9F单轴燃气—蒸汽联合循环机组的热力性能试验

2014-05-29朱梅芳包劲松秦攀楼可炜

浙江电力 2014年10期

朱梅芳，包劲松，秦攀，楼可炜，李龙

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

燃气—蒸汽联合循环机组具有效率高、排放清洁、建造周期短和调峰能力强等特点，西气东输工程促进了沿线燃气轮机联合循环电厂的建设。目前浙江省共有15台容量约400 MW的9F单轴燃机联合循环机组已投产运行，其中GE公司7台，Siemens公司5台，三菱公司3台。

1 设计性能

与传统的燃煤机组相比，燃气—蒸汽联合循环机组具有强大的效率优势，其热效率最低也有57.6%。东方电气采用三菱燃机，ISO（标准工况）下联合循环机组设计效率为58.7%，出力为455.8 MW，比哈尔滨电气公司的机组性能高1%。表1列出了上述三大燃机厂商具有代表性的燃机联合循环性能指标，为避免环境条件对联合循环机组性能的影响，统一采用ISO进气条件，汽机冷端背压取4.9 kPa。

对于联合循环机组，提高透平进气温度是提高其效率最直接的方法，燃机制造厂商一方面在耐高温材料、冷却技术以及隔热涂层等方面不断寻求技术突破以提高燃机透平入口初温，另一方面通过系统优化提高机组性能。

表1 9F单轴联合循环机组的性能指标比较

Siemens 燃机在 SGT5-4000F（6）/F（x）上增加了HCO（液力间隙优化）系统，通过投运HCO系统，使燃机转子向逆气流方向移动，以减少透平动叶和缸体的间隙，同时压气机端的间隙相应增大。压气机端由此损失的功率比透平端增加的功率要小，减少了叶顶间隙，在无燃料变化的情况下可增加机组出力约3 MW。

与其它制造厂商不同，三菱燃机增加了TCA（燃机冷却空气系统），压气机排气经过TCA并过滤后冷却转子。利用燃机冷却空气的能量，加热高压给水，以提高机组能源利用效率。

2 试验中的重要参数及其影响

燃机联合循环试验根据ASME PTC46（美国机械工程师协会汽轮机及全厂性能试验规程）及ASME PTC22（美国机械工程师协会燃气轮机性能试验规程）等相关标准进行，试验前需要对压气机进行离线水洗，以减少压气机污垢对机组性能的影响。对试验计算有重要影响的参数如表2所示。

2.1 压气机进气温度

压气机进口温度变化对燃机联合循环机组出力有很大影响，当环境温度大于设计温度时，气温每变化1℃对机组出力的修正量为0.4%～0.6%，因此必须提高压气机进口温度的测量精度。目前采用1级精度的PT100热电阻元件配变送器进行测量，其测量精度为±0.1℃，测点数目可根据机组进气口布置方式作适当调整。

不同燃机厂商有不同的压气机进气口布置方式。GE燃机为高空一面进气，试验时温度测点布置分4层，每层1个点。Siemens燃机为高空三面进气，测点分3层布置，3面共9个测点。三菱燃机为近地面三面进气，测点方式为左右侧分2层布置，每层1个测点，中间分2层，每层1个测点，共8个测点。表3—5为压气机进气温度分布情况。受阳光照射、风速、风向等环境条件影响，滤网前进气小室内空气温度场有一定的不均匀性，GE燃机为单面进气，其温度场相对比较均匀，温差在0.5℃以内，而Siemens和三菱燃机为三面朝向布置，温差相应较大。特别是三菱燃机，一方面进气口附近热力管道较多，对附近的空气有一定的加热作用；另一方面进气口离地面较近，受地面气流运动的影响也较大。

表2 燃机联合循环机组重要试验参数

表3 GE燃机压气机进气温度分布情况

为尽可能地准确测量压气机进口温度，应尽量选择温差小的地方进行测量，如压气机进口通道内。如果受现场条件、仪器设备限制，需要在进气滤网小室内测量，则尽量靠近滤网侧，以提高测点的代表性。

2.2 大气压力

大气压力每偏差1 kPa，对机组出力的影响约0.7%～1%。目前采用精度为±0.15 hPa的大气压力计进行测量，与常规绝对压力变送器测量相比，该大气压力计测量值不受仪器摆放位置（平放、竖放）的影响，测量数据更稳定可靠。

表4 Siemens燃机压气机进气温度分布情况

表5 三菱燃机压气机进气温度分布情况

2.3 进/排气压损

压气机进气压损是压气机进口全压与滤网前压力（大气压）之差，排气压损为透平排气全压与大气压之差。正常情况下需要采用毕托管迎着来流方向测量管道内空气（烟气）流速，当仪表及其安装不能满足试验要求时，可采用计算空气（烟气）质量流量和已知的流道面积来计算流速，从而得到动压和全压。通常情况下该项修正为零。

2.4 天然气流量

GE燃机天然气流量计量采用Coriolis质量流量计，优点是其质量流量可以直接用于计算机组热耗率，缺点是精度不高，根据厂家提供的校验资料，该流量计在校验时采用的介质为常压下的水，校验精度为0.1%，若测量天然气，则其精度将下降至0.5%。流量信号直接进入燃机Mark VI控制系统，对流量修正计算时没有考虑高压天然气对其测量精度的影响，因此在实际应用过程中要对流量进行压力修正。试验过程中还发现质量流量计量程偏大，在Baseload（额定负荷）工况运行时，其运行流量仅占满量程的1/5，在流量计的小流量（10%）范围内，随着流量减小其测量不确定度将大幅上升。运行期间当天然气单位质量热值大幅提高时，运行流量将进一步减小，从而增加测量不确定性。因此，建议新建机组在招投标期间即明确提出设计工况天然气流量需占测量表计满量程的1/2～2/3，以此来确定表计的量程范围，确保仪表精度。

Siemens燃机和三菱燃机均采用高精度的涡轮流量计进行测量，校验介质为高压天然气，校验精度高于0.2%。涡轮流量计优点为测量精度高，缺点为由于测量的是体积流量，还需压缩因子计算，进行体积流量和质量流量之间的换算。

2.5 汽机冷端修正

按照ASME PTC46，要求采用循环水流量和循环水进口温度对汽轮机冷端进行修正，鉴于用超声波流量计直接测量循环水流量误差太大，难以满足测量所需的直管段要求，一般是根据能量平衡原理，通过计算来求得循环水流量。对于Siemens燃机，由于有SSS离合器，可以进行燃机单循环运行，从而计算出凝汽器热负荷和循环水流量。GE和三菱燃机则无法进行燃机单循环运行，所以对其冷端修正进行简化，直接采用汽轮机背压对机组进行冷端修正。

2.6 联合循环机组老化修正

供货合同中规定：机组在首次点火后，总计500 h（视不同的供货合同而定）实际点火小时以内视为处于新的和清洁的状态，超过该时间则需要对机组进行老化修正。GE燃机根据实际点火运行小时对机组出力和效率进行修正，而Siemens和三菱燃机则以等效运行小时对机组出力和效率进行修正。

为直观对比燃机厂商提供的老化修正，假设机组实际运行500 h，启停50次，没有发生负荷快速变动或跳闸事故等，其运行（等效运行）小时以及对机组出力和热耗率的老化修正见表6，三菱机组的老化修正量为永久性等效老化小时EDH1和可恢复的等效老化小时EDH2之和。

表6 9FA单轴燃机联合循环机组老化修正量

从表6可以看出，在机组正常运行情况下，三菱燃机在相同的启动次数和运行小时数情况下，老化修正量大于其他机组。考虑到GE燃机采用的是实际运行小时数，运行过程中难免会因跳闸等影响机组负荷快速波动的情况而增加等效运行小时，因此Siemens和GE燃机老化修正量基本一致。为避免老化修正给试验结果带来的影响，使其能真实反映机组运行性能，应尽可能在机组处于“新的和清洁的状态下”，即在合同规定的运行小时内进行试验。

2.7 汽水损失

联合循环机组热力系统汽水损失直接影响汽机的出力，虽然试验标准ASME PTC46中提出需对机组进行严格的热力系统隔离，以实现阀门零泄漏，但实际试验期间基本不可能达到上述要求。有的制造厂商给出的方案是：当系统汽水损失超过锅炉高压主蒸汽流量的0.1%以上时，进行汽水损失修正。但这样会导致机组汽水损失可以放得很大甚至失控，增加试验的不确定度。因此，燃机联合循环试验时宜结合燃煤机组的经验适当修改：当汽水损失为凝结水流量（进入锅炉给水流量）的0.1%以内时，不计汽水损失修正；汽水损失为0.2%～0.5%时，扣除0.1%后再进行汽水损失修正；当汽水损失超过0.5%时，除非试验各方对汽水损失修正达成一致意见，否则试验终止，进入阀门消缺程序。汽水损失的有效量化，提高了机组试验的可操作性，便于控制试验进程。

2.8 试验运行工况

Siemens燃机在环境温度与设计值偏差约-6℃及以下时，自动进入Load LMT（负荷限制）模式运行，无法进入OTC模式。厂商认为Load LMT也是Baseload工况，但在这2种运行模式下，进气温度和大气压力等参数对机组出力和热耗率修正的差异很大，Load LMT模式下进行试验无法如实表征机组性能状况。试验标准中也没有对Baseload进行明确定义，为避免歧义，可对Baseload试验工况作如下定义：IGV全开（100%），且在OTC模式下运行的Baseload试验工况。对Siemens燃机来说，应尽量避免在冬季低温条件下安排试验。

2.9 试验时段

通常情况下，当机组以Baseload工况运行2～3 h，待机组运行参数稳定即可正式开始试验，试验记录时间为1 h。由于浙江省的天然气气源比较复杂，其组分各异，不同的掺混方式对天然气热值和流量有直接影响，因此试验前需确认天然气组分有大幅度变化的时段，尽可能避开这些时段进行试验，试验过程中也需对天然气组分和流量进行密切关注，一旦试验过程中发现异常，即终止试验。