大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組分機島投產熱力性能分析方法研究

徐世斌 黃 偉

（中國電建集團湖北工程有限公司，湖北武漢430040）

0 引言

大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組與傳統火力發電機組相比，具有建設周期短、發電效率高、調峰性能好、運行可靠性高的特點，近年來發展十分迅速。但在建設過程中，汽機島設備制造周期長，施工相對復雜，使得機組聯合循環投產滯后于燃機單循環投產數月，尤其是在海外大型燃氣-蒸汽聯合循環發電項目建設中，不確定因素增多，機組聯合循環投產滯后燃機單循環的時間更長，達到半年甚至更久。若燃機單循環調試完成后即投入商業運行，待汽機島調試完成后再投聯合循環，即分機島投產，則聯合循環投產前，燃機單循環發電將產生巨大的經濟效益，特別是對于貸款融資類項目，將大幅緩解甲方的資金壓力。但分機島投產也存在一定的局限性，即聯合循環性能試驗時，燃機因老化而性能下降，導致聯合循環性能降低，試驗結果極有可能達不到合同要求，面臨被索賠的風險。因此，研究大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組分機島投產熱力性能分析方法具有重要的現實意義。

1 聯合循環機組整體熱力性能分析

1.1 純凝工況聯合循環發電機組出力和熱耗率

（1）實測發電機毛出力：

式中：Pgross為扣除勵磁后的聯合循環輸出功率；Pgross′為發電機端測量出的發電機輸出功率；PL，Exc′為發電機勵磁功率。

（2）聯合循環機組熱耗率：

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

1.2 聯合循環出力和熱耗率的修正

在機組進性能試驗中，由于試驗條件不可能完全符合性能保證工況，在試驗結果與保證值比較前，需按制造廠提供的修正曲線進行修正。修正項目包括：大氣壓、進氣溫度、進氣濕度、燃料低位熱值和碳氫比、燃料溫度、功率因數、壓氣機進氣壓損、透平轉速、冷卻水入口溫度、流量、汽水損失、老化修正等。

（1）聯合循環輸入總熱量：

式中：LHVFuel為燃料低位發熱量；mFuel，meas為燃料流量。

（2）修正至性能保證工況的聯合循環機組輸出功率：

式中：Δ2、Δ9、Δ10分別為功率因數、循環水溫度、泄漏量對功率的加法修正系數；α1～α7分別為大氣溫度、大氣壓力、相對濕度、壓氣機進氣壓損、燃料溫度、燃料低位發熱量和碳氫比、轉速對功率的乘法修正系數；KP，deg為機組老化對功率的乘法修正系數。

（3）修正至性能保證工況的聯合循環機組熱耗率：

式中：f1～f7分別為大氣溫度、大氣壓力、相對濕度、壓氣機進氣壓損、燃料溫度、燃料低位發熱量和碳氫比以及轉速對熱耗率的乘法修正系數；KHR，deg為機組老化對熱耗率的修正系數。

2 分機島投產的聯合循環機組熱力性能分析

分機島投產的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，聯合循環投產時，燃機島已單循環運行數月，為了驗證聯合循環機組在“新”“凈”狀態下的性能，性能試驗需分階段進行。

第1階段試驗是在燃氣輪機單循環試運行結束后，按照《燃氣輪機性能試驗標準》（ASME PTC 22）進行燃氣輪機性能試驗，并按照制造廠提供的燃機修正曲線，將燃機出力修正到性能保證工況出力；第2階段試驗是在聯合循環試運行結束后，按照《聯合循環汽輪機性能試驗規程》（ASME PTC 6.2）進行汽輪機性能試驗，并按照制造廠提供的汽機側修正曲線，將汽機出力修正到性能保證工況對應的出力。兩個階段試驗完成后，對數據進行綜合修正，得出聯合循環新機的性能。

在進行第2階段試驗時，燃機單循環已運行數月，存在老化現象，輸入熱量、出力、排氣流量和排氣溫度均較“新”“凈”狀態有不同程度的降低，進而導致在進行聯合循環性能試驗時，汽輪機出力降低。為了驗證機組在“新”“凈”狀態下的性能，有必要在第2階段聯合循環試驗開始前進行單循環試驗，確定燃機的輸入熱量、出力、排氣流量和排氣溫度相對第1階段試驗數據的老化程度，得到相應的老化系數Ch、Co、Cf、Ct，進而利用該老化系數將聯合循環的出力、熱耗修正到“新”“凈”狀態。其中Ch、Co、Cf、Ct的計算方法參照ASME PTC 46 5-5.3要求。

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

3 性能試驗中的重要參數及其對聯合循環機組性能的影響

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組性能試驗按照ASME PTC 46和ASME PTC 22標準，在燃機基本負荷進行開始前需對壓氣機進行離線水洗，以減少污垢對機組熱力性能的影響。同時，為了與設計工況接近，需對系統進行必要的隔離，如鍋爐停止排污，關閉所有的放水、放氣閥門等。除上述基本措施外，試驗參數測量的精度對試驗結果也會產生影響。理論分析和試驗結果表明，壓氣機進氣溫度、大氣溫度、天然氣流量、汽水損失等參數對試驗結果有重大影響，提高其測量精度對保證試驗結果的準確性具有重要意義。

3.1 壓氣機進氣溫度

壓氣機進氣溫度是指壓氣機進口法蘭處的空氣溫度，通常采用熱電阻進行測量。壓氣機進氣溫度對燃氣-蒸汽聯合循環機組出力的影響較大，當環境溫度偏離設計溫度時，溫度每變化1 ℃，對聯合循環機組出力的修正量約為0.5%。為了提高壓氣機進口溫度的測量精度，測點應布置在溫差較小的位置，如壓氣機進口通道內，盡量避免離熱力管道和地面較近的位置，因熱力管道對附近的空氣有加熱作用，而地面氣流運動會影響溫度場的穩定性。

3.2 大氣壓力

大氣壓力相對于設計工況，每偏差1 kPa，對聯合循環機組出力的修正量為0.7%～1%。大氣壓力可用安裝在壓氣機進口空氣過濾器前的大氣絕對壓力變送器測量，測量誤差不應超過33.3 Pa。現代高精度大氣壓力計不確定度可達±20 Pa，滿足ASME PTC 22測量不確定度不大于0.04%的要求。在試驗雙方同意的條件下，也可使用當地氣象臺同一時段的測量數據，但應根據試驗場所與氣象臺測點的海拔高差進行高度修正。

3.3 天然氣流量

按照ASME PTC 46的規定，天然氣流量可以使用孔板或渦輪式流量計測量，需保證燃料質量流量的總不確定度不超過0.8%。用于確定燃料質量流量的其他測量，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的頻率，其測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，如超聲波流量計，若能證明質量流量的總不確定度不大于0.8%，也可以使用。需說明的是，ASME PTC 22中規定，氣態燃料的質量流量不確定度不應超過0.8%，與ASME PTC 46的規定一致。在選用流量計時，量程不可太大，因為在流量計的小流量（≤20%）范圍內，隨著流量的減小，測量不確定度會大幅上升。需按照額定負荷時天然氣流量占測量表計滿量程的1/2～2/3來確定流量計的量程范圍，以確保測量精度。

3.4 汽水損失

燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱力系統汽水損失直接影響汽輪機的出力，盡管試驗中嚴格按照ASME PTC 46進行汽水系統隔離，以實現閥門零泄漏，但實際試驗期間不可能達到標準要求，汽水系統的泄漏不可避免，會造成試驗測得的機組性能與設計性能的偏差。因此，對試驗測得的性能必須進行補水率修正。聯合循環機組進行性能試驗時，汽水系統的泄漏程度體現在熱力系統內容器的水位變化上，這些容器一般包括凝汽器熱井、汽包等。試驗時通常采用電站永久儀表對這些容器的水位進行記錄。若試驗期間投入汽包水位自動調節，則汽包水位將保持穩定，泄漏率的大小將反映在凝汽器熱井的水位變化上，對應的系統泄漏率計算公式為：

式中：LR為系統泄漏率；DLCHW為試驗持續時間內熱井水位下降量；ACHW為熱井橫截面積；ρ為凝結水密度；t為試驗持續時間；MFW為余熱鍋爐總給水流量。

4 結論

（1）分機島投產的大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，性能試驗分兩個階段進行，第1階段按照ASME PTC 22進行燃機性能試驗，并按照制造廠提供的燃機修正曲線，將燃機出力修正到性能保證工況出力；第2階段按照ASME PTC 6.2進行汽機性能試驗，并按照制造廠提供的汽機側修正曲線，將汽機出力修正到性能保證工況對應的出力。（2）分機島投產的大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，在進行第2階段聯合循環性能試驗前，需進行燃機單循環性能試驗，并與第1階段燃機單循環性能試驗數據進行對比，確定燃機在輸入熱量、出力、排氣流量計排氣溫度等方面的老化系數Ch、Co、Cf、Ct，用于兩個階段數據的綜合修正，以得出聯合循環新機的性能。（3）在進行聯合循環性能試驗時，試驗參數的測量精度對試驗結果的影響較大，尤其對試驗結果有重要影響的參數，如壓氣機進氣溫度、大氣溫度、天然氣流量、汽水損失等，應確保其測量精度不低于ASME PTC 46的要求。（4）燃氣-蒸汽聯合循環機組性能試驗結果涉及商務索賠，對性能試驗的各個環節，包括試驗方案的確定、儀器儀表的檢定、初始條件的確認、燃料樣品的檢測與封存、試驗過程的鑒證以及試驗數據的處理等，均需要各參與方書面確認，以便出現問題時查找原因、分清責任。尤其對于分機島投產的大型燃氣-蒸汽聯合循環機組，在進行聯合循環性能試驗時，機組性能較“新”“凈”狀態會降低，極有可能發生商務糾紛，因此更需做好上述性能試驗各環節的簽字鑒證工作。