聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)中環(huán)境參數(shù)對(duì)結(jié)果修正的影響及不確定度分析

關(guān)盼龍，范軍輝，何遠(yuǎn)正，張 博

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，西安 710032)

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的日益成熟，以及人們對(duì)環(huán)保質(zhì)量要求的提高，加之燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有高的熱效率、運(yùn)行靈活、較少的投資費(fèi)用，且在一定程度上可解決燃燒污染環(huán)境問(wèn)題，逐漸在我國(guó)火電行業(yè)形成異軍突起的態(tài)勢(shì)[1-3]。

新建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組投運(yùn)時(shí)，對(duì)其整體性能考核試驗(yàn)尤為重要，這不僅對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行技術(shù)鑒定，而且當(dāng)性能指標(biāo)達(dá)不到合同規(guī)定值，是執(zhí)行“違約罰款”的依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)性能試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)電廠運(yùn)行過(guò)程中發(fā)電設(shè)備存在的技術(shù)與質(zhì)量問(wèn)題，為電廠今后運(yùn)行、檢修提供技術(shù)依據(jù)。應(yīng)用不確定度理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精確性和有效性做出量化的評(píng)價(jià)是判斷試驗(yàn)失敗以及執(zhí)行商務(wù)合同的重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，分析與研究聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果的不確定度就十分有必要[4-5]。

影響聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的主要因素有環(huán)境條件、燃?xì)廨啓C(jī)空氣進(jìn)口壓損及余熱鍋爐煙氣阻力、燃料類(lèi)型、蒸汽循環(huán)方式等[6-7]。盡管?chē)?guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者在燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)理論研究和試驗(yàn)方面進(jìn)行了深入研究[8-11]，但針對(duì)新建聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，研究環(huán)境參數(shù)對(duì)試驗(yàn)修正結(jié)果的影響以及試驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析，目前可見(jiàn)報(bào)道還較少。本文以某488 MW新建聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，分別在燃油和燃?xì)夤r下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，得到了不同環(huán)境參數(shù)計(jì)算工況值，通過(guò)對(duì)不同計(jì)算工況下進(jìn)行的結(jié)果修正計(jì)算，探討分析了環(huán)境參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正的影響，并依據(jù)ASME PTC19.1和ASME PTC46標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了試驗(yàn)不確定度[12-13]，對(duì)比分析了環(huán)境參數(shù)測(cè)量對(duì)結(jié)果不確定度的影響，該研究可為優(yōu)化試驗(yàn)方案提供參考。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

488 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，采用三拖一配置，包括三臺(tái)GE9E型雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)，主燃料為天然氣，備用燃料為輕柴油，雙燃料之間可相互切換；一臺(tái)NEM制造的雙壓、自然循環(huán)、無(wú)補(bǔ)燃、自然通風(fēng)的余熱鍋爐；一臺(tái)SKODA生產(chǎn)的雙壓、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。

1.2 研究方法

為研究環(huán)境參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正的影響，依據(jù)ASME PTC46[14]，在機(jī)組聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方式下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)是以主變高壓側(cè)作為功率的邊界，以燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口位置作為參數(shù)測(cè)量邊界，試驗(yàn)邊界如圖1所示，然后分別按機(jī)組在燃?xì)夂腿加驮囼?yàn)工況下測(cè)量環(huán)境參數(shù)，即燃機(jī)進(jìn)口空氣參數(shù)，包括環(huán)境溫度、大氣壓力和相對(duì)濕度等，其中每臺(tái)燃機(jī)布置8個(gè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)，2個(gè)大氣壓力測(cè)點(diǎn)，2個(gè)相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)，均為對(duì)稱(chēng)布置，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，設(shè)計(jì)得到了不同測(cè)量參數(shù)計(jì)算工況值，如1.2.3部分所示，并結(jié)合DCS歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)不同計(jì)算工況下進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。由于測(cè)試條件已偏離基準(zhǔn)工況下的設(shè)計(jì)條件，在試驗(yàn)工況下需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。根據(jù)測(cè)試方要求，將功率和熱耗率作為試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果。因此，試驗(yàn)過(guò)程中，依據(jù)設(shè)計(jì)廠家所提供的修正曲線對(duì)試驗(yàn)結(jié)果功率和熱耗率進(jìn)行修正，其修正計(jì)算參考ASME PTC46[14]。

圖1 試驗(yàn)邊界及測(cè)點(diǎn)位置圖

1.2.1 相對(duì)敏感系數(shù)

在試驗(yàn)結(jié)果分析中，當(dāng)判斷某特定參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)影響，宜采用相對(duì)敏感系數(shù)θ來(lái)表示：

(1)

R=f(x1,x2,…,xi)

(2)

其中θ<1，θ值越大則說(shuō)明該參數(shù)對(duì)結(jié)果的相對(duì)影響較大，可以作為權(quán)衡測(cè)量參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響程度。

1.2.2 不確定度分析

不確定度用于表征被測(cè)量值的分散性，是與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。它是測(cè)量結(jié)果的不能肯定程度，反之也表明該結(jié)果的可信賴(lài)程度。一切測(cè)量結(jié)果都不可避免地具有不確定度[2]。由于誤差是不確定度的來(lái)源，因此，將測(cè)量不確定度歸為兩類(lèi)：由隨機(jī)誤差引起的不確定度稱(chēng)為隨機(jī)誤差；由系統(tǒng)誤差引起的不確定度稱(chēng)為系統(tǒng)不確定度。

由于試驗(yàn)修正結(jié)果是通過(guò)各測(cè)量參數(shù)計(jì)算出來(lái)的，因此試驗(yàn)結(jié)果是各測(cè)量參數(shù)的函數(shù)，各基本參數(shù)的測(cè)量不確定度通過(guò)該函數(shù)關(guān)系，以加權(quán)方和根的形式，傳遞給測(cè)量結(jié)果。對(duì)于每個(gè)參數(shù)測(cè)量值相對(duì)獨(dú)立，都包括系統(tǒng)不確定度UB和隨機(jī)不確定度US兩部分，計(jì)算公式如式(3)[16]：

(3)

其中:UR為結(jié)果不確定度；UBi、USi分別為參數(shù)i的系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度；θi為參數(shù)i的相對(duì)敏感系數(shù)，參考1.2.1計(jì)算部分。

系統(tǒng)不確定度UB包括儀表不確定度UI和空間不確定度Us，其值應(yīng)取UI和Us的方和根，而隨機(jī)不確定度US指的是時(shí)間上的不確定度UT，具體的計(jì)算方法如下：

(a) 儀表不確定度UI

儀表本身的不確定度作為儀表的測(cè)量精度，是系統(tǒng)不確定度的主要來(lái)源，對(duì)于多重測(cè)點(diǎn)，平均測(cè)量不確定度等于單測(cè)點(diǎn)不確定度的1/m0.5，式中m為測(cè)點(diǎn)數(shù)目[17]。

(b) 空間不確定度Us

空間不確定度僅是某些沿空間分布的測(cè)點(diǎn)需要考慮的。例如汽輪機(jī)低壓缸的排汽壓力，即背壓 。由于排汽口的介質(zhì)流場(chǎng)極不均勻，實(shí)測(cè)的幾個(gè)排汽壓力相互間的差值一般遠(yuǎn)大于儀表不確定度和時(shí)間不確定度?？臻g不確定度的估算方法為：

Us=tν′·R

(4)

式中:tν′為替代分布，如表1所示；R為樣本范圍即樣本最大值與最小值之差(樣本數(shù)目少于10)。

(c) 時(shí)間不確定度UT

時(shí)間的不確定度來(lái)自測(cè)量時(shí)工況的穩(wěn)定性，但時(shí)間參數(shù)的變化隨時(shí)間而異，一般情況下，有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出了因時(shí)間變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的差異折算成不確定度的影響降至最小的樣本數(shù)量的要求，如果試驗(yàn)無(wú)法滿足此要求時(shí)，那么必須單獨(dú)考慮它的影響。當(dāng)樣本數(shù)量大于 10 時(shí)，應(yīng)用下面公式計(jì)算時(shí)間的不確定度UT。

(5)

式中:tν表示自由度ν，置信概率為95%的t-分布數(shù)，如表1所示；σS為樣本的均值標(biāo)準(zhǔn)偏差；R為樣本范圍即樣本最大值與最小值之差(樣本數(shù)目大于10)。

表1 t-分布和替代t-分布

為計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的不確定度，嚴(yán)格按照工程上廣泛采用的ASME 19.1不確定度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，建立的試驗(yàn)不確定度計(jì)算流程，如圖2所示，依據(jù)試驗(yàn)方案測(cè)點(diǎn)布置，由公式(1)計(jì)算各測(cè)量參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)敏感系數(shù)，進(jìn)而由公式(3)獲得試驗(yàn)結(jié)果不確定度，并按照表3不確定度的試驗(yàn)要求進(jìn)行評(píng)定[14]，若不滿足要求，則需重新調(diào)整試驗(yàn)方案。試驗(yàn)中采用的儀器及精度如表2所示。

表2 試驗(yàn)采用儀器

圖2 不確定度計(jì)算流程

表3 不確定度的試驗(yàn)要求 (ASME PTC46)

1.2.3 計(jì)算工況

試驗(yàn)工況為燃?xì)夂腿加蛢煞N燃料下，使用EIC-IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得參數(shù)測(cè)量值，如表4所示。表5為試驗(yàn)結(jié)果保證值。試驗(yàn)采用控制變量法，即一個(gè)變量變動(dòng)，其他變量采用試驗(yàn)測(cè)量值，不同測(cè)量參數(shù)下，得到計(jì)算工況如表6所示。

表4 不同燃料試驗(yàn)工況下的測(cè)量參數(shù)的測(cè)量值

表5 試驗(yàn)保證值

表6 測(cè)量參數(shù)的計(jì)算工況表

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 修正結(jié)果的影響

為研究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)修正后的功率和熱耗率的影響，在環(huán)境參數(shù)計(jì)算工況下，得到計(jì)算結(jié)果如下：

2.1.1 環(huán)境溫度

圖3表示為環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正功率和修正熱耗率的影響。當(dāng)環(huán)境溫度一定，燃?xì)夤r修正功率高于燃油工況，對(duì)應(yīng)的修正后熱耗率低于燃油工況，且兩種燃料下修正功率均隨著環(huán)境溫度的增加而增加，修正熱耗率隨著環(huán)境溫度的增加而降低。這是由于環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)口空氣密度減小，吸入的空氣質(zhì)量流量減小，進(jìn)而導(dǎo)致燃機(jī)排氣流量減小[2,18]，降低燃機(jī)出力，則試驗(yàn)下修正功率也就增大，而對(duì)應(yīng)的修正熱耗率就會(huì)減小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在燃?xì)夤r下，當(dāng)環(huán)境溫度從15 ℃升高到40 ℃，對(duì)應(yīng)的修正功率增加了61.33 MW，占功率保證值(488.8 MW)的12.55%，此時(shí)修正熱耗率降低了111.28 kJ/kg，占熱耗率保證值(7 245 kJ/kg)的1.54%(燃油工況時(shí)修正功率也提高了60.11 MW，修正熱耗率下降了55.50 kJ/kg)，可以看出，環(huán)境溫度的變化對(duì)修正功率影響顯著，而對(duì)修正熱耗率影響相對(duì)較小，且燃?xì)夤r比燃油工況下修正熱耗率變化幅度大。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正后功率和熱耗率的影響

2.1.2 大氣壓力

圖4表示為大氣壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正功率和修正熱耗率的影響。當(dāng)大氣壓力一定，燃?xì)夤r修正功率高于燃油工況，對(duì)應(yīng)的修正熱耗率低于燃油工況，且兩種燃料下修正功率基本上均隨著大氣壓力的增加而減小，修正熱耗率隨著大氣壓力的增加而增加。這是由于大氣壓力升高，使得空氣密度升高，進(jìn)而使得壓氣機(jī)進(jìn)口質(zhì)量流量升高，排氣流量升高[18]，提高燃?xì)廨啓C(jī)出力，則試驗(yàn)下修正功率也就減小，而對(duì)應(yīng)的修正熱耗率就會(huì)增加。根據(jù)修正曲線，在燃?xì)夤r下，當(dāng)大氣壓力從90 kPa升高到97.5 kPa，對(duì)應(yīng)的修正功率減小了42.32 MW，此時(shí)修正熱耗率增加了14.79 kJ/kg(燃油工況時(shí)修正功率降低了41.97 MW，修正熱耗率增加了16.34 kJ/kg)，可以看出，大氣壓力升高，一定程度上試驗(yàn)修正功率會(huì)下降，修正熱耗率會(huì)上升，在兩種燃料工況下試驗(yàn)修正結(jié)果影響差別不大，但對(duì)試驗(yàn)修正功率較修正熱耗率影響要大。

圖4 大氣壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正后功率和熱耗率的影響

2.1.3 相對(duì)濕度

圖5表示為相對(duì)濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正功率和修正熱耗率的影響。當(dāng)相對(duì)濕度一定，燃?xì)夤r修正功率要低于燃油工況下，對(duì)應(yīng)的修正熱耗率也較燃油工況要低，且兩種燃料下修正功率基本上均隨著相對(duì)濕度的增加而增加，修正熱耗率隨著相對(duì)濕度的增加而減小。這是由于相對(duì)濕度增加，使得空氣密度降低，進(jìn)而使得排氣流量降低[18]，則試驗(yàn)下修正功率也就減小，而對(duì)應(yīng)的修正熱耗率就會(huì)增加。根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如圖5，在燃?xì)夤r下，當(dāng)相對(duì)濕度從20%升高到70%，對(duì)應(yīng)的修正功率增加了25.81 MW，此時(shí)修正熱耗率降低了18.94 kJ/kg(燃油工況時(shí)修正功率提高了26.13 MW，修正熱耗率下降了22.19 kJ/kg)，可以看出，相對(duì)濕度升高，一定程度上試驗(yàn)修正功率會(huì)上升，修正熱耗率會(huì)下降，在兩種燃料工況下試驗(yàn)修正結(jié)果影響差別不大，但對(duì)試驗(yàn)修正功率較修正熱耗率影響要大。

圖5 相對(duì)濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正功率和熱耗率的影響

2.2 參數(shù)的相對(duì)影響

為進(jìn)一步確定環(huán)境參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果功率和熱耗率的相對(duì)影響，在燃?xì)夂腿加凸r下，根據(jù)1.2.1的計(jì)算方法，分別計(jì)算了在環(huán)境溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度等環(huán)境參數(shù)下，按試驗(yàn)工況計(jì)算得到了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)敏感系數(shù)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6表示不同燃料下測(cè)量參數(shù)對(duì)修正功率和修正熱耗率的影響因子?？梢钥闯?，在燃油和燃?xì)夤r下，大氣壓力對(duì)修正功率和修正熱耗率的影響因子較高，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度對(duì)修正結(jié)果的影響因子較低。而相比燃油工況，燃?xì)夤r下環(huán)境參數(shù)對(duì)修正結(jié)果的影響更大些。

圖6 測(cè)量參數(shù)對(duì)修正功率和修正熱耗率的影響因子

表7 修正功率不確定度計(jì)算匯總

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析

規(guī)程中ASME PTC46對(duì)各測(cè)量?jī)x器的精度及校驗(yàn)均有明確要求。本次性能試驗(yàn)采用的儀表及變送器均滿足這些要求。下面以燃?xì)夤r為例分析試驗(yàn)結(jié)果的不確定度。

2.3.1 修正功率

由公式(1)可知，修正后的功率與環(huán)境溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、燃料成分、燃機(jī)轉(zhuǎn)速以及功率因數(shù)等相關(guān)，故試驗(yàn)結(jié)果修正功率的不確定度是根據(jù)公式(3)用方根和將這些參數(shù)的不確定度合成，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

2.3.2 修正熱耗率

修正熱耗率的各項(xiàng)參數(shù)的不確定度分析與修正功率的不確定度分析相似，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表8 修正熱耗率不確定度計(jì)算匯總

從上面的不確定度分析來(lái)看，試驗(yàn)工況下修正功率測(cè)量的總不確定度為0.306 06%，小于0.8%；而修正熱耗率的總的不確定度為0.774 15%，小于1.25%，均滿足性能試驗(yàn)規(guī)程要求，表明本次試驗(yàn)是有效的。

2.4 參數(shù)測(cè)量對(duì)結(jié)果不確定度的影響

為了在性能實(shí)驗(yàn)中保證輸出功率、熱耗率滿足性能試驗(yàn)規(guī)程要求，必須控制各測(cè)量參數(shù)的測(cè)量不確定度。在燃油工況下，以環(huán)境參數(shù)的測(cè)量為例，假設(shè)其他參數(shù)的系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度保持不變，分析環(huán)境溫度、大氣壓力和相對(duì)濕度等測(cè)量參數(shù)分別對(duì)功率和熱耗率不確定度的影響，其中功率和熱耗率分別指修正后的功率和修正后的熱耗率。

圖7為環(huán)境參數(shù)精度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不確定度的影響。如圖所示，當(dāng)溫度變送器精度由0.2 K降至0.6 K，測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)偏差不變(即時(shí)間不確定度不變)，功率不確定度上升了0.11%，而熱耗率僅上升了0.000 11%；壓力變送器精度由0.075%降至0.15%，測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)偏差不變(即時(shí)間不確定度不變)，功率不確定度上升了1.62%，而熱耗率僅上升了0.000 55%；濕度變送器精度由2%降至6%，測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)偏差不變(即時(shí)間不確定度不變)，功率不確定度上升了5.66%，而熱耗率僅上升了0.006 9%，可以看出環(huán)境參數(shù)儀器精度對(duì)功率的不確定度影響較熱耗率的影響大。而當(dāng)環(huán)境測(cè)量參數(shù)的儀器精度不變，分別增大環(huán)境溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度的測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)差為1%、0.5%和2%，則功率不確定度分別上升了0.002 5%、0.205 7%和0.005 3%，而熱耗不確定度則依次增加了2.72×10-6%、6.95×10-5%和6.33×10-6%，不難看出，參數(shù)測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)差在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)結(jié)果的不確定度影響較小。因此，在保證環(huán)境參數(shù)不確定度不低于規(guī)程要求(ASME PTC22)前提下，滿足試驗(yàn)結(jié)果總的不確定度要求，可適當(dāng)降低環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x器精度，以控制試驗(yàn)儀器及其校驗(yàn)成本，該研究可為試驗(yàn)方案優(yōu)化提供參考。

(a) 功率

(b) 熱耗率圖7 環(huán)境參數(shù)精度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不確定度的影響

3 結(jié)論

在燃油和燃?xì)夤r下通過(guò)對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了不同環(huán)境參數(shù)計(jì)算工況，并在不同計(jì)算工況下進(jìn)行了結(jié)果修正以及試驗(yàn)不確定度計(jì)算，得到了以下主要結(jié)論：

(1) 在兩種燃料工況下，環(huán)境參數(shù)中環(huán)境溫度、相對(duì)濕度與試驗(yàn)結(jié)果功率修正均呈正相關(guān)，與對(duì)應(yīng)的熱耗率修正呈反相關(guān)；而環(huán)境參數(shù)中大氣壓力則剛好相反，這主要是由于環(huán)境條件的改變，引起了空氣密度發(fā)生改變。

(2) 兩種燃料工況下，環(huán)境參數(shù)中大氣壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果修正的影響最大，環(huán)境溫度次之，相對(duì)濕度最小，這主要是由于參數(shù)的相對(duì)敏感系數(shù)決定的。

(3) 相比環(huán)境參數(shù)測(cè)量均值標(biāo)準(zhǔn)差在一定范圍內(nèi)變化，其參數(shù)的儀器精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不確定度影響更大，且對(duì)功率的不確定度影響較熱耗率的影響大。

(4) 在滿足試驗(yàn)不確定度要求的前提下，可適當(dāng)降低環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x器精度，以控制試驗(yàn)儀器及其校驗(yàn)成本。