聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能試驗方法研究

陳賽科

(上海電氣燃氣輪機有限公司，上海 200240)

聯(lián)合循環(huán)機組通常用于供熱或電網(wǎng)調(diào)峰，機組的運行負荷受多方面因素影響，大部分機組經(jīng)常不能在滿負荷工況運行，其單位千瓦氣耗率越來越受關(guān)注。因此部分負荷性能也逐漸在合同中被列為性能保證值，但關(guān)于聯(lián)合機組部分負荷性能試驗方法的公開報道及工程經(jīng)驗均比較少，本文將就如何客觀準確地衡量部分負荷工況性能是否達到目標值展開研究。

聯(lián)合循環(huán)機組100%負荷純凝工況性能試驗流程和修正方法已比較明確[1-8]。也有學者做了多種不同燃氣輪機機型的聯(lián)合循環(huán)滿負荷及部分負荷特性相關(guān)的研究，如：不同運行方式對部分負荷性能的影響[9]；燃氣輪機進口空氣溫度對機組性能的影響[10-11]；采用Apros軟件模擬PG9171E燃氣輪機不同負荷率時機組的各參數(shù)和熱耗率變化[12]；采用Apros軟件模擬100%負荷時各運行邊界對機組性能的影響[13]；供熱工況下機組的特性[14]。目前關(guān)于綜合地展開聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況運行時的性能特性及性能試驗方法的研究，幾乎沒有公開報道。

本文基于某F級聯(lián)合循環(huán)機組，采用上海電氣燃氣輪機有限公司在IPSEpro平臺上自主開發(fā)的聯(lián)合循環(huán)熱力計算工具進行計算，該工具包含了典型F級聯(lián)合循環(huán)的部件特性參數(shù)，能夠方便地搭建聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)模型，進行不同工況的性能計算。文中將分析聯(lián)合循環(huán)機組在非滿負荷工況運行時的性能特性及各因素對性能的影響規(guī)律，同時結(jié)合聯(lián)合循環(huán)機組100%負荷的運行特性及性能試驗工程經(jīng)驗，提出適用于聯(lián)合循環(huán)單軸和分軸機組的部分負荷工況性能試驗的修正項、修正方法和試驗流程，旨在解決聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況性能不能準確考核的難題。

1 聯(lián)合循環(huán)機組的運行方式

燃氣輪機可以快速地啟停，不同型號的燃氣輪機啟動階段控制策略各有不同，以某F級燃氣輪機為例，燃氣輪機啟動過程如圖1所示。具體為：第1階段，待所有設(shè)備做完啟動前準備，燃氣輪機點火，轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速，等待并網(wǎng)；第2階段，燃氣輪機發(fā)電機并網(wǎng)，壓氣機進氣導葉 (Inlet Guiding Vane，IGV)開度保持不變，排氣溫度升至額定值，燃氣輪機負荷同步上升；第3階段，燃料閥和IGV協(xié)同控制燃氣輪機排氣溫度至目標值，負荷升至額定負荷。額定負荷時，燃氣輪機IGV處于完全打開狀態(tài)，燃氣輪機為“排氣溫度控制”模式運行。

圖1 燃氣輪機啟動過程

對聯(lián)合循環(huán)機組，在啟動階段燃氣輪機通常要等待汽水側(cè)啟動，如聯(lián)合循環(huán)機組啟動時，需要燃氣輪機在圖1中第1或第2階段等待鍋爐產(chǎn)生符合要求的蒸汽，用于汽輪機沖轉(zhuǎn)、暖機等，待汽輪機運行穩(wěn)定后，旁路閥逐漸關(guān)閉，同時燃氣輪機進入第3階段，燃氣輪機和汽輪機一起升負荷至目標值，此時啟動完成。

用電高峰階段，聯(lián)合循環(huán)機組處于滿負荷運行，燃氣輪機處于 “排氣溫度控制”模式運行，機組出力僅受大氣條件影響，如果大氣溫度上升，則聯(lián)合循環(huán)出力下降。但在非用電高峰階段，負荷受電網(wǎng)控制，機組通常在50%～80%負荷之間波動，即部分負荷運行，機組運行狀態(tài)受電網(wǎng)負荷指令和運行邊界條件共同影響，如聯(lián)合循環(huán)機組負荷指令不變，大氣溫度上升，則燃氣輪機排氣溫度上升，IGV開度變大，機組穩(wěn)定后，燃氣輪機出力下降，汽輪機出力上升。

2 聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能特性

聯(lián)合循環(huán)機組的熱力循環(huán)系統(tǒng)是燃氣輪機的布雷頓循環(huán)和汽水系統(tǒng)的朗肯循環(huán)結(jié)合在一起的復雜循環(huán)系統(tǒng)。燃料在燃氣輪機內(nèi)做功，輸出機械功，透平排出乏氣，透平排氣作為熱源帶動汽水系統(tǒng)做功，汽輪機輸出的機械功受透平排氣參數(shù)的影響[15]。

燃氣輪機的出力和熱耗率易受外界運行條件的影響，如氣象條件(氣溫、氣壓和相對濕度)、燃料成分、透平轉(zhuǎn)速等。燃氣輪機100%負荷工況時發(fā)電機端出力和熱耗率隨氣溫的變化趨勢如圖2所示，隨著氣溫升高，出力和熱耗顯現(xiàn)相反的變化趨勢。

圖2 燃氣輪機出力和熱耗率隨氣溫的變化

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機端出力和熱耗率隨以上因素變化而變化，圖3為聯(lián)合循環(huán)機組100%負荷工況時發(fā)電機端出力和熱耗率隨氣溫的變化趨勢。聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電機端的出力的變化趨勢和燃氣輪機相同，但其熱耗率變化趨勢與燃氣輪機相反，隨著氣溫的上升，燃氣輪機排氣流量下降，汽輪機出力處于上升狀態(tài)，然后呈緩慢下降趨勢，因此熱耗率呈現(xiàn)出圖3中先下降后上升的變化趨勢。

圖3 氣溫對聯(lián)合循環(huán)出力和熱耗率的影響

聯(lián)合循環(huán)機組處于部分負荷工況時，機組在圖1中的第3階段運行，此時燃氣輪機修正后的排氣溫度為恒定值，IGV開度和燃料閥開度協(xié)同控制機組負荷，部分負荷性能會受到氣象條件(氣溫、氣壓和相對濕度)、進氣壓損、燃料成分、透平轉(zhuǎn)速、汽輪機排汽壓力、機組負荷率等因素的影響。

本節(jié)針對某F級聯(lián)合循環(huán)機組，基于聯(lián)合循環(huán)出力維持目標值不變、燃料成分較為穩(wěn)定、透平轉(zhuǎn)速為3 000 r/min基本保持不變等條件，主要分析聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況下，氣象條件、壓氣機進氣壓損、汽輪機排汽壓力對熱耗率的影響。同時本節(jié)中提到的修正系數(shù)均為乘法修正系數(shù)，參考工況為ISO工況聯(lián)合循環(huán)75%負荷。

2.1 氣象條件對部分負荷工況熱耗率的影響

聯(lián)合循環(huán)機組其他運行條件在運行時保持不變，僅將氣象條件中的一個變量作為主變量。

當氣溫單函數(shù)關(guān)系變化時，氣溫上升，燃氣輪機排氣流量降低，排氣溫度升高，且上升幅度比排氣流量下降幅度大，排氣能量整體處于上升趨勢，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽的溫度和流量均增加，汽水側(cè)出力上升，汽輪機出力呈現(xiàn)上升趨勢，燃氣輪機出力被動下降。圖4為氣溫對100%負荷工況出力的影響。

圖4 氣溫對100%負荷工況出力的影響

圖5為在部分負荷工況時，熱耗率的修正系數(shù)隨氣溫的變化趨勢，氣溫上升時，燃氣輪機發(fā)電機端的輸出功率下降，但其熱耗率呈相反的變化趨勢，燃料消耗量處于下降狀態(tài)，此時保持聯(lián)合循環(huán)出力為目標值，熱耗率則呈下降趨勢，與文獻[8]和文獻[9]中描述的100%負荷工況下氣溫對機組特性的影響不同。

機組運行中負荷率處于變化狀態(tài)時，如圖5所示，當聯(lián)合循環(huán)負荷率為50%時，氣溫從5 ℃變?yōu)?5 ℃，聯(lián)合循環(huán)機組熱耗率下降約150 kJ/(kW·h)；當負荷率增加到75%時，其下降量約為130 kJ/(kW·h)。即壓氣機入口氣溫上升時，聯(lián)合循環(huán)的相對負荷率越低，其熱耗率變化就越明顯，與文獻[6]中描述的變化趨勢一致。

圖5 聯(lián)合循環(huán)部分負荷熱耗率隨氣溫變化的修正系數(shù)

當氣壓為單函數(shù)關(guān)系變化時，熱耗率在氣壓變化時的修正系數(shù)曲線如圖6所示。氣壓降低時，燃氣輪機運行在圖1中的第3階段，壓氣機入口空氣密度變小，排氣溫度保持不變，排氣能量有所下降。汽水側(cè)蒸汽溫度基本不變，蒸汽流量降低，汽輪機出力下降。為維護特定的聯(lián)合循環(huán)負荷，燃氣輪機IGV開度變大，燃氣輪機側(cè)發(fā)電機端出力被動提升，壓氣機和透平效率均上升，燃氣輪機效率上升幅度比出力上升幅度更大。因此，熱耗率和氣壓的變化趨勢相同。

圖6 聯(lián)合循環(huán)部分負荷熱耗率隨氣壓變化的修正系數(shù)

相對濕度保持單函數(shù)關(guān)系變化時，聯(lián)合循環(huán)部分負荷工況熱耗率受相對濕度變化的影響不明顯，圖7為大氣溫度為28 ℃和15 ℃時熱耗率的修正系數(shù)在不同相對濕度下的變化。如圖7中大氣溫度28 ℃的曲線所示，當相對濕度增加時，燃氣輪機排氣溫度上升，排氣流量下降，燃氣輪機排氣能量上升，汽輪機出力有所升高，燃氣輪機出力被動下降，同時IGV開度下降，燃氣輪機熱耗率升高，且升高幅度大于汽輪機出力升高幅度，因此，空氣中的相對濕度變高時，熱耗率也上升。

氣溫和相對濕度均比較低時，通過主動降低燃燒室核心燃料區(qū)域溫度，可以控制熱力型NOx的生成，因此圖7中大氣溫度為15 ℃的曲線在空氣中的相對濕度低于60%時，其修正系數(shù)隨濕度降低呈變小趨勢，即熱耗率上升。

圖7 聯(lián)合循環(huán)部分負荷熱耗率隨相對濕度變化的修正系數(shù)

2.2 進氣壓損對部分負荷工況熱耗率的影響

燃氣輪機進氣系統(tǒng)壓力損失大小對聯(lián)合循環(huán)機組性能有一定的影響，圖8為不同負荷率下熱耗率的修正系數(shù)的變化，滿負荷工況時，透平排氣流量和機組輸出機械功快速下降，雖然排氣溫度有所上升，但排氣能量下降，汽輪機輸出的機械功也同步下降，其熱耗率會呈現(xiàn)上升趨勢。

圖8 聯(lián)合循環(huán)部分負荷熱耗率隨進氣壓損變化的修正系數(shù)

部分負荷工況時，透平排氣溫度幾乎維持恒定值，進氣壓損增加時，燃氣輪機進氣部分損失增加，燃氣輪機出力稍有減少，但聯(lián)合循環(huán)出力維持目標值不變，汽輪機出力需要被動增加。此時IGV開度處于開大趨勢，IGV的節(jié)流損失變小，熱耗率相對變化量比100%負荷工況時稍小。

2.3 排汽壓力對部分負荷工況熱耗率的影響

汽輪機排汽壓力有所改變時，燃氣輪機出力由于汽輪機出力的波動而被動變化。圖9為排汽壓力對熱耗率的影響，壓力升高，汽輪機出力逐漸變小，為了保持聯(lián)合循環(huán)出力不變，燃料閥開度變大(燃料流量增加)，燃氣輪機透平做功增加，而聯(lián)合循環(huán)出力維持特定值，此時熱耗率上升。

圖9 聯(lián)合循環(huán)部分負荷熱耗率隨汽輪機背壓變化的修正系數(shù)

3 部分負荷工況性能試驗方法

3.1 聯(lián)合循環(huán)機組100%負荷性能修正方法

聯(lián)合循環(huán)機組在100%負荷純凝工況下進行性能試驗時，燃氣輪機處于“排氣溫度控制”運行模式，聯(lián)合循環(huán)性能受運行邊界影響，當運行邊界偏離性能保證工況的邊界參數(shù)時，需把出力和熱耗率修正至對應工況，以考核機組性能是否達標。

筆者在文獻[4]中已對聯(lián)合循環(huán)機組100%負荷性能試驗時的修正方法做了詳細描述，聯(lián)合循環(huán)100%負荷純凝工況出力和熱耗率的修正見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)和(2)包含功率因數(shù)、汽水系統(tǒng)泄漏和汽輪機冷端3項加法修正，其他的運行邊界均為乘法修正，包括燃氣輪機等效運行小時數(shù)對出力和熱耗率的修正。

3.2 部分負荷工況運行時的性能試驗方法

聯(lián)合循環(huán)機組按配置形式分為分軸機組和單軸機組。分軸機組的燃氣輪機和汽輪機各配1臺發(fā)電機，單軸機組的燃氣輪機和汽輪機共用1臺發(fā)電機。機組運行時，分軸機組通過DCS協(xié)調(diào)，可以分別控制總負荷或者燃氣輪機單獨負荷，而單軸機組只能控制聯(lián)合循環(huán)出力，因此基于ASME PTC46中的規(guī)定[16-17]及文獻[18-19]中的介紹，同時結(jié)合聯(lián)合循環(huán)單、分軸機組的特點，本文提出兩種適用于聯(lián)合循環(huán)部分負荷工況的性能試驗方法：

1)“指定燃氣輪機出力”模式。性能試驗時，設(shè)定燃氣輪機出力至目標負荷，即控制修正后的燃氣輪機出力，汽輪機出力被動隨運行邊界波動，其出力波動不會影響燃氣輪機出力和機組運行時的控制方式，此時燃氣輪機的運行與100%負荷時燃氣輪機的運行相似。

“指定燃氣輪機出力”模式下，部分負荷工況時，燃氣輪機實際出力與目標出力可能稍有偏離，這會影響聯(lián)合循環(huán)出力，因此當實測燃氣輪機出力偏離目標值時，需要針對該偏差對聯(lián)合循環(huán)出力進行乘法修正，具體如下：

(3)

式中：a8為燃氣輪機出力與目標值的偏差對聯(lián)合循環(huán)出力的乘法修正系數(shù)。

(4)

式中：f8為燃氣輪機實際出力與目標出力的偏差對熱耗率的乘法修正系數(shù)。

聯(lián)合循環(huán)機組進行性能試驗時，運行工況盡量與性能保證工況接近，以減少由于運行工況偏離引起的修正量，該方法僅適用于聯(lián)合循環(huán)分軸機組。

2)“指定聯(lián)合循環(huán)出力”模式。設(shè)定聯(lián)合循環(huán)出力至目標值，即控制修正后的聯(lián)合循環(huán)出力，燃氣輪機和汽輪機出力隨運行工況變化，并自動匹配和分配負荷。

“指定聯(lián)合循環(huán)出力”模式下，實測出力即為修正后聯(lián)合循環(huán)的目標出力，出力不需要進行額外修正，當運行工況的出力和目標出力相比有偏差時，增加出力偏離量，對熱耗率進行乘法修正，具體如下:

(5)

式中：f8為聯(lián)合循環(huán)出力偏離目標值對熱耗率的乘法修正系數(shù)；f9為汽水泄漏對熱耗率的乘法修正系數(shù)；f10為汽輪機背壓(單、分軸機組)或凝汽器循環(huán)水溫度和流量(分軸機組)對熱耗率的乘法修正系數(shù)。

該修正方法對分軸機組和單軸機組均適用。同時修正曲線繪制時，也只需繪制各影響因素對熱耗率的修正即可。

3.3 兩種試驗方法的對比

性能試驗時，針對以上2種試驗方法，試驗前修正曲線繪制工作量及性能試驗期間機組的運行方式有差異，2種試驗方法各有優(yōu)勢。

“指定燃氣輪機出力”模式的優(yōu)點為：性能試驗時，只需將燃氣輪機出力控制至目標出力即可，汽輪機的運行狀態(tài)對燃氣輪機沒有影響，只有外界運行條件變化時，汽輪機出力才被動跟隨，同時聯(lián)合循環(huán)熱耗率也相應波動；聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況下，可以參考100%負荷工況對出力和熱耗率的修正方法，汽輪機的冷端修正采用循環(huán)水流量或汽輪機背壓修正均可。缺點為：適用范圍小，僅對分軸機組部分負荷工況時的性能試驗適用；修正曲線繪制的工作較為繁瑣，修正曲線繪制時，需要同時繪制各運行邊界對出力和熱耗率的修正曲線，工作量與聯(lián)合循環(huán)100%負荷工況性能試驗類似。

“指定聯(lián)合循環(huán)出力”模式的優(yōu)點為：繪制修正曲線的工作量小，只需繪制各影響因素對熱耗率的修正曲線即可；適用范圍廣，可適用于聯(lián)合循環(huán)單軸和分軸機組。缺點為：乘法修正項增加，性能試驗時控制聯(lián)合循環(huán)出力，汽輪機排汽背壓和汽水泄漏影響汽輪機出力。為了保持聯(lián)合循環(huán)出力不變，燃氣輪機出力被動跟隨，同時汽輪機出力及聯(lián)合循環(huán)熱耗率均相應波動，當汽輪機排汽壓力和汽水泄漏偏離設(shè)計值時，需要以乘法修正的方式修正熱耗偏差量；如果修正邊界縮小，則在做聯(lián)合循環(huán)部分負荷性能試驗時，無法準確測量汽輪機出力，即無法通過熱平衡法計算循環(huán)水流量，汽輪機冷端只采用背壓修正，凝汽器性能將被排除至修正邊界外，因此試驗前需各方確認并達成一致。

“指定燃氣輪機出力”和“指定聯(lián)合循環(huán)出力”2種方法各有優(yōu)勢，考慮到準備工作的工作量和試驗方法的通用性，推薦采用“指定聯(lián)合循環(huán)出力”模式。

4 結(jié) 論

本文研究了聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能特性、性能試驗修正方法和試驗方法，主要結(jié)論如下：

1)聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能試驗時修正項與100%負荷時基本相同。

2)單軸機組性能試驗時，只能采用“指定聯(lián)合循環(huán)出力”模式進行修正，汽輪機排汽壓力以乘法修正作為聯(lián)合循環(huán)的冷端修正。

3)分軸機組性能試驗時， “指定燃氣輪機出力”方法和“指定聯(lián)合循環(huán)出力”方法均可采用。

采用“指定燃氣輪機出力”方法時，冷端修正采用循環(huán)水參數(shù)或背壓對機組出力進行修正均可，冷端修正為加法修正；采用“指定聯(lián)合循環(huán)出力”方法時，修正方法與聯(lián)合循環(huán)單軸機組相同。

從修正曲線繪制工作量、修正方法適應性及試驗時機組控制的難易程度來說，推薦采用“指定聯(lián)合循環(huán)出力” 模式進行性能試驗。

本文的相關(guān)研究將為聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷性能試驗提供理論參考。