带补燃联合循环机组性能试验方法研究

陈赛科,于兰兰

(上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240)

依托国家“一带一路”倡议，国内主机供应商和工程公司不断在海外市场斩获订单。但海外项目从项目前期投标到项目执行均比国内项目难度更大，机组配置和热力系统尤其复杂，如中东地区常常会有带补燃联合循环机组、分期建设项目等。由于国内余热锅炉供应商缺乏制造带补燃余热锅炉的经验，同时国内性能试验单位对带补燃系统的联合循环系统性能试验也缺乏相关经验，因此性能验收试验如何进行成了难题。

联合循环机组的性能试验通常按照ASME PTC46标准执行，联合循环机组纯凝工况性能试验流程及修正方法已非常明确[1-4]，但是在带补燃联合循环机组性能试验方面的研究和公开报道比较少。本文依据相关试验标准，通过研究带补燃机组与常规机组的系统设计、运行方式等方面的异同点，分析带补燃联合循环机组修正曲线的绘制方法、修正方法、性能试验流程、性能试验时机组运行方式等，以此来探索带补燃联合循环机组性能试验方法。

1 常规机组与带补燃机组

1.1 机组配置

常规燃气-蒸汽联合循环T-S曲线如图1所示，燃气-蒸汽联合循环是布雷顿循环和朗肯循环结合在一起的一个复杂循环系统。其中，1-4为燃气轮机做功并排出废气过程，4-5为余热锅炉余热利用过程，7-10为蒸汽在汽轮机内做功的过程，10-11为蒸汽在凝汽器中冷凝并液化的过程。

图1 燃气-蒸汽联合循环理想T-S曲线

图2和图3分别为常规联合循环机组和带补燃联合循环机组原则性热力系统图。和常规联合循环机组相比，带补燃的联合循环机组多了余热锅炉进口或内部的补燃器，主要目的是为了增加联合循环机组的出力，燃料一般是天然气或油，和进入燃气轮机的燃料相同。

图2 常规联合循环机组系统示意图

图3 带补燃联合循环机组系统示意图

对应图1中的联合循环T-S图，在“过程4-5”之间增加补燃，提高烟气温度，进而提高余热锅炉的产汽量，尽可能增加汽水侧出力。

1.2 常规机组性能试验修正方法介绍

常规联合循环机组进行性能试验时，需要把各个边界参数修正至性能保证工况，将修正后的参数与性能保证值进行比较，以考核机组性能是否达到合同中描述的性能保证值。根据ASME PTC46标准[5]，影响联合循环机组出力和效率的因素很多，如大气温度、大气压力、相对湿度、进气压损、燃料温度、燃料成分、电网频率、汽轮机背压、机组老化等。

式(1)和式(2)为将联合循环机组输出功率和热耗率分别修正至性能保证条件的方法，常规机组只需测得联合循环出力和热耗率及相关边界数据，根据修正公式把联合循环出力修正至性能保证工况即可。

常规联合循环机组出力的修正方法见式(1)：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ8+Δ9)×

(1)

式中：Pcorr为修正后联合循环出力，Pgross=Pmeas-PL,exc，Pmeas为实测发电机端出力，PL,exc为励磁消耗的有功功率；Δ2为功率因数对功率的加法修正；Δ8为循环水参数对功率的加法修正；Δ9为汽水泄漏量对功率的加法修正；αj中的j可由1～7代入，α1为大气温度对功率的修正系数，α2为大气压力对功率的修正系数，α3为相对湿度对功率的修正系数，α4为压气机进气压损对功率的修正系数，α5为燃料温度对功率的修正系数，α6为燃料低位发热量和C/H对功率的修正系数，α7为透平转速对功率的修正系数；Kp,deg为机组老化对功率的修正系数。

常规联合循环机组热耗率的修正方法见式(2)：

(2)

式中：Hcorr为修正后联合循环热耗率；Qmeas,GT为实测燃气轮机输入热量；fi中的i可由1～7带入，f1为大气温度对热耗率的修正，f2为大气压力对热耗率的修正，f3为相对湿度对热耗率的修正，f4为压气机进气压损对热耗率的修正系数，f5为燃料温度对热耗率的修正系数，f6为燃料低位发热量和C/H对热耗率的修正系数，f7为转速对热耗率的修正系数；KH,deg为机组老化对热耗率的修正系数。

2 带补燃机组性能试验方法

图4为带补燃联合循环机组的性能试验边界，与常规联合循环机组相比，带补燃器的机组在烟气进入余热锅炉或余热锅炉的某个换热器前增加补燃器，通过补燃把联合循环出力提升至某个期望值，其系统设计和运行方式均比常规联合循环机组复杂得多。

图4 带补燃联合循环机组试验边界

和常规联合循环机组一样，性能试验时，机组的运行工况应尽量接近设计工况，以减少由于运行工况和设计工况的偏差带来的修正。

2.1 带补燃机组性能修正方法

热力系统设计时通常以补燃工况为设计工况(性能保证工况)进行余热锅炉、汽轮机和凝汽器等主设备的设计和各设备的选型，性能试验时把实测出力和热耗率修正到设计工况。

性能试验标准ASME PTC46中推荐的性能试验方法比较多，该标准中可用于带补燃机组的性能修正方法有以下两种。

指定“补燃量”模式，与常规机组性能试验方法基本相同，燃气轮机在排气温度控制模式下运行，性能试验时控制补燃量，调整补燃量(补入热量)使其接近设计点，如果补燃量与设计工况稍有差别，则对机组出力和输入热量进行加法修正，其修正方法与常规机组试验方法基本一致。

指定“补燃量”模式，联合循环出力的修正方法如下：

Pcorr=(Pgross+Δ2+Δ3+Δ8+Δ9)×

(3)

式中：Δ2为补燃量与设计值偏差对出力的加法修正。

指定“补燃量”模式下联合循环热耗率的修正方法如下：

(4)

式中：Qmeas,SF为实测余热锅炉补燃器的输入热量；ΔQSF为补燃量与设计值的偏差对输入热量的加法修正。

指定“出力”模式，性能试验时燃气轮机在排气温度控制模式下运行，通过调整补燃量使联合循环出力与设计工况出力一致。如果出力与设计工况有偏差，则对燃料量做加法修正，性能试验时，出力不做修正，仅对热耗率需要修正。

指定机组运行模式的修正方法与常规联合循环机组性能试验修正方法一致。

指定“出力”模式试验时联合循环热耗率的修正方法如下：

(5)

式中：W7为测量出力与设计出力的偏差对余热锅炉输入热量的修正系数。

2.2 两种试验方法的对比

在性能试验时，以上两种方法下机组运行方式各不相同，二者在性能试验准备和现场实施阶段各有优缺点。

“定补燃量”方法的优点为：试验方法和修正方法均与常规联合循环机组性能试验方法非常相似，性能试验第三方对该模式下的试验方法和修正方法较为熟悉。缺点为试验时需恒定补燃量，若补燃量与设计工况有偏差，则其对出力和输入热量的影响需要进行加法修正，修正曲线绘制工作量较大，需要同时绘制出力和热耗率这两个因素的修正曲线。

“定出力”方法的优点为：修正曲线绘制工作量小，性能试验时控制补燃量，使联合循环出力与设计值一致运行，因此绘制修正曲线时，只需要绘制各因素对热耗率的影响曲线即可。缺点为该模式下性能试验第三方和各主机商关于联合循环机组性能试验的经验较少，性能试验时使出力与设计值完全一致的难度较大，机组功率因数、励磁功率、汽轮机背压均等加法修正项与设计值不同，性能试验过程中联合循环出力会出现小幅变化，因此采用“定出力”方法时，需要根据实测联合循环出力与设计值之间的偏差，对输入热量进行修正。

余热锅炉设计时，由于材料原因，补燃后烟气最高温度一般会有限制。基于上述两种方法进行性能试验时，在试验前需要对补燃后烟气温度是否超过锅炉限制值进行详细评估，以确定试验条件是否得到满足。

2.3 修正曲线绘制方法

以上两种试验方法的修正曲线绘制方法基本一致，唯一区别在于方法一需要绘制出力和热耗率的曲线，而方法二只需要绘制热耗率曲线即可。

以图5所示大气温度对出力的修正曲线为例，基于性能保证工况绘制，横坐标为大气温度与性能保证工况的差值，纵坐标为修正系数，修正系数等于设计值除以实测值，修正系数计算如下：

(6)

图5 大气温度差值对出力的修正曲线

2.4 分期建设时性能试验方法

参考ASME PTC46[5]中的描述和要求，在联合循环电厂分阶段施工的过程中，当汽轮机正在施工建设时，燃气轮机已单循环运行几个月或更长的时间，燃气轮机已存在实质性机组老化，而汽轮机和余热锅炉为新机状态。为了验证联合循环机组在“新”、“净”状态下的性能，性能试验也要分阶段进行，具体如下：

1)第1阶段试验。在燃气轮机“168 h试运行”后，进行燃气轮机性能试验(Phase 1 test series)，第1阶段试验按照ASME PTC2或ISO2314进行，在燃气轮机新机状态下进行单循环试验，由燃气轮机供应商提供修正曲线。

2)第2阶段试验。汽轮机施工完成后，对汽轮机进行性能试验(Phase 2 test series)，第2阶段按照“ASME PTC6.2——联合循环汽轮机性能试验考核规程”执行汽轮机性能试验，不考虑燃气轮机的影响，把汽轮机出力修正至性能保证工况即可，由汽轮机供应商提供汽轮机修正曲线。

两个阶段试验完成后，对数据进行综合修正，得到联合循环新机的性能。

修正后联合循环出力如下：

Pcorr=Pcorr,GT,1+Pcorr,ST,2

(7)

式中：Pcorr,GT,1为第1阶段修正至性能保证工况燃气轮机出力；Pcorr,ST,2为第2阶段试验修正后汽轮机出力。

修正后联合循环热耗率计算如下：

(8)

式中：QGT为第1阶段试验燃机输入热量；QDes,SF为性能保证工况补燃器输入热量。

带补燃联合循环机组的余热锅炉性能试验也应在第2阶段试验时进行，需要对余热锅炉进行单独考核。余热锅炉的试验方法应依据“ASME PTC4.4——余热锅炉性能试验规程”执行，修正曲线由锅炉供应商提供。

3 结 论

本文研究了带补燃联合循环性能试验流程、方法等，主要结论如下：

1)带补燃联合循环机组性能试验时，“定出力”

方法和“定补燃量”方法均可采用，但两种方法均有优缺点。从修正曲线绘制和试验时机组控制的难易程度来说，“定出力”模式相对有优势。

2)性能试验时均要考虑补燃后烟气温度是否超过余热锅炉最大允许值。

3)带补燃联合循环机组性能试验修正曲线绘制方法与常规机组基本一致。

4)分期建设带补燃联合循环机组在验证机组处于“新”和“净”状态下的性能时，需要对燃气轮机和汽轮机分阶段进行2次试验，余热锅炉也需要单独进行性能试验，试验程序和工作量相对复杂和烦琐。

本文的相关研究能够为后续海外项目的顺利执行打下理论基础。