燃?xì)廨啓C起源于航空噴氣發(fā)動機的開發(fā)。由于在峰值負(fù)載范圍內(nèi)具有出色的性能，它們已經(jīng)證明自己是眾多工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要和可靠的組件。燃?xì)廨啓C特別頻繁地用于電氣和發(fā)電領(lǐng)域，以及石油和天然氣行業(yè)。

　　在工業(yè)能源生產(chǎn)當(dāng)中，燃?xì)廨啓C可以確保覆蓋能源消耗峰值和建筑供熱。經(jīng)常使用的領(lǐng)域包括燃?xì)廨啓C設(shè)備，熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）廠和熱電廠。通過使用燃?xì)廨啓C和蒸汽輪機組合，可以實現(xiàn)特別高水平的能源效率。

　　在石油和天然氣行業(yè)，燃?xì)廨啓C被用作運輸和加工原材料過程中的泵，壓縮機和發(fā)電機的機械驅(qū)動器。例如，石油生產(chǎn)或運輸煉油產(chǎn)品中所使用的水噴射泵就是通過燃?xì)廨啓C驅(qū)動。用于注氣或管道增壓的壓縮機能量通常是用燃?xì)廨啓C生產(chǎn)。

　　燃?xì)廨啓C使用液態(tài)和氣態(tài)燃料運行，比如天然氣，汽油，柴油，燃油或石油。在峰值負(fù)載范圍內(nèi)，可以產(chǎn)生大量能源和具有高能效水平。將燃料和連續(xù)排氣過程優(yōu)化到高效率水平，涉及燃?xì)廨啓C的排氣參數(shù)與燃燒過程設(shè)置之間的復(fù)雜相互作用–而這是最佳性能的基礎(chǔ)。為此，在燃?xì)廨啓C的調(diào)試，運行和維護(hù)期間，需要定期記錄影響燃燒過程的某些測量參數(shù)。基于這些數(shù)據(jù)，可以對能夠讓渦輪機經(jīng)濟(jì)，符合規(guī)范和節(jié)省資源地運行的參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳狀態(tài)。

　　對于維護(hù)技術(shù)人員來說，理解燃燒過程的功能以及單獨測量單數(shù)對于燃?xì)廨啓C的性能和污染物排放的影響非常重要。除了基本知識以外，還提供了所需的實用知識，用以優(yōu)化燃?xì)廨啓C的效率，以及調(diào)整排放以符合法律規(guī)定的限值。
 

       燃?xì)廨啓C的功能和有效性

　　圖2：帶有熱回收鍋爐的燃燒過程示意圖。在測量點1（M1）監(jiān)測燃燒過程，在測量點2（M2）監(jiān)測排放限值。
 

　　燃?xì)廨啓C由三個組件構(gòu)成：初級壓縮機，中央燃燒室和渦輪機（圖2）。燃?xì)廨啓C的設(shè)計，性能和尺寸根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和用途而有所不同。但是，它們的工作原理始終相同，并且是基于JamesPrescottJoule(“焦耳過程”)的熱動力學(xué)循環(huán)過程。空氣通過一個或多個壓縮機步驟中的葉片進(jìn)行壓縮，然后在燃燒室中與氣態(tài)或液態(tài)燃料混合，并引燃和燃燒。壓縮空氣和燃燒氣體的該種混合將會產(chǎn)生熱氣體，其溫度可以達(dá)到超過+1,000℃，它們將會流向下游渦輪機組件并產(chǎn)生膨脹。在此過程中，熱能被轉(zhuǎn)化成機械能。隨后，在膨脹渦輪機中，富含能量的熱排氣會幾乎膨脹至環(huán)境壓力，并失去其速度。在膨脹過程中，排氣將能量轉(zhuǎn)移至渦輪機。需要這些能量的大約2/3來驅(qū)動壓縮機（進(jìn)氣口）。直接耦合的發(fā)電機（圖2①）將機械能轉(zhuǎn)化成電能。大約¹/?的能量輸出保持提供給低壓側(cè)，以用于二次驅(qū)動，例如驅(qū)動發(fā)電機，轉(zhuǎn)子，壓縮機或泵，然后熱氣體被導(dǎo)向下游熱量回收鍋爐（圖2?），以用于建筑供熱。
 

　　簡單燃?xì)忮仩t過程的有效程度

　　燃?xì)廨啓C設(shè)備的有效性最主要的是取決于燃燒室的溫度。溫度越高，有效性就越高。今天，用于渦輪機葉片的創(chuàng)新材料，陶瓷隔熱罩，或者具有先進(jìn)冷卻系統(tǒng)的渦輪機葉片，可以使溫度高達(dá)約+1,500℃，在大型渦輪機中這可能意味著超過300兆瓦的輸出和高達(dá)40%的有效性。與蒸汽輪機的有效性相比（在低溫范圍內(nèi)可達(dá)超過60%），這看上去似乎并不高。但是。燃?xì)廨啓C的優(yōu)勢在于其相對較高的排氣溫度及其達(dá)到最高性能的速度。燃?xì)廨啓C不僅可以在幾分鐘內(nèi)啟動，而且可以顯示高輸出變化速度，通常超過每分鐘最大輸出的10%。

　　燃?xì)廨啓C與蒸汽輪機相結(jié)合（組合循環(huán)燃?xì)廨啓CCCGT）可以實現(xiàn)較高水平的發(fā)電效率，因為來自渦輪機燃燒過程的熱氣體可以用來加熱蒸汽鍋爐。
 

　　提高效率的可能性

　　燃?xì)廨啓C的效率可通過測量和調(diào)節(jié)渦輪機排放（O2,CO,NO和NO2）（圖2M1）以及不同負(fù)載點的優(yōu)調(diào)節(jié)加以提高。但是，設(shè)計對于渦輪機的有效性也具有影響。在機械上更加復(fù)雜的雙驅(qū)動燃?xì)廨啓C當(dāng)中，壓縮機和渦輪機在兩個不同的軸上工作，并且通常以不同的速度旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整轉(zhuǎn)數(shù)，可進(jìn)一步提高效率。但是，如果壓縮機和渦輪機在同一個軸上，正如許多單驅(qū)動渦輪機那樣，那么是不可能以機械方式提高有效性的。
 

　　圖3：簡單燃?xì)廨啓C過程的有效程度

 

　　燃?xì)廨啓C的排放特性

　　廢氣排放及其特性

　　在燃燒過程中，首先是以不同的量釋放氮氧化物（NOX）和碳?xì)浠衔铮–XHY）。主要排放物（CO2，N2，H2O和O2）是以Vol%濃度存在。除此之外，還會形成較少量的污染物（CO，HC，NOX，SOX），ppm濃度的顆粒物，以及揮發(fā)性有機化合物（VOC），有害空氣污染物（HAP）和精細(xì)顆粒材料（PM）。取決于使用燃料的硫含量，將會產(chǎn)生VOC硫排放（主要是SO2）。

　　氮氧化物的形成取決于燃料/空氣比和燃燒溫度。NOX將會隨著燃燒室內(nèi)溫度上升而增加，并隨著燃燒器空氣輸入溫度，燃燒室入口壓力和火焰區(qū)內(nèi)的持續(xù)時間而呈幾何級增加。隨著水或蒸汽注入量的增加，NOX將會呈幾何級數(shù)下降，如同濕度增加時所發(fā)生的情形那樣。

　　大多數(shù)燃?xì)廨啓C使用大量過量空氣工作。這些空氣當(dāng)中的一部分可以輸送至火焰末端，從而降低火焰溫度。擴大火焰區(qū)域也可降低火焰長度，從而縮短氣體分子保持在NOX-形成溫度的持續(xù)時間。

　　達(dá)到化學(xué)計量火焰溫度之后，熱NOX的生成將會加速。調(diào)節(jié)渦輪機所面臨的最大挑戰(zhàn)就是燃料/空氣比朝著“精益”（更多氧氣）方向增加將會減少NO的形成，但是也會增加CO排放。
 

　　正確分析排氣濃度

　　釋放的廢氣濃度提供了有關(guān)燃燒效率以及如何提高該種效率的重要信息。例如，煙氣中的氧氣含量可以用來分析燃料/空氣比，CO和NOX值可提供有關(guān)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)以及是否符合排放的信息。

　　空氣輸入和相關(guān)的燃燒室溫度將會影響燃?xì)廨啓C的排放行為：隨著氧氣輸入增加，燃燒室中的溫度將會下降。因此空氣輸入增加以及隨后產(chǎn)生的燃燒室溫度下降將會導(dǎo)致排放減少，因此將會形成更少的熱NOX。如果溫度進(jìn)一步降低，熱NOX將會大體上被消除。通過良好的燃料/空氣混合，在良好條件下可以實現(xiàn)非常低的CXHY值（例如甲烷）。但是，過量氧氣水平過高，將會導(dǎo)致燃燒溫度不夠高，從而使得火焰溫度不再足以燃燒完整量的燃料（HC）。其結(jié)果就是CO的不wanquan氧化，而這反過來又導(dǎo)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燃燒的結(jié)果。為了實現(xiàn)最佳排放表現(xiàn)，工作范圍應(yīng)始終保持在空氣過少（“富裕”）和空氣過量（“精益”）之間。為了符合法定排放限值和確保設(shè)備經(jīng)濟(jì)運行，必須定期測量排氣參數(shù)并相應(yīng)調(diào)整設(shè)備。同時滿足這兩種要求并不總是很容易，因為在符合排放限值與最大能源效率之間存在沖突。而解決方案就是對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳狀態(tài)。
 

　　調(diào)試，操作和維護(hù)燃?xì)廨啓C時面臨的挑戰(zhàn)

　　在低和高氣體濃度下進(jìn)行精確測量

　　在測量燃?xì)廨啓C的排放時，所面臨的挑戰(zhàn)不僅在于非常高，而且也在于非常低的氣體濃度。在正確的工作點，最佳調(diào)節(jié)的燃?xì)廨啓C僅會排放低水平的CO和NOX。然而，也可能會出現(xiàn)高氣體濃度，例如當(dāng)設(shè)備啟動進(jìn)行測試，以及以不同負(fù)載水平進(jìn)行測試時。特別是在啟動過程中，可能會出現(xiàn)氣體濃度峰值，而這在不經(jīng)過稀釋的情況下無法通過低濃度傳感器加以補償。

　　為了在低量程下實現(xiàn)盡可能高的測量精度，必須降低排氣濕度的影響因素。這些影響因素首先包括由于排氣參數(shù)與冷凝物（液態(tài)）之間的化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的排氣參數(shù)稀釋（氣態(tài)）和浸出。帶有氣體預(yù)處理功能的系統(tǒng)，比如排放分析儀testo350可以防止由于排氣中的濕度以及NO2吸收所導(dǎo)致的測量值稀釋。
 

　　減少氮氧化物排放

　　低污染物燃燒器將會排放較低水平的NOX，煙塵和CO。特別是因為對于NOX排放的要求正在變得越來越嚴(yán)格。為了防止或減少NOX的形成，可以使用濕法或干法程序。

　　在液體燃料的情況下，氮氧化物只能通過濕法程序減少。在這種情況下，燃料與水或水蒸氣進(jìn)行預(yù)混合。改造該種設(shè)備并不復(fù)雜，但是必須確保準(zhǔn)備的水具有低含鹽量。濕法程序具有大約25m³/h@100MW的高耗水量，并且會降低設(shè)備效率5%–使用熱量回收進(jìn)行蒸汽生產(chǎn)的情形除外。

　　干法程序相對容易，因為它們無需設(shè)備或物流方面的努力。這經(jīng)常被稱為“脫氮”，雖然清洗過程的目的并非氮，而是氮氧化物。在排氣脫氮過程中（也被稱為DeNOX），通過初級和次級措施，NO和NOX被從燃?xì)廨啓C設(shè)備的排氣中除去。在初級措施中，熱NO形成大體上被優(yōu)化的燃燒過程所抑制。次級措施是分離過程。排氣中含有的NOX通過吸收，注入溶劑，或者還原為基本的NO（例如通注入氨氣）來減少。
 

　　燃燒室中的壓力損失

　　由于燃燒過程中熱量釋放不均勻，燃燒室中將會發(fā)生壓力變化。在某些頻率下，這些壓力變化可能會被放大成具有破壞性影響的波動，從而導(dǎo)致對設(shè)備造成損害。

　　燃燒室中的壓力損失是根本性挑戰(zhàn)，因為它對燃料消耗和功率輸出有影響。總壓力損失通常在靜態(tài)壓力2-8%的范圍內(nèi)。與這種損失相對應(yīng)，壓縮機的效率將會降低。其結(jié)果就是燃料消耗量增加和功率輸出降低。

　　同樣重要的因素包括令人滿意的運行和燃燒室使用壽命。火焰必須能夠自我維持，并且在燃料/空氣比范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，以便防止瞬態(tài)運行時的點火損失。為了確保長使用壽命，必須保持溫和的金屬溫度，應(yīng)避免會導(dǎo)致開裂的陡峭溫度梯度。碳沉積可能會導(dǎo)致中間部分變形，并改變流動模式，從而造成壓力損失。另一方面，出于環(huán)境原因，必須避免作為換熱器污染物的煙氣。最大限度減少碳沉積和煙氣排放也有助于確保令人滿意的運行。
 

　　記錄低和高氣體濃度的最佳測量技術(shù)

　　固定式(CEMS)和便攜式測量

　　在燃?xì)廨啓C的運行中，可以使用兩種不同的測量系統(tǒng)，它們對許多要求方面相互補充：固定式CEMS（連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)）測量技術(shù)，它們被安裝在測量現(xiàn)場，以便進(jìn)行長期測量。除此以外，還可使用便攜式測量儀器，比如Testo350，該儀器已經(jīng)被證明其在維護(hù)工作或調(diào)試設(shè)備中的價值。

　　許多發(fā)電站使用CEMS分析發(fā)電鍋爐煙囪的總排放量。然而，該信息并非總是能夠足以確定任何可能的故障。例如，它不足以評估DeNOX系統(tǒng)。大部分發(fā)電站在其發(fā)電鍋爐中使用NOX還原系統(tǒng)（例如氨注入），以確保NOX水平符合相關(guān)法規(guī)。經(jīng)常評估NOX水平非常重要，以便可以進(jìn)行比較調(diào)整，是實現(xiàn)設(shè)備清潔和成本高效的運行。便攜式NOX排放分析儀可以用來精確測量DeNOX系統(tǒng)的效率。便攜式分析儀的優(yōu)點就是，在整個燃燒過程中，必須進(jìn)行多次排放分析，包括引入NOX還原物前后，以便實現(xiàn)NOX減少。便攜式測量儀可以用來在現(xiàn)場快速方便地調(diào)整測量參數(shù)。
 

　　低和高氣體濃度傳感器

　　由于NO濃度較低，對于低NOX燃?xì)廨啓C的檢查和調(diào)整需要非常高的測量精度。非常適合用于調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C的是像testo350這樣的分析儀，它結(jié)合了用于測定高氣體濃度的NO2傳感器和特別低濃度傳感器，并且具有必要的高測量精度。此外，集成氣體預(yù)處理和用于工業(yè)內(nèi)燃機的特殊排氣探頭可以提供保護(hù)，以避免吸收NO2。渦輪機-特定菜單使測試變得沒有必要。可自由選擇的稀釋水平允許使用COlow傳感器（量程500ppm）測量高達(dá)20,000ppm的高濃度。

　　在Testo350上啟動量程擴展時，插槽6中的測量氣體將會使用環(huán)境空氣（或者可選使用氮氣）以受控方式稀釋。為此，通過泵從和按照脈沖寬度調(diào)節(jié)原理運行的閥門，通過單獨的氣體進(jìn)口抽取稀釋氣體。安裝了一個過濾器以保護(hù)氣路免受灰塵影響。

　　分析儀可以預(yù)選將要測量的參數(shù)。憑借0.1ppm的NOX分辨率，可以更加輕松地識別燃燒調(diào)節(jié)過程中的細(xì)小變化。這將可以讓我們以最高準(zhǔn)確性做出關(guān)鍵性的監(jiān)測或保修決策。

 

　　O2傳感器，O2參考值15%

　　高度準(zhǔn)確的O2測量非常重要，以便無偏差地確定比例參數(shù)“校正NOX”。“校正NOX”將會把在任何給定O2濃度下測得的NOX計算成一個新的參考值。當(dāng)渦輪機排氣被強烈稀釋，并且渦輪機噴氣中的氧氣濃度逼近21%時，由于誤差復(fù)制，氧氣測量精度將會在“校正NOX”計算中起主要作用。

　　由于具有特殊設(shè)計，創(chuàng)新廢氣分析儀，比如testo350，具有高水平的氧氣精度。在testo350上，新鮮空氣進(jìn)口位于氣體冷卻器上游，以便適應(yīng)濕度環(huán)境。對于氧氣濃度高達(dá)~18.5%的“正常”渦輪機條件下的“校正NOX”，測量精度（包括氧氣）已經(jīng)足夠。在符合測量不確定度的情況下，NOlow和NO2的不確定度貢獻(xiàn)對于“正常”的氧氣濃度將會起主導(dǎo)性作用。只有在對排氣進(jìn)行強烈稀釋之后，即在氧氣濃度值達(dá)到18.5%時，氧氣測量的不確定度才會起主要作用。然而，如果氧氣測量精度比說明書中規(guī)定的精度低（例如，由于未能將±0.3%的濕度影響納入考慮），那么氧氣測量的不確定度將會在比如17.3%的濃度時開始起主要作用。由于上述的濕度稀釋，在測量氣體輸入口輸入新鮮空氣非常重要。

　　如果測量儀顯示明顯不切實際的測量值，應(yīng)檢查傳感器（校準(zhǔn)）并進(jìn)行調(diào)整（如需要）。校準(zhǔn)/調(diào)整可由用戶，或者德圖批準(zhǔn)的合格服務(wù)中心進(jìn)行。
 

　　燃?xì)廨啓C燃燒過程的調(diào)整

　　使用testo350進(jìn)行排氣分析

　　分析儀分析排放和燃燒的要求會根據(jù)燃燒應(yīng)用而不同。為了正確調(diào)整和維護(hù)燃?xì)廨啓C，精確的O2值和低NOX含量和CO敏感性是必要的。排氣分析儀testo350的低量程（0.1ppm）測量可以像高量程一樣精確，以便于渦輪機測試。成熟的技術(shù)，優(yōu)化的O2測量，以及便于使用的用戶界面，可以確保在何測量程序中實現(xiàn)最大精度。

　　由于可在半徑<100米的無線環(huán)境下操作，因此可以在安全地點而非采樣點進(jìn)行燃燒設(shè)置調(diào)整。為了完成該操作，不需要將探頭從排氣煙道取出。大的集成存儲器和通過自動測試程序進(jìn)行新鮮空氣沖洗運行對給定時間段的數(shù)據(jù)靈活加以記錄。絢麗的彩色圖形顯示屏和直觀式軟件testoeaysEmission可以確保高水平的用戶便利性，特別是在需要快速完成操作時。testo350–調(diào)整燃?xì)廨啓C至最佳水平的解決方案。
 

　　用于高精度排放測量的排氣分析系統(tǒng)testo350

 

　　testo350–優(yōu)點一覽

　　高精度NOX測量與NO2和NOlow傳感器組合：

　　-對低NOX燃?xì)廨啓C進(jìn)行檢查和調(diào)整工作時可實現(xiàn)最高測量精度，分辨率可達(dá)0.1ppm。

　　-通過集成氣體準(zhǔn)預(yù)處理特殊排氣探頭保護(hù)免于NO2吸收。
 

　　具有量程擴展的COlow傳感器：

　　-由于可在量程擴展中自由選擇稀釋水平，可以高度精確地記錄高達(dá)20,000ppm的濃度。

　　-量程可擴展高達(dá)40倍(2x，5x，10x，20x，40x)。

　　-不中斷測量的過載保護(hù)，可確保安全的工作過程。
 

　　由用戶進(jìn)行測試氣體調(diào)整：

　　-可在現(xiàn)場輕松和精確地進(jìn)行測試氣體調(diào)整。

　　-幾乎沒有停機時間，因為預(yù)先校準(zhǔn)的傳感器可現(xiàn)場更換。

　　可在不同負(fù)載水平方便地進(jìn)行測量以及長期測量：

　　-可安裝新鮮空氣閥以測量不同負(fù)載水平，或者進(jìn)行長期測量。可簡單地將排氣探頭保持在排氣煙道中。

 

　　燃?xì)廨啓C是能源生產(chǎn)中關(guān)鍵而可靠的組件。為了優(yōu)化燃料和連續(xù)排氣過程以實現(xiàn)高效率，排氣參數(shù)與設(shè)備設(shè)置之間的相互作用至關(guān)重要。維護(hù)工程師所面臨的挑戰(zhàn)在于能夠不僅在極低，而且也需要在高排氣濃度下進(jìn)行精確測量，以便調(diào)節(jié)設(shè)備至最佳狀態(tài)，同時也符合法律規(guī)定。

　　排氣分析儀testo350可以快速而高度準(zhǔn)確地記錄所有相關(guān)排氣參數(shù)。使用這些數(shù)據(jù)，工程師可以可靠檢查和控制設(shè)備的效率。