淺析分布式能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的性能考核試驗(yàn)方法

馬洪濤，阮慧鋒，童　航

（華電電力科學(xué)研究院國(guó)家分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030）

淺析分布式能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的性能考核試驗(yàn)方法

馬洪濤，阮慧鋒，童航

（華電電力科學(xué)研究院國(guó)家分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030）

燃?xì)廨啓C(jī)作為天然氣分布式能源系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，其性能的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，如何有效的組織性能試驗(yàn)顯得尤為重要。本文參照ASME標(biāo)準(zhǔn)，就燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)儀表以及試驗(yàn)計(jì)算等內(nèi)容進(jìn)行概述，同時(shí)提出了一種新型的天然氣取樣裝置，并在某典型示范項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了很好的應(yīng)用，供同行在燃?xì)廨啓C(jī)新機(jī)組性能試驗(yàn)時(shí)參考。

燃?xì)廨啓C(jī)；AMSE標(biāo)準(zhǔn)；性能試驗(yàn)

0　引言

分布式能源系統(tǒng)是以冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)聯(lián)接，向一定區(qū)域內(nèi)的用戶同時(shí)提供電力、蒸汽、熱水等能源的服務(wù)系統(tǒng)，一般安裝在負(fù)荷中心，在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，向負(fù)荷區(qū)用戶提供制冷、供熱服務(wù)。［1］目前我國(guó)已建及在建天然氣分布式能源項(xiàng)目的裝機(jī)容量已達(dá)380萬(wàn)kW，對(duì)于正處在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整拐點(diǎn)的中國(guó)，分布式能源能對(duì)傳統(tǒng)集中式供能系統(tǒng)提供有益補(bǔ)充，也將成為我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。

在國(guó)家政策的不斷鼓勵(lì)下，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的天然氣分布式項(xiàng)目逐年增多，預(yù)計(jì)到2020年天然氣分布式能源裝機(jī)量達(dá)到2000萬(wàn)kW。燃?xì)廨啓C(jī)作為天然氣分布式能源系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，其熱力性能決定著整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。［2］本文通過(guò)對(duì)某典型的天然氣分布式能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的性能考核，淺析了燃?xì)廨啓C(jī)在現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)的方法，供同行在新機(jī)組性能考核時(shí)參考。

1　燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

燃?xì)廨啓C(jī)的性能試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱舜_定該機(jī)組的出力、熱耗率等性能指標(biāo)是否達(dá)到合同保證值。由于試驗(yàn)工況常常與設(shè)計(jì)工況有差別，需要根據(jù)設(shè)備廠商提供的各種參數(shù)修正曲線，將試驗(yàn)得到的性能值修正到設(shè)計(jì)工況下的性能值，然后與合同中的性能保證值比較，是否達(dá)到合同保證值。

2　試驗(yàn)邊界及測(cè)量參數(shù)

試驗(yàn)邊界是一個(gè)用于定義明確機(jī)組性能所必須測(cè)量的各個(gè)物質(zhì)/能量流的概念，試驗(yàn)邊界決定了跨越燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組試驗(yàn)邊界的所有能量流。試驗(yàn)中必須明確所有進(jìn)入和流出試驗(yàn)邊界的能流。能流可能由具有化學(xué)能、熱能和勢(shì)能的氣體、液體或固體物質(zhì)流組成，也可能是純的能流。在定義試驗(yàn)邊界時(shí)，由于與特定的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，因此需要有一定的靈活性。圖1是典型的燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)需測(cè)量或計(jì)算跨越邊界的質(zhì)量流量和必要的熱力學(xué)性質(zhì)。實(shí)際測(cè)量位置可以在該點(diǎn)的上游或者下游位置，具體測(cè)點(diǎn)位置取決與測(cè)量值是否合理，同時(shí)考慮能將測(cè)點(diǎn)處的流量和流動(dòng)性質(zhì)準(zhǔn)確的修正到試驗(yàn)邊界點(diǎn)處的工況。表1給出了典型燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)清單。［3］

表1　典型燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)清單

3　試驗(yàn)儀表及取樣裝置

3.1試驗(yàn)儀表

燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)所需的儀表可以一部分采用專用儀器儀表，一部分采用現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，所有專用的儀器儀表均已經(jīng)經(jīng)過(guò)各方認(rèn)可的有相關(guān)資質(zhì)的權(quán)威機(jī)構(gòu)校驗(yàn)，并出具相關(guān)的校驗(yàn)報(bào)告。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（1）燃機(jī)發(fā)電機(jī)功率、頻率、功率因數(shù)

燃機(jī)發(fā)電機(jī)功率、頻率、功率因數(shù)等采用功率表在燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口PT、CT端子上進(jìn)行測(cè)量，功率變送器精度為0.1級(jí)。

（2）大氣溫度

大氣溫度由采用高精度試驗(yàn)用PT100熱電阻配合溫度變送器測(cè)量，安裝在燃機(jī)空氣濾網(wǎng)入口處，等間距布置8個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，熱電阻精度為A級(jí)。

（3）大氣壓力

大氣壓力采用2臺(tái)高精度絕壓變送器測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置位于室外環(huán)境中，且周圍氣流相對(duì)穩(wěn)定，高度與燃機(jī)軸中心線處于同一標(biāo)高位置。絕壓變送器精度為0.075級(jí)。

（4）大氣濕度

大氣濕度采用機(jī)組自帶的Vasla濕度變送器測(cè)量。

（5）天然氣流量

燃?xì)饬髁坎捎秒S燃機(jī)一起提供的、布置在燃機(jī)總管的超聲波流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。在超聲波流量計(jì)附近安裝熱電阻和壓力變送器測(cè)量燃料氣溫度和壓力。超聲波流流量計(jì)必須在安裝前由制造商負(fù)責(zé)完成校驗(yàn)，并提供相應(yīng)的校驗(yàn)報(bào)告。流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行是燃料氣壓力應(yīng)盡可能接近校驗(yàn)壓力。

（6）燃機(jī)排氣背壓

在余熱鍋爐進(jìn)口煙道周向開四個(gè)取壓孔，用引壓管匯集后利用差壓變送器進(jìn)行測(cè)量。

（7）燃機(jī)排氣溫度

燃機(jī)排氣溫度采用網(wǎng)格法測(cè)量溫度場(chǎng)，燃機(jī)排氣擴(kuò)散段一側(cè)開設(shè)4個(gè)試驗(yàn)用測(cè)點(diǎn)孔，每個(gè)孔測(cè)量插入三個(gè)不同長(zhǎng)度的熱電偶，共計(jì)12個(gè)溫度點(diǎn)。

3.2取樣裝置

天然氣取樣分析是燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)重要的環(huán)節(jié)，直接影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。天然氣組成和物性的測(cè)定很大程度上取決于取樣技術(shù)的水平。取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料，都對(duì)試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。本文采用一種新型的天然氣取樣裝置，取樣過(guò)程安全、便捷。在項(xiàng)目實(shí)際過(guò)程中得到了很好的應(yīng)用。下圖為天然氣取樣裝置示意圖。

圖2　新型天然氣取樣裝置示意圖

4　試驗(yàn)計(jì)算及修正

燃?xì)廨啓C(jī)的性能指標(biāo)與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等有密切的關(guān)系，通常合同保證的性能指標(biāo)是相對(duì)于在設(shè)計(jì)條件下而言，因此就必須對(duì)實(shí)測(cè)的性能指標(biāo)進(jìn)行修正。

4.1燃機(jī)出力

采用GE公司性能模擬軟件Application for Package Performance Systems cycle deck（APPS）對(duì)實(shí)際測(cè)得的燃機(jī)出力進(jìn)行修正，修正因素包括大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度、燃機(jī)進(jìn)口濾網(wǎng)壓損、燃機(jī)出口壓損、功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)損耗、燃料氣溫度、燃料氣成份（含C/H比及熱值）等。

修正后的燃機(jī)機(jī)組毛輸出功率：

式中Pgross，corr—修正后的燃機(jī)功率輸出，kW；

Pmeas—實(shí)測(cè)的功率，kW；

CFpower_Degr—機(jī)組老化修正系數(shù)；

CFpower—APPS修正系數(shù)。

上式中CFpower系數(shù)為試驗(yàn)狀態(tài)下APPS的期望燃機(jī)功率與性能保證工況下APPS的期望燃機(jī)功率的比值。

4.2燃機(jī)熱耗

燃機(jī)熱耗同樣采用APPS軟件將試驗(yàn)工況下的燃機(jī)熱耗修正至性能保證工況下的燃機(jī)熱耗。試驗(yàn)工況下的燃機(jī)熱耗：

式中HRgross，calculated—試驗(yàn)工況下燃機(jī)實(shí)際熱耗，kJ/kW·h；

FFmeas—實(shí)際測(cè)得的燃料氣流量，Nm3/h；

LHV—燃料氣低位熱值，kJ/Nm3。

式中HRgross，corr—修正后的燃機(jī)熱耗，kJ/kW·h；

CFHR_Degr—機(jī)組老化修正系數(shù)；

CFHR—APPS熱耗修正系數(shù)。

上式中CFHR系數(shù)為試驗(yàn)狀態(tài)下APPS的期望燃機(jī)熱耗與性能保證工況下APPS的期望燃機(jī)熱耗的比值。

4.3燃機(jī)排氣溫度

同理，燃機(jī)排氣溫度采用APPS性能模擬軟件進(jìn)行修正。修正后的燃機(jī)排氣溫度表示為：

式中T8gross，corr—修正后的燃機(jī)排氣溫度，℃；

T8meas—試驗(yàn)工況下測(cè)得的燃機(jī)排氣溫度，℃；

CFT8—APPS燃機(jī)排氣溫度修正值，℃；

CFT8_Degr—燃機(jī)排氣溫度老化修正值，℃。

4.4燃機(jī)排氣能量

燃機(jī)排氣能量的修正方式與燃機(jī)出力及熱耗的修正方式一致。修正后的燃機(jī)排氣能量表示為：

式中E8gross，corr—修正后的燃機(jī)排氣能量，kW；

E8meas—試驗(yàn)工況下實(shí)際測(cè)得的燃機(jī)排氣能量，kW；

CFE8_Degr—燃機(jī)排氣能量老化修正系數(shù)；

CFE8—燃機(jī)排氣能量APPS修正系數(shù)。

5　典型示范項(xiàng)目應(yīng)用

采用上述方法，本文對(duì)某典型的分布式能源中燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)。該典型項(xiàng)目采用LM2500+G4燃機(jī)由GG和PT，發(fā)電機(jī)及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，采用一臺(tái)燃機(jī)帶一臺(tái)發(fā)電機(jī)。每臺(tái)LM2500+G4燃機(jī)為雙軸設(shè)計(jì)，燃?xì)怏w發(fā)生器（GG）與動(dòng)力渦輪（PT）分離，靠空氣動(dòng)力耦合傳動(dòng)。

該示范項(xiàng)目燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)內(nèi)容主要包括額定負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下的性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該燃機(jī)修正后出力為30926kW，優(yōu)于性能保證值（30649kW）0.9%；修正后熱耗為9849.51 kJ/kW·h，優(yōu)于性能保證值（10047 kJ/kW·h）1.9%；修正后排煙溫度551.32℃，優(yōu)于性能保證值（541.4℃）1.8%；修正后的排氣能量為79289kW（Ref 0K），優(yōu)于保證值（78407kW）1.12%。試驗(yàn)過(guò)程中采用上述天然氣取樣裝置取樣操作便捷安全。該示范項(xiàng)目的額定負(fù)荷下的考核數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

表2　示范項(xiàng)目考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6　結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)的性能考核試驗(yàn)是為了確定機(jī)組的出力、熱耗率等性能指標(biāo)是否達(dá)到合同保證值，本文參照ASME標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)踐，同時(shí)采用一種新型的天然氣取樣裝置，對(duì)某典型示范項(xiàng)目進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)性能考核試驗(yàn)，為同行在分布式能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的性能試驗(yàn)提供有益幫助。

表3　示范項(xiàng)目考核試驗(yàn)結(jié)果修正計(jì)算

［1］杜建一，王云.分布式能源系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，（05）：786～788.

［2］林汝謀，金紅光.燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電動(dòng)力裝置及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［3］The American Society of Mechanical Engineers.PTC22-2005 Gas Turbines Performance Test Code［S］.Three Park Avenue，New York，2005.

A brief Analysis of Performance Test Method for Gas Turbine in Distributed Energy System

MA Hong-tao，RUAN Hui-feng，TONG Hang
（Huadian Electric Power Research Institute，National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China）

As the primary motivation of the natural gas distributed energy system，the performance of the gas turbine determines the quality of the whole system.So it is very important to Effective organize the performance test.This paper concisely conducted a summary of gas turbine test purpose，test instruments and test calculation to provide a reference for the technicians by referring to the ASME criteria，and a new type of natural gas sampling device is presented，which is applied in the field performance test of a typical demonstration project.

gas turbine；ASME criteria；performance test

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.001

TK471

B

2095-3429（2015）04-0001-04

2015-08-07

修回日期：2015-08-28

馬洪濤（1980-），男，山東臨沂人，工學(xué)碩士，工程師，電站性能技術(shù)部副主任，長(zhǎng)期從事火力發(fā)電系統(tǒng)及設(shè)備性能測(cè)試及評(píng)價(jià)工作。