曹傳釗，鄭建濤，徐海衛(wèi)，劉明義，裴 杰

(中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

我國目前執(zhí)行的火電廠大氣污染物排放標準(GB13223 －2011)［1］規(guī)定燃氣輪機電廠NOx 排放量要小于50 mg/m3。為了滿足環(huán)保排放要求，燃氣輪機一般采用的措施是:燃燒室注水/蒸汽、干式低氮氧化物燃燒室、對燃燒產(chǎn)物采用催化還原法等。注水主要作用是通過降低燃燒室的火焰溫度來減少NOx 的排放，同時增加燃氣質(zhì)量流量，降低燃燒溫度使燃氣輪機得到更大的出力［2］。與燃氣輪機不注水相比，注水會吸熱，需要多耗費部分燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，這會降低燃氣輪機的熱效率，但可以增加出力例如某9E 燃氣輪機［3］注水比為0．65 時，燃氣輪機單機出力提高6．89 MW，效率降低0．58%。曾志［4］等對燃燒室注水對燃氣輪機運行和檢修的影響進行了研究分析，認為注水會加劇燃燒室的壓力振蕩，同時注水量過大可能導致熄火和喘振等安全問題［5］。吉桂明［6］等就壓氣機通流部分注水對燃氣輪機性能影響進行分析，其研究表明注水量0.5% ～2% 時，燃氣輪機輸出功率增加7． 5% ～14%，對低壓壓氣機入口注水量1．4%時，機組NOx排放量降低40%。張文輝［7］討論了機組注水運行對溫度控制的影響，尤其對注水后不同的溫控基準與出力和壽命的關(guān)系進行了分析。本文主要介紹某燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組采用向燃燒室注水對燃氣輪機出力、熱耗、NOx 排放量及度電成本等的影響。

1 機組基本介紹

本試驗機組現(xiàn)有2 臺25 MW 的FT8 －1 型燃氣輪機組，采用二拖一的布置形式。同時匹配1 臺16 MW 單缸凝汽式汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)機組，余熱鍋爐是帶煙氣旁路系統(tǒng)無補燃型的自然循環(huán)燃氣輪機，采用自然循環(huán)臥式布置，由過熱器－高溫省煤器－蒸發(fā)器－低溫省煤器－凝結(jié)水加熱器－主煙囪組成，并設旁路煙囪。由液壓驅(qū)動擋板，風機密封。燃氣輪機作功后排出的高溫煙氣通過余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為高溫高壓蒸汽，進入汽輪機發(fā)電。圖1 為試驗機組流程示意圖。試驗機組注水脫硝系統(tǒng)往燃燒室注水比范圍在0．6 ～0．7。

圖1 試驗機組流程示意圖

2 熱力性能試驗實施

試驗共分3 個試驗工況:注水前基礎負荷試驗(工況1)、注水后基礎負荷試驗(工況2)及注水后機組最大出力試驗工況(工況3)。試驗期間機組運行盡量保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)較大波動，主要參數(shù)偏差范圍如表1 所示。試驗時熱力系統(tǒng)應嚴格按照設計熱平衡圖所規(guī)定的熱力循環(huán)進行。任何與該熱力循環(huán)無關(guān)的其它系統(tǒng)及進、出系統(tǒng)的流量都必須進行隔離，無法隔離的流量要進行測量，系統(tǒng)不明漏量不應超過額定工況主蒸汽流量的0．5%。此外，試驗期間應停止排污、排水、排汽以及補水，保證除氧器、汽包水位穩(wěn)定，凝汽器水位穩(wěn)定下降。

表1 機組試驗期間主要參數(shù)偏差范圍

正式試驗按照正常運行規(guī)程開機，機組以滿負荷運行，負荷采用程序自動控制，保證機組運行參數(shù)穩(wěn)定。在正式試驗開始前確保各疏水閥門為關(guān)閉狀態(tài)，停止連排、定排等排污措施，將凝汽器熱井、除氧器等保持合理水位后停止補水。不注水工況至少持續(xù)時間1 h，正式試驗期間一直保持不排污、不補水狀態(tài)，試驗期間保證負荷穩(wěn)定，主汽、補氣溫度和壓力以及背壓等運行參數(shù)穩(wěn)定，汽包水位盡量保持穩(wěn)定，以調(diào)節(jié)除氧器水位為主。不注水工況試驗結(jié)束后注水系統(tǒng)投運，機組負荷調(diào)整至注水系統(tǒng)投運前一致，調(diào)整到位后系統(tǒng)穩(wěn)定1 h 以上，然后上調(diào)機組出力到最大，試驗期間負荷、參數(shù)保持穩(wěn)定，試驗至少持續(xù)1 h。試驗結(jié)束后機組參數(shù)即可恢復至常規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)，補水、連排、定排等恢復正常。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組性能測試標準［8－10］，本次性能試驗結(jié)果通過熱性能指標、NOx排放量及度電成本三個指標，對比分析了注水脫硝系統(tǒng)投運對該燃機聯(lián)合循環(huán)機組性能影響。

3．1 熱性能影響

與燃氣輪機不注水相比，注水會吸收熱量，需要耗費部分燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，這會降低燃氣輪機的熱效率，但可以增加出力。注水前后機組熱性能指標如表2 所示，試驗結(jié)果顯示:試驗期間注水比0．6 時，注水脫硝系統(tǒng)投運前燃氣輪機出力39．77 MW，而投運后燃氣輪機最大出力升高到43.44 MW，燃氣輪機出力增加3．67 MW。而熱耗增加57．4 kJ/kW·h，燃氣輪機熱效率降低0．2%。而后調(diào)節(jié)燃氣輪機負荷到與注水前相同負荷穩(wěn)定運行，測試結(jié)果表明:燃氣輪機相同負荷下，燃氣輪機熱耗增加383． 4 kJ/kW·h，燃氣輪機熱效率降低1.3%。

注水脫硝系統(tǒng)不僅對燃氣輪機產(chǎn)生影響，同時對聯(lián)合循環(huán)機組整體產(chǎn)生影響，試驗結(jié)果顯示:注水脫硝系統(tǒng)投運后，燃氣輪機出力達到最大工況時，與基礎負荷工況對比，余熱鍋爐吸熱量增加，鍋爐熱效率增加0．4%，汽輪機出力1．09 MW，汽輪機熱耗率降低159．2 kJ/kW·h，全廠熱耗率降低122．6 kJ/kW·h，全廠熱效率增加1．2%。調(diào)節(jié)燃氣輪機負荷到與注水前相同基礎負荷穩(wěn)定運行，對比注水脫硝系統(tǒng)投運前，汽機出力降低0．34 MW，汽機熱耗增加93．6 kJ/kW·h。全廠熱耗增加313．9 kJ/kW·h，全廠熱效率降低2%。

表2 各工況下熱性能指標

3．2 NOx 排放量

燃氣輪機是通過向燃燒室注水降低燃燒溫度的方式來降低NOx 生成量，向燃燒室注入的水份吸熱蒸發(fā)，使燃燒溫度降低。NOx 生成量與燃燒溫度成指數(shù)關(guān)系，所以NOx 生成量隨之減少。同時水蒸氣會與氧原子化合生成氫氧根基，使氧原子濃度降低，氧原子與N、N2會反應生成NOx，而氫氧根基與氮反應效率低，在一定程度上也減少了NOx 生成量?；痣姀S大氣污染物排放標準GB13223—2011 規(guī)定燃天然氣的燃氣輪機電廠NOx 排放要小于50 mg/m3。采用注水/注蒸汽技術(shù)雖然可以降低燃氣輪機NOx的形成，但會降低燃氣輪機效率，增加機組熱耗，且對注入的水和蒸汽的品質(zhì)有較高要求。

圖2 注水前后NOx 排放量對比

本輪性能試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:注水前NOx排放量為197．816 mg/m3，注水后相同基礎負荷下NOx 排放量下降至31．698 mg/m3，燃氣輪機出力最大時，NOx 排放量稍有增加至43．142 mg/m3，這是由于注水后燃氣輪機負荷增大，耗費的天然氣量增加，相應地NOx 排放量有一定量的增加，但是注水后無論燃氣輪機負荷處于基礎負荷還是最大出力時，該電廠NOx 排放量滿足火電廠大氣污染物排放標準規(guī)定燃天然氣的燃氣輪機電廠NOx 排放量要小于50 mg/m3要求。

3．3 經(jīng)濟性分析

注水雖然能夠提高燃氣輪機出力，降低NOx 排放量，但是會增加機組熱耗量，從而造成天然氣消耗量增大，相應燃料成本增多，同時為了避免熱通道部件結(jié)垢和腐蝕，對注水品質(zhì)有很高的要求，一般使用化學除鹽水，這也一定程度地增加了水處理成本。即使在水質(zhì)滿足要求情況下，注水仍然會影響燃氣輪機熱通道部件的壽命和檢修周期，這也會增加一定的運行維護成本，故注水將會對全廠經(jīng)濟性有一定的降低。

圖3 注水前后度電成本對比

不考慮電廠運營成本，人工費，設備維修費等，僅考慮注水脫硝系統(tǒng)投運增加的天然氣、水耗及注水泵電耗、燃料成本(參照該電廠現(xiàn)有價格清單，天然氣價格設定0．6 元/m3、注水水價按照4 元/t、電價0．4 元/kW·h)，折算度電成本，注水脫硝系統(tǒng)的投運會耗費更多的天然氣和高品質(zhì)的注水，同時注水泵耗費部分電。經(jīng)計算:注水脫硝系統(tǒng)的投運前燃料度電成本為0．143 9 元/kW·h，注水脫硝系統(tǒng)投運后，燃氣輪機最大出力工況下燃料度電成本為0．147 5 元/kW·h，調(diào)節(jié)燃氣輪機負荷到與注水前相同負荷穩(wěn)定運行，燃料度電成本增加0．150 1 元/kW·h。數(shù)據(jù)表明:相同基礎負荷下，注水脫硝系統(tǒng)的投運使得燃料度電成本增加0．006 2 元/kW·h，燃氣輪機出力增大到最大時，燃料度電成本下降0.003 8 元/kW·h，但是注水脫硝系統(tǒng)投運后燃氣輪機最大工況下的度電成本還是比投運前高出0．002 4 元/kW·h。

4 結(jié)論

(1)注水能夠提高燃氣輪機出力，增加熱耗，降低熱效率。燃氣輪機相同基礎負荷下，注水前后燃氣輪機熱耗增加383．4 kJ/kW·h，燃氣輪機熱效率降低1．3%。注水脫硝系統(tǒng)投運后，燃氣輪機出力達到最大時，鍋爐熱效率降低0．3%，汽機出力增加0．75 MW，汽機熱耗降低159．2 kJ/kW·h，聯(lián)合循環(huán)機組熱耗增加122． 6 kJ/kW·h，全廠熱效率降低

0.8%。

(2)注水可以大幅降低燃氣輪機NOx 排放量，注水前NOx 排放量為197．816 mg/m3，注水后相同基礎負荷下NOx 排放量下降至31．698 mg/m3，燃氣輪機出力最大時，NOx 排放量稍增加至43．142 mg/m3，這是由于注水后燃氣輪機負荷增大，耗費的天然氣量增加，相應地NOx 排放量有一定量的增加。

(3)注水會增加度電成本，降低電廠經(jīng)濟性。該電廠在相同負荷下，注水使得燃料度電成本增加0．006 2 元/kW·h，燃氣輪機出力增大到最大時，燃料度電成本下降0．003 8 元/kW·h，但是注水后燃氣輪機出力最大時的度電成本還是比注水前高出0．002 4 元/kW·h。

(4)注水脫硝系統(tǒng)投運后需要優(yōu)化運行方式，控制注水量、提高注水品質(zhì)，更要嚴密監(jiān)控燃燒室壓力的變化突變、定期嚴格檢查燃燒室、熱通道部件及燃料噴嘴等。

［1］國家環(huán)境保護總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．火電廠大氣污染物排放標準:(GB13223 －2011)［S］．2011．

［2］Alternative Control Techniques Document NOx Emissions from StationaryGasTurbines． EPA － 453/R － 93 － 007．1993，1．

［3］楊順虎． 燃氣－ 蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備及運行［M］．北京:中國電力出版社，2003．

［4］曾志，張曉泓，麥文展．燃燒室注水對燃氣輪機運行和檢修的影響［J］．燃氣輪機技術(shù)，2011，24(3):60 －62．

［5］E． Kakaras，A． Doukelis，S． Karellas． Compressor intake－ air cooling in gas turbine plants［J］． Energy，2004(29):2347 －2358．

［6］吉桂明，李匯文． 向壓氣機內(nèi)噴水對燃氣輪機性能的影響［J］．燃氣輪機技術(shù)，1999，12(3):8 －12．

［7］張文輝．注水運行對燃氣輪機排氣溫度控制的影響［J］．上海電力，2006，11(2):147 －149 ．

［8］閻維平，肖小清，鄧小文，等． 燃氣輪機性能試驗規(guī)程:ASME PTC 22 －2005［M］．北京:中國電力出版社，2012．

［9］閻維平，闞偉民，肖小清，等． 燃氣輪機余熱鍋爐性能試驗規(guī)程:ASME PTC4．4 －2008［M］．北京:中國電力出版社，2012．

［10］閻維平，闞偉民，肖小清，等．聯(lián)合循環(huán)電站汽輪機性能試驗規(guī)程:ASME PTC 6．2 －2011［M］． 北京:中國電力出版社，2012．