朱梅芳，包勁松，秦攀，樓可煒，李 龍

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組具有效率高、排放清潔、建造周期短和調(diào)峰能力強(qiáng)等特點(diǎn)，西氣東輸工程促進(jìn)了沿線燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠的建設(shè)。目前浙江省共有15臺(tái)容量約400 MW的9F單軸燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組已投產(chǎn)運(yùn)行，其中GE公司7臺(tái)，Siemens公司5臺(tái)，三菱公司3臺(tái)。

1 設(shè)計(jì)性能

與傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組相比，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組具有強(qiáng)大的效率優(yōu)勢(shì)，其熱效率最低也有57.6%。東方電氣采用三菱燃機(jī)，ISO（標(biāo)準(zhǔn)工況）下聯(lián)合循環(huán)機(jī)組設(shè)計(jì)效率為58.7%，出力為455.8 MW，比哈爾濱電氣公司的機(jī)組性能高1%。表1列出了上述三大燃機(jī)廠商具有代表性的燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)性能指標(biāo)，為避免環(huán)境條件對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響，統(tǒng)一采用ISO進(jìn)氣條件，汽機(jī)冷端背壓取4.9 kPa。

對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，提高透平進(jìn)氣溫度是提高其效率最直接的方法，燃機(jī)制造廠商一方面在耐高溫材料、冷卻技術(shù)以及隔熱涂層等方面不斷尋求技術(shù)突破以提高燃機(jī)透平入口初溫，另一方面通過系統(tǒng)優(yōu)化提高機(jī)組性能。

表1 9F單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能指標(biāo)比較

Siemens 燃機(jī)在 SGT5-4000F（6）/F（x）上增加了HCO（液力間隙優(yōu)化）系統(tǒng)，通過投運(yùn)HCO系統(tǒng)，使燃機(jī)轉(zhuǎn)子向逆氣流方向移動(dòng)，以減少透平動(dòng)葉和缸體的間隙，同時(shí)壓氣機(jī)端的間隙相應(yīng)增大。壓氣機(jī)端由此損失的功率比透平端增加的功率要小，減少了葉頂間隙，在無燃料變化的情況下可增加機(jī)組出力約3 MW。

與其它制造廠商不同，三菱燃機(jī)增加了TCA（燃機(jī)冷卻空氣系統(tǒng)），壓氣機(jī)排氣經(jīng)過TCA并過濾后冷卻轉(zhuǎn)子。利用燃機(jī)冷卻空氣的能量，加熱高壓給水，以提高機(jī)組能源利用效率。

2 試驗(yàn)中的重要參數(shù)及其影響

燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)ASME PTC46（美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)汽輪機(jī)及全廠性能試驗(yàn)規(guī)程）及ASME PTC22（美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)前需要對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行離線水洗，以減少壓氣機(jī)污垢對(duì)機(jī)組性能的影響。對(duì)試驗(yàn)計(jì)算有重要影響的參數(shù)如表2所示。

2.1 壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度

壓氣機(jī)進(jìn)口溫度變化對(duì)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力有很大影響，當(dāng)環(huán)境溫度大于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，氣溫每變化1℃對(duì)機(jī)組出力的修正量為0.4%～0.6%，因此必須提高壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的測(cè)量精度。目前采用1級(jí)精度的PT100熱電阻元件配變送器進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度為±0.1℃，測(cè)點(diǎn)數(shù)目可根據(jù)機(jī)組進(jìn)氣口布置方式作適當(dāng)調(diào)整。

不同燃機(jī)廠商有不同的壓氣機(jī)進(jìn)氣口布置方式。GE燃機(jī)為高空一面進(jìn)氣，試驗(yàn)時(shí)溫度測(cè)點(diǎn)布置分4層，每層1個(gè)點(diǎn)。Siemens燃機(jī)為高空三面進(jìn)氣，測(cè)點(diǎn)分3層布置，3面共9個(gè)測(cè)點(diǎn)。三菱燃機(jī)為近地面三面進(jìn)氣，測(cè)點(diǎn)方式為左右側(cè)分2層布置，每層1個(gè)測(cè)點(diǎn)，中間分2層，每層1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)。表3—5為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度分布情況。受陽光照射、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境條件影響，濾網(wǎng)前進(jìn)氣小室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)有一定的不均勻性，GE燃機(jī)為單面進(jìn)氣，其溫度場(chǎng)相對(duì)比較均勻，溫差在0.5℃以內(nèi)，而Siemens和三菱燃機(jī)為三面朝向布置，溫差相應(yīng)較大。特別是三菱燃機(jī)，一方面進(jìn)氣口附近熱力管道較多，對(duì)附近的空氣有一定的加熱作用；另一方面進(jìn)氣口離地面較近，受地面氣流運(yùn)動(dòng)的影響也較大。

表2 燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組重要試驗(yàn)參數(shù)

表3 GE燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度分布情況

為盡可能地準(zhǔn)確測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，應(yīng)盡量選擇溫差小的地方進(jìn)行測(cè)量，如壓氣機(jī)進(jìn)口通道內(nèi)。如果受現(xiàn)場(chǎng)條件、儀器設(shè)備限制，需要在進(jìn)氣濾網(wǎng)小室內(nèi)測(cè)量，則盡量靠近濾網(wǎng)側(cè)，以提高測(cè)點(diǎn)的代表性。

2.2 大氣壓力

大氣壓力每偏差1 kPa，對(duì)機(jī)組出力的影響約0.7%～1%。目前采用精度為±0.15 hPa的大氣壓力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，與常規(guī)絕對(duì)壓力變送器測(cè)量相比，該大氣壓力計(jì)測(cè)量值不受儀器擺放位置（平放、豎放）的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)更穩(wěn)定可靠。

表4 Siemens燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度分布情況

表5 三菱燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度分布情況

2.3 進(jìn)/排氣壓損

壓氣機(jī)進(jìn)氣壓損是壓氣機(jī)進(jìn)口全壓與濾網(wǎng)前壓力（大氣壓）之差，排氣壓損為透平排氣全壓與大氣壓之差。正常情況下需要采用畢托管迎著來流方向測(cè)量管道內(nèi)空氣（煙氣）流速，當(dāng)儀表及其安裝不能滿足試驗(yàn)要求時(shí)，可采用計(jì)算空氣（煙氣）質(zhì)量流量和已知的流道面積來計(jì)算流速，從而得到動(dòng)壓和全壓。通常情況下該項(xiàng)修正為零。

2.4 天然氣流量

GE燃機(jī)天然氣流量計(jì)量采用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是其質(zhì)量流量可以直接用于計(jì)算機(jī)組熱耗率，缺點(diǎn)是精度不高，根據(jù)廠家提供的校驗(yàn)資料，該流量計(jì)在校驗(yàn)時(shí)采用的介質(zhì)為常壓下的水，校驗(yàn)精度為0.1%，若測(cè)量天然氣，則其精度將下降至0.5%。流量信號(hào)直接進(jìn)入燃機(jī)Mark VI控制系統(tǒng)，對(duì)流量修正計(jì)算時(shí)沒有考慮高壓天然氣對(duì)其測(cè)量精度的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中要對(duì)流量進(jìn)行壓力修正。試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)量程偏大，在Baseload（額定負(fù)荷）工況運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行流量僅占滿量程的1/5，在流量計(jì)的小流量（10%）范圍內(nèi)，隨著流量減小其測(cè)量不確定度將大幅上升。運(yùn)行期間當(dāng)天然氣單位質(zhì)量熱值大幅提高時(shí)，運(yùn)行流量將進(jìn)一步減小，從而增加測(cè)量不確定性。因此，建議新建機(jī)組在招投標(biāo)期間即明確提出設(shè)計(jì)工況天然氣流量需占測(cè)量表計(jì)滿量程的1/2～2/3，以此來確定表計(jì)的量程范圍，確保儀表精度。

Siemens燃機(jī)和三菱燃機(jī)均采用高精度的渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，校驗(yàn)介質(zhì)為高壓天然氣，校驗(yàn)精度高于0.2%。渦輪流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量精度高，缺點(diǎn)為由于測(cè)量的是體積流量，還需壓縮因子計(jì)算，進(jìn)行體積流量和質(zhì)量流量之間的換算。

2.5 汽機(jī)冷端修正

按照ASME PTC46，要求采用循環(huán)水流量和循環(huán)水進(jìn)口溫度對(duì)汽輪機(jī)冷端進(jìn)行修正，鑒于用超聲波流量計(jì)直接測(cè)量循環(huán)水流量誤差太大，難以滿足測(cè)量所需的直管段要求，一般是根據(jù)能量平衡原理，通過計(jì)算來求得循環(huán)水流量。對(duì)于Siemens燃機(jī)，由于有SSS離合器，可以進(jìn)行燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行，從而計(jì)算出凝汽器熱負(fù)荷和循環(huán)水流量。GE和三菱燃機(jī)則無法進(jìn)行燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行，所以對(duì)其冷端修正進(jìn)行簡(jiǎn)化，直接采用汽輪機(jī)背壓對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷端修正。

2.6 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組老化修正

供貨合同中規(guī)定：機(jī)組在首次點(diǎn)火后，總計(jì)500 h（視不同的供貨合同而定）實(shí)際點(diǎn)火小時(shí)以內(nèi)視為處于新的和清潔的狀態(tài)，超過該時(shí)間則需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行老化修正。GE燃機(jī)根據(jù)實(shí)際點(diǎn)火運(yùn)行小時(shí)對(duì)機(jī)組出力和效率進(jìn)行修正，而Siemens和三菱燃機(jī)則以等效運(yùn)行小時(shí)對(duì)機(jī)組出力和效率進(jìn)行修正。

為直觀對(duì)比燃機(jī)廠商提供的老化修正，假設(shè)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行500 h，啟停50次，沒有發(fā)生負(fù)荷快速變動(dòng)或跳閘事故等，其運(yùn)行（等效運(yùn)行）小時(shí)以及對(duì)機(jī)組出力和熱耗率的老化修正見表6，三菱機(jī)組的老化修正量為永久性等效老化小時(shí)EDH1和可恢復(fù)的等效老化小時(shí)EDH2之和。

表6 9FA單軸燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組老化修正量

從表6可以看出，在機(jī)組正常運(yùn)行情況下，三菱燃機(jī)在相同的啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行小時(shí)數(shù)情況下，老化修正量大于其他機(jī)組。考慮到GE燃機(jī)采用的是實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)，運(yùn)行過程中難免會(huì)因跳閘等影響機(jī)組負(fù)荷快速波動(dòng)的情況而增加等效運(yùn)行小時(shí)，因此Siemens和GE燃機(jī)老化修正量基本一致。為避免老化修正給試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，使其能真實(shí)反映機(jī)組運(yùn)行性能，應(yīng)盡可能在機(jī)組處于“新的和清潔的狀態(tài)下”，即在合同規(guī)定的運(yùn)行小時(shí)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.7 汽水損失

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力系統(tǒng)汽水損失直接影響汽機(jī)的出力，雖然試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC46中提出需對(duì)機(jī)組進(jìn)行嚴(yán)格的熱力系統(tǒng)隔離，以實(shí)現(xiàn)閥門零泄漏，但實(shí)際試驗(yàn)期間基本不可能達(dá)到上述要求。有的制造廠商給出的方案是：當(dāng)系統(tǒng)汽水損失超過鍋爐高壓主蒸汽流量的0.1%以上時(shí)，進(jìn)行汽水損失修正。但這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)組汽水損失可以放得很大甚至失控，增加試驗(yàn)的不確定度。因此，燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)時(shí)宜結(jié)合燃煤機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)修改：當(dāng)汽水損失為凝結(jié)水流量（進(jìn)入鍋爐給水流量）的0.1%以內(nèi)時(shí)，不計(jì)汽水損失修正；汽水損失為0.2%～0.5%時(shí)，扣除0.1%后再進(jìn)行汽水損失修正；當(dāng)汽水損失超過0.5%時(shí)，除非試驗(yàn)各方對(duì)汽水損失修正達(dá)成一致意見，否則試驗(yàn)終止，進(jìn)入閥門消缺程序。汽水損失的有效量化，提高了機(jī)組試驗(yàn)的可操作性，便于控制試驗(yàn)進(jìn)程。

2.8 試驗(yàn)運(yùn)行工況

Siemens燃機(jī)在環(huán)境溫度與設(shè)計(jì)值偏差約-6℃及以下時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入Load LMT（負(fù)荷限制）模式運(yùn)行，無法進(jìn)入OTC模式。廠商認(rèn)為Load LMT也是Baseload工況，但在這2種運(yùn)行模式下，進(jìn)氣溫度和大氣壓力等參數(shù)對(duì)機(jī)組出力和熱耗率修正的差異很大，Load LMT模式下進(jìn)行試驗(yàn)無法如實(shí)表征機(jī)組性能狀況。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中也沒有對(duì)Baseload進(jìn)行明確定義，為避免歧義，可對(duì)Baseload試驗(yàn)工況作如下定義：IGV全開（100%），且在OTC模式下運(yùn)行的Baseload試驗(yàn)工況。對(duì)Siemens燃機(jī)來說，應(yīng)盡量避免在冬季低溫條件下安排試驗(yàn)。

2.9 試驗(yàn)時(shí)段

通常情況下，當(dāng)機(jī)組以Baseload工況運(yùn)行2～3 h，待機(jī)組運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定即可正式開始試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄時(shí)間為1 h。由于浙江省的天然氣氣源比較復(fù)雜，其組分各異，不同的摻混方式對(duì)天然氣熱值和流量有直接影響，因此試驗(yàn)前需確認(rèn)天然氣組分有大幅度變化的時(shí)段，盡可能避開這些時(shí)段進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中也需對(duì)天然氣組分和流量進(jìn)行密切關(guān)注，一旦試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)異常，即終止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

表7為9F型單軸燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，Siemens燃機(jī)的壓氣機(jī)出口壓力為1.94 MPa，高于其他廠商，該壓氣機(jī)只有15級(jí)葉片，說明Siemens壓氣機(jī)單級(jí)效率較高。

經(jīng)參數(shù)修正后三菱燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力為453 MW，老化修正后達(dá)到456 MW，出力在3種機(jī)型中是最大的。而就機(jī)組效率而言，Siemens燃機(jī)效率為58.3%，略高于三菱燃機(jī)，GE燃機(jī)的出力和效率為3者最低。

表7 9FA型單軸燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從透平排氣溫度來看，Siemens燃機(jī)排氣溫度比設(shè)計(jì)值低7℃，機(jī)組出力和效率還有可調(diào)節(jié)余量，而GE燃機(jī)排氣溫度比設(shè)計(jì)值大3℃，三菱則與設(shè)計(jì)值一致。對(duì)同一臺(tái)機(jī)組來說，透平排氣溫度高說明透平進(jìn)口初溫也高，進(jìn)口初溫提高則透平效率也相應(yīng)增加，但初溫提高會(huì)增加機(jī)組熱應(yīng)力，對(duì)機(jī)組壽命有一定的影響。

4 結(jié)語

隨著Siemens公司、GE公司和三菱公司生產(chǎn)的9F單軸燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在浙江省內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)，其性能和出力這2個(gè)最重要的考核指標(biāo)備受關(guān)注，試驗(yàn)單位在嚴(yán)格按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，要求試驗(yàn)機(jī)組的參數(shù)、老化修正等也處于合理狀態(tài)，力爭(zhēng)做到公平、公正。

（1）聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)期間，需對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度、機(jī)組汽水損失等重要參數(shù)進(jìn)行有效控制。

（2）比較上述3家公司的燃機(jī)老化修正量可知，三菱燃機(jī)老化修正最大。為避免老化修正給試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，應(yīng)盡可能在機(jī)組處于“新的和清潔的狀態(tài)下”進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）通過對(duì)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能對(duì)比，同類型機(jī)組中Siemens燃機(jī)效率較好，三菱燃機(jī)出力最大。從透平排氣溫度來看，Siemens燃機(jī)未達(dá)到設(shè)計(jì)排氣溫度，機(jī)組效率還有提高的余量，而GE燃機(jī)則超過了設(shè)計(jì)值，有可能會(huì)額外增加機(jī)組熱應(yīng)力。

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