浅析燃气轮机污染物排放影响因素论文_贺杰

【摘要】燃气轮机是以燃料为动力，通过连续流动的高压气体带动叶轮旋转实现燃料能量向机械能量转换的大型设备。燃气轮机在我国发电厂中应用较为普遍。燃气轮机发电厂通过燃气轮设备实现燃料热能-机械能-电能的转换，多用于发电调峰工作中。近年来环保问题已经成为世界性问题，环保已经成为多数行业的发展主题以及必须履行的责任义务。燃气轮机的污染问题逐渐凸显，燃气轮机在工作中主要污染物为NO2、co、以及因燃烧不充分产生的UHC、so2以及粉尘，都会对当地自然环境产生污染。本文由此出发，以某电厂的燃气轮机设备作为研究案例，分析其在工作过程中的污染物排放规律，并给予统计学相关分析理念以及方法，判断燃气轮机设备在不同负荷、燃料流量、空气流量下的排放污染情况变化，探寻降低燃气轮机污染的最佳工作方法。

关键字：燃气轮机；排放污染；影响因素

燃气轮机是我国现阶段应用较为广泛的大型机械动力设备之一，通过以天然气为主的燃料燃烧，促使高温气体流动带动叶轮旋转实现能源的转换。受燃气轮机工作原理决定，燃气轮机在燃料燃烧过程中会产生nox、co、uhc、so以及粉尘等存在环境污染性质的有机化合物。其中由于我国燃气轮机多采用天然气作为主要原料，其燃烧性能良好uhc、及粉尘等污染物质含量较少，因此本文的研究重点为NOx。本文主要针对燃气轮机热态启机排烟通道内的NOx、co、so2等污染物展开研究。

一、燃烧室结构及燃料控制方式

根据研究目的以及研究需求选择M701F型燃气轮机作为研究目标。该燃气轮机设备标准运行参数为15℃、运行中平均入口温度为1400℃、负荷参数为270MW。本文为了提高研究结果的客观性，取燃气轮机运行过程中实际大气温度18.5作为基准值。该重型燃气轮机采用的是环管式燃烧室布置方式，结构如图1所示。

图1 M701F型燃气轮机燃烧室结构

该M701F型燃气轮机工作流程如下：

首先燃料通过天然气管路进入燃气加热区域，由燃气加热器对燃气进行预加热，然后通过预混燃料喷嘴和值班燃料喷嘴两个通道进入火焰燃烧室。燃料达到预定位置后火焰筒引燃完成能量释放。其中由值班燃料喷嘴进入的天然气燃料为扩散燃烧，燃烧稳定，火焰温度较高，废气中含有大量的NOX成分。而通过预混燃料喷嘴进入的天然气燃料燃烧为预混燃烧，燃烧稳定性差，火焰面积大，平均燃烧温度较低，废气中nox含量明显较少，具有更高的环保价值。

该重型燃气轮机燃料控制示意图如图2所示。

图2重型燃气轮机燃料控制示意图

CSO为燃料控制信号输出、flcso为燃料限制控制信号输出、GVCSO为调速器信号输出、ldcso为负荷限制器控制信号输出、bpcso叶片通道温度控制信号输出、excso排气温度控制信号输出、mincso为最小燃料控制信号输出。如图所示该重型燃气轮机设备的共有六个燃料参数控制设备，其中燃料限制信号、转速控制信号、、负荷控制信号、叶片通道温度控制信号、排气温度控制信号对燃料控制信号进行综合判定，在得到判定结果后与最小燃料空气提供的燃料下限进行比较，避免燃气控制过度造成燃气轮机熄火的现象发生。

二、相关分析结果

根据前文所述，燃气轮机的排放污染物含量以及成分与其燃烧模式包括燃烧时间在内的各个参数有关系。根据现阶段的研究结果对排放成分以及污染性存在影响的因素有，燃料的进入流量参数、进气口空气流量参数、燃气轮机工作负荷参数、主燃烧室温度参数等等。其中部分参数属于人为可控参数，也是本文主要研究的变量。值班燃料室中的燃气流量控制阀组设备可以控制燃料进入量、燃烧室旁路阀开度可以对燃烧室压力、透平排气以及排气温度等进行综合控制，通过对燃烧室压力以及排气温度的控制可以对燃烧室的出口温度产生影响和间接控制。

燃气轮机的NOX排放主要属于高温热力型的nox排放，排放量受到燃烧室温度影响较大。燃烧室温度受到燃料流量和空气流量燃气轮机负荷，燃气轮机负荷燃料和空气流量呈正相关性变化，受时间条件决定，文章影响因素研究以燃气轮机出口替换燃烧室温度，作为研究参数展开相关性研究。值班燃料流量控制阀组对燃料流量显示以及控制。

（一）线性相关分析结果

1.各参数与nox排放相关性

根据研究需求和研究目的对启机过程中NOx排放的相关性参数，如质量浓度、燃气轮机负荷，以及值班燃烧室总控阀组的开合程度等参数进行相关性研究。燃气轮机进行启动点火时NOx排放浓度大幅度增加，在点火成功以后NOx的排放浓度出现大差值波动，随后趋于平稳。该阶段nox浓度波动较大，峰值可以达到441mg/m3.机组并网以后设备运行趋于稳定，机组运行负荷逐渐升高，nox排放浓度夜伴随负荷呈正相关性变化，在机组由20mw逐步上升为60mw时，nox排放浓度从20.7mg/m3上升为136.4mg/m3.

前文表明了nox的排放浓度与燃烧室出口温度及燃气轮机运行负荷的影响，但归其根本是对值班燃料变化与nox排放浓度之间的关系研究。燃气轮机再点火时nox排放浓度较高，且出现大幅度波动是因为，为了确保点火环节的成功率，在点火阶段值班燃料室输出占比38%，导致机器负荷瞬增，nox排放浓度随之增加，点火成功时由于燃烧室整体温度较低，中控会降低值班燃料是输出占比，nox排放浓度下降，伴随转速的不断提高，燃机负荷不断增加，nox排放浓度也成上升趋势，并伴随轮机负荷趋于稳定。燃机设备达到3000r/min转速时，设备进入稳定运行阶段，设备进入混合燃烧阶段，预混燃料逐渐替代了值班燃烧部分输出比例，nox浓度降低。

2.各参数与co排放相关性分析

根据以往研究结果，燃气轮机运行过程中，co的排放浓度与燃气轮机的运转负荷，值班燃料室的输出比例，以及空气流量和燃烧温度存在关联。本文以上述参数做为对照组进行相关性研究，受实验条件限制，燃烧温度仍以燃烧室出口温度为主，根据实验测量结果显示，燃气机轮机在点火阶段co排放浓度迅速上升，最高峰值可以达到2779.6mg/m3，点火成功后机器进入转速提升阶段，燃气机运转负荷以及燃烧室温度不断上升，该阶段的co浓度与燃烧轮机负荷以及燃烧室温度成负相关性变化，并逐步趋于稳定，在燃气轮机转速达到3000r/min时，浓度趋于稳定，最低浓度为4.0mg/m3.

燃气轮机 CO 排放质量浓度与负荷和燃烧室出口温度的相关系数分别为–0.898 和–0.878， t 检验的显著性概率均小于 0.01，说明 CO排放质量浓度与燃气轮机负荷和燃烧室出口温度具有明显负相关特性；与燃气轮机负荷和燃烧室出口温度相比，值班燃料流量控制阀和燃烧室旁路阀开度对 CO 排放质量浓度的影响较小。这是因为 CO主要生成于天然气低温燃烧时，随着燃烧温度提高， CO 逐渐被燃尽， 启机过程燃气轮机负荷越大，燃烧室出口温度越高，烟气中 CO 质量浓度就越低。

三、结论

（一）燃气轮机启动过程中NOx的排放质量浓度受到燃料供应比例和空气流量比例影响且呈正相关性，因此为了降低废气中NOx的能量，应加强燃气轮机燃料比例的控制，加快预混燃料的进入时间，并强化点火系统，降低点火时对值班燃料输出比例的需求，同时增加燃气轮机预热时间，减少燃气轮机预定转速的时间需求。

（二）根据前文所述，CO排放浓度与燃烧温度以及燃烧负荷呈负相关性变化，因此降低燃气轮机CO排放浓度，应以提高其燃料燃烧质量作为基本办法。

参考文献：

[1]于恒华.燃气轮机发电机组的噪声污染及其控制[J].黑龙江科技信息,2015(35):150.

[2]尉曙明,索建秦.航空衍生工业燃气轮机双燃料贫燃预混低污染燃烧技术[J].航空动力学报,2015,30(09):2049-2057

论文作者:贺杰

论文发表刊物:《当代电力文化》2019年 21期

论文发表时间:2020/4/9

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