优化燃气轮机效率和排放的影响因素和测量参数及其重要性

　　燃气轮机起源于航空喷气发动机的开发。由于在峰值负载范围内具有出色的性能，它们已经证明自己是众多工业应用中至关重要和可靠的组件。燃气轮机特别频繁地用于电气和发电领域，以及石油和天然气行业。

　　在工业能源生产当中，燃气轮机可以确保覆盖能源消耗峰值和建筑供热。经常使用的领域包括燃气轮机设备，热电联产（CHP）厂和热电厂。通过使用燃气轮机和蒸汽轮机组合，可以实现特别高水平的能源效率。

　　在石油和天然气行业，燃气轮机被用作运输和加工原材料过程中的泵，压缩机和发电机的机械驱动器。例如，石油生产或运输炼油产品中所使用的水喷射泵就是通过燃气轮机驱动。用于注气或管道增压的压缩机能量通常是用燃气轮机生产。

　　燃气轮机使用液态和气态燃料运行，比如天然气，汽油，柴油，燃油或石油。在峰值负载范围内，可以产生大量能源和具有高能效水平。将燃料和连续排气过程优化到高效率水平，涉及燃气轮机的排气参数与燃烧过程设置之间的复杂相互作用–而这是最佳性能的基础。为此，在燃气轮机的调试，运行和维护期间，需要定期记录影响燃烧过程的某些测量参数。基于这些数据，可以对能够让涡轮机经济，符合规范和节省资源地运行的参数进行控制和调节，以达到最佳状态。

　　对于维护技术人员来说，理解燃烧过程的功能以及单独测量单数对于燃气轮机的性能和污染物排放的影响非常重要。除了基本知识以外，还提供了所需的实用知识，用以优化燃气轮机的效率，以及调整排放以符合法律规定的限值。
 

       燃气轮机的功能和有效性

　　图2：带有热回收锅炉的燃烧过程示意图。在测量点1（M1）监测燃烧过程，在测量点2（M2）监测排放限值。
 

　　燃气轮机由三个组件构成：初级压缩机，中央燃烧室和涡轮机（图2）。燃气轮机的设计，性能和尺寸根据应用领域和用途而有所不同。但是，它们的工作原理始终相同，并且是基于JamesPrescottJoule(“焦耳过程”)的热动力学循环过程。空气通过一个或多个压缩机步骤中的叶片进行压缩，然后在燃烧室中与气态或液态燃料混合，并引燃和燃烧。压缩空气和燃烧气体的该种混合将会产生热气体，其温度可以达到超过+1,000℃，它们将会流向下游涡轮机组件并产生膨胀。在此过程中，热能被转化成机械能。随后，在膨胀涡轮机中，富含能量的热排气会几乎膨胀至环境压力，并失去其速度。在膨胀过程中，排气将能量转移至涡轮机。需要这些能量的大约2/3来驱动压缩机（进气口）。直接耦合的发电机（图2①）将机械能转化成电能。大约¹/₃的能量输出保持提供给低压侧，以用于二次驱动，例如驱动发电机，转子，压缩机或泵，然后热气体被导向下游热量回收锅炉（图2⑪），以用于建筑供热。
 

　　简单燃气锅炉过程的有效程度

　　燃气轮机设备的有效性最主要的是取决于燃烧室的温度。温度越高，有效性就越高。今天，用于涡轮机叶片的创新材料，陶瓷隔热罩，或者具有先进冷却系统的涡轮机叶片，可以使温度高达约+1,500℃，在大型涡轮机中这可能意味着超过300兆瓦的输出和高达40%的有效性。与蒸汽轮机的有效性相比（在低温范围内可达超过60%），这看上去似乎并不高。但是。燃气轮机的优势在于其相对较高的排气温度及其达到最高性能的速度。燃气轮机不仅可以在几分钟内启动，而且可以显示高输出变化速度，通常超过每分钟最大输出的10%。

　　燃气轮机与蒸汽轮机相结合（组合循环燃气轮机CCGT）可以实现较高水平的发电效率，因为来自涡轮机燃烧过程的热气体可以用来加热蒸汽锅炉。
 

　　提高效率的可能性

　　燃气轮机的效率可通过测量和调节涡轮机排放（O2,CO,NO和NO2）（图2M1）以及不同负载点的优调节加以提高。但是，设计对于涡轮机的有效性也具有影响。在机械上更加复杂的双驱动燃气轮机当中，压缩机和涡轮机在两个不同的轴上工作，并且通常以不同的速度旋转。通过调整转数，可进一步提高效率。但是，如果压缩机和涡轮机在同一个轴上，正如许多单驱动涡轮机那样，那么是不可能以机械方式提高有效性的。
 

　　图3：简单燃气轮机过程的有效程度

 

　　燃气轮机的排放特性

　　废气排放及其特性

　　在燃烧过程中，首先是以不同的量释放氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（CXHY）。主要排放物（CO2，N2，H2O和O2）是以Vol%浓度存在。除此之外，还会形成较少量的污染物（CO，HC，NOX，SOX），ppm浓度的颗粒物，以及挥发性有机化合物（VOC），有害空气污染物（HAP）和精细颗粒材料（PM）。取决于使用燃料的硫含量，将会产生VOC硫排放（主要是SO2）。

　　氮氧化物的形成取决于燃料/空气比和燃烧温度。NOX将会随着燃烧室内温度上升而增加，并随着燃烧器空气输入温度，燃烧室入口压力和火焰区内的持续时间而呈几何级增加。随着水或蒸汽注入量的增加，NOX将会呈几何级数下降，如同湿度增加时所发生的情形那样。

　　大多数燃气轮机使用大量过量空气工作。这些空气当中的一部分可以输送至火焰末端，从而降低火焰温度。扩大火焰区域也可降低火焰长度，从而缩短气体分子保持在NOX-形成温度的持续时间。

　　达到化学计量火焰温度之后，热NOX的生成将会加速。调节涡轮机所面临的最大挑战就是燃料/空气比朝着“精益”（更多氧气）方向增加将会减少NO的形成，但是也会增加CO排放。
 

　　正确分析排气浓度

　　释放的废气浓度提供了有关燃烧效率以及如何提高该种效率的重要信息。例如，烟气中的氧气含量可以用来分析燃料/空气比，CO和NOX值可提供有关系统当前状态以及是否符合排放的信息。

　　空气输入和相关的燃烧室温度将会影响燃气轮机的排放行为：随着氧气输入增加，燃烧室中的温度将会下降。因此空气输入增加以及随后产生的燃烧室温度下降将会导致排放减少，因此将会形成更少的热NOX。如果温度进一步降低，热NOX将会大体上被消除。通过良好的燃料/空气混合，在良好条件下可以实现非常低的CXHY值（例如甲烷）。但是，过量氧气水平过高，将会导致燃烧温度不够高，从而使得火焰温度不再足以燃烧完整量的燃料（HC）。其结果就是CO的不wanquan氧化，而这反过来又导致新的CO增加。但是，CXHY值和污染物（比如VOC，HAP和PM）的增加主要是由于不wanquan燃烧的结果。为了实现最佳排放表现，工作范围应始终保持在空气过少（“富裕”）和空气过量（“精益”）之间。为了符合法定排放限值和确保设备经济运行，必须定期测量排气参数并相应调整设备。同时满足这两种要求并不总是很容易，因为在符合排放限值与最大能源效率之间存在冲突。而解决方案就是对设备进行调整，以达到最佳状态。
 

　　调试，操作和维护燃气轮机时面临的挑战

　　在低和高气体浓度下进行精确测量

　　在测量燃气轮机的排放时，所面临的挑战不仅在于非常高，而且也在于非常低的气体浓度。在正确的工作点，最佳调节的燃气轮机仅会排放低水平的CO和NOX。然而，也可能会出现高气体浓度，例如当设备启动进行测试，以及以不同负载水平进行测试时。特别是在启动过程中，可能会出现气体浓度峰值，而这在不经过稀释的情况下无法通过低浓度传感器加以补偿。

　　为了在低量程下实现尽可能高的测量精度，必须降低排气湿度的影响因素。这些影响因素首先包括由于排气参数与冷凝物（液态）之间的化学反应所导致的排气参数稀释（气态）和浸出。带有气体预处理功能的系统，比如排放分析仪testo350可以防止由于排气中的湿度以及NO2吸收所导致的测量值稀释。
 

　　减少氮氧化物排放

　　低污染物燃烧器将会排放较低水平的NOX，烟尘和CO。特别是因为对于NOX排放的要求正在变得越来越严格。为了防止或减少NOX的形成，可以使用湿法或干法程序。

　　在液体燃料的情况下，氮氧化物只能通过湿法程序减少。在这种情况下，燃料与水或水蒸气进行预混合。改造该种设备并不复杂，但是必须确保准备的水具有低含盐量。湿法程序具有大约25m³/h@100MW的高耗水量，并且会降低设备效率5%–使用热量回收进行蒸汽生产的情形除外。

　　干法程序相对容易，因为它们无需设备或物流方面的努力。这经常被称为“脱氮”，虽然清洗过程的目的并非氮，而是氮氧化物。在排气脱氮过程中（也被称为DeNOX），通过初级和次级措施，NO和NOX被从燃气轮机设备的排气中除去。在初级措施中，热NO形成大体上被优化的燃烧过程所抑制。次级措施是分离过程。排气中含有的NOX通过吸收，注入溶剂，或者还原为基本的NO（例如通注入氨气）来减少。
 

　　燃烧室中的压力损失

　　由于燃烧过程中热量释放不均匀，燃烧室中将会发生压力变化。在某些频率下，这些压力变化可能会被放大成具有破坏性影响的波动，从而导致对设备造成损害。

　　燃烧室中的压力损失是根本性挑战，因为它对燃料消耗和功率输出有影响。总压力损失通常在静态压力2-8%的范围内。与这种损失相对应，压缩机的效率将会降低。其结果就是燃料消耗量增加和功率输出降低。

　　同样重要的因素包括令人满意的运行和燃烧室使用寿命。火焰必须能够自我维持，并且在燃料/空气比范围内稳定燃烧，以便防止瞬态运行时的点火损失。为了确保长使用寿命，必须保持温和的金属温度，应避免会导致开裂的陡峭温度梯度。碳沉积可能会导致中间部分变形，并改变流动模式，从而造成压力损失。另一方面，出于环境原因，必须避免作为换热器污染物的烟气。最大限度减少碳沉积和烟气排放也有助于确保令人满意的运行。
 

　　记录低和高气体浓度的最佳测量技术

　　固定式(CEMS)和便携式测量

　　在燃气轮机的运行中，可以使用两种不同的测量系统，它们对许多要求方面相互补充：固定式CEMS（连续排放监测系统）测量技术，它们被安装在测量现场，以便进行长期测量。除此以外，还可使用便携式测量仪器，比如Testo350，该仪器已经被证明其在维护工作或调试设备中的价值。

　　许多发电站使用CEMS分析发电锅炉烟囱的总排放量。然而，该信息并非总是能够足以确定任何可能的故障。例如，它不足以评估DeNOX系统。大部分发电站在其发电锅炉中使用NOX还原系统（例如氨注入），以确保NOX水平符合相关法规。经常评估NOX水平非常重要，以便可以进行比较调整，是实现设备清洁和成本高效的运行。便携式NOX排放分析仪可以用来精确测量DeNOX系统的效率。便携式分析仪的优点就是，在整个燃烧过程中，必须进行多次排放分析，包括引入NOX还原物前后，以便实现NOX减少。便携式测量仪可以用来在现场快速方便地调整测量参数。
 

　　低和高气体浓度传感器

　　由于NO浓度较低，对于低NOX燃气轮机的检查和调整需要非常高的测量精度。非常适合用于调节燃气轮机的是像testo350这样的分析仪，它结合了用于测定高气体浓度的NO2传感器和特别低浓度传感器，并且具有必要的高测量精度。此外，集成气体预处理和用于工业内燃机的特殊排气探头可以提供保护，以避免吸收NO2。涡轮机-特定菜单使测试变得没有必要。可自由选择的稀释水平允许使用COlow传感器（量程500ppm）测量高达20,000ppm的高浓度。

　　在Testo350上启动量程扩展时，插槽6中的测量气体将会使用环境空气（或者可选使用氮气）以受控方式稀释。为此，通过泵从和按照脉冲宽度调节原理运行的阀门，通过单独的气体进口抽取稀释气体。安装了一个过滤器以保护气路免受灰尘影响。

　　分析仪可以预选将要测量的参数。凭借0.1ppm的NOX分辨率，可以更加轻松地识别燃烧调节过程中的细小变化。这将可以让我们以最高准确性做出关键性的监测或保修决策。

 

　　O2传感器，O2参考值15%

　　高度准确的O2测量非常重要，以便无偏差地确定比例参数“校正NOX”。“校正NOX”将会把在任何给定O2浓度下测得的NOX计算成一个新的参考值。当涡轮机排气被强烈稀释，并且涡轮机喷气中的氧气浓度逼近21%时，由于误差复制，氧气测量精度将会在“校正NOX”计算中起主要作用。

　　由于具有特殊设计，创新废气分析仪，比如testo350，具有高水平的氧气精度。在testo350上，新鲜空气进口位于气体冷却器上游，以便适应湿度环境。对于氧气浓度高达~18.5%的“正常”涡轮机条件下的“校正NOX”，测量精度（包括氧气）已经足够。在符合测量不确定度的情况下，NOlow和NO2的不确定度贡献对于“正常”的氧气浓度将会起主导性作用。只有在对排气进行强烈稀释之后，即在氧气浓度值达到18.5%时，氧气测量的不确定度才会起主要作用。然而，如果氧气测量精度比说明书中规定的精度低（例如，由于未能将±0.3%的湿度影响纳入考虑），那么氧气测量的不确定度将会在比如17.3%的浓度时开始起主要作用。由于上述的湿度稀释，在测量气体输入口输入新鲜空气非常重要。

　　如果测量仪显示明显不切实际的测量值，应检查传感器（校准）并进行调整（如需要）。校准/调整可由用户，或者德图批准的合格服务中心进行。
 

　　燃气轮机燃烧过程的调整

　　使用testo350进行排气分析

　　分析仪分析排放和燃烧的要求会根据燃烧应用而不同。为了正确调整和维护燃气轮机，精确的O2值和低NOX含量和CO敏感性是必要的。排气分析仪testo350的低量程（0.1ppm）测量可以像高量程一样精确，以便于涡轮机测试。成熟的技术，优化的O2测量，以及便于使用的用户界面，可以确保在何测量程序中实现最大精度。

　　由于可在半径<100米的无线环境下操作，因此可以在安全地点而非采样点进行燃烧设置调整。为了完成该操作，不需要将探头从排气烟道取出。大的集成存储器和通过自动测试程序进行新鲜空气冲洗运行对给定时间段的数据灵活加以记录。绚丽的彩色图形显示屏和直观式软件testoeaysEmission可以确保高水平的用户便利性，特别是在需要快速完成操作时。testo350–调整燃气轮机至最佳水平的解决方案。
 

　　用于高精度排放测量的排气分析系统testo350

 

　　testo350–优点一览

　　高精度NOX测量与NO2和NOlow传感器组合：

　　-对低NOX燃气轮机进行检查和调整工作时可实现最高测量精度，分辨率可达0.1ppm。

　　-通过集成气体准预处理特殊排气探头保护免于NO2吸收。
 

　　具有量程扩展的COlow传感器：

　　-由于可在量程扩展中自由选择稀释水平，可以高度精确地记录高达20,000ppm的浓度。

　　-量程可扩展高达40倍(2x，5x，10x，20x，40x)。

　　-不中断测量的过载保护，可确保安全的工作过程。
 

　　由用户进行测试气体调整：

　　-可在现场轻松和精确地进行测试气体调整。

　　-几乎没有停机时间，因为预先校准的传感器可现场更换。

　　可在不同负载水平方便地进行测量以及长期测量：

　　-可安装新鲜空气阀以测量不同负载水平，或者进行长期测量。可简单地将排气探头保持在排气烟道中。

 

　　燃气轮机是能源生产中关键而可靠的组件。为了优化燃料和连续排气过程以实现高效率，排气参数与设备设置之间的相互作用至关重要。维护工程师所面临的挑战在于能够不仅在极低，而且也需要在高排气浓度下进行精确测量，以便调节设备至最佳状态，同时也符合法律规定。

　　排气分析仪testo350可以快速而高度准确地记录所有相关排气参数。使用这些数据，工程师可以可靠检查和控制设备的效率。