汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)測(cè)量不確定度的分析研究

華 敏， 李 平

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)測(cè)量不確定度的分析研究

華 敏1， 李 平2

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

由于各種因素的影響，汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)結(jié)果值存在一定的偏差。詳細(xì)分析了汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)測(cè)量不確定度的影響因素。以某發(fā)電廠330 MW機(jī)組汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)為例，建立了汽缸效率、熱耗率測(cè)量不確定度的評(píng)定流程，進(jìn)行了不確定度評(píng)定，具有一定的參考意義。

汽輪機(jī)；熱力性能試驗(yàn)；熱耗率；缸效；不確定度

0 引言

汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱熱試）一般分為考核試驗(yàn)和常規(guī)試驗(yàn)[1]?？己嗽囼?yàn)指的是對(duì)新投產(chǎn)機(jī)組、通流改造后機(jī)組等進(jìn)行的全面性熱力試驗(yàn)，對(duì)熱力系統(tǒng)嚴(yán)密性、測(cè)量參數(shù)及試驗(yàn)工況的穩(wěn)定性、測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)等都具有嚴(yán)格的要求，以此獲得最小的試驗(yàn)不確定度，相對(duì)應(yīng)地要付出較高的人力和物力成本。常規(guī)試驗(yàn)指的是機(jī)組A/B/C修前后試驗(yàn)、一般性技術(shù)改造前后的小型試驗(yàn)等，與考核試驗(yàn)相比，安裝的儀表較少，且對(duì)熱力系統(tǒng)的隔離要求相對(duì)較低，故試驗(yàn)不確定度就會(huì)增加。

目前，汽輪機(jī)熱試一般都采用熱工測(cè)量的方法[2]，現(xiàn)場(chǎng)安裝壓力變送器、熱電偶或熱電阻、功率計(jì)等儀表，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將壓力、溫度、電功率等信號(hào)自動(dòng)采集到終端，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算后轉(zhuǎn)換成熱力參數(shù)，最終得到汽輪機(jī)汽缸效率、熱耗率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。整個(gè)試驗(yàn)過程無論是系統(tǒng)還是測(cè)量參數(shù)值，常會(huì)出現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)存在偏差的情況，故需分析這些偏差對(duì)測(cè)量不確定度的影響。

考慮到汽輪機(jī)熱試涉及的測(cè)量參數(shù)太多，故只需要關(guān)注對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大的不確定度來源，測(cè)量不確定的來源必須根據(jù)實(shí)測(cè)情況進(jìn)行具體分析。

1 測(cè)量不確定度的分類

測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果可信性、有效性的懷疑或不肯定程度，是定量說明測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。

JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》將不確定度分為“A”類與“B”類[3]，僅為討論方便，并不意味著兩類評(píng)定之間存在本質(zhì)上的區(qū)別，只是針對(duì)不同的對(duì)象和方法。

A類不確定度是由一組觀測(cè)得到的頻率分布導(dǎo)出的概率密度函數(shù)得出。采用統(tǒng)計(jì)的方法。

B類不確定度則是基于對(duì)一個(gè)事件發(fā)生的信任程度。由非統(tǒng)計(jì)方法（測(cè)量一次或幾次），即根據(jù)資料或假設(shè)的概率分布估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差確定，包括：歷史測(cè)量數(shù)據(jù)；相關(guān)技術(shù)資料或儀器指標(biāo)；廠商提供的數(shù)據(jù)；某些資料給出的參考數(shù)據(jù)。

汽輪機(jī)熱試時(shí)通過軟件得到的測(cè)量值就可通過A類不確定度來分析。熱試所用的儀表不確定度可參考B類不確定度來分析。

2 汽輪機(jī)熱試測(cè)量不確定度分析

2.1 試驗(yàn)儀表對(duì)測(cè)量不確定度的影響

儀表的精度直接影響著測(cè)量的不確定度大小，目前試驗(yàn)單位現(xiàn)場(chǎng)安裝的儀表均為高精度等級(jí)的，且都已在試驗(yàn)前做第三方校驗(yàn)。處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，通過將儀表校驗(yàn)報(bào)告上的偏差修正到試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，就可大大降低儀表精度對(duì)試驗(yàn)不確定度的影響。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的測(cè)量參數(shù)需安裝雙重測(cè)點(diǎn)，如汽缸進(jìn)出口參數(shù)等。如現(xiàn)場(chǎng)有條件，除氧器和3號(hào)高加進(jìn)口溫度的測(cè)量宜安裝雙重測(cè)點(diǎn)。這樣既可以保證儀器的正確使用，也可作為檢查問題的手段，同時(shí)取2個(gè)儀表的平均值即可降低測(cè)量不確定度。

2.2 熱力系統(tǒng)嚴(yán)密性對(duì)測(cè)量不確定度的影響

試驗(yàn)前，須對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)做隔離，尤其要關(guān)注對(duì)系統(tǒng)嚴(yán)密性影響較大的閥門內(nèi)漏，如高/低壓旁路閥、高/低壓加熱器事故疏水閥等。

ASME PTC6試驗(yàn)規(guī)程要求：熱力系統(tǒng)不明泄漏量不應(yīng)超過滿負(fù)荷時(shí)主汽流量的0.1%[1]。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際熱試經(jīng)驗(yàn)，不明泄漏量很難控制在0.1%以內(nèi)，只要不大于0.3%即可。而熱力系統(tǒng)不明泄漏量對(duì)汽輪機(jī)熱耗率的影響是1∶1的關(guān)系，故在實(shí)際試驗(yàn)中應(yīng)盡可能做好系統(tǒng)內(nèi)漏檢查工作。

2.3 試驗(yàn)工況及測(cè)量參數(shù)的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量不確定度的影響

試驗(yàn)時(shí)，汽輪機(jī)參數(shù)一直在波動(dòng)，只要保持相對(duì)穩(wěn)定即可。為使試驗(yàn)結(jié)果修正量最小，應(yīng)盡量讓試驗(yàn)在規(guī)定參數(shù)或盡可能接近規(guī)定參數(shù)下運(yùn)行。如ASME PTC6規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)主汽壓允許偏差為絕對(duì)壓力的±3%，允許波動(dòng)值為絕對(duì)壓力的±0.25%。

每個(gè)試驗(yàn)工況開始前都需要有一段穩(wěn)定時(shí)間，試驗(yàn)過程中應(yīng)保持負(fù)荷的穩(wěn)定，要排除外界的干擾，包括電網(wǎng)調(diào)度和一次調(diào)頻、燃用煤種變化、凝汽器補(bǔ)水、啟停真空泵等影響。汽輪機(jī)閥點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，通過DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）對(duì)高調(diào)門信號(hào)強(qiáng)制，保持其開度不變。

若試驗(yàn)期間出現(xiàn)較大的負(fù)荷或參數(shù)波動(dòng)，則應(yīng)先把工況或參數(shù)調(diào)整到位，再延長(zhǎng)相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間。

3 汽輪機(jī)熱試測(cè)量不確定度評(píng)定步驟

汽輪機(jī)熱試時(shí)評(píng)定測(cè)量不確定度的步驟如下：

（1）找出對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大的測(cè)量不確定度的來源。

（2）建立滿足測(cè)量不確定度評(píng)定所需的數(shù)學(xué)模型，包括汽輪機(jī)熱耗率和汽缸效率。

（3）確定各主要測(cè)量參數(shù)的估計(jì)值以及對(duì)應(yīng)于各參數(shù)估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，包括A類評(píng)定和B類評(píng)定。

（4）確定對(duì)應(yīng)于各主要參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，列出不確定度分量匯總表。

（5）將各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量合成得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

（6）確定擴(kuò)展不確定度。

（7）給出測(cè)量不確定度報(bào)告。

以某330 MW機(jī)組汽輪機(jī)為例，型號(hào)為N330－16.67/538/538，THA（熱耗率驗(yàn)收工況）考核試驗(yàn)結(jié)果為：高、中壓缸效率分別為85.44%和92.07%，修正后熱耗率為7 991.71 kJ/kWh。汽缸效率和熱耗率不確定度評(píng)定流程如下。

4 汽輪機(jī)汽缸效率測(cè)量不確定度評(píng)定

通常汽缸效率分為高壓缸、中壓缸和低壓缸效率，考慮高、中壓缸效率值是實(shí)測(cè)得到的，而低壓缸效率是通過能量平衡計(jì)算得到，且計(jì)算過程中很多實(shí)測(cè)參數(shù)的誤差會(huì)最終傳遞到低壓缸效率計(jì)算值，故在此只考慮高壓缸效率和中壓缸效率。

下面以主蒸汽壓力（Pms）為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和不確定度分析，試驗(yàn)中布置了2個(gè)主蒸汽壓力測(cè)點(diǎn)Pms1和Pms2，計(jì)算時(shí)采用其平均值，即：Pms=（Pms1+Pms2）/2。

4.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量反映的是參數(shù)隨時(shí)間的變化引起的不確定度，該項(xiàng)不確定度分量用A類不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。

試驗(yàn)過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)1.5 h的測(cè)量，共記錄了181次（n=181）。

主蒸汽壓力1（Pms1）的平均值為：

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差：

平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

用同樣方法可計(jì)算Pms2的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

Pms的標(biāo)準(zhǔn)偏差合成：

對(duì)有限次數(shù)的測(cè)量，需用修正因子T進(jìn)行修正。對(duì)Pms來說，其自由度v為（其中m表示重復(fù)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量）：

當(dāng)包含因子k=2（置信概率p=95.45%），自由度v=360時(shí)，其修正因子T：

則主汽壓力測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA（Pms）為：

4.2 測(cè)量?jī)x表精度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

該項(xiàng)不確定度分量用B類不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。

主蒸汽壓力的測(cè)量?jī)x表為2臺(tái)壓力變送器，精度為0.075%，其區(qū)間半寬a為：

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

2個(gè)不確定度分量 uA（Pms）和uB（Pms）相互獨(dú)立，因此總的不確定度可以采用方和根方法合成：

其相對(duì)合成不確定度u′（Pms）：

4.4 測(cè)量參數(shù)誤差對(duì)汽缸效率影響的計(jì)算

選取對(duì)汽輪機(jī)汽缸效率相關(guān)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行誤差計(jì)算，以主蒸汽壓力為列計(jì)算。

THA工況下，實(shí)測(cè)主蒸汽壓力Pms=16.827 MPa，高壓缸效率為ηg=85.44%；當(dāng)Pms增加+1%時(shí)，通過計(jì)算，得到高壓缸效率ηg=84.63%；當(dāng)Pms增加－1%時(shí)，高壓缸效率ηg=86.26%。

由此可知主蒸汽壓力變化1%，對(duì)高壓缸效率ηg的影響系數(shù)為0.955%。

4.5 汽缸效率測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果

THA工況時(shí)高壓缸和中壓缸效率的不確定度計(jì)算匯總見表1和表2。

表1 THA工況高壓缸效率不確定度計(jì)算

表2 THA工況中壓缸效率不確定度計(jì)算

取包含因子k=2，高壓缸效率擴(kuò)展不確定度：

中壓缸效率擴(kuò)展不確定度：

檢測(cè)結(jié)果：THA工況下，

5 汽輪機(jī)熱耗率測(cè)量不確定度評(píng)定

5.1 測(cè)量參數(shù)及其不確定度

汽輪機(jī)熱試布置了八十多個(gè)壓力和溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量，考慮到參數(shù)過多，故選取其中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的參數(shù)來進(jìn)行汽輪機(jī)熱耗率不確定度的計(jì)算。選取的參數(shù)如下：主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、高壓缸排汽壓力、高壓缸排汽溫度、再熱蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、低壓缸排汽壓力、最終給水溫度、主凝結(jié)水流量、系統(tǒng)隔離、機(jī)組出力。

上述各參數(shù)的測(cè)量不確定度計(jì)算方法見第4節(jié)所述。

5.2 測(cè)量參數(shù)誤差對(duì)汽輪機(jī)熱耗率影響的計(jì)算

選取對(duì)汽輪機(jī)熱耗率影響較大的測(cè)量參數(shù)誤差進(jìn)行計(jì)算。以主蒸汽壓力為例進(jìn)行計(jì)算。

THA工況下，實(shí)測(cè)主蒸汽壓力Pms=16.827 MPa，汽輪機(jī)熱耗率HR=7 991.71 kJ/kWh；當(dāng)Pms增加+1%時(shí)，通過計(jì)算，得到汽輪機(jī)熱耗率HR= 7 991.61 kJ/kWh；當(dāng)Pms增加-1%時(shí)，得到汽輪機(jī)熱耗率HR=7 991.80 kJ/kWh。

由此可知主蒸汽壓力Pms變化1%，對(duì)汽輪機(jī)熱耗率HR的影響系數(shù)為0.001 2%。

5.3 汽輪機(jī)熱耗率測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果

THA工況時(shí)汽輪機(jī)熱耗率測(cè)量的不確定度計(jì)算匯總見表3。

取包含因子k=2，汽輪機(jī)熱耗擴(kuò)展不確定度U（HR）=k×u（HR）=2×0.353 4%=0.706 8%。

檢測(cè)結(jié)果：THA工況下，汽輪機(jī)熱耗率HR=（7 991.71±56.48）kJ/kWh，k=2。

表3 THA工況汽輪機(jī)熱耗率測(cè)量不確定度計(jì)算

5.4 測(cè)量不確定度分析

由表3可知，試驗(yàn)熱耗率不確定度為0.353%，而ASME PTC6的要求為0.25%，分析可知對(duì)熱耗率不確定度影響最大的是機(jī)組出力的測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組出力測(cè)量是在發(fā)電機(jī)輸出端TV、TA回路上配接三相數(shù)字式功率計(jì)直接測(cè)量。功率計(jì)精度等級(jí)為0.1級(jí)、TV和TA精度均為0.2級(jí)，是試驗(yàn)時(shí)不確定度的最大影響因素。

隨機(jī)誤差，即A類不確定度對(duì)熱耗率測(cè)量不確定度的最終結(jié)果影響較小，反映了試驗(yàn)過程中對(duì)工況和參數(shù)的穩(wěn)定性把控較好。

6 結(jié)語

以某300 MW機(jī)組為例，分析了汽輪機(jī)缸效和熱耗率測(cè)量不確定度的評(píng)定過程，汽輪機(jī)熱試測(cè)量不確定度的影響因素，以及試驗(yàn)過程中為降低不確定度的注意事項(xiàng)。其中熱耗率測(cè)量不確定為0.353%，高于ASME PTC6規(guī)定的0.25%，主要原因在于TV與TA的精度對(duì)其影響最大。

汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)中測(cè)量不確定度評(píng)定是試驗(yàn)報(bào)告的有效補(bǔ)充，有助于增加試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果的可信度。

[1]ASME PTC-2004.Steam Turbines Performance Test Codes [S].New York∶The American Society of Mechanical Engineers，2005.

[2]梁海雷，苗志強(qiáng).汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)中不確定度的分析計(jì)算[J].電站系統(tǒng)工程，30（1）∶4-6.

[3]中國(guó)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

原標(biāo)題：汽輪機(jī)熱試測(cè)量不確定度分析研究

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Research on Measurement Uncertainty of Thermal Performance Test on Steam Turbine

HUA Min1，LI Ping2
（1.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China；2.Zhejiang Provincial Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to various influencing factors，the values of thermal performance test on steam turbine are slightly different.The paper analyzes factors that influence measurement uncertainty of thermal performance test on steam turbine.Taking thermal performance test on 330 MW steam turbine as an example，the paper establishes an evaluation process for measurement uncertainty of cylinder efficiency and heat rate and evaluates the uncertainty，which can be used as reference.

steam turbine；thermal performance test；heat rate；cylinder efficiency；uncertainty

TK267

B

1007-1881（2015）11-0020-04

2015-09-17

華 敏（1986），男，工程師，主要從事發(fā)電廠汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)及能耗診斷工作。