9FA型燃气轮机联合循环性能探析

9FA型燃气轮机联合循环性能探析

韩宏诚

        杭州华电半山发电有限公司  浙江 杭州  310015

摘要：本文着重于对GE公司供应的2台9FA燃气轮机单轴联合循环机组依次进行性能试验。在这之前，尽管我们已经对性能试验开展过系列的准备工作，各方也有协议，但试验后还是暴露出一些问题。归根结底，是因为没什么经验，让原本简单的事更加复杂。为此，笔者梳理了性能试验中典型的问题，供同行人员参考。

关键词：9FA型燃气轮机；联合循环；性能

1 热力系统分析

基本参数：燃气轮机：PG9351FA，压气机18级，设计压比15.4，进气流率2298.8t/h，3级透平，燃用天然气(甲烷 97.6%，乙烷0.62%，丙烷0.41%，己烷0.05%，氮气0.45%，H/C比3.95，低位热值48686 .3kJ/ kg)，进排气温度分别为1325℃，609℃，排气流率2359.3t/h，转速3000r/min。就D10 型汽轮机来说，其高压缸进汽参数如下：9.63MPa/565.5 ℃/282.9t/h。当大气压力达到0.101MPa、相对湿度达到77.0%，整个机组接近的供电功率396MW，热耗率6235.4kJ/kWh(低位热值)，而它的联合循环效率则会高达57.74 %。余热锅炉：热汽水循环，利用凝结水泵，除氧式凝汽器中输送的给水可以进入到余热锅炉中。为确保给水温度不低于70℃,我们将低出水细分成两路:一路是和凝结水直接混合，确保进水温度，还有一路则是直接进入低压汽包。借助低压蒸汽过热器，出口饱和蒸汽也会被输送至进入汽轮机低压缸。作为高、中压汽水系统中重要的给水箱，我们同样将给水划分成2个路段，一是经高压给水泵进行增压，输送到高压省煤器，在过热完成后，这些高压主蒸汽同样也会进入到汽轮机高压缸中，两级过热器都会安排一个过热减温器；还有一股则是利用中压给水泵增压后再次转入到中压省煤器、汽包中，利用中压蒸汽过热器，成功地和汽轮机高压缸排汽进行完全混合，最后才会流入两级再热器，其出口蒸汽后来也会流入到中压缸中，两级再热器均需安装一个再热减温器。

2 整体性能修正曲线

通常，修正曲线是按照燃机的性能进行计算，计算程序中涵盖了丰富的经验数据和结果。针对9FA燃机，GE公司已推出一套完善的修正方法，不过对联合循环机组而言，余热锅炉并不是GE公司来供应，在余热锅炉结构、性能掌握不全的情况下，很难提供精准的修正曲线。所以，对余热锅炉合同进行谈判时，作为确保联合循环性能的保障方，GE公司也会对余热锅炉厂家设定具体的要求，要求余热锅炉厂家如实填写，争得GE公司的认同。按照上述资料，GE公司构建了余热锅炉性能计算模型，同时制定联合循环机组相关的性能修正曲线。在反复的调整后，燃机IGV角度及其排烟温度有时会和合同中提及的热平衡图数值不相符，这就可能降低合同原先绘制的机组性能修正曲线的精准性。ASME PTC－22（1997）提到：“除 非试验各方并未达成一致，若不然，修正曲线（或数据）也毫无半点不确定度”。为保证试验不确定度不符合要求，修正曲线应当做到精准。这就说明，机组调整后，GE公司有必要对性能修正曲线做出适当的修正，最后得到的性能修正曲线，在调整后、试验前所提出的各项要求同样也比较妥当。 如何去验证GE公司编制性能修正曲线的精准性，按现有条件来看有较大的难度。不过，GE公司还是要对改变后的修正曲线做出必要的解释，以检验是否合理。GE公司通常会对机组出力、效率做出如下基本的修正：（1）压气机进口温度的修正；（2）大气压力的修正；（3）大气相对湿度的修正；（4）发电机频率改变的修正；（5）气体燃料低热值改变的修正；（6）老化修正。机组出力受到影响后的修正：（1）功率因数变化；（2）冷却水温度改变；（3）冷却水流量改变。（4）加热器进口温度改变。修正机组整体性能时，不允许涵盖任何余热锅炉性能不符合要求而开展的系列修正。若不然，整体性能在经过初步修正后表面上符合要求，但是却掩盖了余热锅炉性能本身的缺陷。当余热锅炉的质量和性能达不到要求时，势必会影响机组的性能，机组性能也要得到适当的修正。然而，该修正仅适合在责任分摊的情况，防止GE公司承担过多的责任。所以，GE公司有必要提供一套科学的余热锅炉参数，制定性能修正曲线，如排烟压力损失的修正（排烟压损不符合≤3.3kPa）、当蒸汽参数改变后，汽机出力的修正等。

3 对余热锅炉性能的考核

一般来说，余热锅炉自身的性能试验应当要与整体性能试验进行同步操作。假设机组整体性能符合要求，则无需考核余热锅炉性能。如果整体性能达不到合同标准，在责任分摊时有必要增加仪表、二次开始全面性能试验，那么在难度、时间方面都会有较大的困难。余热锅炉应涵盖如下几大考核项目：

（1）指定工况下显示的效率；（2）指定工况下得到的能量输出；（3）主蒸汽温度、压力损失。针对第3项内容，相对较为简单，仅需将测量值和合同值加以对比。针对第2项内容，GE公司应当依次给出高、中、低压能量具体的输出，阐明“某项蒸汽能量若是超出保证值，将其当作其他比保证值项蒸汽能量更低的一种补偿，确保总能量输出符合行业的标准”。针对第1项内容，被认为是余热锅炉性能的衡量指标，PTC4.4提供离2种用于对效率进行计算的方法，即输入/输出法、热损耗法。

输入/输出法：效率＝×100%，关键在于如何测定烟气流量、烟气温度，但是不需要考虑余热锅 炉排出烟气的温度以及本体散热量。热损耗法：效率＝（1－）×100%，关键是明确进入、排出余热锅炉各自的烟气温度。另外，余热锅炉厂家有必要提供锅炉本体实际的散热量。相对而言，燃机烟气流量检测出来的精确度，很多情况下不会对效率产生影响。选择何种方法对效率进行计算，应当由试验各方按照协议进行明确。效率测定十分关键，GE通常会选择输入/输出法，而烟气流量计算则会考虑燃机进口涡壳法（被认为是PTC4.4提倡的方法），如此，全部参数均处于GE的控制范围，仅需测试各方认同，该方法就完全可以行得通。不过在测试前，协议中也要说明GE公司提供进口喉部具体的面积（A）以及流量系数（Cf）。另外，余热锅炉厂家还要允许继续运用热平衡法来对烟气流量进行计算和验证的权利。在某个期限内，如果余热锅炉厂家并没有对测量的烟气流量结果产生任何的异议，那么这测量结果就可以认为是有效的。有关烟气温度，GE公司需要将Mark VI得到的燃机排烟温度直接减去1.1℃，将其当作锅炉进口温度。不过，这点也要争得试验各方的肯定。

式中：

GTotal－烟气质量流量；

n－烟气中各成分气体的具体数量；

αi－烟气中各种成分气体对应的质量百分数；

hi－烟气中各种成分气体的焓

能量输出＝＋＋＋

式中：－高压工质的能量增加量＋冷再热蒸汽对应的能量增加量。

－经过余热锅炉后，中压工质流产生的能量增加量；

－经过余热锅炉后，低压工质产生的能量增加量；

－经过压省煤器后，中压水流表现的能量增加量。

在性能试验中，我们选择的方法、仪表精度都十分重要，如高、中和低压蒸汽是否可以对水侧进行测量，哪些可以测量蒸汽侧，哪些可以对烟气流量以及温度进行测量等等，上述均需由试验各方签字认同后才能最终确认。不管能量输出还是锅炉效率，均需修正直至性能符合要求后，才能将其和性能保证值做出比较。

结束语

在我国，9FA燃机单轴联合循环机组相关的性能试验已开始成熟。伴随9FA机组的投产，性能试验变得更加频繁。我们坚信，今后还会有性能试验领域的其他专家加入，并形成充足的经验。希望专家还有同行可以一致探讨，齐心解决性能试验中遇到的问题，为燃机事业贡献更大的力量。

参考文献：

［1］焦树建．9FA燃机联合循环性能试验培训讲稿.2015．

［2］焦树建．燃气－蒸汽联合循环的理论基础［M］．北京：清华大学出版社,2019．

［3］姜焕农．燃机单轴联合循环性能试验一些参数的测量与确定［J］．燃气轮机发电技术,2020.No（2）．