淺析分布式能源系統中燃氣輪機的性能考核試驗方法

馬洪濤，阮慧鋒，童　航

（華電電力科學研究院國家分布式能源技術研發（實驗）中心，浙江杭州310030）

淺析分布式能源系統中燃氣輪機的性能考核試驗方法

馬洪濤，阮慧鋒，童航

（華電電力科學研究院國家分布式能源技術研發（實驗）中心，浙江杭州310030）

燃氣輪機作為天然氣分布式能源系統的原動機，其性能的好壞決定著整個系統的優劣，如何有效的組織性能試驗顯得尤為重要。本文參照ASME標準，就燃氣輪機現場試驗目的、試驗儀表以及試驗計算等內容進行概述，同時提出了一種新型的天然氣取樣裝置，并在某典型示范項目現場試驗中得到了很好的應用，供同行在燃氣輪機新機組性能試驗時參考。

燃氣輪機；AMSE標準；性能試驗

0　引言

分布式能源系統是以冷熱電聯產技術為基礎，與大電網和天然氣管網聯接，向一定區域內的用戶同時提供電力、蒸汽、熱水等能源的服務系統，一般安裝在負荷中心，在并網發電的同時，向負荷區用戶提供制冷、供熱服務。［1］目前我國已建及在建天然氣分布式能源項目的裝機容量已達380萬kW，對于正處在能源結構調整拐點的中國，分布式能源能對傳統集中式供能系統提供有益補充，也將成為我國能源可持續發展戰略中的重要一環。

在國家政策的不斷鼓勵下，國內投產的天然氣分布式項目逐年增多，預計到2020年天然氣分布式能源裝機量達到2000萬kW。燃氣輪機作為天然氣分布式能源系統的原動機，其熱力性能決定著整個系統的優劣。［2］本文通過對某典型的天然氣分布式能源系統中燃氣輪機的性能考核，淺析了燃氣輪機在現場性能試驗的方法，供同行在新機組性能考核時參考。

1　燃氣輪機試驗目的及內容

燃氣輪機的性能試驗目的是為了確定該機組的出力、熱耗率等性能指標是否達到合同保證值。由于試驗工況常常與設計工況有差別，需要根據設備廠商提供的各種參數修正曲線，將試驗得到的性能值修正到設計工況下的性能值，然后與合同中的性能保證值比較，是否達到合同保證值。

2　試驗邊界及測量參數

試驗邊界是一個用于定義明確機組性能所必須測量的各個物質/能量流的概念，試驗邊界決定了跨越燃氣輪機機組試驗邊界的所有能量流。試驗中必須明確所有進入和流出試驗邊界的能流。能流可能由具有化學能、熱能和勢能的氣體、液體或固體物質流組成，也可能是純的能流。在定義試驗邊界時，由于與特定的燃氣輪機設計密切相關，因此需要有一定的靈活性。圖1是典型的燃氣輪機測點布置示意圖。

燃氣輪機性能考核試驗需測量或計算跨越邊界的質量流量和必要的熱力學性質。實際測量位置可以在該點的上游或者下游位置，具體測點位置取決與測量值是否合理，同時考慮能將測點處的流量和流動性質準確的修正到試驗邊界點處的工況。表1給出了典型燃氣輪機性能考核試驗中測點清單。［3］

表1　典型燃氣輪機性能考核試驗測點清單

3　試驗儀表及取樣裝置

3.1試驗儀表

燃氣輪機性能考核試驗所需的儀表可以一部分采用專用儀器儀表，一部分采用現場儀器儀表，所有專用的儀器儀表均已經經過各方認可的有相關資質的權威機構校驗，并出具相關的校驗報告。

圖1　燃氣輪機發電機組測點布置示意圖

（1）燃機發電機功率、頻率、功率因數

燃機發電機功率、頻率、功率因數等采用功率表在燃機發電機出口PT、CT端子上進行測量，功率變送器精度為0.1級。

（2）大氣溫度

大氣溫度由采用高精度試驗用PT100熱電阻配合溫度變送器測量，安裝在燃機空氣濾網入口處，等間距布置8個溫度測點，熱電阻精度為A級。

（3）大氣壓力

大氣壓力采用2臺高精度絕壓變送器測量，測點位置位于室外環境中，且周圍氣流相對穩定，高度與燃機軸中心線處于同一標高位置。絕壓變送器精度為0.075級。

（4）大氣濕度

大氣濕度采用機組自帶的Vasla濕度變送器測量。

（5）天然氣流量

燃氣流量采用隨燃機一起提供的、布置在燃機總管的超聲波流量計進行計量。在超聲波流量計附近安裝熱電阻和壓力變送器測量燃料氣溫度和壓力。超聲波流流量計必須在安裝前由制造商負責完成校驗，并提供相應的校驗報告。流量計實際運行是燃料氣壓力應盡可能接近校驗壓力。

（6）燃機排氣背壓

在余熱鍋爐進口煙道周向開四個取壓孔，用引壓管匯集后利用差壓變送器進行測量。

（7）燃機排氣溫度

燃機排氣溫度采用網格法測量溫度場，燃機排氣擴散段一側開設4個試驗用測點孔，每個孔測量插入三個不同長度的熱電偶，共計12個溫度點。

3.2取樣裝置

天然氣取樣分析是燃氣輪機性能考核試驗重要的環節，直接影響試驗的準確性。天然氣組成和物性的測定很大程度上取決于取樣技術的水平。取樣系統的設計、結構、材料，都對試驗結果至關重要。本文采用一種新型的天然氣取樣裝置，取樣過程安全、便捷。在項目實際過程中得到了很好的應用。下圖為天然氣取樣裝置示意圖。

圖2　新型天然氣取樣裝置示意圖

4　試驗計算及修正

燃氣輪機的性能指標與機組實際運行的環境溫度、濕度、大氣壓力等有密切的關系，通常合同保證的性能指標是相對于在設計條件下而言，因此就必須對實測的性能指標進行修正。

4.1燃機出力

采用GE公司性能模擬軟件Application for Package Performance Systems cycle deck（APPS）對實際測得的燃機出力進行修正，修正因素包括大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度、燃機進口濾網壓損、燃機出口壓損、功率因數、發電機損耗、燃料氣溫度、燃料氣成份（含C/H比及熱值）等。

修正后的燃機機組毛輸出功率：

式中Pgross，corr—修正后的燃機功率輸出，kW；

Pmeas—實測的功率，kW；

CFpower_Degr—機組老化修正系數；

CFpower—APPS修正系數。

上式中CFpower系數為試驗狀態下APPS的期望燃機功率與性能保證工況下APPS的期望燃機功率的比值。

4.2燃機熱耗

燃機熱耗同樣采用APPS軟件將試驗工況下的燃機熱耗修正至性能保證工況下的燃機熱耗。試驗工況下的燃機熱耗：

式中HRgross，calculated—試驗工況下燃機實際熱耗，kJ/kW·h；

FFmeas—實際測得的燃料氣流量，Nm3/h；

LHV—燃料氣低位熱值，kJ/Nm3。

式中HRgross，corr—修正后的燃機熱耗，kJ/kW·h；

CFHR_Degr—機組老化修正系數；

CFHR—APPS熱耗修正系數。

上式中CFHR系數為試驗狀態下APPS的期望燃機熱耗與性能保證工況下APPS的期望燃機熱耗的比值。

4.3燃機排氣溫度

同理，燃機排氣溫度采用APPS性能模擬軟件進行修正。修正后的燃機排氣溫度表示為：

式中T8gross，corr—修正后的燃機排氣溫度，℃；

T8meas—試驗工況下測得的燃機排氣溫度，℃；

CFT8—APPS燃機排氣溫度修正值，℃；

CFT8_Degr—燃機排氣溫度老化修正值，℃。

4.4燃機排氣能量

燃機排氣能量的修正方式與燃機出力及熱耗的修正方式一致。修正后的燃機排氣能量表示為：

式中E8gross，corr—修正后的燃機排氣能量，kW；

E8meas—試驗工況下實際測得的燃機排氣能量，kW；

CFE8_Degr—燃機排氣能量老化修正系數；

CFE8—燃機排氣能量APPS修正系數。

5　典型示范項目應用

采用上述方法，本文對某典型的分布式能源中燃氣輪機進行了性能考核試驗。該典型項目采用LM2500+G4燃機由GG和PT，發電機及相應的輔助系統和控制系統組成，采用一臺燃機帶一臺發電機。每臺LM2500+G4燃機為雙軸設計，燃氣體發生器（GG）與動力渦輪（PT）分離，靠空氣動力耦合傳動。

該示范項目燃氣輪機性能考核試驗內容主要包括額定負荷和部分負荷工況下的性能測試。試驗結果表明，該燃機修正后出力為30926kW，優于性能保證值（30649kW）0.9%；修正后熱耗為9849.51 kJ/kW·h，優于性能保證值（10047 kJ/kW·h）1.9%；修正后排煙溫度551.32℃，優于性能保證值（541.4℃）1.8%；修正后的排氣能量為79289kW（Ref 0K），優于保證值（78407kW）1.12%。試驗過程中采用上述天然氣取樣裝置取樣操作便捷安全。該示范項目的額定負荷下的考核數據見表2和表3。

表2　示范項目考核試驗數據

6　結語

燃氣輪機的性能考核試驗是為了確定機組的出力、熱耗率等性能指標是否達到合同保證值，本文參照ASME標準，結合工程實踐，同時采用一種新型的天然氣取樣裝置，對某典型示范項目進行了燃氣輪機性能考核試驗，為同行在分布式能源系統中燃氣輪機的性能試驗提供有益幫助。

表3　示范項目考核試驗結果修正計算

［1］杜建一，王云.分布式能源系統與微型燃氣輪機的發展與應用［J］.工程熱物理學報，2004，（05）：786～788.

［2］林汝謀，金紅光.燃氣輪機發電動力裝置及應用［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］The American Society of Mechanical Engineers.PTC22-2005 Gas Turbines Performance Test Code［S］.Three Park Avenue，New York，2005.

A brief Analysis of Performance Test Method for Gas Turbine in Distributed Energy System

MA Hong-tao，RUAN Hui-feng，TONG Hang
（Huadian Electric Power Research Institute，National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China）

As the primary motivation of the natural gas distributed energy system，the performance of the gas turbine determines the quality of the whole system.So it is very important to Effective organize the performance test.This paper concisely conducted a summary of gas turbine test purpose，test instruments and test calculation to provide a reference for the technicians by referring to the ASME criteria，and a new type of natural gas sampling device is presented，which is applied in the field performance test of a typical demonstration project.

gas turbine；ASME criteria；performance test

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.001

TK471

B

2095-3429（2015）04-0001-04

2015-08-07

修回日期：2015-08-28

馬洪濤（1980-），男，山東臨沂人，工學碩士，工程師，電站性能技術部副主任，長期從事火力發電系統及設備性能測試及評價工作。