基于ASME PTC46的聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能試驗研究

富學斌，府東明，劉子烈，楊志行，許志銘

(黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030)

0 引言

ASME PTC 46－1996是美國機械工程師協(xié)會編寫的全廠性能試驗規(guī)程［1］，是聯(lián)合循環(huán)機組性能試驗經(jīng)常采用的國際標準。依據(jù)該該標準，業(yè)主往往要求總承包商進行機組性能考核試驗，驗證機組的整體性能。由于每個主設備是由不同廠家來供貨的，只能提供單獨設備性能試驗所用的修正曲線，但實際上燃機出力和效率的變化將會影響到余熱鍋爐和汽輪機組的出力和效率，需要1套完整的全廠性能試驗修正曲線，用來修正參數(shù)變化時全廠的凈出力和凈熱耗率。因此，本文用ASME PTC 46標準進行了206B燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的性能試驗，重點闡述試驗的邊界劃定、結果計算與修正方面的特殊性，并分析了聯(lián)合循環(huán)機組性能試驗的一些技術要點。

1 保證值與基準條件

合同規(guī)定性能試驗條件RSC(Reference Site Condition)，即現(xiàn)場參考條件:大氣溫度為38℃，大氣壓力為96.6 kPa，濕度為38%，燃料為LDO(柴油)，功率因數(shù)為0.8，頻率為50Hz。

整個聯(lián)合循環(huán)機組由2臺燃機(PG6551B)、2臺余熱鍋爐及1臺蒸汽輪機組成，其中，燃氣輪機額定功率(發(fā)電機)為30 575 kW，余熱鍋爐最大連續(xù)出力為59.4 t/h，出口蒸汽壓力為6.9 MPa(g)，出口蒸汽溫度為468+－510℃，給水溫度為104℃;蒸汽輪機主蒸汽壓力為 6.7 MPa，主蒸汽溫度為465℃，排汽壓力為 0.010 3 MPa，主蒸汽流量為118.8 t/h，額定功率(發(fā)電機)為31 067 kW。整個聯(lián)合循環(huán)機組的凈輸出保證值(主變壓器的高壓側(cè))為87.92 MW，凈熱耗率保證值為8 408.2 kJ/kW·h。

2 試驗方法與過程

圖1 聯(lián)合循環(huán)熱力性能試驗測點布置及邊界范圍

2.1 試驗測點及邊界范圍

按照ASME PTC 46－1996、供貨范圍以及合同條款規(guī)定不同，試驗邊界范圍也不相同。例如功率輸出以發(fā)電機出口作為邊界，或以主變高壓側(cè)作為邊界。汽輪機的邊界有很多種:若凝汽器和水塔都包含在試驗范圍內(nèi)，則以環(huán)境溫度作為基準;若水塔不在范圍內(nèi)，凝汽器在范圍內(nèi)，則以循環(huán)水溫度作為基準;若水塔和凝汽器都不在范圍內(nèi)，則以汽輪機的排汽壓力作為基準。由此可見，不同的邊界范圍，試驗測點的選取是不一樣的，本文試驗是以主變高壓側(cè)作為功率的邊界，以排汽壓力作為汽輪機的邊界。圖1為該聯(lián)合循環(huán)機組性能試驗的測點布置及邊界范圍(圖中虛線所示)。

試驗所用儀表均按照ASME PTC 46－1996的要求，分別用0.1%級的絕對壓力變送器、Pt100熱電阻、0.05%級功率表、機械通風式干濕球溫度計、RHEONIK質(zhì)量流量計(0.15%)測量壓力、溫度、功率、濕度、燃油流量，燃料送到當?shù)赜匈Y質(zhì)的單位進行化驗。所有儀表在試驗前均送到法定計量部門進行校驗。

2.2 試驗過程

試驗在機組試運結束后進行，試驗前先進行一些準備工作，主要包括測量儀表的安裝，2臺燃機的水洗，燃機、余熱鍋爐、汽輪機運行狀態(tài)檢查及預備性試驗等，其主要目的是確認試驗條件滿足程序要求，并使試驗人員熟悉試驗程序。為了與設計工況接近，對系統(tǒng)進行了必要的隔離，主要包括余熱鍋爐停止排污、吹灰，關閉系統(tǒng)所有放汽、放水閥門，考核試驗在燃機基本負荷進行。機組各主要參數(shù)要調(diào)整至設計值，并保持穩(wěn)定1 h后開始試驗。參數(shù)波動的允許偏差如表1所示。所有為此試驗加裝的臨時儀表均接入專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，試驗每個工況的周期定為1 h，采樣頻率如表2所示。試驗開始條件和試驗結束數(shù)據(jù)均由業(yè)主、供貨商、監(jiān)理方、試驗方共同簽字確認。

表1 性能試驗參數(shù)允許偏差

表2 性能試驗參數(shù)采樣間隔

3 試驗結果計算

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將記錄每個工況的試驗原始數(shù)據(jù)存入計算機，經(jīng)過平均值計算以及儀表校驗值、零位、水位高差、大氣壓力等修正;同一參數(shù)多重測點測量時，取算術平均值。

試驗工況機組功率的凈輸出為

式中Pgnet1、Pgnet2、Pst分別為主變高壓側(cè)實測的1號燃氣輪機、2號燃氣輪機、汽輪機的功率凈輸出，kW。

機組消耗的熱量為

式中:GLDO1、GLDO2為實測的1號、2號燃機進口燃料流量，kg/h;HLDO為化驗得出的燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

則機組實測的凈熱耗率為

4 試驗結果的修正

由于實際試驗過程中各種參數(shù)、條件與設計值存在一定的偏差，因此需要將實測試驗結果修正到設計狀態(tài)。主要的修正項目有環(huán)境大氣壓力、溫度、濕度、燃氣輪機運行時間、汽輪機排汽壓力、功率因數(shù)、燃料熱值等。

修正項目可分為二類:一類修正項目為簡單修正系數(shù)，如功率因數(shù)、汽輪機排汽壓力等。這類修正系數(shù)只對單一設備的性能產(chǎn)生影響，例如燃機的功率因數(shù)偏離設計值，只對燃機本身的凈功率輸出和熱耗率產(chǎn)生影響，不會影響余熱鍋爐和汽輪機的性能，采用廠家提供的修正曲線進行修正即可。另一類修正項目為復合修正系數(shù)，如環(huán)境大氣壓力、溫度、濕度等，這類參數(shù)直接影響燃氣輪機的凈輸出，同時燃機的排氣溫度、排氣流量等參數(shù)發(fā)生變化，導致余熱鍋爐的性能受到影響，影響了汽輪機的出力和熱耗率，因此整個機組的修正不能用燃機廠家提供的修正曲線。以燃機進口空氣溫度為例，該溫度偏離設計值對燃機性能影響的修正曲線如圖2所示。實際計算時不能簡單應用此曲線，根據(jù)該曲線、余熱鍋爐廠家提供的燃機排氣流量、排氣溫度對鍋爐性能影響曲線、汽輪機廠家提供的主蒸汽參數(shù)變化對汽輪機性能影響修正曲線做出綜合計算，計算過程如表3所示。根據(jù)表3的計算結果得出燃機進口空氣溫度對機組凈輸出和凈熱耗率的修正曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，經(jīng)過計算得到的修正曲線可以用來對機組凈輸出和凈熱耗率修正。

同樣采取上述方法得到其它修正系數(shù)，最終修正后的機組的凈輸出為

最終修正后的機組凈熱耗率為

式(4)、式(5)中各修正系數(shù)含義如表4所示。經(jīng)上述修正計算，整個聯(lián)合循環(huán)機組的凈輸出功率為89.43 MW，優(yōu)于保證值87.92 MW;凈熱耗率為7 794.77 kJ/kW·h，優(yōu)于保證值8 408.2 kJ/kW·h。

表3 進口空氣溫度對機組性能的修正計算

表4 機組性能的修正系數(shù)匯總表

5 性能試驗的注意事項

1)用ASME PTC 46－1996進行聯(lián)合循環(huán)機組的性能試驗時，需要準確劃定試驗邊界，這對試驗測點布置、試驗結果的計算、各方責任的劃分至關重要。

2)根據(jù)劃定的試驗邊界選取試驗測點，測點的安裝位置對測量結果影響較大，對流場不均勻的位置應布置多重測點取平均值。

3)對試驗結果進行修正的時，不能簡單應用廠家提供的修正曲線，需要經(jīng)過計算得出每個參數(shù)對整個機組性能的修正曲線，才能對機組的凈出力和凈熱耗率進行修正計算。

4)由于修正計算相對復雜，試驗時盡可能保證機組參數(shù)接近設計值，使修正量減小，從而降低試驗的不確定度［2］。尤其是燃機運行小時數(shù)的修正，試驗應該在機組試運結束后開始，以減少燃機的運行小時數(shù)修正帶來的不必要的誤差。

5)聯(lián)合循環(huán)性能試驗確定了凈出力和凈熱耗率，機組的廠用電對試驗的結果影響較大。因此，試驗前應在試驗程序中明確運行的輔機、附屬用電設備的數(shù)量以及運行狀態(tài)，編制檢查清單，試驗前有關各方共同檢查確認。如果有輔機或附屬設備與原定運行狀態(tài)不同，就應進行相應的修正。

6)對試驗的熱力系統(tǒng)應進行嚴格的隔離，保證沒有無關的工質(zhì)和熱量進出系統(tǒng)，例如鍋爐的排污、系統(tǒng)的排汽等。對于確實無法消除的缺陷，試驗前各方應討論確定修正方法。

7)聯(lián)合循環(huán)機組的性能試驗結果涉及到商務索賠內(nèi)容，因此試驗每個步驟，包括試驗程序的討論、試驗儀表的檢定與安裝、試驗開始條件的確認、燃料采樣的封存與化驗、試驗過程和試驗數(shù)據(jù)的確認等，都應該由有關各方共同簽字確認，分清責任。

6 結論

上述聯(lián)合循環(huán)性能試驗計算結果和修正過程表明，在正確劃定燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的性能試驗邊界條件、準確采集試驗數(shù)據(jù)、合理使用修正曲線的情況下，采用ASME PTC 46－1996進行聯(lián)合循環(huán)機組的性能試驗，具有試驗簡捷、結論準確的特點。

［1］焦樹建．淺論聯(lián)合循環(huán)熱力性能的驗收試驗［J］．燃氣輪機技術，2004，17(1):1 －14．

［2］張敏，天罡，薛永鋒．燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能驗收試驗計算方法［J］．東北電力技術，2008(12):1－5．

［3］任其智．燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站熱力性能試驗方法探討［J］．熱力發(fā)電，2001(3):2－5．

［4］閻保康，宋志剛．大型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能試驗研究［J］．華東電力，2003(9):74－76．