離線水洗在線判斷程序開發(fā)及最佳水洗周期研究

馬文德，劉 驥

(東莞深能源樟洋電力有限公司，廣東 東莞 523637)

天然氣發(fā)電機(jī)組一般只進(jìn)行壓氣機(jī)的離線水洗，然而GE公司沒有對(duì)離線水洗的周期提出明確的參考值，現(xiàn)在有將出力降低5%～10%之間進(jìn)行水洗作為標(biāo)準(zhǔn)，也有將燃?xì)廨啓C(jī)水洗后運(yùn)行時(shí)間(例如500 h)作為標(biāo)準(zhǔn)，前者要進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)功率的修正[1]，本文根據(jù)GE公司提供的修正曲線，綜合壓氣機(jī)效率和壓氣機(jī)多變指數(shù)，最佳水洗周期等計(jì)算公式，利用MATLAB軟件，開發(fā)出一種綜合判斷壓氣機(jī)離線水洗的程序，并利用大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)某廠實(shí)際情況計(jì)算出機(jī)組的平均性能惡化速率，計(jì)算出理論的最佳水洗周期，以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 壓氣機(jī)效率計(jì)算開發(fā)

壓氣機(jī)壓縮過程T-s變化見圖1，進(jìn)出口總壓力分別為P1、P2，等熵過程為狀態(tài)1到狀態(tài)2s，實(shí)際壓縮過程是熵增過程，即狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程。

圖1 壓氣機(jī)壓縮過程T-s變化情況

等熵效率的定義為:

η=(h2s-h1)/(h2-h1)

(1)

壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣比焓h1：

h1=f(t1)

(2)

壓氣機(jī)進(jìn)口的空氣熵函數(shù)值s1：

s1=s(t1)

(3)

壓氣機(jī)出口的空氣比焓h2：

h2=f(t2)

(4)

空氣在壓氣機(jī)的絕熱壓縮后熵函數(shù)值s2s：

s2s=s1+R

(5)

壓氣機(jī)絕熱壓縮后的排氣比焓：

h2s=f(t2s)

(6)

f(t)=(A+Bt+Ct2+Dt3+Et4+Ft5)×

4.186 8/28.97

(7)

s(t)= (Blnt+2Ct+1.5Dt2+4/3Et3+1.25Ft4+G)×4.186 8/28.97

(8)

(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G)=( -0.330 150 38×10-2，0.728 067 3×10， -0.143 414 81×10-2， 0.234 829 26×10-5，-0.104 841 29×10-8， 0.124 290 4×10-12， -0.402 921 50×102)

根據(jù)MATLAB軟件開發(fā)出定比熱時(shí)的壓氣機(jī)效率及變比熱時(shí)的壓氣機(jī)效率2種，壓氣機(jī)變比熱效率更能反映壓氣機(jī)的實(shí)際效率，因此壓氣機(jī)變比熱效率下降到一定程度時(shí)，可以作為壓氣機(jī)進(jìn)行離線水洗判斷的依據(jù)，但壓氣機(jī)效率隨著進(jìn)氣流量、溫度、壓力等工況的變化而變化，不同工況的效率沒有可比性，大量的性能計(jì)算及運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)影響壓氣機(jī)效率的主要因素有進(jìn)口導(dǎo)葉IGV開度及進(jìn)口溫度[2]，故壓氣機(jī)效率對(duì)比時(shí)應(yīng)參考IGV開度及進(jìn)口溫度工況相近時(shí)的參數(shù)。

2 壓氣機(jī)多變指數(shù)計(jì)算開發(fā)

實(shí)際氣體多變壓縮過程中狀態(tài)參數(shù)變化的指數(shù)稱為多變指數(shù)m，對(duì)于離心式和軸流式壓縮機(jī)來說，多變指數(shù)m大于絕熱指數(shù)k，多變指數(shù)m越大，壓縮所需的能量頭越大[3]。

(9)

式中：m為壓氣機(jī)多變指數(shù)；τ為相對(duì)壓比；t2為壓氣機(jī)排氣溫度；t1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度。

壓氣機(jī)的運(yùn)行效果越差，則多變指數(shù)會(huì)越大，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，多變指數(shù)只與相對(duì)壓比、壓氣機(jī)進(jìn)氣和壓氣機(jī)排氣溫度有關(guān)，其他因素基本不會(huì)影響其值的變化，故可以通過多變指數(shù)m的變化作為壓氣機(jī)離線水洗參考的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 燃?xì)廨啓C(jī)功率修正計(jì)算開發(fā)

燃?xì)廨啓C(jī)的功率要進(jìn)行大氣溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、燃料成分、燃?xì)廨啓C(jī)頻率、進(jìn)氣壓損、排氣壓損、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、海拔高度、機(jī)組老化等因素系數(shù)的修正[4]。正常機(jī)組運(yùn)行時(shí)燃料成分、燃?xì)廨啓C(jī)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、大氣壓力等基本保持不變，故以上因素系數(shù)的修正本文不考慮。

3.1 大氣溫度影響

隨著大氣溫度的升高，空氣密度變小，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量隨之減少，機(jī)組所發(fā)出的功率將減小，熱耗率上升，效率下降；壓氣機(jī)的耗功與大氣溫度成正比，大氣溫度升高時(shí)，壓氣機(jī)耗功增加，壓縮比下降，燃?xì)廨啓C(jī)的凈出力減小。如圖2壓氣機(jī)入口溫度—出力估計(jì)性能曲線所示，大氣溫度對(duì)功率的修正關(guān)系為X1=1.093 96-0.006 246t1。

3.2 海拔高度影響

燃?xì)廨啓C(jī)的功率與吸入的空氣質(zhì)量流量成正比，而空氣的質(zhì)量流量又與海拔高度成反比，故燃?xì)廨啓C(jī)的功率與海拔高度成反比。圖3是海拔—出力修正因子估計(jì)性能曲線，海拔高度對(duì)功率的修正關(guān)系為X2=1-0.000 1093 6AT。

圖2 壓氣機(jī)入口溫度-出力估計(jì)性能曲線

圖3 海拔-出力修正因子估計(jì)性能曲線

3.3 大氣濕度影響

在較低的大氣溫度下,相對(duì)濕度對(duì)熱效率和單位質(zhì)量的凈功的影響可以忽略，當(dāng)大氣溫度和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度較高時(shí)，相對(duì)濕度的增加使熱效率增加，凈功降低。從圖4可以看出，隨著大氣相對(duì)濕度的增加，機(jī)組的出力略有下降，熱效率略有增加，大氣濕度對(duì)功率的修正關(guān)系X3=1.000 903 955-0.141 242 923H。

圖4 濕度-出力修正因子估計(jì)性能曲線

3.4 進(jìn)、排氣壓力損失變化影響

在保持最大出力不變時(shí)，進(jìn)氣壓力損失會(huì)使空氣比容增加，流量減少,壓氣機(jī)耗功增大，從而導(dǎo)致機(jī)組出力和效率下降。排氣壓力損失(即排氣壓力升高)則減小了燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹比，燃?xì)廨啓C(jī)出力下降。如圖5壓力損失-出力修正因子估計(jì)性能曲線所示，進(jìn)氣壓損對(duì)功率的修正X4=1.011 55-0.015 4ΔPint，排氣壓損對(duì)功率的修正X5=1.016 8-0.005 6ΔPext。

圖5 壓力損失-出力修正因子估計(jì)性能曲線

3.5 機(jī)組老化的影響

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，壓氣機(jī)的磨損及積垢會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的出力下降，熱耗上升。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)行檢修及離線水洗等維護(hù)工作，會(huì)一定程度地提高燃?xì)廨啓C(jī)性能。如圖6運(yùn)行時(shí)間—性能損失估計(jì)性能曲線所示，在10 000 h以內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的性能損失大致成線性關(guān)系，即在水洗周期內(nèi)線性關(guān)系為X6= 1-0.000 004T。

圖6 運(yùn)行時(shí)間-性能損失估計(jì)性能曲線

4 離線水洗周期計(jì)算開發(fā)

4.1 平均性能惡化速率k的計(jì)算開發(fā)

相關(guān)研究表明，燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)垢后出力大致呈指數(shù)下降，開始下降較快，然后變緩，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行約1 000～2 000 h后穩(wěn)定下來[5]，把現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)做一定修正后，求出機(jī)組清潔狀態(tài)下出力Pgt與機(jī)組實(shí)測出力Pe1的差值，則

(10)

式中：k為機(jī)組的平均性能惡化速率，%/h；Pgt為機(jī)組清潔狀態(tài)時(shí)的額定功率，kW；Pe1為現(xiàn)場實(shí)發(fā)功率，kW；T為水洗后運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h。

對(duì)于水洗后運(yùn)行時(shí)間T的取值，T在1 000～2 000 h內(nèi)則k的計(jì)算更精確，本文用MATLAB軟件開發(fā)出以T>500 h為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算平均性能惡化速率的方法，對(duì)于有條件的機(jī)組應(yīng)在機(jī)組運(yùn)行1 000～2 000 h范圍內(nèi)求出更精確的k來計(jì)算最佳水洗周期，對(duì)于已經(jīng)能確定的機(jī)組平均性能惡化速率則在程序中直接輸入即可。

由于每次離線水洗并不能將損失的功率完全恢復(fù)，所以Pgt是變化的值，相關(guān)學(xué)者[6]研究指出，每次離線水洗后，燃?xì)廨啓C(jī)性能可恢復(fù)到上一次水洗的99.8%，即恢復(fù)系數(shù)φ取0.998，對(duì)于水洗過n次后，則

(11)

4.2 經(jīng)濟(jì)離線水洗周期的計(jì)算開發(fā)

燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的廣義離線水洗成本主要包括[7]：一個(gè)水洗周期內(nèi)總的運(yùn)行附加成本和停機(jī)成本。運(yùn)行附加成本又包括兩部分：(1)由于結(jié)垢造成通流面積變小，工質(zhì)流量減小而引起的燃?xì)廨啓C(jī)出力下降；(2)由于結(jié)垢導(dǎo)致葉片型線發(fā)生改變，燃?xì)廨啓C(jī)效率下降而引起燃?xì)廨啓C(jī)熱耗率的增加。理論上燃?xì)廨啓C(jī)部分結(jié)垢、功率下降后，燃?xì)廨啓C(jī)少發(fā)的電量將會(huì)以熱能的形式排入尾部余熱鍋爐，下游的汽輪機(jī)功率會(huì)有多增加，但是增加幅度很小，所以本計(jì)算中忽略了運(yùn)行期間汽輪機(jī)功率的變化。水洗期間的停機(jī)成本主要是由于停機(jī)造成全廠少發(fā)的電量引起的損失。由于沒有發(fā)電，即沒有燃料的消耗，這部分的燃料成本應(yīng)扣除。離線水洗的水洗劑為除鹽水和清潔劑的混合物，而且為了強(qiáng)化水洗效果，需要將除鹽水加熱到82 ℃以上，每次水洗經(jīng)過停機(jī)冷卻、浸泡、漂洗、甩干和烘干等過程，包括耗用的廠用電以及燃料費(fèi)用。隨著水洗周期的延長，總的停機(jī)成本基本不變，但是運(yùn)行附加成本會(huì)大幅增加，較短的水洗周期雖然會(huì)使運(yùn)行附加成本減少，但是整個(gè)水洗周期內(nèi)的平均停機(jī)成本較大。因此離線水洗周期應(yīng)使平均廣義離線水洗成本最小，其函數(shù)如下所示：

Mmean=(Mrun+Mstop)/T

(12)

Mrun=ΔW1Ce+ΔF1Cf

(13)

(14)

(15)

Mstop=ΔW2Ce+Mw-ΔF2Cf

(16)

ΔW2=(Pgt(1-kt)+Pst)Tstop

(17)

ΔF2=G0(1+0.25kt)Pgt(1-kt)Tstop

(18)

式中：Mmean為平均廣義離線水洗成本；Mrun為運(yùn)行附加成本；Mstop為停機(jī)成本；T為離線水洗周期；ΔW1為燃?xì)廨啓C(jī)組跟清潔狀態(tài)下相比一個(gè)水洗周期內(nèi)少發(fā)的電量；Ce為上網(wǎng)電價(jià)；ΔF1為燃?xì)廨啓C(jī)組跟清潔狀態(tài)下相比發(fā)同樣的電量多消耗的燃料量；Cf為燃料的價(jià)格；Pgt為機(jī)組清潔狀態(tài)時(shí)的額定功率；k為機(jī)組的性能惡化速率；t為水洗后機(jī)組運(yùn)行時(shí)間；G0為機(jī)組清潔狀態(tài)下燃料消耗率；ΔW2為停機(jī)期間聯(lián)合循環(huán)機(jī)組少發(fā)的電量；Mw為一次水洗的成本；ΔF2為停機(jī)期間節(jié)省的燃料量；Pst為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)的滿發(fā)功率；Tstop為停機(jī)冷卻和水洗總共耗費(fèi)的時(shí)間。

查詢9E機(jī)組廠家提供的曲線得出，出力下降與熱耗率增加基本上是4∶ 1的關(guān)系，將Mmean對(duì)T求導(dǎo)，當(dāng)偏導(dǎo)數(shù)為零，且默認(rèn)其他值及因素為定值時(shí)，得出最佳離線水洗周期Topt的近似值為：

(19)

5 程序開發(fā)及實(shí)例計(jì)算

將以上數(shù)學(xué)公式用MATLAB軟件進(jìn)行編程，其他參數(shù)值作為程序輸入值，得到壓氣機(jī)效率、多變指數(shù)、功率修正、離線水洗周期等計(jì)算結(jié)果的程序，程序運(yùn)行界面如圖7。

圖7 壓氣機(jī)效率、多變指數(shù)、功率修正、離線水洗周期等計(jì)算程序運(yùn)行界面

以某PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)為例，該燃?xì)廨啓C(jī)2018年3月27日?qǐng)?zhí)行水洗，2018年6月24日?qǐng)?zhí)行下一次水洗，該水洗周期內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行約800 h，因該水洗周期內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)大部分時(shí)間為部分負(fù)荷運(yùn)行，選取2018年04月02日及2018年06月20、21日3天的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)(大修后水洗次數(shù)8次，海拔高度0 m，相對(duì)濕度60%)計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 滿負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

選取此次水洗周期內(nèi)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度為30 ℃，進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV約72°時(shí)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行程序計(jì)算，將變比熱壓氣機(jī)效率η1及壓氣機(jī)多變指數(shù)m的計(jì)算結(jié)果繪制對(duì)應(yīng)圖如圖8。

圖8 壓氣機(jī)變比熱效率η1-多變指數(shù)m對(duì)應(yīng)圖

從運(yùn)行的數(shù)據(jù)可以看出，多變指數(shù)、壓氣機(jī)效率隨運(yùn)行時(shí)間大致呈線性關(guān)系，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，壓氣機(jī)效率從最初的0.901 8下降到0.887 61，多變指數(shù)則相應(yīng)的從1.434 3上升至1.441 7，壓氣機(jī)效率降低約1.57%，多變指數(shù)增加約0.51%。選取04月02日16時(shí)和06月20日20時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)同為溫度為32.1 ℃，IGV開度為86°時(shí)的計(jì)算結(jié)果，壓氣機(jī)效率從最初的0.895 71下降到0.883 86，多變指數(shù)則從1.436 1上升至1.442 1，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的壓氣機(jī)效率下降1.32%，多變指數(shù)上升0.41%，此時(shí)機(jī)組水洗后運(yùn)行時(shí)間為770 h，功率下降了約4.51%，機(jī)組的平均性能惡化速率計(jì)算值約為0.005 8%/h。

對(duì)于大修后燃?xì)廨啓C(jī)基本能恢復(fù)到額定功率120 000 kW·h，汽輪機(jī)也基本達(dá)到額定功率60 000 kW·h，一次水洗成本約1萬元，每次停機(jī)冷卻和水洗總耗時(shí)為8 h，該廠上網(wǎng)電價(jià)0.765元/(kW·h)，天然氣價(jià)格3.2元/m3，清潔狀態(tài)燃料消耗率0.201 m3/ (kW·h)，根據(jù)以上已計(jì)算的平均性能惡化速率為0.005 8%/h，計(jì)算得最佳水洗周期為406.96 h，實(shí)際生產(chǎn)中無法停機(jī)水洗時(shí)，可以適當(dāng)延長水洗周期，但不要提前，從程序可以計(jì)算出水洗周期縮短后的水洗成本比水洗周期延長的成本要高。因此，水洗周期宜遲不宜早。

最佳水洗周期的影響因素有上網(wǎng)電價(jià)、燃料價(jià)格、水洗停機(jī)時(shí)間、平均性能惡化速率、水洗次數(shù)等，根據(jù)程序的計(jì)算可知上網(wǎng)電價(jià)越低、燃料價(jià)格越高、水洗停機(jī)時(shí)間越短、平均性能惡化速率越高、水洗次數(shù)越少，相應(yīng)的最佳水洗周期越短。

傳統(tǒng)的壓氣機(jī)離線水洗，普遍把出力降低5%～10%之間進(jìn)行水洗作為判斷依據(jù)，根據(jù)MATLAB計(jì)算的機(jī)組平均性能惡化速率0.005 8%/h計(jì)算，機(jī)組功率下降5%的水洗周期為5%/0.005 8%=862.07 h，正常情況廠家進(jìn)行的水洗周期為500 h，計(jì)算的最佳水洗周期為406.96 h，將上述水洗周期帶入程序中得到的平均廣義離線水洗成本分別為0.293 88萬元/h、0.232 09萬元/h、 0.227 37萬元/h，按全廠機(jī)組年總運(yùn)行小時(shí)3 600 h算，采用本優(yōu)化模型進(jìn)行離線水洗，則與傳統(tǒng)水洗標(biāo)準(zhǔn)相比每年可節(jié)約水洗成本239.44萬元，與電廠實(shí)際執(zhí)行的水洗周期相比每年可節(jié)約水洗成本16.99萬元。

綜上所述，根據(jù)某次水洗后燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間為406.96 h時(shí)的程序計(jì)算的數(shù)據(jù)，即當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)功率下降約2.36%，壓氣機(jī)變比熱效率下降約0.70%，多變指數(shù)增加約0.22%時(shí)，可以進(jìn)行壓氣機(jī)離線水洗，此時(shí)離線水洗最經(jīng)濟(jì)。

6 結(jié)束語

本文以9E型燃?xì)廨啓C(jī)為模型根據(jù)MATLAB軟件，對(duì)壓氣機(jī)效率、多變指數(shù)、功率修正、平均性能惡化速率和經(jīng)濟(jì)水洗周期等計(jì)算公式進(jìn)行編程，生成的程序能更好地對(duì)壓氣機(jī)臟污的狀態(tài)進(jìn)行在線判斷，并從多個(gè)方面給出了壓氣機(jī)進(jìn)行離線水洗的參考值。

(1) 該程序中功率修正、經(jīng)濟(jì)水洗周期的計(jì)算只適用于9E型燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)于F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)根據(jù)供應(yīng)商提供的修正曲線進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的修正。本程序水洗恢復(fù)系數(shù)取固定值0.998，但如果因水洗侵泡、甩干、烘干等過程人為執(zhí)行的不徹底，實(shí)際的恢復(fù)系數(shù)將會(huì)變小，本程序除效率和多變指數(shù)外的計(jì)算結(jié)果將會(huì)有偏差，即計(jì)算的k值比實(shí)際的大，Topt比實(shí)際值小。

(2) 本程序提出以T>500 h為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平均性能惡化速率的方法，對(duì)于有條件的機(jī)組應(yīng)在機(jī)組運(yùn)行1 000～2 000 h范圍內(nèi)求出更精確要求的k來計(jì)算最佳水洗周期，對(duì)于已經(jīng)能確定的機(jī)組平均性能惡化速率則直接在程序中輸入即可。

(3) 運(yùn)行計(jì)算結(jié)果表明，本次優(yōu)化的最佳水洗周期為406.96 h，功率下降2.36%，壓氣機(jī)效率下降0.70%，多變指數(shù)增加0.22%時(shí)，可以進(jìn)行壓氣機(jī)離線水洗，此時(shí)水洗最經(jīng)濟(jì)。采用本優(yōu)化模型進(jìn)行離線水洗，與傳統(tǒng)水洗標(biāo)準(zhǔn)(功率下降5%)相比，每年可節(jié)約水洗成本239.44萬元，與電廠實(shí)際執(zhí)行的水洗周期(500 h)相比，每年可節(jié)約水洗成本16.99萬元。

最佳離線水洗的周期不是一成不變的，上網(wǎng)電價(jià)越低、燃料價(jià)格越高、水洗停機(jī)時(shí)間越短、平均性能惡化速率越高、水洗次數(shù)越少，相應(yīng)的最佳水洗周期越短。對(duì)于固定的機(jī)組上述影響因素也是固定的，最佳水洗周期也就變化不大，可以根據(jù)電廠實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，但宜遲不宜早。