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。
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)。
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
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
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
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。
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
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。