09
13	值班流量	kg/s	0.97	0.98	0.98	0.98	0.98	0.98	0.97	0.97
											14	压气机滤网差压	kPa	0.32	0.32	0.32	0.32	0.31	0.31	0.31	0.31
15	烟气NO	mg/m3	23.09	23.16	23.15	23.02	22.88	22.74	22.61	22.47
											16	烟气NO2	mg/m3	16.48	16.63	16.79	16.94	17.09	17.25	17.40	17.55
17	烟气O2	mg/m3	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61
											18	烟气NOX折算值	mg/m3	45.31	45.2210732	45.1319	45.0427	44.9535	44.8643	44.7751	44.6859
19	大气湿度	％	34.29	35.54	36.10	35.03	35.67	36.43	38.23	39.24

左接上表右侧

288.88	293.49	285.46	290.16	295.04	294.78	291.69	286.56	282.00	280.87	288.12	295.22
												197.80	204.26	196.70	201.58	204.77	206.17	202.35	196.34	192.70	191.91	200.30	205.60
90.57	89.99	90.55	89.97	90.00	89.03	89.68	89.80	90.04	89.35	89.60	88.38
												583.33	582.53	581.63	582.21	581.54	582.33	581.50	582.62	583.36	581.64	580.91	580.32
24.61	24.031	23.9615	23.887	23.7375	23.6095	23.9286	23.9419	23.4592	23.659	23.496	23.6585
												35.08	39.38	34.06	37.38	40.50	40.98	38.65	32.82	28.84	29.47	35.87	40.40
1.38	1.40	1.37	1.39	1.42	1.42	1.40	1.38	1.35	1.36	1.39	1.41
												398.12	398.45	398.79	399.13	399.46	399.80	399.22	398.22	397.22	397.07	397.17	397.28
597.10	596.61	596.05	595.42	595.34	595.26	595.19	595.11	595.03	594.95	594.88	594.80
												577.54	577.36	577.19	577.02	576.84	576.69	576.54	576.39	576.24	576.09	575.94	575.84
32.20	32.34	32.27	32.21	32.66	32.60	32.44	31.99	31.69	31.82	32.24	32.56
												42.22	42.20	42.17	42.15	42.12	42.10	42.07	42.05	42.02	41.99	42.25	42.22
0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97	0.97
												0.31	0.31	0.31	0.31	0.31	0.31	0.31	0.31	0.31	0.30	0.30	0.30
21.93	20.98	20.03	19.39	19.35	19.30	19.25	19.20	19.16	19.00	18.43	17.85
												17.71	17.86	18.01	18.17	18.33	18.49	18.65	18.81	18.97	19.13	19.29	19.45
13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61	13.61
												44.0971	43.3963	42.6955	42.1024	41.8991	41.6957	41.4924	41.2891	41.0857	41.0446	41.04	41.0353
39.77	40.12	40.11	41.21	41.80	41.80	42.32	42.81	42.81	43.23	43.23	43.23

如上表所示，环境温度是基于26℃左右，湿度基于35％左右的数据，假如环境温度更高，湿度更小，那么效果还将更加明显。雾化装置投运后，显示压气机进口温度逐渐下降，总体下降2.9℃。随着雾化装置的投运，NOx折算值逐渐下降，总体下降4.3mg/m³。

Claims

1.一种控制燃气轮机氮氧化物排放的方法，压气机具有进气小室(5)，进气小室(5)具有三个进气口(4)，三个进气口(4)上分别设有加湿装置，其特征在于，包括如下步骤：

1)NOx排放＞48mg/m³时，三个进气口(4)的加湿装置全部投运；

2)当42mg/m³＜NOx排放＜45mg/m³时，投运两个进气口(4)的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口(4)，确保有一个进气口(4)处于干燥和再生过程；

3)当相对环境湿度＜40％时，且NOx排放＜50mg/m³，投运两个进气口(4)的加湿装置，并轮流切换另外一个进气口(4)，确保有一个进气口(4)处于干燥和再生过程；

4)当相对环境湿度＜20％时，且NOx排放＜50mg/m³，三个进气口(4)的加湿装置全部投运。

2.根据权利要求1所述的控制燃气轮机氮氧化物排放的方法，其特征在于，加湿装置包括:增压泵(1)、连接管道(2)和雾化喷嘴(3)，所述增压泵(1)通过连接管道(2)连接雾化喷嘴(3)，所述雾化喷嘴(2)安装在进气小室(5)的防雨罩(6)外侧。