大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組分機(jī)島投產(chǎn)熱力性能分析方法研究

徐世斌 黃 偉

（中國(guó)電建集團(tuán)湖北工程有限公司，湖北武漢430040）

0 引言

大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組相比，具有建設(shè)周期短、發(fā)電效率高、調(diào)峰性能好、運(yùn)行可靠性高的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展十分迅速。但在建設(shè)過(guò)程中，汽機(jī)島設(shè)備制造周期長(zhǎng)，施工相對(duì)復(fù)雜，使得機(jī)組聯(lián)合循環(huán)投產(chǎn)滯后于燃機(jī)單循環(huán)投產(chǎn)數(shù)月，尤其是在海外大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)中，不確定因素增多，機(jī)組聯(lián)合循環(huán)投產(chǎn)滯后燃機(jī)單循環(huán)的時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到半年甚至更久。若燃機(jī)單循環(huán)調(diào)試完成后即投入商業(yè)運(yùn)行，待汽機(jī)島調(diào)試完成后再投聯(lián)合循環(huán)，即分機(jī)島投產(chǎn)，則聯(lián)合循環(huán)投產(chǎn)前，燃機(jī)單循環(huán)發(fā)電將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，特別是對(duì)于貸款融資類項(xiàng)目，將大幅緩解甲方的資金壓力。但分機(jī)島投產(chǎn)也存在一定的局限性，即聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)時(shí)，燃機(jī)因老化而性能下降，導(dǎo)致聯(lián)合循環(huán)性能降低，試驗(yàn)結(jié)果極有可能達(dá)不到合同要求，面臨被索賠的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組分機(jī)島投產(chǎn)熱力性能分析方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體熱力性能分析

1.1 純凝工況聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組出力和熱耗率

（1）實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)毛出力：

式中：Pgross為扣除勵(lì)磁后的聯(lián)合循環(huán)輸出功率；Pgross′為發(fā)電機(jī)端測(cè)量出的發(fā)電機(jī)輸出功率；PL，Exc′為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率。

（2）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率：

式中：mf為天然氣流量；LHV為天然氣低位放熱量；Pgross為機(jī)組毛出力。

1.2 聯(lián)合循環(huán)出力和熱耗率的修正

在機(jī)組進(jìn)性能試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)條件不可能完全符合性能保證工況，在試驗(yàn)結(jié)果與保證值比較前，需按制造廠提供的修正曲線進(jìn)行修正。修正項(xiàng)目包括：大氣壓、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、燃料低位熱值和碳?xì)浔?、燃料溫度、功率因?shù)、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損、透平轉(zhuǎn)速、冷卻水入口溫度、流量、汽水損失、老化修正等。

（1）聯(lián)合循環(huán)輸入總熱量：

式中：LHVFuel為燃料低位發(fā)熱量；mFuel，meas為燃料流量。

（2）修正至性能保證工況的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率：

式中：Δ2、Δ9、Δ10分別為功率因數(shù)、循環(huán)水溫度、泄漏量對(duì)功率的加法修正系數(shù)；α1～α7分別為大氣溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損、燃料溫度、燃料低位發(fā)熱量和碳?xì)浔取⑥D(zhuǎn)速對(duì)功率的乘法修正系數(shù)；KP，deg為機(jī)組老化對(duì)功率的乘法修正系數(shù)。

（3）修正至性能保證工況的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率：

式中：f1～f7分別為大氣溫度、大氣壓力、相對(duì)濕度、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損、燃料溫度、燃料低位發(fā)熱量和碳?xì)浔纫约稗D(zhuǎn)速對(duì)熱耗率的乘法修正系數(shù)；KHR，deg為機(jī)組老化對(duì)熱耗率的修正系數(shù)。

2 分機(jī)島投產(chǎn)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能分析

分機(jī)島投產(chǎn)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，聯(lián)合循環(huán)投產(chǎn)時(shí)，燃機(jī)島已單循環(huán)運(yùn)行數(shù)月，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)需分階段進(jìn)行。

第1階段試驗(yàn)是在燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)試運(yùn)行結(jié)束后，按照《燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（ASME PTC 22）進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)，并按照制造廠提供的燃機(jī)修正曲線，將燃機(jī)出力修正到性能保證工況出力；第2階段試驗(yàn)是在聯(lián)合循環(huán)試運(yùn)行結(jié)束后，按照《聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》（ASME PTC 6.2）進(jìn)行汽輪機(jī)性能試驗(yàn)，并按照制造廠提供的汽機(jī)側(cè)修正曲線，將汽機(jī)出力修正到性能保證工況對(duì)應(yīng)的出力。兩個(gè)階段試驗(yàn)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合修正，得出聯(lián)合循環(huán)新機(jī)的性能。

在進(jìn)行第2階段試驗(yàn)時(shí)，燃機(jī)單循環(huán)已運(yùn)行數(shù)月，存在老化現(xiàn)象，輸入熱量、出力、排氣流量和排氣溫度均較“新”“凈”狀態(tài)有不同程度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致在進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)時(shí)，汽輪機(jī)出力降低。為了驗(yàn)證機(jī)組在“新”“凈”狀態(tài)下的性能，有必要在第2階段聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行單循環(huán)試驗(yàn)，確定燃機(jī)的輸入熱量、出力、排氣流量和排氣溫度相對(duì)第1階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)的老化程度，得到相應(yīng)的老化系數(shù)Ch、Co、Cf、Ct，進(jìn)而利用該老化系數(shù)將聯(lián)合循環(huán)的出力、熱耗修正到“新”“凈”狀態(tài)。其中Ch、Co、Cf、Ct的計(jì)算方法參照ASME PTC 46 5-5.3要求。

修正后的聯(lián)合循環(huán)出力：Pcorr=（Pmeas，GT×Co+Pmeas，ST×Cf×修正后的聯(lián)合循環(huán)輸入熱量：Qcorr=Qmeas，GT×Gh。修正后的聯(lián)合循環(huán)熱耗率

3 性能試驗(yàn)中的重要參數(shù)及其對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組性能試驗(yàn)按照ASME PTC 46和ASME PTC 22標(biāo)準(zhǔn)，在燃機(jī)基本負(fù)荷進(jìn)行開(kāi)始前需對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行離線水洗，以減少污垢對(duì)機(jī)組熱力性能的影響。同時(shí)，為了與設(shè)計(jì)工況接近，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的隔離，如鍋爐停止排污，關(guān)閉所有的放水、放氣閥門等。除上述基本措施外，試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量的精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度、大氣溫度、天然氣流量、汽水損失等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重大影響，提高其測(cè)量精度對(duì)保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。

3.1 壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度

壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度是指壓氣機(jī)進(jìn)口法蘭處的空氣溫度，通常采用熱電阻進(jìn)行測(cè)量。壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度偏離設(shè)計(jì)溫度時(shí)，溫度每變化1 ℃，對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的修正量約為0.5%。為了提高壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的測(cè)量精度，測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在溫差較小的位置，如壓氣機(jī)進(jìn)口通道內(nèi)，盡量避免離熱力管道和地面較近的位置，因熱力管道對(duì)附近的空氣有加熱作用，而地面氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)影響溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性。

3.2 大氣壓力

大氣壓力相對(duì)于設(shè)計(jì)工況，每偏差1 kPa，對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的修正量為0.7%～1%。大氣壓力可用安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口空氣過(guò)濾器前的大氣絕對(duì)壓力變送器測(cè)量，測(cè)量誤差不應(yīng)超過(guò)33.3 Pa?，F(xiàn)代高精度大氣壓力計(jì)不確定度可達(dá)±20 Pa，滿足ASME PTC 22測(cè)量不確定度不大于0.04%的要求。在試驗(yàn)雙方同意的條件下，也可使用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)同一時(shí)段的測(cè)量數(shù)據(jù)，但應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)所與氣象臺(tái)測(cè)點(diǎn)的海拔高差進(jìn)行高度修正。

3.3 天然氣流量

按照ASME PTC 46的規(guī)定，天然氣流量可以使用孔板或渦輪式流量計(jì)測(cè)量，需保證燃料質(zhì)量流量的總不確定度不超過(guò)0.8%。用于確定燃料質(zhì)量流量的其他測(cè)量，如用于確定密度的成分分析、壓力、溫度、差壓或渦輪式流量計(jì)的頻率，其測(cè)量不確定度都必須予以考慮，以滿足上述要求。其他型式的流量計(jì)，如超聲波流量計(jì)，若能證明質(zhì)量流量的總不確定度不大于0.8%，也可以使用。需說(shuō)明的是，ASME PTC 22中規(guī)定，氣態(tài)燃料的質(zhì)量流量不確定度不應(yīng)超過(guò)0.8%，與ASME PTC 46的規(guī)定一致。在選用流量計(jì)時(shí)，量程不可太大，因?yàn)樵诹髁坑?jì)的小流量（≤20%）范圍內(nèi)，隨著流量的減小，測(cè)量不確定度會(huì)大幅上升。需按照額定負(fù)荷時(shí)天然氣流量占測(cè)量表計(jì)滿量程的1/2～2/3來(lái)確定流量計(jì)的量程范圍，以確保測(cè)量精度。

3.4 汽水損失

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力系統(tǒng)汽水損失直接影響汽輪機(jī)的出力，盡管試驗(yàn)中嚴(yán)格按照ASME PTC 46進(jìn)行汽水系統(tǒng)隔離，以實(shí)現(xiàn)閥門零泄漏，但實(shí)際試驗(yàn)期間不可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，汽水系統(tǒng)的泄漏不可避免，會(huì)造成試驗(yàn)測(cè)得的機(jī)組性能與設(shè)計(jì)性能的偏差。因此，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的性能必須進(jìn)行補(bǔ)水率修正。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，汽水系統(tǒng)的泄漏程度體現(xiàn)在熱力系統(tǒng)內(nèi)容器的水位變化上，這些容器一般包括凝汽器熱井、汽包等。試驗(yàn)時(shí)通常采用電站永久儀表對(duì)這些容器的水位進(jìn)行記錄。若試驗(yàn)期間投入汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，則汽包水位將保持穩(wěn)定，泄漏率的大小將反映在凝汽器熱井的水位變化上，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)泄漏率計(jì)算公式為：

式中：LR為系統(tǒng)泄漏率；DLCHW為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)熱井水位下降量；ACHW為熱井橫截面積；ρ為凝結(jié)水密度；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間；MFW為余熱鍋爐總給水流量。

4 結(jié)論

（1）分機(jī)島投產(chǎn)的大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，性能試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第1階段按照ASME PTC 22進(jìn)行燃機(jī)性能試驗(yàn)，并按照制造廠提供的燃機(jī)修正曲線，將燃機(jī)出力修正到性能保證工況出力；第2階段按照ASME PTC 6.2進(jìn)行汽機(jī)性能試驗(yàn)，并按照制造廠提供的汽機(jī)側(cè)修正曲線，將汽機(jī)出力修正到性能保證工況對(duì)應(yīng)的出力。（2）分機(jī)島投產(chǎn)的大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，在進(jìn)行第2階段聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)前，需進(jìn)行燃機(jī)單循環(huán)性能試驗(yàn)，并與第1階段燃機(jī)單循環(huán)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定燃機(jī)在輸入熱量、出力、排氣流量計(jì)排氣溫度等方面的老化系數(shù)Ch、Co、Cf、Ct，用于兩個(gè)階段數(shù)據(jù)的綜合修正，以得出聯(lián)合循環(huán)新機(jī)的性能。（3）在進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量精度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，尤其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要影響的參數(shù)，如壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度、大氣溫度、天然氣流量、汽水損失等，應(yīng)確保其測(cè)量精度不低于ASME PTC 46的要求。（4）燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果涉及商務(wù)索賠，對(duì)性能試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括試驗(yàn)方案的確定、儀器儀表的檢定、初始條件的確認(rèn)、燃料樣品的檢測(cè)與封存、試驗(yàn)過(guò)程的鑒證以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等，均需要各參與方書(shū)面確認(rèn)，以便出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)查找原因、分清責(zé)任。尤其對(duì)于分機(jī)島投產(chǎn)的大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組性能較“新”“凈”狀態(tài)會(huì)降低，極有可能發(fā)生商務(wù)糾紛，因此更需做好上述性能試驗(yàn)各環(huán)節(jié)的簽字鑒證工作。