9F單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱力性能試驗

浙江浙能金華燃機發電有限責任公司 胡曉明 何飛德

目前隨著我國針對能源政策的調整以及全國用電結構的整體變化，使得我國在單軸燃氣-蒸汽聯合循環的燃機機組獲得了長足發展。同時在浙江省等地投入了三個大型聯合循環電站，但對于我國的大型聯合循環電站的制造，其大型設備均是從外國進口，且產自不同領域的國家，而這也就間接導致了對于整體的聯合循環電站其熱力性能指標以及相關的技術不一定具備同一指標。整體的聯合循環機組進行配套的設置、運行其安全環節檢測，針對聯合循環電站的熱力性能進行相關測試。

然而我國當下并沒有完備的針對聯合循環機組的配套檢測，簡而言之就是我國并不具備標準的單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱力性能測試標準，因此通過對國內第1套單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組進行相關實踐，并對此進行深入探索，對試驗的具體流程、試驗的測量方法以及聯合循環機組的運行原理以及計算原理進行相關探究，進而提出針對聯合循環機組對于熱力性能試驗所需要注意的方向及其技術要點。

目前隨著我國現代化進程的不斷加快，且為了實現對自然資源的最大化利用，現在對于燃機機組的熱力性能具有更高的要求。因此本文旨在通過分析當下浙江省內已投產運營的幾種不同的9F 單軸燃機的熱力性能實驗，首先通過對具體的實驗過程進行闡述，其次對實驗過程中存在的主要問題進行具體分析，并能夠提出相應的改進方案，最終得出實驗結果，并通過對實驗結果的分析得出9F 單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱力性能。

1 對于聯合循環機組的性能設計

1.1 聯合循環機組的熱力性能試驗目的及其標準

首先對于聯合循環機組的熱力性能必須做出全面的檢測與評價，同時一定要確保實驗的準確性，對于9F 單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組的總輸出功率以及總輸入功率一定要保證其實驗數據的準確。同時需要確保聯合循環機組的熱力性能是否達到國外對于此的相關標準，并且對于試驗的試驗過程以及測試方法都需要進行保存與記錄，保證試驗的進行成果。

1.2 對于聯合循環機組的性能設計

首先，我們相對于傳統的燃機機組是由燃煤方式的燃氣機，其對于環境的巨大破壞以及效率的低下，使得對于聯合循環機組在此方面擁有強大的環境以及效率優勢，且同時對于國內所使用的燃氣-蒸汽聯合循環機組的最低效率也可達57%。本次實驗通過對上海電氣、哈爾濱電氣以及東方電氣三家公司的聯合循環機組進行性能測試并進行比較。

對于燃氣-蒸汽聯合循環機組的效率提升的最佳方式，是提高聯合循環機組的燃機透平進氣溫度，這是提高聯合循環機組效率的最有效、也是最為簡單的方式。因此對于目前的一些燃機生產廠家，主要通過添加耐高溫材料，以及使用相關冷卻技術與化學防治的技術來突破對燃機透平進行溫度限制，同時還可以通過優化聯合循環機組的系統性能來實現整體的效率提升。下面對三家所使用的聯合循環技術進行相關對比：

首先我們通過查閱相關資料可以得出對于上海電氣所使用的燃機其改進措施主要是對系統的優化，其添加了液力間隙優化系統，這能夠使燃氣機組的轉子逆向流動，以此來減少燃機葉片以及缸體之間的間距。這導致的結果是燃機機組的壓氣機端的間隙增大，同時壓氣機的損失功率比透平種類的壓氣機小，并且減小了葉頂的間距，在這種情況下能夠在一定程度上增加燃機機組的出力約4MW。

而對于東方氣所使用的聯合循環機組，其中加了燃機冷卻空氣系統，能夠在壓氣機的排氣通過燃機冷卻空氣系統時對轉子進行冷卻，而對于其損失的熱量還能夠給水加熱，以此來增加熱量的循環，進而來增加整個燃機機組的熱力效能。

2 熱力效能測試實驗的參數及其影響

在實驗開始之前，需要對壓氣機進行水洗工作，其最主要的目的是為了減少對于壓氣機的污垢對于實驗所造成的影響，通過對試驗數據的計算分析具有重要影響的參數，并對這些參數進行分析記錄。

2.1 聯合循環機組的壓氣機進口溫度

對于壓氣機的進口溫度其會對實驗結果造成巨大影響。首先需要對環境溫度進行設計，同時通過實驗發現，對于外界環境溫度的變化其會對我們所設計的溫度造成巨大影響，當環境溫度每擁有1℃的變化量，便會使得聯合循環機組的機組出力修正值增大0.5%左右的實驗誤差。因此，我們所設計的溫度必須充分保證其測量精度的準確，為了減少減小實驗誤差，可以在這點數目方面對進氣口進行調整。

對于三家燃機機組的生產廠家所使用的壓氣機進口調整方式不同，與哈爾濱電氣公司所使用的燃機機組主要是高空一面進氣，在實驗過程中針對溫度的測量布局主要分為五層，每一層均設有一個點；而對于上海電氣使用的燃機機組其主要為高空三面進氣，而對于其特點主要分為4層，總共為12個點。

而對于東方電器而言，其使用的燃機機組主要為地面三面進氣，其測量方式主要是兩側兩層布置，每層只有一個測點，中間擁有兩層，總計八個測點。同時對于實驗還需要受到光照，風速，風向等外界條件的影響，而且對于濾網前的進氣口其空氣溫度由于濾網的存在，使得進氣的空氣溫度分布不均勻，這就在一定程度上對實驗結果造成影響。

而對于哈爾濱電氣公司所使用的燃機機組是單面進氣，這就使得場內溫度較為均勻，而其他兩個電器公司所使用的燃機機組由于其三面布局導致其溫差效應較大，而造成這一結果的主要因素是進氣口附近擁有許多的熱力管道，這就會對周圍的溫度進行加熱，并且由于進氣口離地面較近以及空氣的熱回流，使得環境溫度造成巨大影響，進而影響實驗結果。

因此，為了保證實驗結果的準確性，一定要確保所試驗的環境一定要選擇溫差較小的場地進行相關實驗。同時說是受到現場條件的限制，我們還可以使用進氣濾網來實現小室內的測量，以此來提高測量的準確性與代表性。

2.2 聯合循環機組的大氣壓力

我們通過實驗以及查閱相關文獻得出，對于大氣壓力每相差一千帕、其對于機組出力所造成的誤差約為0.9%左右，因此一定要確保大氣壓力的精準測量，同時為了更好的減小誤差，可以對測量儀器的擺放位置進行相關測量，以此來找出更為適合的精度更高的測量方式。

2.3 聯合循環機組的進氣與出氣壓差

對于聯合循環機組的進氣與出氣壓差，就是指進氣口與出氣口的大氣壓力之差，在正常情況下，通常采用迎流方向的方式對進氣口與出氣口流速進行測量，然而若是儀器不能夠滿足對于實驗的需求時，我們可以通過測量流出氣體質量以及氣體的流出面積進而來間接的對空氣的流速進行計算。

2.4 對于聯合循環機組的汽機修正

通過實驗以及查閱相關資料發現，需要對循環水流的溫度及其水流流速進行相關修正，然而通常所使用的超聲波流量計在此實驗條件下難以對水流流速進行高精度的測量。因此創建了新的測量方式，主要的基本原理是能量平衡原理，通過計算所需要的水流量以及水流管道的面積進而來實現對水的流速的測量。上海電氣公司所使用的聯合燃機機組擁有SSS 型離合器，其產生的效果主要是可以使燃機機組進行單循環運行，靜態來計算出循環的水流量。對于其他兩家燃機機組則無法實現燃氣機組的單循環運行，因此需要對其修正進行簡化，可以使用背壓對比的方法對其進行修正。

2.5 聯合循環機組的汽水損失

聯合循環機組的汽水損失將會對燃機機組的出力造成明顯的影響，首先，需要對燃機機組進行嚴格的熱力系統隔離，其最主要的原因是防止聯合循環機組的汽水泄漏，然而在實際操作過程中，由于汽水的揮發使得聯合循環機組的汽水泄漏無法真正被熱力系統隔離。

針對此問題給出相關的解決方案，對聯合循環機組的汽水損失進行修正，前提是循環機組的汽水損失量需要超過鍋爐高壓主蒸汽流量的0.2%左右，但這對于聯合循環機組的汽水損失修正依然具有較大的不確定度。因此需要對其進行進一步的修正，我們規定當汽水的損失為凝結水的流量的0.05%左右時，此時不需要對汽水損失進行修正；其他情況便需要對汽水的損失情況進行修正。

2.6 聯合循環機組的試驗運行情況

對于上海電氣公司所使用的聯合循環機組，其在環境溫度與設計值偏差較大時，將會自動轉變為負荷限制模式進行相關運行，但其無法進行OTC 模式的運行。但對于相關生產制造商認為Load LMT同樣也屬于Baseload 工作狀況。同時通過實驗發現，在這兩種模式的工作狀態下,對于實驗溫度以及大氣壓力等實驗參數的變化是相當大的,也就是說，其對于燃機機組的出力以及熱損耗修正較大,這就使的實驗結果誤差增大。在此種情況下,應盡量避免在低溫條件下進行對聯合循環機組的使用。

2.7 聯合循環機組的實驗時段

對于上面所提到的聯合循環機組的影響條件，需要對其進行充分考慮，我們總結出需要對機組進行Baseload 工作狀況的首先運行,且工作時長約為三小時左右,同時我們需要充分考慮外界環境的影響。同時外界環境的氣體組成等組成成分都會對實驗有所影響,是我們需要在實驗開始前確認大氣的組成成分是否會有大幅度的改變,我們需要盡可能的避開這些時間段進行相關實驗,此來確保實驗的準確性。

綜上，對三種不同9F 單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組的實驗結果研究與分析，我們得出了對于上海電氣公司所使用的聯合循環機組壓氣機出口壓力為1.91MPa，高于其他兩個電氣公司，雖然對于該聯合循環機組的壓氣機擁有14級葉片，說明該公司所使用的壓氣機單級效率較高；我們從機組效率方面來觀察，哈爾濱電氣公司所使用的循環機組。其出力以及熱力效率均為三者最低；另外從透平排氣溫度來看，能夠發現對于聯合循環機組的平均排氣溫度越高其透平效率也越高，這對于機組壽命擁有一定的影響，對于實驗的聯合循環機組參數以及修正一定要保證其合理性以及精確性。

表1 浙能常山 GTCC 項目熱平衡圖