汽轮机热力性能试验测量不确定度的分析研究

华 敏， 李 平

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

汽轮机热力性能试验测量不确定度的分析研究

华 敏1， 李 平2

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003；2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

由于各种因素的影响，汽轮机热力性能试验结果值存在一定的偏差。详细分析了汽轮机热力性能试验测量不确定度的影响因素。以某发电厂330 MW机组汽轮机热力性能试验为例，建立了汽缸效率、热耗率测量不确定度的评定流程，进行了不确定度评定，具有一定的参考意义。

汽轮机；热力性能试验；热耗率；缸效；不确定度

0 引言

汽轮机热力性能试验（简称热试）一般分为考核试验和常规试验[1]。考核试验指的是对新投产机组、通流改造后机组等进行的全面性热力试验，对热力系统严密性、测量参数及试验工况的稳定性、测量仪表的精度等级等都具有严格的要求，以此获得最小的试验不确定度，相对应地要付出较高的人力和物力成本。常规试验指的是机组A/B/C修前后试验、一般性技术改造前后的小型试验等，与考核试验相比，安装的仪表较少，且对热力系统的隔离要求相对较低，故试验不确定度就会增加。

目前，汽轮机热试一般都采用热工测量的方法[2]，现场安装压力变送器、热电偶或热电阻、功率计等仪表，通过数据采集系统将压力、温度、电功率等信号自动采集到终端，对测量值进行计算后转换成热力参数，最终得到汽轮机汽缸效率、热耗率等经济性指标。整个试验过程无论是系统还是测量参数值，常会出现与标准存在偏差的情况，故需分析这些偏差对测量不确定度的影响。

考虑到汽轮机热试涉及的测量参数太多，故只需要关注对测量结果影响较大的不确定度来源，测量不确定的来源必须根据实测情况进行具体分析。

1 测量不确定度的分类

测量不确定度是对测量结果可信性、有效性的怀疑或不肯定程度，是定量说明测量结果质量的一个参数。

JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》将不确定度分为“A”类与“B”类[3]，仅为讨论方便，并不意味着两类评定之间存在本质上的区别，只是针对不同的对象和方法。

A类不确定度是由一组观测得到的频率分布导出的概率密度函数得出。采用统计的方法。

B类不确定度则是基于对一个事件发生的信任程度。由非统计方法（测量一次或几次），即根据资料或假设的概率分布估计的标准差确定，包括：历史测量数据；相关技术资料或仪器指标；厂商提供的数据；某些资料给出的参考数据。

汽轮机热试时通过软件得到的测量值就可通过A类不确定度来分析。热试所用的仪表不确定度可参考B类不确定度来分析。

2 汽轮机热试测量不确定度分析

2.1 试验仪表对测量不确定度的影响

仪表的精度直接影响着测量的不确定度大小，目前试验单位现场安装的仪表均为高精度等级的，且都已在试验前做第三方校验。处理实测数据时，通过将仪表校验报告上的偏差修正到试验测量数据，就可大大降低仪表精度对试验不确定度的影响。

对试验结果影响较大的测量参数需安装双重测点，如汽缸进出口参数等。如现场有条件，除氧器和3号高加进口温度的测量宜安装双重测点。这样既可以保证仪器的正确使用，也可作为检查问题的手段，同时取2个仪表的平均值即可降低测量不确定度。

2.2 热力系统严密性对测量不确定度的影响

试验前，须对机组热力系统做隔离，尤其要关注对系统严密性影响较大的阀门内漏，如高/低压旁路阀、高/低压加热器事故疏水阀等。

ASME PTC6试验规程要求：热力系统不明泄漏量不应超过满负荷时主汽流量的0.1%[1]。但根据现场实际热试经验，不明泄漏量很难控制在0.1%以内，只要不大于0.3%即可。而热力系统不明泄漏量对汽轮机热耗率的影响是1∶1的关系，故在实际试验中应尽可能做好系统内漏检查工作。

2.3 试验工况及测量参数的稳定性对测量不确定度的影响

试验时，汽轮机参数一直在波动，只要保持相对稳定即可。为使试验结果修正量最小，应尽量让试验在规定参数或尽可能接近规定参数下运行。如ASME PTC6规定，试验时主汽压允许偏差为绝对压力的±3%，允许波动值为绝对压力的±0.25%。

每个试验工况开始前都需要有一段稳定时间，试验过程中应保持负荷的稳定，要排除外界的干扰，包括电网调度和一次调频、燃用煤种变化、凝汽器补水、启停真空泵等影响。汽轮机阀点试验时，通过DEH（汽轮机数字电液控制系统）对高调门信号强制，保持其开度不变。

若试验期间出现较大的负荷或参数波动，则应先把工况或参数调整到位，再延长相应的试验时间。

3 汽轮机热试测量不确定度评定步骤

汽轮机热试时评定测量不确定度的步骤如下：

（1）找出对测量结果影响较大的测量不确定度的来源。

（2）建立满足测量不确定度评定所需的数学模型，包括汽轮机热耗率和汽缸效率。

（3）确定各主要测量参数的估计值以及对应于各参数估计值的标准不确定度，包括A类评定和B类评定。

（4）确定对应于各主要参数的标准不确定度分量，列出不确定度分量汇总表。

（5）将各标准不确定度分量合成得到合成标准不确定度。

（6）确定扩展不确定度。

（7）给出测量不确定度报告。

以某330 MW机组汽轮机为例，型号为N330－16.67/538/538，THA（热耗率验收工况）考核试验结果为：高、中压缸效率分别为85.44%和92.07%，修正后热耗率为7 991.71 kJ/kWh。汽缸效率和热耗率不确定度评定流程如下。

4 汽轮机汽缸效率测量不确定度评定

通常汽缸效率分为高压缸、中压缸和低压缸效率，考虑高、中压缸效率值是实测得到的，而低压缸效率是通过能量平衡计算得到，且计算过程中很多实测参数的误差会最终传递到低压缸效率计算值，故在此只考虑高压缸效率和中压缸效率。

下面以主蒸汽压力（Pms）为例进行数据处理和不确定度分析，试验中布置了2个主蒸汽压力测点Pms1和Pms2，计算时采用其平均值，即：Pms=（Pms1+Pms2）/2。

4.1 测量重复性引入的标准不确定度分量

测量重复性引入的标准不确定度分量反映的是参数随时间的变化引起的不确定度，该项不确定度分量用A类不确定度评定方法进行评定。

试验过程中对参数进行了连续1.5 h的测量，共记录了181次（n=181）。

主蒸汽压力1（Pms1）的平均值为：

单次测量标准偏差：

平均值的标准偏差：

用同样方法可计算Pms2的标准偏差：

Pms的标准偏差合成：

对有限次数的测量，需用修正因子T进行修正。对Pms来说，其自由度v为（其中m表示重复测点的数量）：

当包含因子k=2（置信概率p=95.45%），自由度v=360时，其修正因子T：

则主汽压力测量重复性引入的标准不确定度分量uA（Pms）为：

4.2 测量仪表精度引入的标准不确定度分量

该项不确定度分量用B类不确定度评定方法进行评定。

主蒸汽压力的测量仪表为2台压力变送器，精度为0.075%，其区间半宽a为：

4.3 合成标准不确定度分量

2个不确定度分量 uA（Pms）和uB（Pms）相互独立，因此总的不确定度可以采用方和根方法合成：

其相对合成不确定度u′（Pms）：

4.4 测量参数误差对汽缸效率影响的计算

选取对汽轮机汽缸效率相关的测量参数进行误差计算，以主蒸汽压力为列计算。

THA工况下，实测主蒸汽压力Pms=16.827 MPa，高压缸效率为ηg=85.44%；当Pms增加+1%时，通过计算，得到高压缸效率ηg=84.63%；当Pms增加－1%时，高压缸效率ηg=86.26%。

由此可知主蒸汽压力变化1%，对高压缸效率ηg的影响系数为0.955%。

4.5 汽缸效率测量不确定度评定结果

THA工况时高压缸和中压缸效率的不确定度计算汇总见表1和表2。

表1 THA工况高压缸效率不确定度计算

表2 THA工况中压缸效率不确定度计算

取包含因子k=2，高压缸效率扩展不确定度：

中压缸效率扩展不确定度：

检测结果：THA工况下，

5 汽轮机热耗率测量不确定度评定

5.1 测量参数及其不确定度

汽轮机热试布置了八十多个压力和温度测点进行参数的测量，考虑到参数过多，故选取其中对试验结果影响较大的参数来进行汽轮机热耗率不确定度的计算。选取的参数如下：主蒸汽压力、主蒸汽温度、高压缸排汽压力、高压缸排汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、低压缸排汽压力、最终给水温度、主凝结水流量、系统隔离、机组出力。

上述各参数的测量不确定度计算方法见第4节所述。

5.2 测量参数误差对汽轮机热耗率影响的计算

选取对汽轮机热耗率影响较大的测量参数误差进行计算。以主蒸汽压力为例进行计算。

THA工况下，实测主蒸汽压力Pms=16.827 MPa，汽轮机热耗率HR=7 991.71 kJ/kWh；当Pms增加+1%时，通过计算，得到汽轮机热耗率HR= 7 991.61 kJ/kWh；当Pms增加-1%时，得到汽轮机热耗率HR=7 991.80 kJ/kWh。

由此可知主蒸汽压力Pms变化1%，对汽轮机热耗率HR的影响系数为0.001 2%。

5.3 汽轮机热耗率测量不确定度评定结果

THA工况时汽轮机热耗率测量的不确定度计算汇总见表3。

取包含因子k=2，汽轮机热耗扩展不确定度U（HR）=k×u（HR）=2×0.353 4%=0.706 8%。

检测结果：THA工况下，汽轮机热耗率HR=（7 991.71±56.48）kJ/kWh，k=2。

表3 THA工况汽轮机热耗率测量不确定度计算

5.4 测量不确定度分析

由表3可知，试验热耗率不确定度为0.353%，而ASME PTC6的要求为0.25%，分析可知对热耗率不确定度影响最大的是机组出力的测量。试验时，机组出力测量是在发电机输出端TV、TA回路上配接三相数字式功率计直接测量。功率计精度等级为0.1级、TV和TA精度均为0.2级，是试验时不确定度的最大影响因素。

随机误差，即A类不确定度对热耗率测量不确定度的最终结果影响较小，反映了试验过程中对工况和参数的稳定性把控较好。

6 结语

以某300 MW机组为例，分析了汽轮机缸效和热耗率测量不确定度的评定过程，汽轮机热试测量不确定度的影响因素，以及试验过程中为降低不确定度的注意事项。其中热耗率测量不确定为0.353%，高于ASME PTC6规定的0.25%，主要原因在于TV与TA的精度对其影响最大。

汽轮机热力性能试验中测量不确定度评定是试验报告的有效补充，有助于增加试验报告结果的可信度。

[1]ASME PTC-2004.Steam Turbines Performance Test Codes [S].New York∶The American Society of Mechanical Engineers，2005.

[2]梁海雷，苗志强.汽轮机热力性能试验中不确定度的分析计算[J].电站系统工程，30（1）∶4-6.

[3]中国计量标准委员会.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国质检出版社，2012.

原标题：汽轮机热试测量不确定度分析研究

（本文编辑：陆 莹）

Analysis and Research on Measurement Uncertainty of Thermal Performance Test on Steam Turbine

HUA Min1，LI Ping2
（1.Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China；2.Zhejiang Provincial Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Due to various influencing factors，the values of thermal performance test on steam turbine are slightly different.The paper analyzes factors that influence measurement uncertainty of thermal performance test on steam turbine.Taking thermal performance test on 330 MW steam turbine as an example，the paper establishes an evaluation process for measurement uncertainty of cylinder efficiency and heat rate and evaluates the uncertainty，which can be used as reference.

steam turbine；thermal performance test；heat rate；cylinder efficiency；uncertainty

TK267

B

1007-1881（2015）11-0020-04

2015-09-17

华 敏（1986），男，工程师，主要从事发电厂汽轮机热力性能试验及能耗诊断工作。