國際EPC 機組凈熱耗率指標違約預警性判斷

曠仲和

(中廣核工程有限公司，深圳 515124)

隨著改革開放的深入，參加國際工程總承包(簡稱EPC)火電項目投標的企業(yè)日益增多。但一些企業(yè)由于不能完成合同預約的凈熱耗率、凈功率指標，遭受到嚴重的違約罰款。究其原因，發(fā)現(xiàn)有關項目在投標、合同談判過程中對于凈熱耗率與相關技術經濟指標及熱力參數(shù)之間的關系，以及對于預期的凈熱耗率指標的判斷分析，缺乏正確把握，以致簽署了不利的EPC 合同凈熱耗率預約條款。

本文提出國際EPC 火電機組凈熱耗率指標預警性判斷，用數(shù)學解析方法說明凈熱耗率預警性判斷值與有關經濟小指標以及熱力參數(shù)之間的內在關系。應用這種判斷法，為爭取簽訂可達到的凈熱耗率值指明了具體的方法。本文旨在針對上述情況，提出在參加國際EPC 談判中掌握凈熱耗率指標的分析以及可控的基本方法，這對于降低違約罰款風險，具有實際意義。

1 凈熱耗率違約預警性判斷

1.1 凈熱耗率指標違約預警性判斷式

根據(jù)文獻［1－3］，凈熱耗率按以下公式計算:

根據(jù)文獻［4］，考核試驗測量的凈熱耗率為:

式(1)和式(2)中:Qz為設計參數(shù)下的燃料發(fā)熱量，kcal/h;Nz為設計參數(shù)下的供電功率，kW;K為試驗不確定度對熱耗率的修正系數(shù)。

按照合同規(guī)定的考核試驗標準，應該遵循公式(2)的計算方法。公式(2)可以改寫為:

式(1)～(3)中:Qo為鍋爐吸取的熱量，Qo=Qz× ηb× ηg，kcal/h;Nz為供電功率，Nz=Nf－Nc;Nf為發(fā)電機輸出功率;Nc為廠用電消耗的功率，kW;qf為汽機熱耗率，qf=，kcal/kW·h ;Noi為汽機內功率，kW;ηoi為汽機內效率，%;ηm為汽機機械效率，%;ηd為發(fā)電機效率，%;ηl為廠用電率，ηl=(Nf－ Nz)/Nf，%;ηb為鍋爐效率，%;ηg為管道效率，%;為合同簽約的凈熱耗率值，kcal/kW·h。

公式(3)是凈熱耗率違約預警性判斷式。

1.2 熱力參數(shù)變化對汽機熱耗率的影響判斷分析

1.2.1 熱力參數(shù)變化對汽機熱耗率的影響計算

根據(jù)文獻［1－3］，參數(shù)變化將引起汽機熱耗率的變化。引起的熱耗率變化率為:

式中:ΔTks為排汽溫度偏離設計排汽溫度的偏差值;ΔTks=為設計排汽溫度;為變化后的排汽溫度，K;ΔTom為由于參數(shù)變化引起平均吸熱溫度偏離設計平均吸熱溫度的偏差值;ΔTks=－Tks，Tom為設計平均吸熱溫度，為參數(shù)變化后的平均吸熱溫度，K;Tom=Q/Δs;Q 為鍋爐單位公斤蒸汽吸取的熱量，kcal/kg，按下式計算:

式中:i0為主蒸汽焓，由主蒸汽溫度t0與主蒸汽壓力Po確定;ig為給水焓，由給水溫度tg與給水壓力Pg確定;ir為再熱蒸汽焓，由再熱蒸汽溫度tr與壓力Pr確定;ih為高壓缸排汽的焓，由高壓缸的排汽溫度th與壓力Ph確定(上述單位參數(shù)均為kcal/kg);ar為再熱蒸汽的流量占主蒸汽流量的份額，%;Δs 為參數(shù)變化后引起的熵的變化量，按下式計算:

式中:s0為主汽熵，由主汽溫度t0與壓力P0確定;sg為給水熵，由給水溫度tg與壓力Pg確定;sr為再熱汽熵，由再熱汽溫度tr與壓力Pr確定;sh為高壓汽缸排汽熵，由高壓汽缸排汽溫度th與壓力Pks確定。上述各項參數(shù)的單位均為kcal/kg·K。為汽機相對內效率變化率，%，按下式計算:

式中:ηoi、為參數(shù)變化前后的汽機相對內效率，%。當機組容量確定時，與汽機熱力參數(shù)有關，由文獻［3］中與熱力參數(shù)之間的關系曲線圖確定。

式(4)中的各項實際上都分別是汽機各個性能參數(shù)(P0、t0、tr、tg、Tks或Pks)等的函數(shù)，那么，式(4)實際上可以轉換為:

上式表明幾個參數(shù)同時變化，引起的熱耗率變化，是各個參數(shù)單獨變化引起的熱耗率變化的代數(shù)和。根據(jù)式(4)～(7)表述的內容和過程就能夠計算出式(8)中的各項。

1.2.2 熱力參數(shù)變化對發(fā)電機功率影響計算

參數(shù)變化會引起汽機熱耗率相應變化，同時還會引起發(fā)電機功率相應變化:

上式表明:幾個參數(shù)同時變化引起的功率變化是各個參數(shù)單獨變化引起的功率變化的代數(shù)和。根據(jù)式(3)及式(7)表述的內容和過程就能夠計算出式(10)中的各項。

很多國際EPC 工程對于汽機終端參數(shù)要求按冷卻水溫度考核。在此情況下，根據(jù)文獻［5］，可以確定冷卻水溫度與汽機排汽溫度之間的函數(shù)關系。其表達式為:

式中:Qp為汽機排汽熱量，熱平衡圖上查取，J/S;A 為凝汽器管束表面面積，在變工況試算前預先確定，m2;K 為總傳熱系數(shù)，根據(jù)冷卻水溫度、設計流速、凝汽器管子材料以及尺寸等確定，W/m2.℃;t2為凝汽器冷卻水出口溫度，℃;t1為凝汽器冷卻水進口溫度，℃;tn為汽機排汽壓力對應的飽和溫度，當該式中的各項預先確定試算時，tn即可求知，℃;當tn求取后，然后根據(jù)查水蒸氣表，確定tn相對應的飽和壓力(背壓)Pks。

1.2.3 修正到額定功率工況下汽機熱耗率的計算

參數(shù)變動引起熱耗率與功率同時變動后，此時熱耗率值q1(如圖1 所示的狀態(tài)點1)相對額定功率工況、變動參數(shù)下對應的值q4(如圖1 所示的狀態(tài)點4)發(fā)生偏移，因此，需要獲得參數(shù)變動下修正到額定功率工況的熱耗率值q4。由于參數(shù)變動下熱耗率與功率關系曲線還沒有建立，熱耗率值q4可以通過下述修正方法得到。其修正原理是假定設計參數(shù)與變動參數(shù)下熱耗率與發(fā)電機端功率之間關系曲線的斜率相等，其修正方法與步驟是:

1)根據(jù)已知的設計參數(shù)下汽機熱耗率與發(fā)電機端功率之間的關系數(shù)據(jù)(或曲線)，按文獻［9］所述數(shù)學最小二乘法擬合二次方程式:

2)對上式求一階導數(shù)，則求得該曲線的斜率:

以增量來代替上式，則有:

3)把變動參數(shù)下引起功率偏移的熱耗率q1修正到變動參數(shù)、額定功率對應的熱耗率，則為:

圖1 修正到變動參數(shù)、額定功率下所對應的熱耗率示意圖

2 凈熱耗率預警性判斷案例分析

2.1 EPC 招標技術參數(shù)

案例項目SLYN 電廠的招標機組形式為循環(huán)流化床鍋爐亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、八級給水加熱回熱凝汽式。發(fā)電機額定輸出功率為310 000 kW;主汽門前汽壓不低于17.5 MPa，主汽溫度不低于540 ℃;再熱蒸汽溫度不低于540 ℃;凝汽器冷卻水溫度為26 ℃;汽機背壓以及給水溫度投標方確定。給水采用3 ×50%電動給水泵。

2.2 凈熱耗率指標及違約罰款條款

機組保證凈功率為280 000 kW，凈耗熱率為2 380 kcal/kW·h，考核試驗標準參考文獻［1］。凈熱耗率(低位發(fā)熱量)違約罰款條款是:相對保證值每增加1 kcal/kW·h，罰款200 000 美元。增加值超過擔保值的2.5%，每增加1 kcal/kW·h，罰款3 倍。凈功率違約罰款條款是:相對保證值每降低1 kW，罰款4 500 美元/kW;降低值超過擔保值的2.5%，每降低1 kW，罰款3 倍。

2.3 與招標方談判結果

2.3.1 投標方提出的相關差異

1)投標方提出把主汽溫度由540 ℃降為538 ℃。招標方同意，但考核指標維持不變。

2)投標方提出由招標書的26 ℃改為26.5 ℃;招標方同意，但考核指標維持不變。

其它性能參數(shù)及考核指標投標方沒有提出異議。

2.3.2 簽下EPC 凈熱耗率及凈功率的考核指標

在平均大氣溫度23.2 ℃、大氣壓力0.101 3 MPa、相對濕度81%、凝汽器器冷卻水溫度26.5 ℃下:單臺機組保證凈功率為280 000 kW，保證凈熱耗率(低位熱值)為2 380 kcal/kW·h，不考慮考核試驗測量不確定度的修正。

2.4 與三大主機分包商的談判結果

(1)與汽機廠簽訂的發(fā)電機端功率為310 000 kW，汽機熱耗率為1 881.96 kcal/kW·h，汽機內效率為89.23%，給水溫度為267.7℃;(2)與凝汽器廠家簽訂的冷卻水溫度是26.5℃，其背壓為6.2 kPa;(3)與鍋爐廠家簽訂的額定工況鍋爐效率是90%(低位熱值);(4)與發(fā)電機廠家簽訂的發(fā)電機效率為98.8%。其它的熱力參數(shù)與EPC要求的參數(shù)一致。

2.5 原始基本資料及數(shù)據(jù)

除上述數(shù)據(jù)外，還知道在設計工況下:Do=916.17 t/h，Po=16.7 MPa，to=538 ℃，io=3 398.62 kJ/kg，so=6.415 1 kJ/kg·K，Dr=756.75 t/h，Pr=2.96 MPa，tr=538 ℃，ir=3 542.92 kJ/kg，sr=7.35 kJ/kg·K，Ph=3.286 MPa，th=312 ℃，ih=3 016.24 kJ/kg，sh=6.54 kJ/kg·K，Pg=20 MPa，tg=267.7 ℃，ig=1 170.83 kJ/kg，sg=2.915 5 kJ/kg·K，Pks=6.2 kPa，tks=36.76 ℃，ar=0.826，高壓汽缸效率為83.75%，中壓汽缸效率為92.1%，低壓汽缸效率為86.92%。

2.6 凈熱耗率、凈功率違約判斷及其解決措施

2.6.1 凈熱耗率是否違約的判斷

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，算出廠用電率估算值9.677%;EPC 談判中對管道效率沒有約定，按照文獻［3］的規(guī)定取值為98%;汽機內效率為89.23%;機械效率在EPC 合同中沒有約定，按照文獻［3］，一般取99%;發(fā)電機效率擔保值為98.8%;式(3)中的K 值，根據(jù)文獻［1］，最大取1.015。本案例取1.01，將已知相關的數(shù)據(jù)代入式(3)得凈熱耗率預警值qz=2 386 kcal/kW·h。根據(jù)式(3)計算結果分析:該預警性判斷值比考核指標高6 kcal/kW·h，凈熱耗率違約將罰款6 ×200 000=1200 000 美元。在凈熱耗率升高后，在保持發(fā)電功率、鍋爐效率、管道效率不變的情況下，根據(jù)式(3)分析，相對合同簽訂的熱耗率2 380 kcal/kW·h 工況而言，會引起廠用電升高，在發(fā)電功率不變的情況下，將引起凈功率的降低。將上述相關數(shù)據(jù)代入式(3)，預警的凈功率為279 294.75 kW，凈功率下降了637 kW，凈功率違約將罰款637 ×4500=2 866 500美元。這說明簽訂的凈熱耗與凈功率指標已經存在一定的違約風險。

2.6.2 凈熱耗率違約因素分析及其解決措施

2.6.2.1 采用輔機調速裝置降低廠用電率

根據(jù)式(3)分析，凈功率下降，在其他參數(shù)不變的情況下，廠用電的增加是引起凈功率下降的原因。由此可見，降低廠用電是降低凈熱耗率違約風險的措施之一。降低廠用電率的措施是:首先是盡可能采用高效輔機;其次是對輔機配置調速節(jié)能裝置。根據(jù)文獻［6－7］可知，輔機采用調速裝置能夠有效降低廠用電率。對于本案例而言，這些風機沒有考慮采用調速裝置。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如果采用變頻器調速，廠用電率將由0.096 77 下降到0.091 07，下降了0.005 7。將降低后的廠用電率代入式(3)計算，由此引起凈熱耗率由2 386 kcal/kW·h 下降到2 371.03 kcal/kW·h，下降了14.97 kcal/kW·h，使凈功率增加了1 596 kW。但由于需采用變頻電機以及增加變頻器裝置(包括控制室等土建工程及附屬設備)，費用約增加1 825 641 美元。因此，具體采用哪一種調速方式，需要進行技術經濟對比分析確定。就本案例而言，由于采用以下措施可以更容易降低凈熱耗率，因此本案例不采用風機變頻措施來降低凈熱耗率。

2.6.2.2 主汽溫度對熱耗率的影響判斷及其措施

1)基本判斷:如果主蒸汽采用招標書的540 ℃，那么把有關數(shù)據(jù)代入式(3)～(14)計算得出:汽機熱耗率將由538 ℃時的1 881.98 kcal/kW·h降低到1 881.06 kcal/kW·h，降低了0.92 kcal/kW·h。

2)對汽機以及鍋爐主要部件材料的影響判斷:材料的選用主要考慮材料溫度適用性能是否滿足案例的蒸汽溫度。為此需要對案例主要設備的材料進行分析。分析情況見表1。

表1 汽機廠和鍋爐廠主要材料溫度性能與本案例的使用溫度(見參考文獻［8］中的材料性能)

根據(jù)表1 分析，案例的材料使用溫度提高了2 ℃，在材料性能允許范圍內。實際上，已經有很多亞臨界機組的主汽溫度采用540 ℃，這種機型參數(shù)是標準參數(shù)，其應用的材料也與上表中的材料等同，不會由于主汽溫度提高2 ℃而需要改變材質以及增加費用。

3)主汽溫度選擇的綜合判斷:在合同談判中投標方把招標書要求的汽機主蒸汽溫度由540 ℃降低到538 ℃，這樣會使熱耗率增加。在已定材料性能允許的情況下，盡可能提高主汽溫度，是降低凈熱耗率違約風險的措施之一。

2.6.2.3 再熱溫度對熱耗率的影響及其措施

招標書要求再熱溫度不低于538 ℃。如果在投標談判中，投標方將此溫度定為540 ℃，也完全符合招標書要求。在提高2 ℃后，鍋爐與汽機的材料如上述主汽溫度對熱耗率的影響分析相同。在再熱溫度538 ℃升高到540 ℃的情況下，把上述有關數(shù)據(jù)代入式(3)～(14)計算得出:汽機熱耗率由1 881.98 kcal/kW·h 下降到1 880.29 kcal/kW·h，下降了0.77 kcal/kW·h。由此可見，在材料允許情況下，降低再熱溫度，會使熱耗率增加。因此，在招標書規(guī)定的材料性能允許情況下，盡可能提高再熱蒸汽溫度是降低凈熱耗率違約風險的措施之一

2.6.2.4 冷卻水溫度對熱耗的影響及其措施

招標書給出的冷卻水溫度為26 ℃。投標方提出要求改為26.5 ℃。根據(jù)式(11)計算得出，在冷卻水溫度為26 ℃時，冷卻水溫度每升高0.5 ℃，排汽壓力則升高0.2 kPa。把相關數(shù)據(jù)代入式(3)～(14)計算得出:熱耗率由1 881.98 kcal/kW·h升高到1 885.316 kcal/kW·h，升高了3.336 kcal/kW·h。由此可見，把設計冷卻水溫度提高到比招標書的要求還高，這樣會使熱耗率增加。對于EPC 整個項目性能的考核而言，冷卻水溫度不僅是一個設計參數(shù)，而且是性能試驗考核的修正參數(shù)。所以，在技術談判中，在符合招標書的要求下，盡量選用較低的冷卻水溫度是降低凈熱耗率違約風險的措施之一。

2.6.2.5 給水溫度對熱耗率的影響及其措施

EPC 招標書對于給水溫度的要求是由投標方確定的。在后續(xù)與汽機廠簽訂的協(xié)議中，給水溫度定為267.7 ℃。根據(jù)文獻［3］，對于回熱級數(shù)為8 級的亞臨界機組，考慮鍋爐造價、鍋爐效率、高壓加熱器造價等綜合技術經濟對比因素，推薦的給水溫度是275 ℃，此時能取得最佳的給水循環(huán)熱效率。如果把給水溫度267.7 ℃提高到275 ℃，把相關數(shù)據(jù)代入式(3)～(14)式計算得出:熱耗率由1 881.98 kJ/kW·h 降低到1 878.62 kcal/kW·h，降低了3.36 kkcal/kW·h。由此判斷:采用較低的給水溫度，這樣會使熱耗率增加。因此，在符合招標書的原則要求下，通過技術經濟對比，盡可能采用最佳給水溫度，是降低凈熱耗率違約風險的措施之一。

2.7 改進措施后違約風險的綜合判斷

根據(jù)式(3)分析:在充分考慮機組參數(shù)、技術條件特性、輔助系統(tǒng)配置特點的前提下，通過技術經濟對比，盡可能采用較低的汽機熱耗率、較低的廠用電率、較高的汽機相對內效率、較高的機械效率、較高的發(fā)電機效率、較高的管道效率、較高的鍋爐效率，都有利于降低凈熱耗率，使其盡可能低于簽約值。如果上述指標已經不能調整到最佳值，那么，通過對輔機采用調速裝置來降低廠用電率，以及在符合招標書的原則要求的情況下，通過技術經濟對比，盡可能采取較高的主蒸汽溫度、較高的再熱蒸汽溫度、較高的給水溫度、較低的冷卻水溫等，凈熱耗率的預警值就有進一步降低的空間。其綜合判斷見表2。

表2 凈熱耗率以及凈功率違約罰款預警性判斷的計算結果

表2 說明采用預警性判斷法分析:本案例熱耗率違約為6 kcal/kW·h，凈功率違約637 kW，兩項違約罰款共計4 066 500 美元。采用參數(shù)優(yōu)化改進措施后，除化解了違約風險帶來的罰款以外，還為進一步降低凈熱耗率留有0.100 25%的裕度，為增加凈功率留有0.319 6%的裕度。

3 結論

1)對于國際EPC 項目凈熱耗率指標的談判，由于違約罰款數(shù)額巨大，合同執(zhí)行力度嚴厲，因此，對各個相關技術指標、參數(shù)和凈熱耗率之間的關系進行預警性判斷，至關重要。

2)本文建立的凈熱耗率預警性判斷法，其特點是:

①考慮了試驗不確定度對凈熱耗率的影響，這對于預防違約風險發(fā)生，留有適當?shù)脑６取?/p>

②關于各個熱力參數(shù)對熱耗率以及功率的影響，采用本文創(chuàng)立的解析方法，概念清晰，數(shù)據(jù)計算準確。在計算機技術發(fā)展的今天，這些計算沒有難度。

3)應用該預警性判斷法，可以有效地預先判斷凈熱耗率以及凈功率的合同值是否違約，同時也為EPC 項目降低凈熱耗率違約風險，提供了可操作的判斷依據(jù)以及參數(shù)調整的改進措施。

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