大型單軸燃氣-蒸汽聯合循環性能技術研究

摘要：在單軸燃氣-蒸汽聯合循環電廠里，大型燃氣輪機的排氣不是直接排到大氣中，而是作為有價值的能源進入到余熱鍋爐（HRSG）中產生蒸汽，推動蒸汽輪機，發出額外的電力。通過聯合燃氣和蒸汽兩種發電循環，電廠的整體發電效率顯著提升。

關鍵詞：單軸;燃氣輪機;性能試驗;性能驗收

引言

某境外燃氣電站，主體設備采用的是西門子SGT5-4000F型燃氣輪機、SST5-3000 型汽輪機組、SGen5-2000H 型發電機、SCon-1000的凝汽器及阿爾斯通GT13E1 型余熱鍋爐，進行單軸布置，一拖一聯合循環。

SGT5-4000F型燃氣輪機具有高效能，低發電消耗，大修間隔長以及易于維修等特點。通過優化蒸汽流向和冷卻系統可使該型號燃氣輪機在聯合循環發電中達到最高的效率。該型號的燃氣輪機是一種非常成熟的機組，具有非常成熟的設計理念和運行理念。

1.性能試驗的概念

性能試驗指的是買方對所購進的單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組性能有具體的要求，并在合同中要求賣方對其出售的設備性能提出相應的保證值，然后在性能試驗中來考核賣方的設備是否能夠達到其保證值。通常它包括兩個數據，即在各個保證工況下的凈出力和凈熱耗值，為了保證雙方的公平，在合同中還列出了機組對應的環境條件和運行條件。

本項目的環境條件和運行條件如下：

大氣溫度32℃相對濕度80%大氣壓力1.013bar功率因素0.85機組出力測量點275KV升壓站頻率50Hz河水取水溫度32℃天然氣入口壓力27.5℃天然氣比重0.59天然氣毛熱值27.5℃天然氣溫度20℃天然氣毛熱值38.04MJ/sm3項目的保證值如下：

描述保證值單位試驗偏差100%負荷凈出力384680kW-高位熱值6911kJ/kWh-注：高位熱值是指每標準立方米燃氣完全燃燒后，其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結水狀態排出時所放出的熱量;

低位熱值是指每標準立方米燃氣完全燃燒后，其煙氣被冷卻至原始溫度，但煙氣中的水蒸氣仍為蒸氣狀態時所放出的熱量。2.性能試驗的準備

燃氣-蒸汽聯合循環的性能試驗要求在所有的燃氣輪機和蒸汽輪機的熱態調試完成后馬上進行。在性能試驗前，西門子要求在試驗前要讓機組停機至少3天以用于壓縮機的檢查和清洗，這三天也包括了燃機和汽機的冷卻時間。同時在這段時間，性能試驗人員需要在機組各個位置安裝性能試驗用的儀器儀表。

在性能試驗前，燃氣-蒸汽聯合循環應處在盡可能新的和清潔的狀態下。在 文 件 Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge（用于本項目的性能試驗程序）中規定，若燃燒少于700小時，則可認為設備是新的。若燃燒高于700小時，就必須使用老化曲線進行修正。

燃氣-蒸汽聯合循環在做性能試驗的前一天或前幾個小時必須對燃氣輪機本體進行水洗。本機型水洗一般分為兩種：一種是離線清洗，一種是在線清洗。離線清洗時要依靠啟動靜態變頻器來轉動機組進行高速盤車從而進行水洗。在線清洗指的就是在燃機運行的時候進行水洗。做性能試驗前一般都只進行離線水洗，不進行在線水洗，在線水洗的風險較大，危險較高。水洗的目的就是清除燃汽輪機葉片中的沉淀來保持燃機的輸出功率和效率。離線水洗之前，要手動調節 IGV 的開度到 100%，做好安全措施后，還要人工對 IGV 葉片進行清潔，以保證葉片能夠得到充分的清洗從而確保得到真實的性能數據。

3.性能試驗測點布置及參數測量

在進行性能試驗前，參加試驗的各方專家必須協商一致地共同制訂試驗大綱，其中最為關鍵的就是審查測點布置的設計，測量點的布置直接影響到各試驗參數測量的合理性與準確性。本項目性能試驗是按 ASME PTC46 和 文 件 《 Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge》的要求進行的。當燃氣-蒸汽聯合循環發電機組達到基本負荷后，再穩定運行3個小時保證機組達到穩定運行狀態時，進行各有關參數量的測量，然后根據測得的結果進行計算和必要的修正，以獲得在ISO條件下機組的出力和熱耗率的數據，并與合同保證的熱力性能值進行比較，以判斷燃氣-蒸汽聯合循環在熱力性能上是否合格。在性能試驗前，檢查核實所有用于性能試驗的儀器儀表的校核證書在有效期內，所有校核證書都要滿足DIN EN ISO/IEC 17025：2005 或 ASME PTC46 的規范規定。同時在性能試驗的過程中還要使用機組本身自帶的 DCS系統來監控其他一些運行參數，各主要測點如下圖：

由于燃氣-蒸汽聯合循環的性能受很多因素的影響，為了使所測得性能能夠與合同保證的性能進行比較，必須把實測性能數據修正到合同中所規定的保證條件，以消除各種因素的影響。為此，在試驗過程中應記錄足夠多的數據以保證數據的真實可靠。

在文件《Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge》中對試驗時間的規定為每一個不同荷載段所需要的時間為60分鐘。時間段過長所獲得的燃氣輪機聯合循環的試驗點易于感受進氣溫度的變化，從而影響機組的運行特性，使試驗準確度降低，因此性能試驗的時間一般不超過一個小時，但至少要保證20分鐘的有效試驗時間。燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的穩定運行狀態要在ASME PTC46的規定范圍內，如果各參數的變化均滿足ASME PTC46的規定要求，則認為燃氣輪機聯合循環發電機組的運行已達到了穩定狀態，同時要求機組在試驗前應能可靠運行。

該文件在對數據的采集也提出了專門的規定，在用電子數據采集模板所采集到的數據要做到一分鐘至少要記錄一個數據，人工讀取的數據要做到每五分鐘至少記錄一個數據，這樣可以保證數據的真實性及完整性。

在天然氣燃料取樣這一塊要特別的注意，因為天然氣取樣的準確度直接將影響到后期的計算結果的正確性。一般要求在每個工況下對天然氣進行取樣，要取3組，分別為試驗前一組，試驗中一組，試驗后一組。而每組又要取3個樣品，分別由業主，設備廠家，現場各取一份。當試驗雙方對天然氣燃料成分分析有爭議時，由雙方共同選定一個實驗室，用現場的樣品再次試驗。

4.預試驗及正式試驗

4.1預試驗

預試驗是在正式試驗前進行按要求做的一次試驗，用以保證所有儀表功能正常，并確認燃氣-蒸汽聯合循環及其輔助設備處于一個良好的工作狀況。預試驗的主要目的是：（1）確認所有測試儀器、儀表的可靠性與準確性，保證試驗順利進行;（2）通過預試驗演練，鍛煉試驗參與人員（包括試驗指揮、運行操作、現場測試與采樣）的協作溝通與操作技能;（3）對正式試驗所要求的機組運行工況及參數穩定性進行驗證。

預試驗必須在全場性能試驗前完成，并且有足夠的時間去計算初步結果，然后根據初步計算結果進行相應的調整和修改測試要求或測試設備。預測試的結果需要通過多次計算測量數據的數值來得出最終值。預實驗就是根據初步試驗結果對燃氣輪機聯合循環的參數設定進行一些調整，以保證機組處于最佳性能。

4.2正式試驗

預測試完成后，開始正式試驗。一項試驗所需的時間和頻率應選擇在一個可靠的讀數范圍內。在聯合循環機組滿負荷試驗時，頻率要求穩定在49.5至51.5Hz之間，這樣聯合循環機組的穩定性比較好。一般情況下，一個階段的試驗時間應為60分鐘。但是如果在試驗過程中試驗條件超出ASME PTC46的限定，那么參與試驗的各方代表可以商定在試驗過程中選取一段時間作為正式試驗的數據，但至少要保證20分鐘以上。這段數據就可以作為正式性能試驗的結果。由于本項目采用的是單軸布置，沒有辦法單獨考核燃氣輪機和蒸汽輪機的性能，只能采用聯合循環機組帶滿負荷后再減去廠用電的方式計算性能試驗結果。

5.燃氣輪機聯合循環性能修正曲線

為了考核已安裝并調試好的聯合循環機組性能，買方將按照合同的規定進行機組的性能保證值進行性能試驗。首先，天然氣燃料要與合同的規定一致，包括天然氣的成分、溫度及供給壓力。其次，燃氣輪機聯合循環發電機組所處的環境和運行條件要盡可能接近合同所規定的條件。然而，由于種種因素，進行性能保證試驗時實際的環境和運行條件一般都會偏離合同所規定的條件，從而影響機組的性能。這就要求根據各個因素的影響對從試驗測得的性能數據加上適當的修正系數。這些修正系數可由修正曲線查得，一般來說，修正曲線由設備廠家提供。如果機組的型號不同，上述的修正曲線、修正系數亦不同。本項目的燃氣-蒸汽聯合循環的修正曲線就有10種不同的修正曲線的因素，分別對出力及熱效率產生影響，而這些

修正因素主要都是針對燃氣輪機本體，蒸汽輪機由于受到余熱鍋爐的影響，而余熱鍋爐屬于本項目內部考核，應此蒸汽輪機的影響因素不考慮。影響

燃氣輪機正常工作的10個因素是：1）大氣壓力的影響;2）壓氣機進口溫度的影響;3）大氣濕度的影響;4）進氣口壓損的影響;5）排氣口壓損的影響;6）天然氣燃料成分及低熱值的影響;7）轉速的影響;8）功率因素的影響;9）OTC設置變化的影響;10）燃氣輪機老化影響;

6.性能試驗通過驗收

燃氣-蒸汽聯合循環機組性能考核的試驗中，試驗標準的選擇十分重要。目前現有的性能試驗標準有 ASME PTC46、ISO2314：1989/AMD1 和 DL/T851

三種試驗標準，每個項目根據項目自身的情況選擇適合于本項目的試驗標準。這三種標準從試驗目的、適用范圍、試驗程序要求、試驗結果計算與修正都有所不同。

本項目根據業主要求采用的是 ASME PTC46 驗收標準，最終機組聯合循環在滿負荷時凈出力達到了 386.08MW，機組聯合循環熱耗高熱值為6852.39KJ/KWh，在高熱值下的凈效率為 52.54%，熱耗低熱值為 6177.82 KJ/KWh，在低熱值下的凈效率高達 58.27%。比合同要求凈出力值 384.68MW 高出 0.36%，熱耗值比合同要求的凈熱耗值 6911.00KJ/KWh 降低了 0.85%，順利的通過了燃氣-蒸汽聯合循環性能試驗。

7.總結

單軸燃氣-蒸汽聯合循環性能試驗的試驗步驟和試驗方法可以參照國際通用的標準和經過實踐考研的試驗驗收規范。性能試驗的主要目的是為了準確的測出機組在合同規定的條件下，各個工況時機組的輸出功率和熱效率。性能試驗前應與設備廠家在就電廠性能的保證值及其保證條件進行協商并達成協議。由于機組的性能試驗很難完全在合同規定的條件下進行，因此對實際試驗條件下的實測值要進行修正，修正曲線或修正計算方法由設備廠家提供。當性能試驗結果達不到合同規定條件下的保證值時，試驗雙方應對原因進行客觀分析和辨識，以便分清責任。

參考文獻：

[1]Dr. Noelke，Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge，2015/02/15。

[2]燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置/清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司編著。-北京：中國電力出版社，2007.

作者簡介：李建軍 1972.05 男 漢族 湖南省常德市桃源縣 大學（學士）高級工程師 研究方向：火電廠設備制造質量控制。

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