国际EPC 机组净热耗率指标违约预警性判断

旷仲和

(中广核工程有限公司，深圳 515124)

随着改革开放的深入，参加国际工程总承包(简称EPC)火电项目投标的企业日益增多。但一些企业由于不能完成合同预约的净热耗率、净功率指标，遭受到严重的违约罚款。究其原因，发现有关项目在投标、合同谈判过程中对于净热耗率与相关技术经济指标及热力参数之间的关系，以及对于预期的净热耗率指标的判断分析，缺乏正确把握，以致签署了不利的EPC 合同净热耗率预约条款。

本文提出国际EPC 火电机组净热耗率指标预警性判断，用数学解析方法说明净热耗率预警性判断值与有关经济小指标以及热力参数之间的内在关系。应用这种判断法，为争取签订可达到的净热耗率值指明了具体的方法。本文旨在针对上述情况，提出在参加国际EPC 谈判中掌握净热耗率指标的分析以及可控的基本方法，这对于降低违约罚款风险，具有实际意义。

1 净热耗率违约预警性判断

1.1 净热耗率指标违约预警性判断式

根据文献［1－3］，净热耗率按以下公式计算:

根据文献［4］，考核试验测量的净热耗率为:

式(1)和式(2)中:Qz为设计参数下的燃料发热量，kcal/h;Nz为设计参数下的供电功率，kW;K为试验不确定度对热耗率的修正系数。

按照合同规定的考核试验标准，应该遵循公式(2)的计算方法。公式(2)可以改写为:

式(1)～(3)中:Qo为锅炉吸取的热量，Qo=Qz× ηb× ηg，kcal/h;Nz为供电功率，Nz=Nf－Nc;Nf为发电机输出功率;Nc为厂用电消耗的功率，kW;qf为汽机热耗率，qf=，kcal/kW·h ;Noi为汽机内功率，kW;ηoi为汽机内效率，%;ηm为汽机机械效率，%;ηd为发电机效率，%;ηl为厂用电率，ηl=(Nf－ Nz)/Nf，%;ηb为锅炉效率，%;ηg为管道效率，%;为合同签约的净热耗率值，kcal/kW·h。

公式(3)是净热耗率违约预警性判断式。

1.2 热力参数变化对汽机热耗率的影响判断分析

1.2.1 热力参数变化对汽机热耗率的影响计算

根据文献［1－3］，参数变化将引起汽机热耗率的变化。引起的热耗率变化率为:

式中:ΔTks为排汽温度偏离设计排汽温度的偏差值;ΔTks=为设计排汽温度;为变化后的排汽温度，K;ΔTom为由于参数变化引起平均吸热温度偏离设计平均吸热温度的偏差值;ΔTks=－Tks，Tom为设计平均吸热温度，为参数变化后的平均吸热温度，K;Tom=Q/Δs;Q 为锅炉单位公斤蒸汽吸取的热量，kcal/kg，按下式计算:

式中:i0为主蒸汽焓，由主蒸汽温度t0与主蒸汽压力Po确定;ig为给水焓，由给水温度tg与给水压力Pg确定;ir为再热蒸汽焓，由再热蒸汽温度tr与压力Pr确定;ih为高压缸排汽的焓，由高压缸的排汽温度th与压力Ph确定(上述单位参数均为kcal/kg);ar为再热蒸汽的流量占主蒸汽流量的份额，%;Δs 为参数变化后引起的熵的变化量，按下式计算:

式中:s0为主汽熵，由主汽温度t0与压力P0确定;sg为给水熵，由给水温度tg与压力Pg确定;sr为再热汽熵，由再热汽温度tr与压力Pr确定;sh为高压汽缸排汽熵，由高压汽缸排汽温度th与压力Pks确定。上述各项参数的单位均为kcal/kg·K。为汽机相对内效率变化率，%，按下式计算:

式中:ηoi、为参数变化前后的汽机相对内效率，%。当机组容量确定时，与汽机热力参数有关，由文献［3］中与热力参数之间的关系曲线图确定。

式(4)中的各项实际上都分别是汽机各个性能参数(P0、t0、tr、tg、Tks或Pks)等的函数，那么，式(4)实际上可以转换为:

上式表明几个参数同时变化，引起的热耗率变化，是各个参数单独变化引起的热耗率变化的代数和。根据式(4)～(7)表述的内容和过程就能够计算出式(8)中的各项。

1.2.2 热力参数变化对发电机功率影响计算

参数变化会引起汽机热耗率相应变化，同时还会引起发电机功率相应变化:

上式表明:几个参数同时变化引起的功率变化是各个参数单独变化引起的功率变化的代数和。根据式(3)及式(7)表述的内容和过程就能够计算出式(10)中的各项。

很多国际EPC 工程对于汽机终端参数要求按冷却水温度考核。在此情况下，根据文献［5］，可以确定冷却水温度与汽机排汽温度之间的函数关系。其表达式为:

式中:Qp为汽机排汽热量，热平衡图上查取，J/S;A 为凝汽器管束表面面积，在变工况试算前预先确定，m2;K 为总传热系数，根据冷却水温度、设计流速、凝汽器管子材料以及尺寸等确定，W/m2.℃;t2为凝汽器冷却水出口温度，℃;t1为凝汽器冷却水进口温度，℃;tn为汽机排汽压力对应的饱和温度，当该式中的各项预先确定试算时，tn即可求知，℃;当tn求取后，然后根据查水蒸气表，确定tn相对应的饱和压力(背压)Pks。

1.2.3 修正到额定功率工况下汽机热耗率的计算

参数变动引起热耗率与功率同时变动后，此时热耗率值q1(如图1 所示的状态点1)相对额定功率工况、变动参数下对应的值q4(如图1 所示的状态点4)发生偏移，因此，需要获得参数变动下修正到额定功率工况的热耗率值q4。由于参数变动下热耗率与功率关系曲线还没有建立，热耗率值q4可以通过下述修正方法得到。其修正原理是假定设计参数与变动参数下热耗率与发电机端功率之间关系曲线的斜率相等，其修正方法与步骤是:

1)根据已知的设计参数下汽机热耗率与发电机端功率之间的关系数据(或曲线)，按文献［9］所述数学最小二乘法拟合二次方程式:

2)对上式求一阶导数，则求得该曲线的斜率:

以增量来代替上式，则有:

3)把变动参数下引起功率偏移的热耗率q1修正到变动参数、额定功率对应的热耗率，则为:

图1 修正到变动参数、额定功率下所对应的热耗率示意图

2 净热耗率预警性判断案例分析

2.1 EPC 招标技术参数

案例项目SLYN 电厂的招标机组形式为循环流化床锅炉亚临界参数、一次中间再热、八级给水加热回热凝汽式。发电机额定输出功率为310 000 kW;主汽门前汽压不低于17.5 MPa，主汽温度不低于540 ℃;再热蒸汽温度不低于540 ℃;凝汽器冷却水温度为26 ℃;汽机背压以及给水温度投标方确定。给水采用3 ×50%电动给水泵。

2.2 净热耗率指标及违约罚款条款

机组保证净功率为280 000 kW，净耗热率为2 380 kcal/kW·h，考核试验标准参考文献［1］。净热耗率(低位发热量)违约罚款条款是:相对保证值每增加1 kcal/kW·h，罚款200 000 美元。增加值超过担保值的2.5%，每增加1 kcal/kW·h，罚款3 倍。净功率违约罚款条款是:相对保证值每降低1 kW，罚款4 500 美元/kW;降低值超过担保值的2.5%，每降低1 kW，罚款3 倍。

2.3 与招标方谈判结果

2.3.1 投标方提出的相关差异

1)投标方提出把主汽温度由540 ℃降为538 ℃。招标方同意，但考核指标维持不变。

2)投标方提出由招标书的26 ℃改为26.5 ℃;招标方同意，但考核指标维持不变。

其它性能参数及考核指标投标方没有提出异议。

2.3.2 签下EPC 净热耗率及净功率的考核指标

在平均大气温度23.2 ℃、大气压力0.101 3 MPa、相对湿度81%、凝汽器器冷却水温度26.5 ℃下:单台机组保证净功率为280 000 kW，保证净热耗率(低位热值)为2 380 kcal/kW·h，不考虑考核试验测量不确定度的修正。

2.4 与三大主机分包商的谈判结果

(1)与汽机厂签订的发电机端功率为310 000 kW，汽机热耗率为1 881.96 kcal/kW·h，汽机内效率为89.23%，给水温度为267.7℃;(2)与凝汽器厂家签订的冷却水温度是26.5℃，其背压为6.2 kPa;(3)与锅炉厂家签订的额定工况锅炉效率是90%(低位热值);(4)与发电机厂家签订的发电机效率为98.8%。其它的热力参数与EPC要求的参数一致。

2.5 原始基本资料及数据

除上述数据外，还知道在设计工况下:Do=916.17 t/h，Po=16.7 MPa，to=538 ℃，io=3 398.62 kJ/kg，so=6.415 1 kJ/kg·K，Dr=756.75 t/h，Pr=2.96 MPa，tr=538 ℃，ir=3 542.92 kJ/kg，sr=7.35 kJ/kg·K，Ph=3.286 MPa，th=312 ℃，ih=3 016.24 kJ/kg，sh=6.54 kJ/kg·K，Pg=20 MPa，tg=267.7 ℃，ig=1 170.83 kJ/kg，sg=2.915 5 kJ/kg·K，Pks=6.2 kPa，tks=36.76 ℃，ar=0.826，高压汽缸效率为83.75%，中压汽缸效率为92.1%，低压汽缸效率为86.92%。

2.6 净热耗率、净功率违约判断及其解决措施

2.6.1 净热耗率是否违约的判断

根据上述数据，算出厂用电率估算值9.677%;EPC 谈判中对管道效率没有约定，按照文献［3］的规定取值为98%;汽机内效率为89.23%;机械效率在EPC 合同中没有约定，按照文献［3］，一般取99%;发电机效率担保值为98.8%;式(3)中的K 值，根据文献［1］，最大取1.015。本案例取1.01，将已知相关的数据代入式(3)得净热耗率预警值qz=2 386 kcal/kW·h。根据式(3)计算结果分析:该预警性判断值比考核指标高6 kcal/kW·h，净热耗率违约将罚款6 ×200 000=1200 000 美元。在净热耗率升高后，在保持发电功率、锅炉效率、管道效率不变的情况下，根据式(3)分析，相对合同签订的热耗率2 380 kcal/kW·h 工况而言，会引起厂用电升高，在发电功率不变的情况下，将引起净功率的降低。将上述相关数据代入式(3)，预警的净功率为279 294.75 kW，净功率下降了637 kW，净功率违约将罚款637 ×4500=2 866 500美元。这说明签订的净热耗与净功率指标已经存在一定的违约风险。

2.6.2 净热耗率违约因素分析及其解决措施

2.6.2.1 采用辅机调速装置降低厂用电率

根据式(3)分析，净功率下降，在其他参数不变的情况下，厂用电的增加是引起净功率下降的原因。由此可见，降低厂用电是降低净热耗率违约风险的措施之一。降低厂用电率的措施是:首先是尽可能采用高效辅机;其次是对辅机配置调速节能装置。根据文献［6－7］可知，辅机采用调速装置能够有效降低厂用电率。对于本案例而言，这些风机没有考虑采用调速装置。根据统计数据，如果采用变频器调速，厂用电率将由0.096 77 下降到0.091 07，下降了0.005 7。将降低后的厂用电率代入式(3)计算，由此引起净热耗率由2 386 kcal/kW·h 下降到2 371.03 kcal/kW·h，下降了14.97 kcal/kW·h，使净功率增加了1 596 kW。但由于需采用变频电机以及增加变频器装置(包括控制室等土建工程及附属设备)，费用约增加1 825 641 美元。因此，具体采用哪一种调速方式，需要进行技术经济对比分析确定。就本案例而言，由于采用以下措施可以更容易降低净热耗率，因此本案例不采用风机变频措施来降低净热耗率。

2.6.2.2 主汽温度对热耗率的影响判断及其措施

1)基本判断:如果主蒸汽采用招标书的540 ℃，那么把有关数据代入式(3)～(14)计算得出:汽机热耗率将由538 ℃时的1 881.98 kcal/kW·h降低到1 881.06 kcal/kW·h，降低了0.92 kcal/kW·h。

2)对汽机以及锅炉主要部件材料的影响判断:材料的选用主要考虑材料温度适用性能是否满足案例的蒸汽温度。为此需要对案例主要设备的材料进行分析。分析情况见表1。

表1 汽机厂和锅炉厂主要材料温度性能与本案例的使用温度(见参考文献［8］中的材料性能)

根据表1 分析，案例的材料使用温度提高了2 ℃，在材料性能允许范围内。实际上，已经有很多亚临界机组的主汽温度采用540 ℃，这种机型参数是标准参数，其应用的材料也与上表中的材料等同，不会由于主汽温度提高2 ℃而需要改变材质以及增加费用。

3)主汽温度选择的综合判断:在合同谈判中投标方把招标书要求的汽机主蒸汽温度由540 ℃降低到538 ℃，这样会使热耗率增加。在已定材料性能允许的情况下，尽可能提高主汽温度，是降低净热耗率违约风险的措施之一。

2.6.2.3 再热温度对热耗率的影响及其措施

招标书要求再热温度不低于538 ℃。如果在投标谈判中，投标方将此温度定为540 ℃，也完全符合招标书要求。在提高2 ℃后，锅炉与汽机的材料如上述主汽温度对热耗率的影响分析相同。在再热温度538 ℃升高到540 ℃的情况下，把上述有关数据代入式(3)～(14)计算得出:汽机热耗率由1 881.98 kcal/kW·h 下降到1 880.29 kcal/kW·h，下降了0.77 kcal/kW·h。由此可见，在材料允许情况下，降低再热温度，会使热耗率增加。因此，在招标书规定的材料性能允许情况下，尽可能提高再热蒸汽温度是降低净热耗率违约风险的措施之一

2.6.2.4 冷却水温度对热耗的影响及其措施

招标书给出的冷却水温度为26 ℃。投标方提出要求改为26.5 ℃。根据式(11)计算得出，在冷却水温度为26 ℃时，冷却水温度每升高0.5 ℃，排汽压力则升高0.2 kPa。把相关数据代入式(3)～(14)计算得出:热耗率由1 881.98 kcal/kW·h升高到1 885.316 kcal/kW·h，升高了3.336 kcal/kW·h。由此可见，把设计冷却水温度提高到比招标书的要求还高，这样会使热耗率增加。对于EPC 整个项目性能的考核而言，冷却水温度不仅是一个设计参数，而且是性能试验考核的修正参数。所以，在技术谈判中，在符合招标书的要求下，尽量选用较低的冷却水温度是降低净热耗率违约风险的措施之一。

2.6.2.5 给水温度对热耗率的影响及其措施

EPC 招标书对于给水温度的要求是由投标方确定的。在后续与汽机厂签订的协议中，给水温度定为267.7 ℃。根据文献［3］，对于回热级数为8 级的亚临界机组，考虑锅炉造价、锅炉效率、高压加热器造价等综合技术经济对比因素，推荐的给水温度是275 ℃，此时能取得最佳的给水循环热效率。如果把给水温度267.7 ℃提高到275 ℃，把相关数据代入式(3)～(14)式计算得出:热耗率由1 881.98 kJ/kW·h 降低到1 878.62 kcal/kW·h，降低了3.36 kkcal/kW·h。由此判断:采用较低的给水温度，这样会使热耗率增加。因此，在符合招标书的原则要求下，通过技术经济对比，尽可能采用最佳给水温度，是降低净热耗率违约风险的措施之一。

2.7 改进措施后违约风险的综合判断

根据式(3)分析:在充分考虑机组参数、技术条件特性、辅助系统配置特点的前提下，通过技术经济对比，尽可能采用较低的汽机热耗率、较低的厂用电率、较高的汽机相对内效率、较高的机械效率、较高的发电机效率、较高的管道效率、较高的锅炉效率，都有利于降低净热耗率，使其尽可能低于签约值。如果上述指标已经不能调整到最佳值，那么，通过对辅机采用调速装置来降低厂用电率，以及在符合招标书的原则要求的情况下，通过技术经济对比，尽可能采取较高的主蒸汽温度、较高的再热蒸汽温度、较高的给水温度、较低的冷却水温等，净热耗率的预警值就有进一步降低的空间。其综合判断见表2。

表2 净热耗率以及净功率违约罚款预警性判断的计算结果

表2 说明采用预警性判断法分析:本案例热耗率违约为6 kcal/kW·h，净功率违约637 kW，两项违约罚款共计4 066 500 美元。采用参数优化改进措施后，除化解了违约风险带来的罚款以外，还为进一步降低净热耗率留有0.100 25%的裕度，为增加净功率留有0.319 6%的裕度。

3 结论

1)对于国际EPC 项目净热耗率指标的谈判，由于违约罚款数额巨大，合同执行力度严厉，因此，对各个相关技术指标、参数和净热耗率之间的关系进行预警性判断，至关重要。

2)本文建立的净热耗率预警性判断法，其特点是:

①考虑了试验不确定度对净热耗率的影响，这对于预防违约风险发生，留有适当的裕度。

②关于各个热力参数对热耗率以及功率的影响，采用本文创立的解析方法，概念清晰，数据计算准确。在计算机技术发展的今天，这些计算没有难度。

3)应用该预警性判断法，可以有效地预先判断净热耗率以及净功率的合同值是否违约，同时也为EPC 项目降低净热耗率违约风险，提供了可操作的判断依据以及参数调整的改进措施。

［1］重庆大学热力发电厂教研组.热力发电厂［M］.北京:电力工业出版社出版，1981.

［2］机械工程手册编辑委员会.机械工程手册［M］北京:机械工业出版社出版，1982.

［3］西安交通大学涡轮机教研室.蒸汽轮机原理与热力计算［M］西安:西安交通大学出版社出版，1973.

［4］The American Society of Mechanical Engineers.Performance Test Code on Steam Turbines［s］.New York，ASME PTC 46-1996.

［5］中华人民共和国国家发展与改革委员会发布.中华人民共和国电力行业标准DL/T932－2005 凝汽器与真空系统运行维护导则［s］.北京:中国电力出版社出版，2005.

［6］中华人民共和国国家能源局发布.中华人民共和国电力行业标准DL/T1111－2009 火力发电厂厂用高压电动机调速节能导则［s］.北京:中国电力出版社出版，2009.

［7］中华人民共和国国家发展与改革委员会发布.中华人民共和国电力行业标准DL/T994－2006 火电厂风机水泵高压变频器［s］.北京:中国电力出版社，2006.

［8］中华人民共和国国家经济贸易委员会发布.中华人民共和国电力行业标准DL/ T 715－2000 火力发电厂金属材料选用导则［s］.北京:中国电力出版，2000.11

［9］RAYWYLIE C.高等工程数学［M］.西安交通大学数学系工程数学翻译组译.北京:人民教育出版社，1980.