燃氣輪機及其在工業中的應用領域
燃氣輪機起源于航空噴氣發動機的開發。由于在峰值負載范圍內具有出色的性能，它們已經證明自己是眾多工業應用中至關重要和可靠的組件。燃氣輪機特別頻繁地用于電氣和發電領域，以及石油和天然氣行業。
在工業能源生產當中，燃氣輪機可以確保覆蓋能源消耗峰值和建筑供熱。經常使用的領域包括燃氣輪機設備，熱電聯產（CHP）廠和熱電廠。通過使用燃氣輪機和蒸汽輪機組合，可以實現特別高水平的能源效率。
在石油和天然氣行業，燃氣輪機被用作運輸和加工原材料過程中的泵，壓縮機和發電機的機械驅動器。例如，石油生產或運輸煉油產品中所使用的水噴射泵就是通過燃氣輪機驅動。用于注氣或管道增壓的壓縮機能量通常是用燃氣輪機生產。
燃氣輪機使用液態和氣態燃料運行，比如天然氣，汽油，柴油，燃油或石油。在峰值負載范圍內，可以產生大量能源和具有高能效水平。將燃料和連續排氣過程優化到高效率水平，涉及燃氣輪機的排氣參數與燃燒過程設置之間的復雜相互作用–而這是最佳性能的基礎。為此，在燃氣輪機的調試，運行和維護期間，需要定期記錄影響燃燒過程的某些測量參數。基于這些數據，可以對能夠讓渦輪機經濟，符合規范和節省資源地運行的參數進行控制和調節，以達到最佳狀態。
對于維護技術人員來說，理解燃燒過程的功能以及單獨測量單數對于燃氣輪機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，用以優化燃氣輪機的效率，以及調整排放以符合法律規定的限值。
圖1：燃氣輪機由三個組件構成：初級壓縮機，中央燃燒室，以及渦輪機
燃氣輪機的功能和有效性
圖2：帶有熱回收鍋爐的燃燒過程示意圖。在測量點1（M1）監測燃燒過程，在測量點2（M2）監測排放限值。
燃氣輪機由三個組件構成：初級壓縮機，中央燃燒室和渦輪機（圖2）。燃氣輪機的設計，性能和尺寸根據應用領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”)的熱動力學循環過程。空氣通過一個或多個壓縮機步驟中的葉片進行壓縮，然后在燃燒室中與氣態或液態燃料混合，并引燃和燃燒。壓縮空氣和燃燒氣體的該種混合將會產生熱氣體，其溫度可以達到超過+1,000℃，它們將會流向下游渦輪機組件并產生膨脹。在此過程中，熱能被轉化成機械能。隨后，在膨脹渦輪機中，富含能量的熱排氣會幾乎膨脹至環境壓力，并失去其速度。在膨脹過程中，排氣將能量轉移至渦輪機。需要這些能量的大約2/3來驅動壓縮機（進氣口）。直接耦合的發電機（圖2①）將機械能轉化成電能。大約¹/?的能量輸出保持提供給低壓側，以用于二次驅動，例如驅動發電機，轉子，壓縮機或泵，然后熱氣體被導向下游熱量回收鍋爐（圖2?），以用于建筑供熱。
簡單燃氣鍋爐過程的有效程度
燃氣輪機設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新材料，陶瓷隔熱罩，或者具有先進冷卻系統的渦輪機葉片，可以使溫度高達約+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40%的有效性。與蒸汽輪機的有效性相比（在低溫范圍內可達超過60%），這看上去似乎并不高。但是。燃氣輪機的優勢在于其相對較高的排氣溫度及其達到最高性能的速度。燃氣輪機不僅可以在幾分鐘內啟動，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%。
燃氣輪機與蒸汽輪機相結合（組合循環燃氣輪機CCGT）可以實現較高水平的發電效率，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
燃氣輪機的效率可通過測量和調節渦輪機排放（O2,CO,NO和NO2）（圖2M1）以及不同負載點的優調節加以提高。但是，設計對于渦輪機的有效性也具有影響。在機械上更加復雜的雙驅動燃氣輪機當中，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。通過調整轉數，可進一步提高效率。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：簡單燃氣輪機過程的有效程度
燃氣輪機的排放特性
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）和碳氫化合物（CXHY）。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，以及揮發性有機化合物（VOC），有害空氣污染物（HAP）和精細顆粒材料（PM）。取決于使用燃料的硫含量，將會產生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內的持續時間而呈幾何級增加。隨著水或蒸汽注入量的增加，NOX將會呈幾何級數下降，如同濕度增加時所發生的情形那樣。
大多數燃氣輪機使用大量過量空氣工作。這些空氣當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-形成溫度的持續時間。
達到化學計量火焰溫度之后，熱NOX的生成將會加速。調節渦輪機所面臨的最大挑戰就是燃料/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值可提供有關系統當前狀態以及是否符合排放的信息。
空氣輸入和相關的燃燒室溫度將會影響燃氣輪機的排放行為：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生的燃燒室溫度下降將會導致排放減少，因此將會形成更少的熱NOX。如果溫度進一步降低，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非常低的CXHY值（例如甲烷）。但是，過量氧氣水平過高，將會導致燃燒溫度不夠高，從而使得火焰溫度不再足以燃燒完整量的燃料（HC）。其結果就是CO的不wanquan氧化，而這反過來又導致新的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燃燒的結果。為了實現最佳排放表現，工作范圍應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備經濟運行，必須定期測量排氣參數并相應調整設備。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備進行調整，以達到最佳狀態。
圖.4:“豐富”和“精益”之間的最佳工作范圍
圖5：燃氣輪機的排放表現
調試，操作和維護燃氣輪機時面臨的挑戰
在低和高氣體濃度下進行精確測量
在測量燃氣輪機的排放時，所面臨的挑戰不僅在于非常高，而且也在于非常低的氣體濃度。在正確的工作點，最佳調節的燃氣輪機僅會排放低水平的CO和NOX。然而，也可能會出現高氣體濃度，例如當設備啟動進行測試，以及以不同負載水平進行測試時。特別是在啟動過程中，可能會出現氣體濃度峰值，而這在不經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與冷凝物（液態）之間的化學反應所導致的排氣參數稀釋（氣態）和浸出。帶有氣體預處理功能的系統，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行預混合。改造該種設備并不復雜，但是必須確保準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，并且會降低設備效率5%–使用熱量回收進行蒸汽生產的情形除外。
干法程序相對容易，因為它們無需設備或物流方面的努力。這經常被稱為“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被從燃氣輪機設備的排氣中除去。在初級措施中，熱NO形成大體上被優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，從而導致對設備造成損害。
燃燒室中的壓力損失是根本性挑戰，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壓力2-8%的范圍內。與這種損失相對應，壓縮機的效率將會降低。其結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/空氣比范圍內穩定燃燒，以便防止瞬態運行時的點火損失。為了確保長使用壽命，必須保持溫和的金屬溫度，應避免會導致開裂的陡峭溫度梯度。碳沉積可能會導致中間部分變形，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
固定式(CEMS)和便攜式測量
在燃氣輪機的運行中，可以使用兩種不同的測量系統，它們對許多要求方面相互補充：固定式CEMS（連續排放監測系統）測量技術，它們被安裝在測量現場，以便進行長期測量。除此以外，還可使用便攜式測量儀器，比如Testo350，該儀器已經被證明其在維護工作或調試設備中的價值。
許多發電站使用CEMS分析發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。大部分發電站在其發電鍋爐中使用NOX還原系統（例如氨注入），以確保NOX水平符合相關法規。經常評估NOX水平非常重要，以便可以進行比較調整，是實現設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系統的效率。便攜式分析儀的優點就是，在整個燃燒過程中，必須進行多次排放分析，包括引入NOX還原物前后，以便實現NOX減少。便攜式測量儀可以用來在現場快速方便地調整測量參數。
低和高氣體濃度傳感器
由于NO濃度較低，對于低NOX燃氣輪機的檢查和調整需要非常高的測量精度。非常適合用于調節燃氣輪機的是像testo350這樣的分析儀，它結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，集成氣體預處理和用于工業內燃機的特殊排氣探頭可以提供保護，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節原理運行的閥門，通過單獨的氣體進口抽取稀釋氣體。安裝了一個過濾器以保護氣路免受灰塵影響。
分析儀可以預選將要測量的參數。憑借0.1ppm的NOX分辨率，可以更加輕松地識別燃燒調節過程中的細小變化。這將可以讓我們以最高準確性做出關鍵性的監測或保修決策。
O2傳感器，O2參考值15%
高度準確的O2測量非常重要，以便無偏差地確定比例參數“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。
由于具有特殊設計，創新廢氣分析儀，比如testo350，具有高水平的氧氣精度。在testo350上，新鮮空氣進口位于氣體冷卻器上游，以便適應濕度環境。對于氧氣濃度高達~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的不確定度貢獻對于“正常”的氧氣濃度將會起主導性作用。只有在對排氣進行強烈稀釋之后，即在氧氣濃度值達到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，應檢查傳感器（校準）并進行調整（如需要）。校準/調整可由用戶，或者德圖批準的合格服務中心進行。
燃氣輪機燃燒過程的調整
使用testo350進行排氣分析
分析儀分析排放和燃燒的要求會根據燃燒應用而不同。為了正確調整和維護燃氣輪機，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，優化的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最大精度。
由于可在半徑<100米的無線環境下操作，因此可以在安全地點而非采樣點進行燃燒設置調整。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行新鮮空氣沖洗運行對給定時間段的數據靈活加以記錄。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–調整燃氣輪機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testo350
testo350–優點一覽
高精度NOX測量與NO2和NOlow傳感器組合：
-對低NOX燃氣輪機進行檢查和調整工作時可實現最高測量精度，分辨率可達0.1ppm。
-通過集成氣體準預處理特殊排氣探頭保護免于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20,000ppm的濃度。
-量程可擴展高達40倍(2x，5x，10x，20x，40x)。
-不中斷測量的過載保護，可確保安全的工作過程。
由用戶進行測試氣體調整：
-可在現場輕松和精確地進行測試氣體調整。
-幾乎沒有停機時間，因為預先校準的傳感器可現場更換。
可在不同負載水平方便地進行測量以及長期測量：
-可安裝新鮮空氣閥以測量不同負載水平，或者進行長期測量。可簡單地將排氣探頭保持在排氣煙道中。
燃氣輪機是能源生產中關鍵而可靠的組件。為了優化燃料和連續排氣過程以實現高效率，排氣參數與設備設置之間的相互作用至關重要。維護工程師所面臨的挑戰在于能夠不僅在極低，而且也需要在高排氣濃度下進行精確測量，以便調節設備至最佳狀態，同時也符合法律規定。
排氣分析儀testo350可以快速而高度準確地記錄所有相關排氣參數。使用這些數據，工程師可以可靠檢查和控制設備的效率。
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