聯合循環機組性能試驗中環境參數對結果修正的影響及不確定度分析

關盼龍，范軍輝，何遠正，張 博

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，西安 710032)

隨著燃氣輪機技術的日益成熟，以及人們對環保質量要求的提高，加之燃氣輪機及其聯合循環機組具有高的熱效率、運行靈活、較少的投資費用，且在一定程度上可解決燃燒污染環境問題，逐漸在我國火電行業形成異軍突起的態勢[1-3]。

新建燃氣-蒸汽聯合循環機組投運時，對其整體性能考核試驗尤為重要，這不僅對機組性能進行技術鑒定，而且當性能指標達不到合同規定值，是執行“違約罰款”的依據。同時，通過性能試驗，可以發現電廠運行過程中發電設備存在的技術與質量問題，為電廠今后運行、檢修提供技術依據。應用不確定度理論對試驗結果的精確性和有效性做出量化的評價是判斷試驗失敗以及執行商務合同的重要基礎。在此基礎上，分析與研究聯合循環機組性能試驗結果的不確定度就十分有必要[4-5]。

影響聯合循環機組性能的主要因素有環境條件、燃氣輪機空氣進口壓損及余熱鍋爐煙氣阻力、燃料類型、蒸汽循環方式等[6-7]。盡管國內外研究機構及學者在燃氣輪機及其聯合循環理論研究和試驗方面進行了深入研究[8-11]，但針對新建聯合循環機組的現場性能試驗，研究環境參數對試驗修正結果的影響以及試驗結果的不確定度分析，目前可見報道還較少。本文以某488 MW新建聯合循環機組為研究對象，分別在燃油和燃氣工況下進行了現場性能試驗，得到了不同環境參數計算工況值，通過對不同計算工況下進行的結果修正計算，探討分析了環境參數對試驗結果修正的影響，并依據ASME PTC19.1和ASME PTC46標準計算了試驗不確定度[12-13]，對比分析了環境參數測量對結果不確定度的影響，該研究可為優化試驗方案提供參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

488 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組，采用三拖一配置，包括三臺GE9E型雙燃料燃氣輪機，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NEM制造的雙壓、自然循環、無補燃、自然通風的余熱鍋爐；一臺SKODA生產的雙壓、單軸、凝汽式汽輪機。

1.2 研究方法

為研究環境參數對試驗結果修正的影響，依據ASME PTC46[14]，在機組聯合循環運行方式下進行了現場性能試驗，試驗是以主變高壓側作為功率的邊界，以燃氣輪機進口位置作為參數測量邊界，試驗邊界如圖1所示，然后分別按機組在燃氣和燃油試驗工況下測量環境參數，即燃機進口空氣參數，包括環境溫度、大氣壓力和相對濕度等，其中每臺燃機布置8個環境溫度測點，2個大氣壓力測點，2個相對濕度測點，均為對稱布置，測點位置如圖1所示，設計得到了不同測量參數計算工況值，如1.2.3部分所示，并結合DCS歷史運行數據，對不同計算工況下進行了試驗結果計算。由于測試條件已偏離基準工況下的設計條件，在試驗工況下需要對試驗結果進行修正。根據測試方要求，將功率和熱耗率作為試驗評估結果。因此，試驗過程中，依據設計廠家所提供的修正曲線對試驗結果功率和熱耗率進行修正，其修正計算參考ASME PTC46[14]。

圖1 試驗邊界及測點位置圖

1.2.1 相對敏感系數

在試驗結果分析中，當判斷某特定參數對試驗結果的相對影響，宜采用相對敏感系數θ來表示：

(1)

R=f(x1,x2,…,xi)

(2)

其中θ<1，θ值越大則說明該參數對結果的相對影響較大，可以作為權衡測量參數對結果的影響程度。

1.2.2 不確定度分析

不確定度用于表征被測量值的分散性，是與測量結果相聯系的參數。它是測量結果的不能肯定程度，反之也表明該結果的可信賴程度。一切測量結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源，因此，將測量不確定度歸為兩類：由隨機誤差引起的不確定度稱為隨機誤差；由系統誤差引起的不確定度稱為系統不確定度。

由于試驗修正結果是通過各測量參數計算出來的，因此試驗結果是各測量參數的函數，各基本參數的測量不確定度通過該函數關系，以加權方和根的形式，傳遞給測量結果。對于每個參數測量值相對獨立，都包括系統不確定度UB和隨機不確定度US兩部分，計算公式如式(3)[16]：

(3)

其中:UR為結果不確定度；UBi、USi分別為參數i的系統不確定度和隨機不確定度；θi為參數i的相對敏感系數，參考1.2.1計算部分。

系統不確定度UB包括儀表不確定度UI和空間不確定度Us，其值應取UI和Us的方和根，而隨機不確定度US指的是時間上的不確定度UT，具體的計算方法如下：

(a) 儀表不確定度UI

儀表本身的不確定度作為儀表的測量精度，是系統不確定度的主要來源，對于多重測點，平均測量不確定度等于單測點不確定度的1/m0.5，式中m為測點數目[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點需要考慮的。例如汽輪機低壓缸的排汽壓力，即背壓 。由于排汽口的介質流場極不均勻，實測的幾個排汽壓力相互間的差值一般遠大于儀表不確定度和時間不確定度。空間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(樣本數目少于10)。

(c) 時間不確定度UT

時間的不確定度來自測量時工況的穩定性，但時間參數的變化隨時間而異，一般情況下，有關試驗標準給出了因時間變化對試驗結果造成的差異折算成不確定度的影響降至最小的樣本數量的要求，如果試驗無法滿足此要求時，那么必須單獨考慮它的影響。當樣本數量大于 10 時，應用下面公式計算時間的不確定度UT。

(5)

式中:tν表示自由度ν，置信概率為95%的t-分布數，如表1所示；σS為樣本的均值標準偏差；R為樣本范圍即樣本最大值與最小值之差(樣本數目大于10)。

表1 t-分布和替代t-分布

為計算試驗結果的不確定度，嚴格按照工程上廣泛采用的ASME 19.1不確定度計算標準，建立的試驗不確定度計算流程，如圖2所示，依據試驗方案測點布置，由公式(1)計算各測量參數對試驗結果的相對敏感系數，進而由公式(3)獲得試驗結果不確定度，并按照表3不確定度的試驗要求進行評定[14]，若不滿足要求，則需重新調整試驗方案。試驗中采用的儀器及精度如表2所示。

表2 試驗采用儀器

圖2 不確定度計算流程

表3 不確定度的試驗要求 (ASME PTC46)

1.2.3 計算工況

試驗工況為燃氣和燃油兩種燃料下，使用EIC-IMP數據采集系統獲得參數測量值，如表4所示。表5為試驗結果保證值。試驗采用控制變量法，即一個變量變動，其他變量采用試驗測量值，不同測量參數下，得到計算工況如表6所示。

表4 不同燃料試驗工況下的測量參數的測量值

表5 試驗保證值

表6 測量參數的計算工況表

2 計算結果分析

2.1 修正結果的影響

為研究環境參數變化對修正后的功率和熱耗率的影響，在環境參數計算工況下，得到計算結果如下：

2.1.1 環境溫度

圖3表示為環境溫度對試驗結果修正功率和修正熱耗率的影響。當環境溫度一定，燃氣工況修正功率高于燃油工況，對應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境溫度的增加而增加，修正熱耗率隨著環境溫度的增加而降低。這是由于環境溫度升高，導致壓氣機進口空氣密度減小，吸入的空氣質量流量減小，進而導致燃機排氣流量減小[2,18]，降低燃機出力，則試驗下修正功率也就增大，而對應的修正熱耗率就會減小。根據計算結果，在燃氣工況下，當環境溫度從15 ℃升高到40 ℃，對應的修正功率增加了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，環境溫度的變化對修正功率影響顯著，而對修正熱耗率影響相對較小，且燃氣工況比燃油工況下修正熱耗率變化幅度大。

圖3 環境溫度對試驗結果修正后功率和熱耗率的影響

2.1.2 大氣壓力

圖4表示為大氣壓力對試驗結果修正功率和修正熱耗率的影響。當大氣壓力一定，燃氣工況修正功率高于燃油工況，對應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，進而使得壓氣機進口質量流量升高，排氣流量升高[18]，提高燃氣輪機出力，則試驗下修正功率也就減小，而對應的修正熱耗率就會增加。根據修正曲線，在燃氣工況下，當大氣壓力從90 kPa升高到97.5 kPa，對應的修正功率減小了42.32 MW，此時修正熱耗率增加了14.79 kJ/kg(燃油工況時修正功率降低了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，一定程度上試驗修正功率會下降，修正熱耗率會上升，在兩種燃料工況下試驗修正結果影響差別不大，但對試驗修正功率較修正熱耗率影響要大。

圖4 大氣壓力對試驗結果修正后功率和熱耗率的影響

2.1.3 相對濕度

圖5表示為相對濕度對試驗結果修正功率和修正熱耗率的影響。當相對濕度一定，燃氣工況修正功率要低于燃油工況下，對應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濕度的增加而增加，修正熱耗率隨著相對濕度的增加而減小。這是由于相對濕度增加，使得空氣密度降低，進而使得排氣流量降低[18]，則試驗下修正功率也就減小，而對應的修正熱耗率就會增加。根據試驗計算結果如圖5，在燃氣工況下，當相對濕度從20%升高到70%，對應的修正功率增加了25.81 MW，此時修正熱耗率降低了18.94 kJ/kg(燃油工況時修正功率提高了26.13 MW，修正熱耗率下降了22.19 kJ/kg)，可以看出，相對濕度升高，一定程度上試驗修正功率會上升，修正熱耗率會下降，在兩種燃料工況下試驗修正結果影響差別不大，但對試驗修正功率較修正熱耗率影響要大。

圖5 相對濕度對試驗結果修正功率和熱耗率的影響

2.2 參數的相對影響

為進一步確定環境參數對試驗結果功率和熱耗率的相對影響，在燃氣和燃油工況下，根據1.2.1的計算方法，分別計算了在環境溫度、大氣壓力、相對濕度等環境參數下，按試驗工況計算得到了對應的試驗結果的相對敏感系數，其結果如圖6所示。

圖6表示不同燃料下測量參數對修正功率和修正熱耗率的影響因子。可以看出，在燃油和燃氣工況下，大氣壓力對修正功率和修正熱耗率的影響因子較高，環境溫度和相對濕度對修正結果的影響因子較低。而相比燃油工況，燃氣工況下環境參數對修正結果的影響更大些。

圖6 測量參數對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算匯總

2.3 試驗結果的不確定度分析

規程中ASME PTC46對各測量儀器的精度及校驗均有明確要求。本次性能試驗采用的儀表及變送器均滿足這些要求。下面以燃氣工況為例分析試驗結果的不確定度。

2.3.1 修正功率

由公式(1)可知，修正后的功率與環境溫度、大氣壓力、相對濕度、燃料成分、燃機轉速以及功率因數等相關，故試驗結果修正功率的不確定度是根據公式(3)用方根和將這些參數的不確定度合成，結果匯總如表7所示。

2.3.2 修正熱耗率

修正熱耗率的各項參數的不確定度分析與修正功率的不確定度分析相似，結果匯總如表8所示。

表8 修正熱耗率不確定度計算匯總

從上面的不確定度分析來看，試驗工況下修正功率測量的總不確定度為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%，均滿足性能試驗規程要求，表明本次試驗是有效的。

2.4 參數測量對結果不確定度的影響

為了在性能實驗中保證輸出功率、熱耗率滿足性能試驗規程要求，必須控制各測量參數的測量不確定度。在燃油工況下，以環境參數的測量為例，假設其他參數的系統不確定度和隨機不確定度保持不變，分析環境溫度、大氣壓力和相對濕度等測量參數分別對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為環境參數精度變化對試驗結果不確定度的影響。如圖所示，當溫度變送器精度由0.2 K降至0.6 K，測量均值標準偏差不變(即時間不確定度不變)，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%，測量均值標準偏差不變(即時間不確定度不變)，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%，測量均值標準偏差不變(即時間不確定度不變)，功率不確定度上升了5.66%，而熱耗率僅上升了0.006 9%，可以看出環境參數儀器精度對功率的不確定度影響較熱耗率的影響大。而當環境測量參數的儀器精度不變，分別增大環境溫度、大氣壓力、相對濕度的測量均值標準差為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，參數測量均值標準差在一定范圍內變化，對結果的不確定度影響較小。因此，在保證環境參數不確定度不低于規程要求(ASME PTC22)前提下，滿足試驗結果總的不確定度要求，可適當降低環境參數測量儀器精度，以控制試驗儀器及其校驗成本，該研究可為試驗方案優化提供參考。

(a) 功率

(b) 熱耗率圖7 環境參數精度變化對試驗結果不確定度的影響

3 結論

在燃油和燃氣工況下通過對聯合循環機組性能試驗，設計了不同環境參數計算工況，并在不同計算工況下進行了結果修正以及試驗不確定度計算，得到了以下主要結論：

(1) 在兩種燃料工況下，環境參數中環境溫度、相對濕度與試驗結果功率修正均呈正相關，與對應的熱耗率修正呈反相關；而環境參數中大氣壓力則剛好相反，這主要是由于環境條件的改變，引起了空氣密度發生改變。

(2) 兩種燃料工況下，環境參數中大氣壓力對試驗結果修正的影響最大，環境溫度次之，相對濕度最小，這主要是由于參數的相對敏感系數決定的。

(3) 相比環境參數測量均值標準差在一定范圍內變化，其參數的儀器精度對試驗結果不確定度影響更大，且對功率的不確定度影響較熱耗率的影響大。

(4) 在滿足試驗不確定度要求的前提下，可適當降低環境參數測量儀器精度，以控制試驗儀器及其校驗成本。