帶補燃聯合循環機組性能試驗方法研究

陳賽科,于蘭蘭

(上海電氣燃氣輪機有限公司，上海 200240)

依托國家“一帶一路”倡議，國內主機供應商和工程公司不斷在海外市場斬獲訂單。但海外項目從項目前期投標到項目執行均比國內項目難度更大，機組配置和熱力系統尤其復雜，如中東地區常常會有帶補燃聯合循環機組、分期建設項目等。由于國內余熱鍋爐供應商缺乏制造帶補燃余熱鍋爐的經驗，同時國內性能試驗單位對帶補燃系統的聯合循環系統性能試驗也缺乏相關經驗，因此性能驗收試驗如何進行成了難題。

聯合循環機組的性能試驗通常按照ASME PTC46標準執行，聯合循環機組純凝工況性能試驗流程及修正方法已非常明確[1-4]，但是在帶補燃聯合循環機組性能試驗方面的研究和公開報道比較少。本文依據相關試驗標準，通過研究帶補燃機組與常規機組的系統設計、運行方式等方面的異同點，分析帶補燃聯合循環機組修正曲線的繪制方法、修正方法、性能試驗流程、性能試驗時機組運行方式等，以此來探索帶補燃聯合循環機組性能試驗方法。

1 常規機組與帶補燃機組

1.1 機組配置

常規燃氣-蒸汽聯合循環T-S曲線如圖1所示，燃氣-蒸汽聯合循環是布雷頓循環和朗肯循環結合在一起的一個復雜循環系統。其中，1-4為燃氣輪機做功并排出廢氣過程，4-5為余熱鍋爐余熱利用過程，7-10為蒸汽在汽輪機內做功的過程，10-11為蒸汽在凝汽器中冷凝并液化的過程。

圖1 燃氣-蒸汽聯合循環理想T-S曲線

圖2和圖3分別為常規聯合循環機組和帶補燃聯合循環機組原則性熱力系統圖。和常規聯合循環機組相比，帶補燃的聯合循環機組多了余熱鍋爐進口或內部的補燃器，主要目的是為了增加聯合循環機組的出力，燃料一般是天然氣或油，和進入燃氣輪機的燃料相同。

圖2 常規聯合循環機組系統示意圖

圖3 帶補燃聯合循環機組系統示意圖

對應圖1中的聯合循環T-S圖，在“過程4-5”之間增加補燃，提高煙氣溫度，進而提高余熱鍋爐的產汽量，盡可能增加汽水側出力。

1.2 常規機組性能試驗修正方法介紹

常規聯合循環機組進行性能試驗時，需要把各個邊界參數修正至性能保證工況，將修正后的參數與性能保證值進行比較，以考核機組性能是否達到合同中描述的性能保證值。根據ASME PTC46標準[5]，影響聯合循環機組出力和效率的因素很多，如大氣溫度、大氣壓力、相對濕度、進氣壓損、燃料溫度、燃料成分、電網頻率、汽輪機背壓、機組老化等。

式(1)和式(2)為將聯合循環機組輸出功率和熱耗率分別修正至性能保證條件的方法，常規機組只需測得聯合循環出力和熱耗率及相關邊界數據，根據修正公式把聯合循環出力修正至性能保證工況即可。

常規聯合循環機組出力的修正方法見式(1)：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ8+Δ9)×

(1)

式中：Pcorr為修正后聯合循環出力，Pgross=Pmeas-PL,exc，Pmeas為實測發電機端出力，PL,exc為勵磁消耗的有功功率；Δ2為功率因數對功率的加法修正；Δ8為循環水參數對功率的加法修正；Δ9為汽水泄漏量對功率的加法修正；αj中的j可由1～7代入，α1為大氣溫度對功率的修正系數，α2為大氣壓力對功率的修正系數，α3為相對濕度對功率的修正系數，α4為壓氣機進氣壓損對功率的修正系數，α5為燃料溫度對功率的修正系數，α6為燃料低位發熱量和C/H對功率的修正系數，α7為透平轉速對功率的修正系數；Kp,deg為機組老化對功率的修正系數。

常規聯合循環機組熱耗率的修正方法見式(2)：

(2)

式中：Hcorr為修正后聯合循環熱耗率；Qmeas,GT為實測燃氣輪機輸入熱量；fi中的i可由1～7帶入，f1為大氣溫度對熱耗率的修正，f2為大氣壓力對熱耗率的修正，f3為相對濕度對熱耗率的修正，f4為壓氣機進氣壓損對熱耗率的修正系數，f5為燃料溫度對熱耗率的修正系數，f6為燃料低位發熱量和C/H對熱耗率的修正系數，f7為轉速對熱耗率的修正系數；KH,deg為機組老化對熱耗率的修正系數。

2 帶補燃機組性能試驗方法

圖4為帶補燃聯合循環機組的性能試驗邊界，與常規聯合循環機組相比，帶補燃器的機組在煙氣進入余熱鍋爐或余熱鍋爐的某個換熱器前增加補燃器，通過補燃把聯合循環出力提升至某個期望值，其系統設計和運行方式均比常規聯合循環機組復雜得多。

圖4 帶補燃聯合循環機組試驗邊界

和常規聯合循環機組一樣，性能試驗時，機組的運行工況應盡量接近設計工況，以減少由于運行工況和設計工況的偏差帶來的修正。

2.1 帶補燃機組性能修正方法

熱力系統設計時通常以補燃工況為設計工況(性能保證工況)進行余熱鍋爐、汽輪機和凝汽器等主設備的設計和各設備的選型，性能試驗時把實測出力和熱耗率修正到設計工況。

性能試驗標準ASME PTC46中推薦的性能試驗方法比較多，該標準中可用于帶補燃機組的性能修正方法有以下兩種。

指定“補燃量”模式，與常規機組性能試驗方法基本相同，燃氣輪機在排氣溫度控制模式下運行，性能試驗時控制補燃量，調整補燃量(補入熱量)使其接近設計點，如果補燃量與設計工況稍有差別，則對機組出力和輸入熱量進行加法修正，其修正方法與常規機組試驗方法基本一致。

指定“補燃量”模式，聯合循環出力的修正方法如下：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ3+Δ8+Δ9)×

(3)

式中：Δ2為補燃量與設計值偏差對出力的加法修正。

指定“補燃量”模式下聯合循環熱耗率的修正方法如下：

(4)

式中：Qmeas,SF為實測余熱鍋爐補燃器的輸入熱量；ΔQSF為補燃量與設計值的偏差對輸入熱量的加法修正。

指定“出力”模式，性能試驗時燃氣輪機在排氣溫度控制模式下運行，通過調整補燃量使聯合循環出力與設計工況出力一致。如果出力與設計工況有偏差，則對燃料量做加法修正，性能試驗時，出力不做修正，僅對熱耗率需要修正。

指定機組運行模式的修正方法與常規聯合循環機組性能試驗修正方法一致。

指定“出力”模式試驗時聯合循環熱耗率的修正方法如下：

(5)

式中：W7為測量出力與設計出力的偏差對余熱鍋爐輸入熱量的修正系數。

2.2 兩種試驗方法的對比

在性能試驗時，以上兩種方法下機組運行方式各不相同，二者在性能試驗準備和現場實施階段各有優缺點。

“定補燃量”方法的優點為：試驗方法和修正方法均與常規聯合循環機組性能試驗方法非常相似，性能試驗第三方對該模式下的試驗方法和修正方法較為熟悉。缺點為試驗時需恒定補燃量，若補燃量與設計工況有偏差，則其對出力和輸入熱量的影響需要進行加法修正，修正曲線繪制工作量較大，需要同時繪制出力和熱耗率這兩個因素的修正曲線。

“定出力”方法的優點為：修正曲線繪制工作量小，性能試驗時控制補燃量，使聯合循環出力與設計值一致運行，因此繪制修正曲線時，只需要繪制各因素對熱耗率的影響曲線即可。缺點為該模式下性能試驗第三方和各主機商關于聯合循環機組性能試驗的經驗較少，性能試驗時使出力與設計值完全一致的難度較大，機組功率因數、勵磁功率、汽輪機背壓均等加法修正項與設計值不同，性能試驗過程中聯合循環出力會出現小幅變化，因此采用“定出力”方法時，需要根據實測聯合循環出力與設計值之間的偏差，對輸入熱量進行修正。

余熱鍋爐設計時，由于材料原因，補燃后煙氣最高溫度一般會有限制?；谏鲜鰞煞N方法進行性能試驗時，在試驗前需要對補燃后煙氣溫度是否超過鍋爐限制值進行詳細評估，以確定試驗條件是否得到滿足。

2.3 修正曲線繪制方法

以上兩種試驗方法的修正曲線繪制方法基本一致，唯一區別在于方法一需要繪制出力和熱耗率的曲線，而方法二只需要繪制熱耗率曲線即可。

以圖5所示大氣溫度對出力的修正曲線為例，基于性能保證工況繪制，橫坐標為大氣溫度與性能保證工況的差值，縱坐標為修正系數，修正系數等于設計值除以實測值，修正系數計算如下：

(6)

圖5 大氣溫度差值對出力的修正曲線

2.4 分期建設時性能試驗方法

參考ASME PTC46[5]中的描述和要求，在聯合循環電廠分階段施工的過程中，當汽輪機正在施工建設時，燃氣輪機已單循環運行幾個月或更長的時間，燃氣輪機已存在實質性機組老化，而汽輪機和余熱鍋爐為新機狀態。為了驗證聯合循環機組在“新”、“凈”狀態下的性能，性能試驗也要分階段進行，具體如下：

1)第1階段試驗。在燃氣輪機“168 h試運行”后，進行燃氣輪機性能試驗(Phase 1 test series)，第1階段試驗按照ASME PTC2或ISO2314進行，在燃氣輪機新機狀態下進行單循環試驗，由燃氣輪機供應商提供修正曲線。

2)第2階段試驗。汽輪機施工完成后，對汽輪機進行性能試驗(Phase 2 test series)，第2階段按照“ASME PTC6.2——聯合循環汽輪機性能試驗考核規程”執行汽輪機性能試驗，不考慮燃氣輪機的影響，把汽輪機出力修正至性能保證工況即可，由汽輪機供應商提供汽輪機修正曲線。

兩個階段試驗完成后，對數據進行綜合修正，得到聯合循環新機的性能。

修正后聯合循環出力如下：

Pcorr=Pcorr,GT,1+Pcorr,ST,2

(7)

式中：Pcorr,GT,1為第1階段修正至性能保證工況燃氣輪機出力；Pcorr,ST,2為第2階段試驗修正后汽輪機出力。

修正后聯合循環熱耗率計算如下：

(8)

式中：QGT為第1階段試驗燃機輸入熱量；QDes,SF為性能保證工況補燃器輸入熱量。

帶補燃聯合循環機組的余熱鍋爐性能試驗也應在第2階段試驗時進行，需要對余熱鍋爐進行單獨考核。余熱鍋爐的試驗方法應依據“ASME PTC4.4——余熱鍋爐性能試驗規程”執行，修正曲線由鍋爐供應商提供。

3 結 論

本文研究了帶補燃聯合循環性能試驗流程、方法等，主要結論如下：

1)帶補燃聯合循環機組性能試驗時，“定出力”

方法和“定補燃量”方法均可采用，但兩種方法均有優缺點。從修正曲線繪制和試驗時機組控制的難易程度來說，“定出力”模式相對有優勢。

2)性能試驗時均要考慮補燃后煙氣溫度是否超過余熱鍋爐最大允許值。

3)帶補燃聯合循環機組性能試驗修正曲線繪制方法與常規機組基本一致。

4)分期建設帶補燃聯合循環機組在驗證機組處于“新”和“凈”狀態下的性能時，需要對燃氣輪機和汽輪機分階段進行2次試驗，余熱鍋爐也需要單獨進行性能試驗，試驗程序和工作量相對復雜和煩瑣。

本文的相關研究能夠為后續海外項目的順利執行打下理論基礎。