燃气轮机CMES检测影响因素分析和改进

燃气轮机CMES检测影响因素分析和改进

马健郑捷林贤良

（浙江浙能长兴天然气热电公司浙江长兴313100）

摘要：介绍燃气轮机在实际运行工况中，沿用非分散红外吸收测量原理的气体分析仪测量燃气机组的烟气污染物排放值，存在着NOX和SO2测量不准确的问题。本文通过对偏差现象的分析，采用NO/NO2转换装置来修正NOX测量值的准确性；利用紫外荧光法的气体分析仪来精准测量SO2真实值。以上方法在实际应用中已经取得良好效果，对燃气机组的环保监测具有参考价值。

关键词：燃气轮机组；非分散红外吸收法；NO/NO2转换装置；紫外荧光法

引言

随着国内天然气产量的逐年提高，气源供应稳定使得天然气发电平稳发展，在北方京津地区和长江三角洲地区节能环保压力日趋严峻，燃气机组污染物排放量远低于同等装机容量的煤电机组，燃气机组的装机容量占比日益上升。然而，在机组各类运行工况下，燃气机组烟气三项污染物（氮氧化物、二氧化硫、颗粒物）的在线监测出现了煤电机组所没有遇到的一些干扰和测量不准确的问题，在实际应用中燃气机组的低排放特性对CEMS的测量提出了更高的要求。

本文介绍在两台机组为SEC－SIEMENS（上海电气－西门子联合体）制造的SCC5-4000F（9FX）型单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中，沿用了300MW煤电机组的烟气连续监测系统(简称CEMS)，无法准确测量氮氧化物和二氧化硫，通过一系列的技术改造和设备变更，与原来测量方式比较，取得了很好效果，对提高燃气机组环保排放指标的管控有积极意义。

1机组启动过程中的污染物排放问题

机组点火和启机全过程带载采用预混燃烧模式，机组在启动时，从点火开始到汽机并入运行阶段会出现短时的NOX超标，但从小时均值衡量，全过程燃烧使用值班气预混燃烧模式，降低NOx排放。NOx逐步稳定在30mg/Nm3浓度以下，NOx的排放值低于GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定(燃用天然气的要远小于50mg/m3［7］)。

表1机组启动期间各阶段NOX一览表

Tab1.ListofNOXduringeachstageofunitstart-up

1.NOx排放质量浓度测量偏差的原因分析

燃气轮机组在燃烧过程中氧含量值一般为14%~15%，由于富氧燃烧反应：2NO+O2=2NO2。目前大多数火力发电企业采用的在线监察气体分析仪主要测量烟气中的NO，NOX是通过氧量换算计算得出。环保监督部门通过便携式对比表计（德图表公司的350产品，该表计采用定电位电解法）检测企业CMES数据的有效性，在表计中有分别测量NO和NO2的测量池，能分别测量烟气中的NO和NO2然后合成NOX。

表2NO和NO2在不同负荷段的测量值

Tab.2TheratioofNOandNO2indifferentload

表2为某次省环保监测中心为电厂测量的数据，实测值直接通过烟囱45米平台抽取气体污染物检测实际值，通过公式换算。

表3中的NOX折算值通过CMES在线仪表直接读取，其中依照HJT75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范，NO2测量的准确性，直接影响了CMES对NOX的测量的准确性，导致环保污染物排放参数比对准确度不满足HJT75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》的要求（当气态污染物＞20umol/mol~＜250umol/mol时，相对误差不超过20%［6］）。根据表3（专业技术服务公司测试数据）的测试数据，我们可以得出一个明确的结论：CEMS在线测量值与实测值的偏差超过30%无法满足国家环保比对检验要求。

表3烟气污染物实测排放各参数值

Tab.3.Actualparametersoffluegaspollutantsemission

从表5数据观察中，可以看出在燃气机组启机过程中，随着燃烧室内发生过氧燃烧，燃烧温度维持在较低状态（大约127°C），天然气中CH4在未充分完全燃烧状态；但是随着负荷的逐步提升，燃烧温度的上升时，SO2虚高值逐步下降，当燃烧稳定后（排气温度在550°C左右），CH4完全燃烧，CO值较低，SO2受干扰的现象消失。

上述运行状态的分析：燃机点火并网后，随着燃烧温度上升，O2由20.8%降低到15%左右，SO2、CH4气体在不同温度阶段，受外部因素影响，气体分子结构不稳定性和化学键分布不均影响特征吸收峰，气体分析仪的非分散红外吸收法无法准确测量出燃气轮机组启动期间（30分钟左右）的SO2污染物排放值。天然气燃料（主要成分甲烷）严重干扰了测量值，引起环保数据偏差。

2.3污染物排放测量方法的改进

NOx测量偏差的改善方法

2.3.1实施改造后NOx排放质量浓度的对比

根据以上分析，依据HJT75—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》，气态污染物计算方式，直接将未知的NO2折算成NO，纳入NOX计算值中是一种有效的方法。

在现场CMES取样回路中加装NO2/NO转换器，将NO2在催化剂和高温的作用下在转换器中还原成NO，通过气体检测仪对排气末端（CMES小室）表计可以测量到这一部分NO，该方法简单易行，安装后表4测量数据如下：

表6NO2/NO转换效率参数值

Tab.6NO2/NOconversionefficiencyparametervalues

根据燃烧工况的不同，估计转换率在75%~95%期间，NO2转换效率其实跟NO2体积浓度有关，根据现场实际工况下测试者得出的经验值是一般能够转换6~8mg/m3的NO2，也就是说在高负荷段（75%以上），转换器的效果非常好，但是转换器存在无法避免的缺点：

(1)NO2/NO转换器内的催化剂有寿命，需定期更换，直接影响转化率，一般保证转化率不低于80%；

(2)无法准确测量NO2，在未来日益严格的环保政策下可能无法满足标准；

(3)在实际工况中，发生环保异常事件后，无法采集准确的污染物排放数据作为申诉依据。

2.4SO2测量偏差的改善方法

2.4.1实施改造后SO2排放质量浓度的对比

针对SO2启停过程中的虚高问题，电厂采用荧光紫外法的分析仪直接测量燃机排放中的SO2，使数据显示准确值。通过加装SO2单模块测量的分析仪，采用脉冲荧光技术，量程小（0-5，0-10mg/m3）。符合燃气机组的实际情况，燃料成分中S成分几乎没有，余热锅炉排放烟气中有微量SO2，很适合使用低量程、高精度的表计。

选取一次机组启动到停机的数据表，当机组负荷变化过程中，排气温度保持在540-560°C，SO2测量数据保持在0.1-0.9mg/m3之间（折算值存在一定偏差）。新型的气体分析仪很真实的反应出机组SO2污染物真实排放值，比原有红外测量精确。

表7从启机到满负荷SO2测量值

Tab.7：MeasurementsfromstarttofullloadSO2

3结论

（1）燃气机组作为火力发电机组，在烟气污染物排放远低于煤电机组，煤电机组的CMES测量仪表和经验已经无法不适用于当前超低、超净排放的环保监测。

（2）通过对NOx偏差问题和SO2虚高问题的分析和讨论，采用设备改善和技术改进的方式，CEMS的测量精度有了极大提高，特别是加装NO2-NO转换炉后保证了NOX的测量精度，新测量原理保证了全负荷段SO2测量值的真实有效。

（3）由于转换炉存在明显的缺点，建议新建燃气轮机组或者改造超净排放的煤机组可选用化学发光测量法分别能够准确测量出NO和NO2质量浓度值的设备仪表，不仅在环保高标准和严要求下，可以从容应对，而且对于CMES测量的精准度改善效果最佳。

（4）对于CMES测量偏差问题中其他外部因素比如机组长期停运、特殊工况下的燃烧稳定性影响以及零位偏差等因素的影响变化数据采集不够充分，需要进一步研究。

参考文献

[1]HJ692-2014《固定污染源废气氮氧化物的测量非分散红外吸收法》2014

[2]ThermoFisher稀释法CEMS介绍2014.

[3]卢广法.沈建明.朱国雷.西门子F级燃气蒸汽联合循环发电机组培训教材.杭州.浙江大学出版社.2014

[4]HJT76—2017《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法（试行）》

[5]HJT75—2017《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》

[6]HJT212—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》

[7]HJT13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》

[8]刘志坦，李玉刚，王凯中国燃气电厂烟气污染物排放现状及政策趋势，中国电力2017（1）：147-153

[9]龚佑发，刘江楠烧结烟气SO2监测干扰因素分析及改进，冶金设备管理与检修2015（5）：16-18

[10]王忠渠，仝声，王强紫外烟气分析仪在燃煤电厂超低排放气态污染物监测中的应用，电力科技与环保2016（2）：39-41

[11]王强、杨凯.烟气排放连续监测系统(CEMS)监测技术及应用化学工业出版社.2015

[12]HJ629-2011固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法

作者简介

马健(1981-)，男，工程师，主要从事电厂安全环保工作。

郑捷（1974-），男，工程师，主要从事电厂热控环保工作。

林贤良（1974-），男，工程师，主要从事电厂热控技术工作。