某分布式能源站燃氣-蒸汽聯合循環性能試驗研究

行新學 張魯

摘? 要：以黔西南某新建燃氣-蒸汽聯合循環分布式能源電站為例，對其進行熱力性能考核試驗，其考核項目為100%純凝工況下機組的功率和熱耗率，文章闡述了該試驗的試驗標準、試驗過程、邊界劃分、測點布置以及計算修正方法，并對試驗中存在的一些問題進行總結，為“一拖一”分布式能源站聯合循環機組熱力性能考核試驗提供技術支持。

關鍵詞：聯合循環;燃機;余熱鍋爐;汽輪機;熱力計算;經濟性;影響因素

中圖分類號：F426.61? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0059-03

Abstract： Taking a newly-built gas-steam combined cycle distributed energy power station in southwestern Guizhou as an example， the thermal performance evaluation test was conducted. The evaluation project was the power and heat consumption rate of the unit under 100% pure condensing conditions. This paper describes the test standard， test process， boundary division， measurement point arrangement and calculation correction method， and summarizes some problems in the test， so as toprovide technical support for the thermal performance evaluation test of the combined cycle unit of the distributed energy station.

Keywords： combined cycle; GT; HRSG; ST; thermal calculation; economy; influencing factor

前言

聯合循環發電：燃氣輪機及發電機與余熱鍋爐、蒸汽輪機或供熱式蒸汽輪機（抽汽式或背壓式）共同組成的循環系統，它將燃氣輪機排出的功后高溫乏煙氣通過余熱鍋爐回收轉換為蒸汽，再將蒸汽注入蒸汽輪機發電。GE在法國能源公司EDF的HA燃氣輪機聯合循環機組投產。相比于煤電，燃氣-蒸汽聯合循環機組具有污染小、效率高、建設周期短、自動化程度高、調峰能力強等優點，是一種高效、節能的發電方式[1-2]。當前世界吉尼斯記錄：GE在法國能源公司EDF的HA燃氣輪機聯合循環機組發電效率達62.22%。2020年，我國燃氣-蒸汽聯合循環機組裝機容量約5000萬千瓦，至2022年，全國燃氣輪機市場規模預計將達到900億元左右，我國將成為世界最大的燃氣輪機潛在市場。隨著社會對環境質量越來越多的重視，燃氣-蒸汽聯合循環必將在我國迎來了新一輪的發展高峰[3-4]。

本文以黔西南某新建燃氣-蒸汽聯合循環分布式能源電站為例，闡述該試驗的試驗標準、試驗過程、邊界劃分、測點布置以及計算修正方法，并對試驗中的注意事項進行總結。

1 試驗概況

本文以黔西南某新建燃氣-蒸汽聯合循環分布式能源電站為例。能源站建設有一臺GE6B.03/41.1/5163型燃氣輪機，設計工況出力35098kW（ISO工況出力41171kW），一臺QFR-38-2-10.5型燃氣輪發電機，一臺Q350.9/548.2-58（12.1）-6.0（0.326）/498（203）型雙壓余熱鍋爐，一臺LCZ20-5.8/0.88/0.4型聯合循環蒸汽輪機及一臺QFW-20-2-10.5型聯合循環蒸汽輪發電機建設，五大主機及配套輔助系統組成分布式能源站系統。

2 試驗標準及保證條件

2.1 試驗標準

聯合循環機組整體熱力性能標準，包含ASME PTC46電廠整體性能試驗標準（美國標準）和ISO 2314聯合循環電站驗收試驗規程（國際標準），DLT1426-2015聯合循環汽輪機性能試驗規程（電力行業推薦標準）。

2.2 保證條件

依據技術合同、業主與EPC商討的相關技術資料為依據，性能試驗的保證條件作如下說明，表1為試驗的設計外部條件，表2為兩個試驗工況的分別給出了功率和熱耗試驗指標保證值。

3 試驗方法及過程

3.1 試驗邊界

依據ASME PTC46-2015《電廠整體性能試驗標準》，本試驗按照合同要求，以發電機出口作為功率為邊界，燃氣輪機壓氣機進口參數作為環境測量邊界，熱耗計算以燃料低位發熱量（LHV）為基準。

3.2 試驗測點及儀器

按照ASME PTC46-2015標準要求，對于壓力變送器精度要求，測量一類一級參數采用0.1%級，且校驗范圍內總不確定度不超過±0.3%。測量一類二級參數采用0.25%級，校驗范圍內總不確定度不超過±0.5%。對于溫度的測量，測量一類一級參數儀表在溫度低于93℃，其不確定度不超過±0.28℃，溫度高于93℃時，不確定度不超過±0.56℃。測量二類一級參數時，不確定度不超過±1.7℃，測量二類二級參數時，不確定度不超過±3.9℃。對于濕度的量，一類一級參數不確定度不超過±2%，二類二級參數不確定度不超過±4%。在燃料流量測量方面，液態或氣態燃料流量總的不確定度不超過1.0%，固態燃料流量總的不確定度不超過2.0%。對于功率的測量，測量凈功率或毛功率等一類一級參數，其系統不確定度不超過0.1%，一類二級參數的表計其不確定度不超過0.5%。試驗所用到的所有測量儀器必須滿足標準對其不確定要求，另外，在試驗前均需送到法定計量部門進行校驗。

本次試驗所需測量試驗參數有大氣壓力，環境溫度，環境濕度，燃料溫度，燃料流量，凈輸出功率等。在空冷器入口濾網處布置8個溫度變送器，用網格法測量環境溫度。在燃機發電機水平中心線上布置兩個200kPa的絕壓變送器，用于測量大氣壓力測點。在空冷器入口濾網處布置3個濕度變送器，用于測量環境濕度。用兩臺WT500功率分析儀分別接入燃機發電機和汽輪發電機出口二次側，測量發電機功率、頻率和功率因素。凝汽器排汽壓力接入兩塊量程為50kPa的絕壓變送器。高低壓給水和主蒸汽流量分別接入0.1級的羅斯蒙特差壓變送器，其他測點讀數均取DCS。

3.3 試驗過程

為保證燃機出力，機組啟動前，燃機進行了離線水洗。機組帶到額定負荷后，嚴格按照設計的熱平衡圖進行系統隔離，任何與該熱力循環無關進、出系統的流量都必須嚴格隔離。隔離的閥門分為三類：A類是機組正常運行時可長期隔離的閥門;B類是試驗期間可以暫時隔離的閥門，進行預試驗前隔離，可以連續幾天內保持隔離狀態;C類是試驗當天進行隔離，但試驗結束后應立即恢復[5]。

機組滿負荷后穩定運行1小時以上才可開始試驗。試驗分兩次，每次持續1小時，單獨修正后取平均值，即為試驗最終結果。試驗數據采集分為兩部分，一部分是試驗數據采集系統（DAS）和DCS取數，每15秒記錄一次;另一部分是人工記錄取數，每10分鐘記錄一次。燃料取樣化驗由天然氣供方提供，可通過天然氣成分計算燃料低位發熱量（LHV）。

4 試驗計算公式

對數據采集系統（DAS）、DCS，以及人工記錄的原始數據計算算術平均值，同一參數的多重測點計算算術平均值。主要計算公式如下：

4.1 功率

Pmeas=Pgross-Pe? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Pmeas-發電機輸出功率試驗值，kW;Pgross-發電機毛出力，kW;Pe-發電機機勵磁功率，kW。

Pe=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：V-發電機勵磁平均相電壓，V;A-發電機勵磁平均相電流，A;PF-發電機勵磁功率因數。

4.2 聯合循環機組功率的計算

Pmeas=PGT+PSTG? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：Pmeas-聯合循環機組功率，kW;PGT燃氣輪機輸出功率，kW;PSTG汽輪機輸出功率，kW。

4.3 聯合循環機組熱耗率的計算

（1）燃機熱耗量的計算

HImeas=Vf×LHV? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：HImeas-單位時間耗熱量，kJ/h;Vf-天然氣體積流量，Nm3/h;LHV-天然氣低位熱值，kJ/Nm3。

（2）聯合循環機組熱耗率計算

HR=HImeas/P? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：HR-聯合循環機組熱耗率，kJ/kWh。

4.4 熱效率

？濁meas=3600/HRmeas×100? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：？濁meas-試驗熱效率（%）。

4.5 修正后的電功率

Pcorr=（Pmeas+Δ1）？琢j? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：Pcorr-全廠修正功率，kWh;Δ1-功率加法修正因子;？琢j-設計功率乘法修正因子/測量功率乘法修正因子。

4.6 修正后的熱耗率

HRcorr=fj? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中：HRcorr-全廠修正熱耗，kJ/kWh;fj-設計熱耗乘法修正因子/試驗熱耗乘法修正因子。

5 試驗結果

5.1 修正因子

根據ASME PTC46-2015《電廠整體性能試驗標準》，第5章5-1節及5-2節確定本試驗修正公式和修正項目。修正因子如表2所示。

5.2 試驗結果（如表3）

6 結論

本次聯合循環全廠功率53550.01kW，高于保證值52895kW;全廠熱耗7390.88 kJ/kWh，低于保證值7482.8 kJ/kWh;全廠效率48.71%，高于保證值48.11%，試驗合格。

7 試驗注意事項

電廠整體性能試驗對不明漏量不作具體規定，但要求作系統隔離，但對影響正常運行的系統不允許隔離和調整[6]。燃氣-蒸汽聯合循環不考核單臺發電機的出力，考核整體出力。

參考文獻：

[1]焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]劉志坦，王文飛.我國燃氣發電發展現狀及趨勢[J].國際石油經濟，2018，26（12）：43-50.

[3]張濤，張天清，劉志坦，等.進氣加熱對燃氣-蒸汽聯合循環性能影響[J/OL].中國電力：1-16[2020-05-21].

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[5]閻?？担殖闪?300MW燃氣-蒸汽聯合循環機組熱力性能試驗研究[J].燃氣輪機發電技術，2003，5（2）：9-12.

[6]王興平.發電設備性能試驗規程ASMEPTC6與ASMEPTC46的特點及使用范圍[J].動力工程，2003，23（01）：2135-2137.