9F單軸燃氣—蒸汽聯合循環機組的熱力性能試驗

朱梅芳，包勁松，秦攀，樓可煒，李 龍

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

燃氣—蒸汽聯合循環機組具有效率高、排放清潔、建造周期短和調峰能力強等特點，西氣東輸工程促進了沿線燃氣輪機聯合循環電廠的建設。目前浙江省共有15臺容量約400 MW的9F單軸燃機聯合循環機組已投產運行，其中GE公司7臺，Siemens公司5臺，三菱公司3臺。

1 設計性能

與傳統的燃煤機組相比，燃氣—蒸汽聯合循環機組具有強大的效率優勢，其熱效率最低也有57.6%。東方電氣采用三菱燃機，ISO（標準工況）下聯合循環機組設計效率為58.7%，出力為455.8 MW，比哈爾濱電氣公司的機組性能高1%。表1列出了上述三大燃機廠商具有代表性的燃機聯合循環性能指標，為避免環境條件對聯合循環機組性能的影響，統一采用ISO進氣條件，汽機冷端背壓取4.9 kPa。

對于聯合循環機組，提高透平進氣溫度是提高其效率最直接的方法，燃機制造廠商一方面在耐高溫材料、冷卻技術以及隔熱涂層等方面不斷尋求技術突破以提高燃機透平入口初溫，另一方面通過系統優化提高機組性能。

表1 9F單軸聯合循環機組的性能指標比較

Siemens 燃機在 SGT5-4000F（6）/F（x）上增加了HCO（液力間隙優化）系統，通過投運HCO系統，使燃機轉子向逆氣流方向移動，以減少透平動葉和缸體的間隙，同時壓氣機端的間隙相應增大。壓氣機端由此損失的功率比透平端增加的功率要小，減少了葉頂間隙，在無燃料變化的情況下可增加機組出力約3 MW。

與其它制造廠商不同，三菱燃機增加了TCA（燃機冷卻空氣系統），壓氣機排氣經過TCA并過濾后冷卻轉子。利用燃機冷卻空氣的能量，加熱高壓給水，以提高機組能源利用效率。

2 試驗中的重要參數及其影響

燃機聯合循環試驗根據ASME PTC46（美國機械工程師協會汽輪機及全廠性能試驗規程）及ASME PTC22（美國機械工程師協會燃氣輪機性能試驗規程）等相關標準進行，試驗前需要對壓氣機進行離線水洗，以減少壓氣機污垢對機組性能的影響。對試驗計算有重要影響的參數如表2所示。

2.1 壓氣機進氣溫度

壓氣機進口溫度變化對燃機聯合循環機組出力有很大影響，當環境溫度大于設計溫度時，氣溫每變化1℃對機組出力的修正量為0.4%～0.6%，因此必須提高壓氣機進口溫度的測量精度。目前采用1級精度的PT100熱電阻元件配變送器進行測量，其測量精度為±0.1℃，測點數目可根據機組進氣口布置方式作適當調整。

不同燃機廠商有不同的壓氣機進氣口布置方式。GE燃機為高空一面進氣，試驗時溫度測點布置分4層，每層1個點。Siemens燃機為高空三面進氣，測點分3層布置，3面共9個測點。三菱燃機為近地面三面進氣，測點方式為左右側分2層布置，每層1個測點，中間分2層，每層1個測點，共8個測點。表3—5為壓氣機進氣溫度分布情況。受陽光照射、風速、風向等環境條件影響，濾網前進氣小室內空氣溫度場有一定的不均勻性，GE燃機為單面進氣，其溫度場相對比較均勻，溫差在0.5℃以內，而Siemens和三菱燃機為三面朝向布置，溫差相應較大。特別是三菱燃機，一方面進氣口附近熱力管道較多，對附近的空氣有一定的加熱作用；另一方面進氣口離地面較近，受地面氣流運動的影響也較大。

表2 燃機聯合循環機組重要試驗參數

表3 GE燃機壓氣機進氣溫度分布情況

為盡可能地準確測量壓氣機進口溫度，應盡量選擇溫差小的地方進行測量，如壓氣機進口通道內。如果受現場條件、儀器設備限制，需要在進氣濾網小室內測量，則盡量靠近濾網側，以提高測點的代表性。

2.2 大氣壓力

大氣壓力每偏差1 kPa，對機組出力的影響約0.7%～1%。目前采用精度為±0.15 hPa的大氣壓力計進行測量，與常規絕對壓力變送器測量相比，該大氣壓力計測量值不受儀器擺放位置（平放、豎放）的影響，測量數據更穩定可靠。

表4 Siemens燃機壓氣機進氣溫度分布情況

表5 三菱燃機壓氣機進氣溫度分布情況

2.3 進/排氣壓損

壓氣機進氣壓損是壓氣機進口全壓與濾網前壓力（大氣壓）之差，排氣壓損為透平排氣全壓與大氣壓之差。正常情況下需要采用畢托管迎著來流方向測量管道內空氣（煙氣）流速，當儀表及其安裝不能滿足試驗要求時，可采用計算空氣（煙氣）質量流量和已知的流道面積來計算流速，從而得到動壓和全壓。通常情況下該項修正為零。

2.4 天然氣流量

GE燃機天然氣流量計量采用Coriolis質量流量計，優點是其質量流量可以直接用于計算機組熱耗率，缺點是精度不高，根據廠家提供的校驗資料，該流量計在校驗時采用的介質為常壓下的水，校驗精度為0.1%，若測量天然氣，則其精度將下降至0.5%。流量信號直接進入燃機Mark VI控制系統，對流量修正計算時沒有考慮高壓天然氣對其測量精度的影響，因此在實際應用過程中要對流量進行壓力修正。試驗過程中還發現質量流量計量程偏大，在Baseload（額定負荷）工況運行時，其運行流量僅占滿量程的1/5，在流量計的小流量（10%）范圍內，隨著流量減小其測量不確定度將大幅上升。運行期間當天然氣單位質量熱值大幅提高時，運行流量將進一步減小，從而增加測量不確定性。因此，建議新建機組在招投標期間即明確提出設計工況天然氣流量需占測量表計滿量程的1/2～2/3，以此來確定表計的量程范圍，確保儀表精度。

Siemens燃機和三菱燃機均采用高精度的渦輪流量計進行測量，校驗介質為高壓天然氣，校驗精度高于0.2%。渦輪流量計優點為測量精度高，缺點為由于測量的是體積流量，還需壓縮因子計算，進行體積流量和質量流量之間的換算。

2.5 汽機冷端修正

按照ASME PTC46，要求采用循環水流量和循環水進口溫度對汽輪機冷端進行修正，鑒于用超聲波流量計直接測量循環水流量誤差太大，難以滿足測量所需的直管段要求，一般是根據能量平衡原理，通過計算來求得循環水流量。對于Siemens燃機，由于有SSS離合器，可以進行燃機單循環運行，從而計算出凝汽器熱負荷和循環水流量。GE和三菱燃機則無法進行燃機單循環運行，所以對其冷端修正進行簡化，直接采用汽輪機背壓對機組進行冷端修正。

2.6 聯合循環機組老化修正

供貨合同中規定：機組在首次點火后，總計500 h（視不同的供貨合同而定）實際點火小時以內視為處于新的和清潔的狀態，超過該時間則需要對機組進行老化修正。GE燃機根據實際點火運行小時對機組出力和效率進行修正，而Siemens和三菱燃機則以等效運行小時對機組出力和效率進行修正。

為直觀對比燃機廠商提供的老化修正，假設機組實際運行500 h，啟停50次，沒有發生負荷快速變動或跳閘事故等，其運行（等效運行）小時以及對機組出力和熱耗率的老化修正見表6，三菱機組的老化修正量為永久性等效老化小時EDH1和可恢復的等效老化小時EDH2之和。

表6 9FA單軸燃機聯合循環機組老化修正量

從表6可以看出，在機組正常運行情況下，三菱燃機在相同的啟動次數和運行小時數情況下，老化修正量大于其他機組。考慮到GE燃機采用的是實際運行小時數，運行過程中難免會因跳閘等影響機組負荷快速波動的情況而增加等效運行小時，因此Siemens和GE燃機老化修正量基本一致。為避免老化修正給試驗結果帶來的影響，使其能真實反映機組運行性能，應盡可能在機組處于“新的和清潔的狀態下”，即在合同規定的運行小時內進行試驗。

2.7 汽水損失

聯合循環機組熱力系統汽水損失直接影響汽機的出力，雖然試驗標準ASME PTC46中提出需對機組進行嚴格的熱力系統隔離，以實現閥門零泄漏，但實際試驗期間基本不可能達到上述要求。有的制造廠商給出的方案是：當系統汽水損失超過鍋爐高壓主蒸汽流量的0.1%以上時，進行汽水損失修正。但這樣會導致機組汽水損失可以放得很大甚至失控，增加試驗的不確定度。因此，燃機聯合循環試驗時宜結合燃煤機組的經驗適當修改：當汽水損失為凝結水流量（進入鍋爐給水流量）的0.1%以內時，不計汽水損失修正；汽水損失為0.2%～0.5%時，扣除0.1%后再進行汽水損失修正；當汽水損失超過0.5%時，除非試驗各方對汽水損失修正達成一致意見，否則試驗終止，進入閥門消缺程序。汽水損失的有效量化，提高了機組試驗的可操作性，便于控制試驗進程。

2.8 試驗運行工況

Siemens燃機在環境溫度與設計值偏差約-6℃及以下時，自動進入Load LMT（負荷限制）模式運行，無法進入OTC模式。廠商認為Load LMT也是Baseload工況，但在這2種運行模式下，進氣溫度和大氣壓力等參數對機組出力和熱耗率修正的差異很大，Load LMT模式下進行試驗無法如實表征機組性能狀況。試驗標準中也沒有對Baseload進行明確定義，為避免歧義，可對Baseload試驗工況作如下定義：IGV全開（100%），且在OTC模式下運行的Baseload試驗工況。對Siemens燃機來說，應盡量避免在冬季低溫條件下安排試驗。

2.9 試驗時段

通常情況下，當機組以Baseload工況運行2～3 h，待機組運行參數穩定即可正式開始試驗，試驗記錄時間為1 h。由于浙江省的天然氣氣源比較復雜，其組分各異，不同的摻混方式對天然氣熱值和流量有直接影響，因此試驗前需確認天然氣組分有大幅度變化的時段，盡可能避開這些時段進行試驗，試驗過程中也需對天然氣組分和流量進行密切關注，一旦試驗過程中發現異常，即終止試驗。

3 試驗結果

表7為9F型單軸燃機聯合循環機組的試驗結果，可以看出，Siemens燃機的壓氣機出口壓力為1.94 MPa，高于其他廠商，該壓氣機只有15級葉片，說明Siemens壓氣機單級效率較高。

經參數修正后三菱燃機聯合循環機組出力為453 MW，老化修正后達到456 MW，出力在3種機型中是最大的。而就機組效率而言，Siemens燃機效率為58.3%，略高于三菱燃機，GE燃機的出力和效率為3者最低。

表7 9FA型單軸燃機聯合循環試驗結果對比

從透平排氣溫度來看，Siemens燃機排氣溫度比設計值低7℃，機組出力和效率還有可調節余量，而GE燃機排氣溫度比設計值大3℃，三菱則與設計值一致。對同一臺機組來說，透平排氣溫度高說明透平進口初溫也高，進口初溫提高則透平效率也相應增加，但初溫提高會增加機組熱應力，對機組壽命有一定的影響。

4 結語

隨著Siemens公司、GE公司和三菱公司生產的9F單軸燃機聯合循環機組在浙江省內陸續投產，其性能和出力這2個最重要的考核指標備受關注，試驗單位在嚴格按照試驗標準的前提下，要求試驗機組的參數、老化修正等也處于合理狀態，力爭做到公平、公正。

（1）聯合循環性能試驗期間，需對壓氣機進氣溫度、機組汽水損失等重要參數進行有效控制。

（2）比較上述3家公司的燃機老化修正量可知，三菱燃機老化修正最大。為避免老化修正給試驗結果帶來的影響，應盡可能在機組處于“新的和清潔的狀態下”進行試驗。

（3）通過對燃機聯合循環機組的性能對比，同類型機組中Siemens燃機效率較好，三菱燃機出力最大。從透平排氣溫度來看，Siemens燃機未達到設計排氣溫度，機組效率還有提高的余量，而GE燃機則超過了設計值，有可能會額外增加機組熱應力。

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