大型单轴燃气-蒸汽联合循环性能技术研究

摘要：在单轴燃气-蒸汽联合循环电厂里，大型燃气轮机的排气不是直接排到大气中，而是作为有价值的能源进入到余热锅炉（HRSG）中产生蒸汽，推动蒸汽轮机，发出额外的电力。通过联合燃气和蒸汽两种发电循环，电厂的整体发电效率显著提升。

关键词：单轴;燃气轮机;性能试验;性能验收

引言

某境外燃气电站，主体设备采用的是西门子SGT5-4000F型燃气轮机、SST5-3000 型汽轮机组、SGen5-2000H 型发电机、SCon-1000的凝汽器及阿尔斯通GT13E1 型余热锅炉，进行单轴布置，一拖一联合循环。

SGT5-4000F型燃气轮机具有高效能，低发电消耗，大修间隔长以及易于维修等特点。通过优化蒸汽流向和冷却系统可使该型号燃气轮机在联合循环发电中达到最高的效率。该型号的燃气轮机是一种非常成熟的机组，具有非常成熟的设计理念和运行理念。

1.性能试验的概念

性能试验指的是买方对所购进的单轴燃气-蒸汽联合循环机组性能有具体的要求，并在合同中要求卖方对其出售的设备性能提出相应的保证值，然后在性能试验中来考核卖方的设备是否能够达到其保证值。通常它包括两个数据，即在各个保证工况下的净出力和净热耗值，为了保证双方的公平，在合同中还列出了机组对应的环境条件和运行条件。

本项目的环境条件和运行条件如下：

大气温度32℃相对湿度80%大气压力1.013bar功率因素0.85机组出力测量点275KV升压站频率50Hz河水取水温度32℃天然气入口压力27.5℃天然气比重0.59天然气毛热值27.5℃天然气温度20℃天然气毛热值38.04MJ/sm3项目的保证值如下：

描述保证值单位试验偏差100%负荷净出力384680kW-高位热值6911kJ/kWh-注：高位热值是指每标准立方米燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量;

低位热值是指每标准立方米燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。2.性能试验的准备

燃气-蒸汽联合循环的性能试验要求在所有的燃气轮机和蒸汽轮机的热态调试完成后马上进行。在性能试验前，西门子要求在试验前要让机组停机至少3天以用于压缩机的检查和清洗，这三天也包括了燃机和汽机的冷却时间。同时在这段时间，性能试验人员需要在机组各个位置安装性能试验用的仪器仪表。

在性能试验前，燃气-蒸汽联合循环应处在尽可能新的和清洁的状态下。在 文 件 Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge（用于本项目的性能试验程序）中规定，若燃烧少于700小时，则可认为设备是新的。若燃烧高于700小时，就必须使用老化曲线进行修正。

燃气-蒸汽联合循环在做性能试验的前一天或前几个小时必须对燃气轮机本体进行水洗。本机型水洗一般分为两种：一种是离线清洗，一种是在线清洗。离线清洗时要依靠启动静态变频器来转动机组进行高速盘车从而进行水洗。在线清洗指的就是在燃机运行的时候进行水洗。做性能试验前一般都只进行离线水洗，不进行在线水洗，在线水洗的风险较大，危险较高。水洗的目的就是清除燃汽轮机叶片中的沉淀来保持燃机的输出功率和效率。离线水洗之前，要手动调节 IGV 的开度到 100%，做好安全措施后，还要人工对 IGV 叶片进行清洁，以保证叶片能够得到充分的清洗从而确保得到真实的性能数据。

3.性能试验测点布置及参数测量

在进行性能试验前，参加试验的各方专家必须协商一致地共同制订试验大纲，其中最为关键的就是审查测点布置的设计，测量点的布置直接影响到各试验参数测量的合理性与准确性。本项目性能试验是按 ASME PTC46 和 文 件 《 Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge》的要求进行的。当燃气-蒸汽联合循环发电机组达到基本负荷后，再稳定运行3个小时保证机组达到稳定运行状态时，进行各有关参数量的测量，然后根据测得的结果进行计算和必要的修正，以获得在ISO条件下机组的出力和热耗率的数据，并与合同保证的热力性能值进行比较，以判断燃气-蒸汽联合循环在热力性能上是否合格。在性能试验前，检查核实所有用于性能试验的仪器仪表的校核证书在有效期内，所有校核证书都要满足DIN EN ISO/IEC 17025：2005 或 ASME PTC46 的规范规定。同时在性能试验的过程中还要使用机组本身自带的 DCS系统来监控其他一些运行参数，各主要测点如下图：

由于燃气-蒸汽联合循环的性能受很多因素的影响，为了使所测得性能能够与合同保证的性能进行比较，必须把实测性能数据修正到合同中所规定的保证条件，以消除各種因素的影响。为此，在试验过程中应记录足够多的数据以保证数据的真实可靠。

在文件《Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge》中对试验时间的规定为每一个不同荷载段所需要的时间为60分钟。时间段过长所获得的燃气轮机联合循环的试验点易于感受进气温度的变化，从而影响机组的运行特性，使试验准确度降低，因此性能试验的时间一般不超过一个小时，但至少要保证20分钟的有效试验时间。燃气-蒸汽联合循环发电机组的稳定运行状态要在ASME PTC46的规定范围内，如果各参数的变化均满足ASME PTC46的规定要求，则认为燃气轮机联合循环发电机组的运行已达到了稳定状态，同时要求机组在试验前应能可靠运行。

该文件在对数据的采集也提出了专门的规定，在用电子数据采集模板所采集到的数据要做到一分钟至少要记录一个数据，人工读取的数据要做到每五分钟至少记录一个数据，这样可以保证数据的真实性及完整性。

在天然气燃料取样这一块要特别的注意，因为天然气取样的准确度直接将影响到后期的计算结果的正确性。一般要求在每个工况下对天然气进行取样，要取3组，分别为试验前一组，试验中一组，试验后一组。而每组又要取3个样品，分别由业主，设备厂家，现场各取一份。当试验双方对天然气燃料成分分析有争议时，由双方共同选定一个实验室，用现场的样品再次试验。

4.预试验及正式试验

4.1预试验

预试验是在正式试验前进行按要求做的一次试验，用以保证所有仪表功能正常，并确认燃气-蒸汽联合循环及其辅助设备处于一个良好的工作状况。预试验的主要目的是：（1）确认所有测试仪器、仪表的可靠性与准确性，保证试验顺利进行;（2）通过预试验演练，锻炼试验参与人员（包括试验指挥、运行操作、现场测试与采样）的协作沟通与操作技能;（3）对正式试验所要求的机组运行工况及参数稳定性进行验证。

预试验必须在全场性能试验前完成，并且有足够的时间去计算初步结果，然后根据初步计算结果进行相应的调整和修改测试要求或测试设备。预测试的结果需要通过多次计算测量数据的数值来得出最终值。预实验就是根据初步试验结果对燃气轮机联合循环的参数设定进行一些调整，以保证机组处于最佳性能。

4.2正式试验

预测试完成后，开始正式试验。一项试验所需的时间和频率应选择在一个可靠的读数范围内。在联合循环机组满负荷试验时，频率要求稳定在49.5至51.5Hz之间，这样联合循环机组的稳定性比较好。一般情况下，一个阶段的试验时间应为60分钟。但是如果在试验过程中试验条件超出ASME PTC46的限定，那么参与试验的各方代表可以商定在试验过程中选取一段时间作为正式试验的数据，但至少要保证20分钟以上。这段数据就可以作为正式性能试验的结果。由于本项目采用的是单轴布置，没有办法单独考核燃气轮机和蒸汽轮机的性能，只能采用联合循环机组带满负荷后再减去厂用电的方式计算性能试验结果。

5.燃气轮机联合循环性能修正曲线

为了考核已安装并调试好的联合循环机组性能，买方将按照合同的规定进行机组的性能保证值进行性能试验。首先，天然气燃料要与合同的规定一致，包括天然气的成分、温度及供给压力。其次，燃气轮机联合循环发电机组所处的环境和运行条件要尽可能接近合同所规定的条件。然而，由于种种因素，进行性能保证试验时实际的环境和运行条件一般都会偏离合同所规定的条件，从而影响机组的性能。这就要求根据各个因素的影响对从试验测得的性能数据加上适当的修正系数。这些修正系数可由修正曲线查得，一般来说，修正曲线由设备厂家提供。如果机组的型号不同，上述的修正曲线、修正系数亦不同。本项目的燃气-蒸汽联合循环的修正曲线就有10种不同的修正曲线的因素，分别对出力及热效率产生影响，而这些

修正因素主要都是针对燃气轮机本体，蒸汽轮机由于受到余热锅炉的影响，而余热锅炉属于本项目内部考核，应此蒸汽轮机的影响因素不考虑。影响

燃气轮机正常工作的10个因素是：1）大气压力的影响;2）压气机进口温度的影响;3）大气湿度的影响;4）进气口压损的影响;5）排气口压损的影响;6）天然气燃料成分及低热值的影响;7）转速的影响;8）功率因素的影响;9）OTC设置变化的影响;10）燃气轮机老化影响;

6.性能试验通过验收

燃气-蒸汽联合循环机组性能考核的试验中，试验标准的选择十分重要。目前现有的性能试验标准有 ASME PTC46、ISO2314：1989/AMD1 和 DL/T851

三种试验标准，每个项目根据项目自身的情况选择适合于本项目的试验标准。这三种标准从试验目的、适用范围、试验程序要求、试验结果计算与修正都有所不同。

本项目根据业主要求采用的是 ASME PTC46 验收标准，最终机组联合循环在满负荷时净出力达到了 386.08MW，机组联合循环热耗高热值为6852.39KJ/KWh，在高热值下的净效率为 52.54%，热耗低热值为 6177.82 KJ/KWh，在低热值下的净效率高达 58.27%。比合同要求净出力值 384.68MW 高出 0.36%，热耗值比合同要求的净热耗值 6911.00KJ/KWh 降低了 0.85%，顺利的通过了燃气-蒸汽联合循环性能试验。

7.总结

单轴燃气-蒸汽联合循环性能试验的试验步骤和试验方法可以参照国际通用的标准和经过实践考研的试验验收规范。性能试验的主要目的是为了准确的测出机组在合同规定的条件下，各个工况时机组的输出功率和热效率。性能试验前应与设备厂家在就电厂性能的保证值及其保证条件进行协商并达成协议。由于机组的性能试验很难完全在合同规定的条件下进行，因此对实际试验条件下的实测值要进行修正，修正曲线或修正计算方法由设备厂家提供。當性能试验结果达不到合同规定条件下的保证值时，试验双方应对原因进行客观分析和辨识，以便分清责任。

参考文献：

[1]Dr. Noelke，Performance Test Procedure for Siemens Combined Cycle Package（SCC-PAC）CCPP Connaught Bridge，2015/02/15。

[2]燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置/清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司编著。-北京：中国电力出版社，2007.

作者简介：李建军 1972.05 男 汉族 湖南省常德市桃源县 大学（学士）高级工程师 研究方向：火电厂设备制造质量控制。

中国水利水电第八工程局有限公司  410004