帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)方法研究

陳賽科,于蘭蘭

(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海 200240)

依托國家“一帶一路”倡議，國內(nèi)主機(jī)供應(yīng)商和工程公司不斷在海外市場斬獲訂單。但海外項(xiàng)目從項(xiàng)目前期投標(biāo)到項(xiàng)目執(zhí)行均比國內(nèi)項(xiàng)目難度更大，機(jī)組配置和熱力系統(tǒng)尤其復(fù)雜，如中東地區(qū)常常會(huì)有帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組、分期建設(shè)項(xiàng)目等。由于國內(nèi)余熱鍋爐供應(yīng)商缺乏制造帶補(bǔ)燃余熱鍋爐的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)國內(nèi)性能試驗(yàn)單位對(duì)帶補(bǔ)燃系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能試驗(yàn)也缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因此性能驗(yàn)收試驗(yàn)如何進(jìn)行成了難題。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能試驗(yàn)通常按照ASME PTC46標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組純凝工況性能試驗(yàn)流程及修正方法已非常明確[1-4]，但是在帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)方面的研究和公開報(bào)道比較少。本文依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過研究帶補(bǔ)燃機(jī)組與常規(guī)機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式等方面的異同點(diǎn)，分析帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組修正曲線的繪制方法、修正方法、性能試驗(yàn)流程、性能試驗(yàn)時(shí)機(jī)組運(yùn)行方式等，以此來探索帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)方法。

1 常規(guī)機(jī)組與帶補(bǔ)燃機(jī)組

1.1 機(jī)組配置

常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)T-S曲線如圖1所示，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)結(jié)合在一起的一個(gè)復(fù)雜循環(huán)系統(tǒng)。其中，1-4為燃?xì)廨啓C(jī)做功并排出廢氣過程，4-5為余熱鍋爐余熱利用過程，7-10為蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功的過程，10-11為蒸汽在凝汽器中冷凝并液化的過程。

圖1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)理想T-S曲線

圖2和圖3分別為常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組和帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖。和常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組相比，帶補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組多了余熱鍋爐進(jìn)口或內(nèi)部的補(bǔ)燃器，主要目的是為了增加聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力，燃料一般是天然氣或油，和進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料相同。

圖2 常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)示意圖

圖3 帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)示意圖

對(duì)應(yīng)圖1中的聯(lián)合循環(huán)T-S圖，在“過程4-5”之間增加補(bǔ)燃，提高煙氣溫度，進(jìn)而提高余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，盡可能增加汽水側(cè)出力。

1.2 常規(guī)機(jī)組性能試驗(yàn)修正方法介紹

常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，需要把各個(gè)邊界參數(shù)修正至性能保證工況，將修正后的參數(shù)與性能保證值進(jìn)行比較，以考核機(jī)組性能是否達(dá)到合同中描述的性能保證值。根據(jù)ASME PTC46標(biāo)準(zhǔn)[5]，影響聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力和效率的因素很多，如大氣溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、進(jìn)氣壓損、燃料溫度、燃料成分、電網(wǎng)頻率、汽輪機(jī)背壓、機(jī)組老化等。

式(1)和式(2)為將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率和熱耗率分別修正至性能保證條件的方法，常規(guī)機(jī)組只需測得聯(lián)合循環(huán)出力和熱耗率及相關(guān)邊界數(shù)據(jù)，根據(jù)修正公式把聯(lián)合循環(huán)出力修正至性能保證工況即可。

常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的修正方法見式(1)：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ8+Δ9)×

(1)

式中：Pcorr為修正后聯(lián)合循環(huán)出力，Pgross=Pmeas-PL,exc，Pmeas為實(shí)測發(fā)電機(jī)端出力，PL,exc為勵(lì)磁消耗的有功功率；Δ2為功率因數(shù)對(duì)功率的加法修正；Δ8為循環(huán)水參數(shù)對(duì)功率的加法修正；Δ9為汽水泄漏量對(duì)功率的加法修正；αj中的j可由1～7代入，α1為大氣溫度對(duì)功率的修正系數(shù)，α2為大氣壓力對(duì)功率的修正系數(shù)，α3為相對(duì)濕度對(duì)功率的修正系數(shù)，α4為壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損對(duì)功率的修正系數(shù)，α5為燃料溫度對(duì)功率的修正系數(shù)，α6為燃料低位發(fā)熱量和C/H對(duì)功率的修正系數(shù)，α7為透平轉(zhuǎn)速對(duì)功率的修正系數(shù)；Kp,deg為機(jī)組老化對(duì)功率的修正系數(shù)。

常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率的修正方法見式(2)：

(2)

式中：Hcorr為修正后聯(lián)合循環(huán)熱耗率；Qmeas,GT為實(shí)測燃?xì)廨啓C(jī)輸入熱量；fi中的i可由1～7帶入，f1為大氣溫度對(duì)熱耗率的修正，f2為大氣壓力對(duì)熱耗率的修正，f3為相對(duì)濕度對(duì)熱耗率的修正，f4為壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損對(duì)熱耗率的修正系數(shù)，f5為燃料溫度對(duì)熱耗率的修正系數(shù)，f6為燃料低位發(fā)熱量和C/H對(duì)熱耗率的修正系數(shù)，f7為轉(zhuǎn)速對(duì)熱耗率的修正系數(shù)；KH,deg為機(jī)組老化對(duì)熱耗率的修正系數(shù)。

2 帶補(bǔ)燃機(jī)組性能試驗(yàn)方法

圖4為帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能試驗(yàn)邊界，與常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組相比，帶補(bǔ)燃器的機(jī)組在煙氣進(jìn)入余熱鍋爐或余熱鍋爐的某個(gè)換熱器前增加補(bǔ)燃器，通過補(bǔ)燃把聯(lián)合循環(huán)出力提升至某個(gè)期望值，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式均比常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組復(fù)雜得多。

圖4 帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組試驗(yàn)邊界

和常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一樣，性能試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行工況應(yīng)盡量接近設(shè)計(jì)工況，以減少由于運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)工況的偏差帶來的修正。

2.1 帶補(bǔ)燃機(jī)組性能修正方法

熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常以補(bǔ)燃工況為設(shè)計(jì)工況(性能保證工況)進(jìn)行余熱鍋爐、汽輪機(jī)和凝汽器等主設(shè)備的設(shè)計(jì)和各設(shè)備的選型，性能試驗(yàn)時(shí)把實(shí)測出力和熱耗率修正到設(shè)計(jì)工況。

性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC46中推薦的性能試驗(yàn)方法比較多，該標(biāo)準(zhǔn)中可用于帶補(bǔ)燃機(jī)組的性能修正方法有以下兩種。

指定“補(bǔ)燃量”模式，與常規(guī)機(jī)組性能試驗(yàn)方法基本相同，燃?xì)廨啓C(jī)在排氣溫度控制模式下運(yùn)行，性能試驗(yàn)時(shí)控制補(bǔ)燃量，調(diào)整補(bǔ)燃量(補(bǔ)入熱量)使其接近設(shè)計(jì)點(diǎn)，如果補(bǔ)燃量與設(shè)計(jì)工況稍有差別，則對(duì)機(jī)組出力和輸入熱量進(jìn)行加法修正，其修正方法與常規(guī)機(jī)組試驗(yàn)方法基本一致。

指定“補(bǔ)燃量”模式，聯(lián)合循環(huán)出力的修正方法如下：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ3+Δ8+Δ9)×

(3)

式中：Δ2為補(bǔ)燃量與設(shè)計(jì)值偏差對(duì)出力的加法修正。

指定“補(bǔ)燃量”模式下聯(lián)合循環(huán)熱耗率的修正方法如下：

(4)

式中：Qmeas,SF為實(shí)測余熱鍋爐補(bǔ)燃器的輸入熱量；ΔQSF為補(bǔ)燃量與設(shè)計(jì)值的偏差對(duì)輸入熱量的加法修正。

指定“出力”模式，性能試驗(yàn)時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)在排氣溫度控制模式下運(yùn)行，通過調(diào)整補(bǔ)燃量使聯(lián)合循環(huán)出力與設(shè)計(jì)工況出力一致。如果出力與設(shè)計(jì)工況有偏差，則對(duì)燃料量做加法修正，性能試驗(yàn)時(shí)，出力不做修正，僅對(duì)熱耗率需要修正。

指定機(jī)組運(yùn)行模式的修正方法與常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)修正方法一致。

指定“出力”模式試驗(yàn)時(shí)聯(lián)合循環(huán)熱耗率的修正方法如下：

(5)

式中：W7為測量出力與設(shè)計(jì)出力的偏差對(duì)余熱鍋爐輸入熱量的修正系數(shù)。

2.2 兩種試驗(yàn)方法的對(duì)比

在性能試驗(yàn)時(shí)，以上兩種方法下機(jī)組運(yùn)行方式各不相同，二者在性能試驗(yàn)準(zhǔn)備和現(xiàn)場實(shí)施階段各有優(yōu)缺點(diǎn)。

“定補(bǔ)燃量”方法的優(yōu)點(diǎn)為：試驗(yàn)方法和修正方法均與常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)方法非常相似，性能試驗(yàn)第三方對(duì)該模式下的試驗(yàn)方法和修正方法較為熟悉。缺點(diǎn)為試驗(yàn)時(shí)需恒定補(bǔ)燃量，若補(bǔ)燃量與設(shè)計(jì)工況有偏差，則其對(duì)出力和輸入熱量的影響需要進(jìn)行加法修正，修正曲線繪制工作量較大，需要同時(shí)繪制出力和熱耗率這兩個(gè)因素的修正曲線。

“定出力”方法的優(yōu)點(diǎn)為：修正曲線繪制工作量小，性能試驗(yàn)時(shí)控制補(bǔ)燃量，使聯(lián)合循環(huán)出力與設(shè)計(jì)值一致運(yùn)行，因此繪制修正曲線時(shí)，只需要繪制各因素對(duì)熱耗率的影響曲線即可。缺點(diǎn)為該模式下性能試驗(yàn)第三方和各主機(jī)商關(guān)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)較少，性能試驗(yàn)時(shí)使出力與設(shè)計(jì)值完全一致的難度較大，機(jī)組功率因數(shù)、勵(lì)磁功率、汽輪機(jī)背壓均等加法修正項(xiàng)與設(shè)計(jì)值不同，性能試驗(yàn)過程中聯(lián)合循環(huán)出力會(huì)出現(xiàn)小幅變化，因此采用“定出力”方法時(shí)，需要根據(jù)實(shí)測聯(lián)合循環(huán)出力與設(shè)計(jì)值之間的偏差，對(duì)輸入熱量進(jìn)行修正。

余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，由于材料原因，補(bǔ)燃后煙氣最高溫度一般會(huì)有限制。基于上述兩種方法進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)前需要對(duì)補(bǔ)燃后煙氣溫度是否超過鍋爐限制值進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，以確定試驗(yàn)條件是否得到滿足。

2.3 修正曲線繪制方法

以上兩種試驗(yàn)方法的修正曲線繪制方法基本一致，唯一區(qū)別在于方法一需要繪制出力和熱耗率的曲線，而方法二只需要繪制熱耗率曲線即可。

以圖5所示大氣溫度對(duì)出力的修正曲線為例，基于性能保證工況繪制，橫坐標(biāo)為大氣溫度與性能保證工況的差值，縱坐標(biāo)為修正系數(shù)，修正系數(shù)等于設(shè)計(jì)值除以實(shí)測值，修正系數(shù)計(jì)算如下：

(6)

圖5 大氣溫度差值對(duì)出力的修正曲線

2.4 分期建設(shè)時(shí)性能試驗(yàn)方法

參考ASME PTC46[5]中的描述和要求，在聯(lián)合循環(huán)電廠分階段施工的過程中，當(dāng)汽輪機(jī)正在施工建設(shè)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)已單循環(huán)運(yùn)行幾個(gè)月或更長的時(shí)間，燃?xì)廨啓C(jī)已存在實(shí)質(zhì)性機(jī)組老化，而汽輪機(jī)和余熱鍋爐為新機(jī)狀態(tài)。為了驗(yàn)證聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在“新”、“凈”狀態(tài)下的性能，性能試驗(yàn)也要分階段進(jìn)行，具體如下：

1)第1階段試驗(yàn)。在燃?xì)廨啓C(jī)“168 h試運(yùn)行”后，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)(Phase 1 test series)，第1階段試驗(yàn)按照ASME PTC2或ISO2314進(jìn)行，在燃?xì)廨啓C(jī)新機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行單循環(huán)試驗(yàn)，由燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商提供修正曲線。

2)第2階段試驗(yàn)。汽輪機(jī)施工完成后，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)(Phase 2 test series)，第2階段按照“ASME PTC6.2——聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)考核規(guī)程”執(zhí)行汽輪機(jī)性能試驗(yàn)，不考慮燃?xì)廨啓C(jī)的影響，把汽輪機(jī)出力修正至性能保證工況即可，由汽輪機(jī)供應(yīng)商提供汽輪機(jī)修正曲線。

兩個(gè)階段試驗(yàn)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正，得到聯(lián)合循環(huán)新機(jī)的性能。

修正后聯(lián)合循環(huán)出力如下：

Pcorr=Pcorr,GT,1+Pcorr,ST,2

(7)

式中：Pcorr,GT,1為第1階段修正至性能保證工況燃?xì)廨啓C(jī)出力；Pcorr,ST,2為第2階段試驗(yàn)修正后汽輪機(jī)出力。

修正后聯(lián)合循環(huán)熱耗率計(jì)算如下：

(8)

式中：QGT為第1階段試驗(yàn)燃機(jī)輸入熱量；QDes,SF為性能保證工況補(bǔ)燃器輸入熱量。

帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的余熱鍋爐性能試驗(yàn)也應(yīng)在第2階段試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行，需要對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行單獨(dú)考核。余熱鍋爐的試驗(yàn)方法應(yīng)依據(jù)“ASME PTC4.4——余熱鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程”執(zhí)行，修正曲線由鍋爐供應(yīng)商提供。

3 結(jié) 論

本文研究了帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)流程、方法等，主要結(jié)論如下：

1)帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)時(shí)，“定出力”

方法和“定補(bǔ)燃量”方法均可采用，但兩種方法均有優(yōu)缺點(diǎn)。從修正曲線繪制和試驗(yàn)時(shí)機(jī)組控制的難易程度來說，“定出力”模式相對(duì)有優(yōu)勢。

2)性能試驗(yàn)時(shí)均要考慮補(bǔ)燃后煙氣溫度是否超過余熱鍋爐最大允許值。

3)帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)修正曲線繪制方法與常規(guī)機(jī)組基本一致。

4)分期建設(shè)帶補(bǔ)燃聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在驗(yàn)證機(jī)組處于“新”和“凈”狀態(tài)下的性能時(shí)，需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)分階段進(jìn)行2次試驗(yàn)，余熱鍋爐也需要單獨(dú)進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)程序和工作量相對(duì)復(fù)雜和煩瑣。

本文的相關(guān)研究能夠?yàn)楹罄m(xù)海外項(xiàng)目的順利執(zhí)行打下理論基礎(chǔ)。