汽輪機熱力性能試驗測量不確定度的分析研究

華 敏， 李 平

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

汽輪機熱力性能試驗測量不確定度的分析研究

華 敏1， 李 平2

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

由于各種因素的影響，汽輪機熱力性能試驗結果值存在一定的偏差。詳細分析了汽輪機熱力性能試驗測量不確定度的影響因素。以某發電廠330 MW機組汽輪機熱力性能試驗為例，建立了汽缸效率、熱耗率測量不確定度的評定流程，進行了不確定度評定，具有一定的參考意義。

汽輪機；熱力性能試驗；熱耗率；缸效；不確定度

0 引言

汽輪機熱力性能試驗（簡稱熱試）一般分為考核試驗和常規試驗[1]。考核試驗指的是對新投產機組、通流改造后機組等進行的全面性熱力試驗，對熱力系統嚴密性、測量參數及試驗工況的穩定性、測量儀表的精度等級等都具有嚴格的要求，以此獲得最小的試驗不確定度，相對應地要付出較高的人力和物力成本。常規試驗指的是機組A/B/C修前后試驗、一般性技術改造前后的小型試驗等，與考核試驗相比，安裝的儀表較少，且對熱力系統的隔離要求相對較低，故試驗不確定度就會增加。

目前，汽輪機熱試一般都采用熱工測量的方法[2]，現場安裝壓力變送器、熱電偶或熱電阻、功率計等儀表，通過數據采集系統將壓力、溫度、電功率等信號自動采集到終端，對測量值進行計算后轉換成熱力參數，最終得到汽輪機汽缸效率、熱耗率等經濟性指標。整個試驗過程無論是系統還是測量參數值，常會出現與標準存在偏差的情況，故需分析這些偏差對測量不確定度的影響。

考慮到汽輪機熱試涉及的測量參數太多，故只需要關注對測量結果影響較大的不確定度來源，測量不確定的來源必須根據實測情況進行具體分析。

1 測量不確定度的分類

測量不確定度是對測量結果可信性、有效性的懷疑或不肯定程度，是定量說明測量結果質量的一個參數。

JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》將不確定度分為“A”類與“B”類[3]，僅為討論方便，并不意味著兩類評定之間存在本質上的區別，只是針對不同的對象和方法。

A類不確定度是由一組觀測得到的頻率分布導出的概率密度函數得出。采用統計的方法。

B類不確定度則是基于對一個事件發生的信任程度。由非統計方法（測量一次或幾次），即根據資料或假設的概率分布估計的標準差確定，包括：歷史測量數據；相關技術資料或儀器指標；廠商提供的數據；某些資料給出的參考數據。

汽輪機熱試時通過軟件得到的測量值就可通過A類不確定度來分析。熱試所用的儀表不確定度可參考B類不確定度來分析。

2 汽輪機熱試測量不確定度分析

2.1 試驗儀表對測量不確定度的影響

儀表的精度直接影響著測量的不確定度大小，目前試驗單位現場安裝的儀表均為高精度等級的，且都已在試驗前做第三方校驗。處理實測數據時，通過將儀表校驗報告上的偏差修正到試驗測量數據，就可大大降低儀表精度對試驗不確定度的影響。

對試驗結果影響較大的測量參數需安裝雙重測點，如汽缸進出口參數等。如現場有條件，除氧器和3號高加進口溫度的測量宜安裝雙重測點。這樣既可以保證儀器的正確使用，也可作為檢查問題的手段，同時取2個儀表的平均值即可降低測量不確定度。

2.2 熱力系統嚴密性對測量不確定度的影響

試驗前，須對機組熱力系統做隔離，尤其要關注對系統嚴密性影響較大的閥門內漏，如高/低壓旁路閥、高/低壓加熱器事故疏水閥等。

ASME PTC6試驗規程要求：熱力系統不明泄漏量不應超過滿負荷時主汽流量的0.1%[1]。但根據現場實際熱試經驗，不明泄漏量很難控制在0.1%以內，只要不大于0.3%即可。而熱力系統不明泄漏量對汽輪機熱耗率的影響是1∶1的關系，故在實際試驗中應盡可能做好系統內漏檢查工作。

2.3 試驗工況及測量參數的穩定性對測量不確定度的影響

試驗時，汽輪機參數一直在波動，只要保持相對穩定即可。為使試驗結果修正量最小，應盡量讓試驗在規定參數或盡可能接近規定參數下運行。如ASME PTC6規定，試驗時主汽壓允許偏差為絕對壓力的±3%，允許波動值為絕對壓力的±0.25%。

每個試驗工況開始前都需要有一段穩定時間，試驗過程中應保持負荷的穩定，要排除外界的干擾，包括電網調度和一次調頻、燃用煤種變化、凝汽器補水、啟停真空泵等影響。汽輪機閥點試驗時，通過DEH（汽輪機數字電液控制系統）對高調門信號強制，保持其開度不變。

若試驗期間出現較大的負荷或參數波動，則應先把工況或參數調整到位，再延長相應的試驗時間。

3 汽輪機熱試測量不確定度評定步驟

汽輪機熱試時評定測量不確定度的步驟如下：

（1）找出對測量結果影響較大的測量不確定度的來源。

（2）建立滿足測量不確定度評定所需的數學模型，包括汽輪機熱耗率和汽缸效率。

（3）確定各主要測量參數的估計值以及對應于各參數估計值的標準不確定度，包括A類評定和B類評定。

（4）確定對應于各主要參數的標準不確定度分量，列出不確定度分量匯總表。

（5）將各標準不確定度分量合成得到合成標準不確定度。

（6）確定擴展不確定度。

（7）給出測量不確定度報告。

以某330 MW機組汽輪機為例，型號為N330－16.67/538/538，THA（熱耗率驗收工況）考核試驗結果為：高、中壓缸效率分別為85.44%和92.07%，修正后熱耗率為7 991.71 kJ/kWh。汽缸效率和熱耗率不確定度評定流程如下。

4 汽輪機汽缸效率測量不確定度評定

通常汽缸效率分為高壓缸、中壓缸和低壓缸效率，考慮高、中壓缸效率值是實測得到的，而低壓缸效率是通過能量平衡計算得到，且計算過程中很多實測參數的誤差會最終傳遞到低壓缸效率計算值，故在此只考慮高壓缸效率和中壓缸效率。

下面以主蒸汽壓力（Pms）為例進行數據處理和不確定度分析，試驗中布置了2個主蒸汽壓力測點Pms1和Pms2，計算時采用其平均值，即：Pms=（Pms1+Pms2）/2。

4.1 測量重復性引入的標準不確定度分量

測量重復性引入的標準不確定度分量反映的是參數隨時間的變化引起的不確定度，該項不確定度分量用A類不確定度評定方法進行評定。

試驗過程中對參數進行了連續1.5 h的測量，共記錄了181次（n=181）。

主蒸汽壓力1（Pms1）的平均值為：

單次測量標準偏差：

平均值的標準偏差：

用同樣方法可計算Pms2的標準偏差：

Pms的標準偏差合成：

對有限次數的測量，需用修正因子T進行修正。對Pms來說，其自由度v為（其中m表示重復測點的數量）：

當包含因子k=2（置信概率p=95.45%），自由度v=360時，其修正因子T：

則主汽壓力測量重復性引入的標準不確定度分量uA（Pms）為：

4.2 測量儀表精度引入的標準不確定度分量

該項不確定度分量用B類不確定度評定方法進行評定。

主蒸汽壓力的測量儀表為2臺壓力變送器，精度為0.075%，其區間半寬a為：

4.3 合成標準不確定度分量

2個不確定度分量 uA（Pms）和uB（Pms）相互獨立，因此總的不確定度可以采用方和根方法合成：

其相對合成不確定度u′（Pms）：

4.4 測量參數誤差對汽缸效率影響的計算

選取對汽輪機汽缸效率相關的測量參數進行誤差計算，以主蒸汽壓力為列計算。

THA工況下，實測主蒸汽壓力Pms=16.827 MPa，高壓缸效率為ηg=85.44%；當Pms增加+1%時，通過計算，得到高壓缸效率ηg=84.63%；當Pms增加－1%時，高壓缸效率ηg=86.26%。

由此可知主蒸汽壓力變化1%，對高壓缸效率ηg的影響系數為0.955%。

4.5 汽缸效率測量不確定度評定結果

THA工況時高壓缸和中壓缸效率的不確定度計算匯總見表1和表2。

表1 THA工況高壓缸效率不確定度計算

表2 THA工況中壓缸效率不確定度計算

取包含因子k=2，高壓缸效率擴展不確定度：

中壓缸效率擴展不確定度：

檢測結果：THA工況下，

5 汽輪機熱耗率測量不確定度評定

5.1 測量參數及其不確定度

汽輪機熱試布置了八十多個壓力和溫度測點進行參數的測量，考慮到參數過多，故選取其中對試驗結果影響較大的參數來進行汽輪機熱耗率不確定度的計算。選取的參數如下：主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、高壓缸排汽壓力、高壓缸排汽溫度、再熱蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、低壓缸排汽壓力、最終給水溫度、主凝結水流量、系統隔離、機組出力。

上述各參數的測量不確定度計算方法見第4節所述。

5.2 測量參數誤差對汽輪機熱耗率影響的計算

選取對汽輪機熱耗率影響較大的測量參數誤差進行計算。以主蒸汽壓力為例進行計算。

THA工況下，實測主蒸汽壓力Pms=16.827 MPa，汽輪機熱耗率HR=7 991.71 kJ/kWh；當Pms增加+1%時，通過計算，得到汽輪機熱耗率HR= 7 991.61 kJ/kWh；當Pms增加-1%時，得到汽輪機熱耗率HR=7 991.80 kJ/kWh。

由此可知主蒸汽壓力Pms變化1%，對汽輪機熱耗率HR的影響系數為0.001 2%。

5.3 汽輪機熱耗率測量不確定度評定結果

THA工況時汽輪機熱耗率測量的不確定度計算匯總見表3。

取包含因子k=2，汽輪機熱耗擴展不確定度U（HR）=k×u（HR）=2×0.353 4%=0.706 8%。

檢測結果：THA工況下，汽輪機熱耗率HR=（7 991.71±56.48）kJ/kWh，k=2。

表3 THA工況汽輪機熱耗率測量不確定度計算

5.4 測量不確定度分析

由表3可知，試驗熱耗率不確定度為0.353%，而ASME PTC6的要求為0.25%，分析可知對熱耗率不確定度影響最大的是機組出力的測量。試驗時，機組出力測量是在發電機輸出端TV、TA回路上配接三相數字式功率計直接測量。功率計精度等級為0.1級、TV和TA精度均為0.2級，是試驗時不確定度的最大影響因素。

隨機誤差，即A類不確定度對熱耗率測量不確定度的最終結果影響較小，反映了試驗過程中對工況和參數的穩定性把控較好。

6 結語

以某300 MW機組為例，分析了汽輪機缸效和熱耗率測量不確定度的評定過程，汽輪機熱試測量不確定度的影響因素，以及試驗過程中為降低不確定度的注意事項。其中熱耗率測量不確定為0.353%，高于ASME PTC6規定的0.25%，主要原因在于TV與TA的精度對其影響最大。

汽輪機熱力性能試驗中測量不確定度評定是試驗報告的有效補充，有助于增加試驗報告結果的可信度。

[1]ASME PTC-2004.Steam Turbines Performance Test Codes [S].New York∶The American Society of Mechanical Engineers，2005.

[2]梁海雷，苗志強.汽輪機熱力性能試驗中不確定度的分析計算[J].電站系統工程，30（1）∶4-6.

[3]中國計量標準委員會.JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].北京：中國質檢出版社，2012.

原標題：汽輪機熱試測量不確定度分析研究

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Research on Measurement Uncertainty of Thermal Performance Test on Steam Turbine

HUA Min1，LI Ping2
（1.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China；2.Zhejiang Provincial Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to various influencing factors，the values of thermal performance test on steam turbine are slightly different.The paper analyzes factors that influence measurement uncertainty of thermal performance test on steam turbine.Taking thermal performance test on 330 MW steam turbine as an example，the paper establishes an evaluation process for measurement uncertainty of cylinder efficiency and heat rate and evaluates the uncertainty，which can be used as reference.

steam turbine；thermal performance test；heat rate；cylinder efficiency；uncertainty

TK267

B

1007-1881（2015）11-0020-04

2015-09-17

華 敏（1986），男，工程師，主要從事發電廠汽輪機熱力性能試驗及能耗診斷工作。