联合循环机组性能试验中环境参数对结果修正的影响及不确定度分析

2020-01-10关盼龙范军辉何远正

燃气轮机技术 2019年4期

关盼龙，范军辉，何远正，张博

(中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司，西安 710032)

随着燃气轮机技术的日益成熟，以及人们对环保质量要求的提高，加之燃气轮机及其联合循环机组具有高的热效率、运行灵活、较少的投资费用，且在一定程度上可解决燃烧污染环境问题，逐渐在我国火电行业形成异军突起的态势[1-3]。

新建燃气-蒸汽联合循环机组投运时，对其整体性能考核试验尤为重要，这不仅对机组性能进行技术鉴定，而且当性能指标达不到合同规定值，是执行“违约罚款”的依据。同时，通过性能试验，可以发现电厂运行过程中发电设备存在的技术与质量问题，为电厂今后运行、检修提供技术依据。应用不确定度理论对试验结果的精确性和有效性做出量化的评价是判断试验失败以及执行商务合同的重要基础。在此基础上，分析与研究联合循环机组性能试验结果的不确定度就十分有必要[4-5]。

影响联合循环机组性能的主要因素有环境条件、燃气轮机空气进口压损及余热锅炉烟气阻力、燃料类型、蒸汽循环方式等[6-7]。尽管国内外研究机构及学者在燃气轮机及其联合循环理论研究和试验方面进行了深入研究[8-11]，但针对新建联合循环机组的现场性能试验，研究环境参数对试验修正结果的影响以及试验结果的不确定度分析，目前可见报道还较少。本文以某488 MW新建联合循环机组为研究对象，分别在燃油和燃气工况下进行了现场性能试验，得到了不同环境参数计算工况值，通过对不同计算工况下进行的结果修正计算，探讨分析了环境参数对试验结果修正的影响，并依据ASME PTC19.1和ASME PTC46标准计算了试验不确定度[12-13]，对比分析了环境参数测量对结果不确定度的影响，该研究可为优化试验方案提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

488 MW燃气-蒸汽联合循环机组，采用三拖一配置，包括三台GE9E型双燃料燃气轮机，主燃料为天然气，备用燃料为轻柴油，双燃料之间可相互切换；一台NEM制造的双压、自然循环、无补燃、自然通风的余热锅炉；一台SKODA生产的双压、单轴、凝汽式汽轮机。

1.2 研究方法

为研究环境参数对试验结果修正的影响，依据ASME PTC46[14]，在机组联合循环运行方式下进行了现场性能试验，试验是以主变高压侧作为功率的边界，以燃气轮机进口位置作为参数测量边界，试验边界如图1所示，然后分别按机组在燃气和燃油试验工况下测量环境参数，即燃机进口空气参数，包括环境温度、大气压力和相对湿度等，其中每台燃机布置8个环境温度测点，2个大气压力测点，2个相对湿度测点，均为对称布置，测点位置如图1所示，设计得到了不同测量参数计算工况值，如1.2.3部分所示，并结合DCS历史运行数据，对不同计算工况下进行了试验结果计算。由于测试条件已偏离基准工况下的设计条件，在试验工况下需要对试验结果进行修正。根据测试方要求，将功率和热耗率作为试验评估结果。因此，试验过程中，依据设计厂家所提供的修正曲线对试验结果功率和热耗率进行修正，其修正计算参考ASME PTC46[14]。

图1 试验边界及测点位置图

1.2.1 相对敏感系数

在试验结果分析中，当判断某特定参数对试验结果的相对影响，宜采用相对敏感系数θ来表示：

(1)

R=f(x1,x2,…,xi)

(2)

其中θ<1，θ值越大则说明该参数对结果的相对影响较大，可以作为权衡测量参数对结果的影响程度。

1.2.2 不确定度分析

不确定度用于表征被测量值的分散性，是与测量结果相联系的参数。它是测量结果的不能肯定程度，反之也表明该结果的可信赖程度。一切测量结果都不可避免地具有不确定度[2]。由于误差是不确定度的来源，因此，将测量不确定度归为两类：由随机误差引起的不确定度称为随机误差；由系统误差引起的不确定度称为系统不确定度。

由于试验修正结果是通过各测量参数计算出来的，因此试验结果是各测量参数的函数，各基本参数的测量不确定度通过该函数关系，以加权方和根的形式，传递给测量结果。对于每个参数测量值相对独立，都包括系统不确定度UB和随机不确定度US两部分，计算公式如式(3)[16]：

(3)

其中:UR为结果不确定度；UBi、USi分别为参数i的系统不确定度和随机不确定度；θi为参数i的相对敏感系数，参考1.2.1计算部分。

系统不确定度UB包括仪表不确定度UI和空间不确定度Us，其值应取UI和Us的方和根，而随机不确定度US指的是时间上的不确定度UT，具体的计算方法如下：

(a) 仪表不确定度UI

仪表本身的不确定度作为仪表的测量精度，是系统不确定度的主要来源，对于多重测点，平均测量不确定度等于单测点不确定度的1/m0.5，式中m为测点数目[17]。

(b) 空间不确定度Us

空间不确定度仅是某些沿空间分布的测点需要考虑的。例如汽轮机低压缸的排汽压力，即背压。由于排汽口的介质流场极不均匀，实测的几个排汽压力相互间的差值一般远大于仪表不确定度和时间不确定度。空间不确定度的估算方法为：

Us=tν′·R

(4)

式中:tν′为替代分布，如表1所示；R为样本范围即样本最大值与最小值之差(样本数目少于10)。

时间的不确定度来自测量时工况的稳定性，但时间参数的变化随时间而异，一般情况下，有关试验标准给出了因时间变化对试验结果造成的差异折算成不确定度的影响降至最小的样本数量的要求，如果试验无法满足此要求时，那么必须单独考虑它的影响。当样本数量大于 10 时，应用下面公式计算时间的不确定度UT。

(5)

式中:tν表示自由度ν，置信概率为95%的t-分布数，如表1所示；σS为样本的均值标准偏差；R为样本范围即样本最大值与最小值之差(样本数目大于10)。

表1 t-分布和替代t-分布

为计算试验结果的不确定度，严格按照工程上广泛采用的ASME 19.1不确定度计算标准，建立的试验不确定度计算流程，如图2所示，依据试验方案测点布置，由公式(1)计算各测量参数对试验结果的相对敏感系数，进而由公式(3)获得试验结果不确定度，并按照表3不确定度的试验要求进行评定[14]，若不满足要求，则需重新调整试验方案。试验中采用的仪器及精度如表2所示。

表2 试验采用仪器

图2 不确定度计算流程

表3 不确定度的试验要求 (ASME PTC46)

1.2.3 计算工况

试验工况为燃气和燃油两种燃料下，使用EIC-IMP数据采集系统获得参数测量值，如表4所示。表5为试验结果保证值。试验采用控制变量法，即一个变量变动，其他变量采用试验测量值，不同测量参数下，得到计算工况如表6所示。

表4 不同燃料试验工况下的测量参数的测量值

表5 试验保证值

表6 测量参数的计算工况表

2 计算结果分析

2.1 修正结果的影响

为研究环境参数变化对修正后的功率和热耗率的影响，在环境参数计算工况下，得到计算结果如下：

2.1.1 环境温度

图3表示为环境温度对试验结果修正功率和修正热耗率的影响。当环境温度一定，燃气工况修正功率高于燃油工况，对应的修正后热耗率低于燃油工况，且两种燃料下修正功率均随着环境温度的增加而增加，修正热耗率随着环境温度的增加而降低。这是由于环境温度升高，导致压气机进口空气密度减小，吸入的空气质量流量减小，进而导致燃机排气流量减小[2,18]，降低燃机出力，则试验下修正功率也就增大，而对应的修正热耗率就会减小。根据计算结果，在燃气工况下，当环境温度从15 ℃升高到40 ℃，对应的修正功率增加了61.33 MW，占功率保证值(488.8 MW)的12.55%，此时修正热耗率降低了111.28 kJ/kg，占热耗率保证值(7 245 kJ/kg)的1.54%(燃油工况时修正功率也提高了60.11 MW，修正热耗率下降了55.50 kJ/kg)，可以看出，环境温度的变化对修正功率影响显著，而对修正热耗率影响相对较小，且燃气工况比燃油工况下修正热耗率变化幅度大。

图3 环境温度对试验结果修正后功率和热耗率的影响

2.1.2 大气压力

图4表示为大气压力对试验结果修正功率和修正热耗率的影响。当大气压力一定，燃气工况修正功率高于燃油工况，对应的修正热耗率低于燃油工况，且两种燃料下修正功率基本上均随着大气压力的增加而减小，修正热耗率随着大气压力的增加而增加。这是由于大气压力升高，使得空气密度升高，进而使得压气机进口质量流量升高，排气流量升高[18]，提高燃气轮机出力，则试验下修正功率也就减小，而对应的修正热耗率就会增加。根据修正曲线，在燃气工况下，当大气压力从90 kPa升高到97.5 kPa，对应的修正功率减小了42.32 MW，此时修正热耗率增加了14.79 kJ/kg(燃油工况时修正功率降低了41.97 MW，修正热耗率增加了16.34 kJ/kg)，可以看出，大气压力升高，一定程度上试验修正功率会下降，修正热耗率会上升，在两种燃料工况下试验修正结果影响差别不大，但对试验修正功率较修正热耗率影响要大。

图4 大气压力对试验结果修正后功率和热耗率的影响

2.1.3 相对湿度

图5表示为相对湿度对试验结果修正功率和修正热耗率的影响。当相对湿度一定，燃气工况修正功率要低于燃油工况下，对应的修正热耗率也较燃油工况要低，且两种燃料下修正功率基本上均随着相对湿度的增加而增加，修正热耗率随着相对湿度的增加而减小。这是由于相对湿度增加，使得空气密度降低，进而使得排气流量降低[18]，则试验下修正功率也就减小，而对应的修正热耗率就会增加。根据试验计算结果如图5，在燃气工况下，当相对湿度从20%升高到70%，对应的修正功率增加了25.81 MW，此时修正热耗率降低了18.94 kJ/kg(燃油工况时修正功率提高了26.13 MW，修正热耗率下降了22.19 kJ/kg)，可以看出，相对湿度升高，一定程度上试验修正功率会上升，修正热耗率会下降，在两种燃料工况下试验修正结果影响差别不大，但对试验修正功率较修正热耗率影响要大。

图5 相对湿度对试验结果修正功率和热耗率的影响

2.2 参数的相对影响

为进一步确定环境参数对试验结果功率和热耗率的相对影响，在燃气和燃油工况下，根据1.2.1的计算方法，分别计算了在环境温度、大气压力、相对湿度等环境参数下，按试验工况计算得到了对应的试验结果的相对敏感系数，其结果如图6所示。

图6表示不同燃料下测量参数对修正功率和修正热耗率的影响因子。可以看出，在燃油和燃气工况下，大气压力对修正功率和修正热耗率的影响因子较高，环境温度和相对湿度对修正结果的影响因子较低。而相比燃油工况，燃气工况下环境参数对修正结果的影响更大些。

图6 测量参数对修正功率和修正热耗率的影响因子

表7 修正功率不确定度计算汇总

2.3 试验结果的不确定度分析

规程中ASME PTC46对各测量仪器的精度及校验均有明确要求。本次性能试验采用的仪表及变送器均满足这些要求。下面以燃气工况为例分析试验结果的不确定度。

2.3.1 修正功率

由公式(1)可知，修正后的功率与环境温度、大气压力、相对湿度、燃料成分、燃机转速以及功率因数等相关，故试验结果修正功率的不确定度是根据公式(3)用方根和将这些参数的不确定度合成，结果汇总如表7所示。

2.3.2 修正热耗率

修正热耗率的各项参数的不确定度分析与修正功率的不确定度分析相似，结果汇总如表8所示。

表8 修正热耗率不确定度计算汇总

从上面的不确定度分析来看，试验工况下修正功率测量的总不确定度为0.306 06%，小于0.8%；而修正热耗率的总的不确定度为0.774 15%，小于1.25%，均满足性能试验规程要求，表明本次试验是有效的。

2.4 参数测量对结果不确定度的影响

为了在性能实验中保证输出功率、热耗率满足性能试验规程要求，必须控制各测量参数的测量不确定度。在燃油工况下，以环境参数的测量为例，假设其他参数的系统不确定度和随机不确定度保持不变，分析环境温度、大气压力和相对湿度等测量参数分别对功率和热耗率不确定度的影响，其中功率和热耗率分别指修正后的功率和修正后的热耗率。

图7为环境参数精度变化对试验结果不确定度的影响。如图所示，当温度变送器精度由0.2 K降至0.6 K，测量均值标准偏差不变(即时间不确定度不变)，功率不确定度上升了0.11%，而热耗率仅上升了0.000 11%；压力变送器精度由0.075%降至0.15%，测量均值标准偏差不变(即时间不确定度不变)，功率不确定度上升了1.62%，而热耗率仅上升了0.000 55%；湿度变送器精度由2%降至6%，测量均值标准偏差不变(即时间不确定度不变)，功率不确定度上升了5.66%，而热耗率仅上升了0.006 9%，可以看出环境参数仪器精度对功率的不确定度影响较热耗率的影响大。而当环境测量参数的仪器精度不变，分别增大环境温度、大气压力、相对湿度的测量均值标准差为1%、0.5%和2%，则功率不确定度分别上升了0.002 5%、0.205 7%和0.005 3%，而热耗不确定度则依次增加了2.72×10-6%、6.95×10-5%和6.33×10-6%，不难看出，参数测量均值标准差在一定范围内变化，对结果的不确定度影响较小。因此，在保证环境参数不确定度不低于规程要求(ASME PTC22)前提下，满足试验结果总的不确定度要求，可适当降低环境参数测量仪器精度，以控制试验仪器及其校验成本，该研究可为试验方案优化提供参考。