联合循环机组部分负荷性能试验方法研究

陈赛科

(上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240)

联合循环机组通常用于供热或电网调峰，机组的运行负荷受多方面因素影响，大部分机组经常不能在满负荷工况运行，其单位千瓦气耗率越来越受关注。因此部分负荷性能也逐渐在合同中被列为性能保证值，但关于联合机组部分负荷性能试验方法的公开报道及工程经验均比较少，本文将就如何客观准确地衡量部分负荷工况性能是否达到目标值展开研究。

联合循环机组100%负荷纯凝工况性能试验流程和修正方法已比较明确[1-8]。也有学者做了多种不同燃气轮机机型的联合循环满负荷及部分负荷特性相关的研究，如：不同运行方式对部分负荷性能的影响[9]；燃气轮机进口空气温度对机组性能的影响[10-11]；采用Apros软件模拟PG9171E燃气轮机不同负荷率时机组的各参数和热耗率变化[12]；采用Apros软件模拟100%负荷时各运行边界对机组性能的影响[13]；供热工况下机组的特性[14]。目前关于综合地展开联合循环机组部分负荷工况运行时的性能特性及性能试验方法的研究，几乎没有公开报道。

本文基于某F级联合循环机组，采用上海电气燃气轮机有限公司在IPSEpro平台上自主开发的联合循环热力计算工具进行计算，该工具包含了典型F级联合循环的部件特性参数，能够方便地搭建联合循环热力系统模型，进行不同工况的性能计算。文中将分析联合循环机组在非满负荷工况运行时的性能特性及各因素对性能的影响规律，同时结合联合循环机组100%负荷的运行特性及性能试验工程经验，提出适用于联合循环单轴和分轴机组的部分负荷工况性能试验的修正项、修正方法和试验流程，旨在解决联合循环机组部分负荷工况性能不能准确考核的难题。

1 联合循环机组的运行方式

燃气轮机可以快速地启停，不同型号的燃气轮机启动阶段控制策略各有不同，以某F级燃气轮机为例，燃气轮机启动过程如图1所示。具体为：第1阶段，待所有设备做完启动前准备，燃气轮机点火，转速升至额定转速，等待并网；第2阶段，燃气轮机发电机并网，压气机进气导叶 (Inlet Guiding Vane，IGV)开度保持不变，排气温度升至额定值，燃气轮机负荷同步上升；第3阶段，燃料阀和IGV协同控制燃气轮机排气温度至目标值，负荷升至额定负荷。额定负荷时，燃气轮机IGV处于完全打开状态，燃气轮机为“排气温度控制”模式运行。

图1 燃气轮机启动过程

对联合循环机组，在启动阶段燃气轮机通常要等待汽水侧启动，如联合循环机组启动时，需要燃气轮机在图1中第1或第2阶段等待锅炉产生符合要求的蒸汽，用于汽轮机冲转、暖机等，待汽轮机运行稳定后，旁路阀逐渐关闭，同时燃气轮机进入第3阶段，燃气轮机和汽轮机一起升负荷至目标值，此时启动完成。

用电高峰阶段，联合循环机组处于满负荷运行，燃气轮机处于 “排气温度控制”模式运行，机组出力仅受大气条件影响，如果大气温度上升，则联合循环出力下降。但在非用电高峰阶段，负荷受电网控制，机组通常在50%～80%负荷之间波动，即部分负荷运行，机组运行状态受电网负荷指令和运行边界条件共同影响，如联合循环机组负荷指令不变，大气温度上升，则燃气轮机排气温度上升，IGV开度变大，机组稳定后，燃气轮机出力下降，汽轮机出力上升。

2 联合循环机组部分负荷性能特性

联合循环机组的热力循环系统是燃气轮机的布雷顿循环和汽水系统的朗肯循环结合在一起的复杂循环系统。燃料在燃气轮机内做功，输出机械功，透平排出乏气，透平排气作为热源带动汽水系统做功，汽轮机输出的机械功受透平排气参数的影响[15]。

燃气轮机的出力和热耗率易受外界运行条件的影响，如气象条件(气温、气压和相对湿度)、燃料成分、透平转速等。燃气轮机100%负荷工况时发电机端出力和热耗率随气温的变化趋势如图2所示，随着气温升高，出力和热耗显现相反的变化趋势。

图2 燃气轮机出力和热耗率随气温的变化

联合循环发电机端出力和热耗率随以上因素变化而变化，图3为联合循环机组100%负荷工况时发电机端出力和热耗率随气温的变化趋势。联合循环机组发电机端的出力的变化趋势和燃气轮机相同，但其热耗率变化趋势与燃气轮机相反，随着气温的上升，燃气轮机排气流量下降，汽轮机出力处于上升状态，然后呈缓慢下降趋势，因此热耗率呈现出图3中先下降后上升的变化趋势。

图3 气温对联合循环出力和热耗率的影响

联合循环机组处于部分负荷工况时，机组在图1中的第3阶段运行，此时燃气轮机修正后的排气温度为恒定值，IGV开度和燃料阀开度协同控制机组负荷，部分负荷性能会受到气象条件(气温、气压和相对湿度)、进气压损、燃料成分、透平转速、汽轮机排汽压力、机组负荷率等因素的影响。

本节针对某F级联合循环机组，基于联合循环出力维持目标值不变、燃料成分较为稳定、透平转速为3 000 r/min基本保持不变等条件，主要分析联合循环机组部分负荷工况下，气象条件、压气机进气压损、汽轮机排汽压力对热耗率的影响。同时本节中提到的修正系数均为乘法修正系数，参考工况为ISO工况联合循环75%负荷。

2.1 气象条件对部分负荷工况热耗率的影响

联合循环机组其他运行条件在运行时保持不变，仅将气象条件中的一个变量作为主变量。

当气温单函数关系变化时，气温上升，燃气轮机排气流量降低，排气温度升高，且上升幅度比排气流量下降幅度大，排气能量整体处于上升趋势，余热锅炉产生的蒸汽的温度和流量均增加，汽水侧出力上升，汽轮机出力呈现上升趋势，燃气轮机出力被动下降。图4为气温对100%负荷工况出力的影响。

图4 气温对100%负荷工况出力的影响

图5为在部分负荷工况时，热耗率的修正系数随气温的变化趋势，气温上升时，燃气轮机发电机端的输出功率下降，但其热耗率呈相反的变化趋势，燃料消耗量处于下降状态，此时保持联合循环出力为目标值，热耗率则呈下降趋势，与文献[8]和文献[9]中描述的100%负荷工况下气温对机组特性的影响不同。

机组运行中负荷率处于变化状态时，如图5所示，当联合循环负荷率为50%时，气温从5 ℃变为35 ℃，联合循环机组热耗率下降约150 kJ/(kW·h)；当负荷率增加到75%时，其下降量约为130 kJ/(kW·h)。即压气机入口气温上升时，联合循环的相对负荷率越低，其热耗率变化就越明显，与文献[6]中描述的变化趋势一致。

图5 联合循环部分负荷热耗率随气温变化的修正系数

当气压为单函数关系变化时，热耗率在气压变化时的修正系数曲线如图6所示。气压降低时，燃气轮机运行在图1中的第3阶段，压气机入口空气密度变小，排气温度保持不变，排气能量有所下降。汽水侧蒸汽温度基本不变，蒸汽流量降低，汽轮机出力下降。为维护特定的联合循环负荷，燃气轮机IGV开度变大，燃气轮机侧发电机端出力被动提升，压气机和透平效率均上升，燃气轮机效率上升幅度比出力上升幅度更大。因此，热耗率和气压的变化趋势相同。

图6 联合循环部分负荷热耗率随气压变化的修正系数

相对湿度保持单函数关系变化时，联合循环部分负荷工况热耗率受相对湿度变化的影响不明显，图7为大气温度为28 ℃和15 ℃时热耗率的修正系数在不同相对湿度下的变化。如图7中大气温度28 ℃的曲线所示，当相对湿度增加时，燃气轮机排气温度上升，排气流量下降，燃气轮机排气能量上升，汽轮机出力有所升高，燃气轮机出力被动下降，同时IGV开度下降，燃气轮机热耗率升高，且升高幅度大于汽轮机出力升高幅度，因此，空气中的相对湿度变高时，热耗率也上升。

气温和相对湿度均比较低时，通过主动降低燃烧室核心燃料区域温度，可以控制热力型NOx的生成，因此图7中大气温度为15 ℃的曲线在空气中的相对湿度低于60%时，其修正系数随湿度降低呈变小趋势，即热耗率上升。

图7 联合循环部分负荷热耗率随相对湿度变化的修正系数

2.2 进气压损对部分负荷工况热耗率的影响

燃气轮机进气系统压力损失大小对联合循环机组性能有一定的影响，图8为不同负荷率下热耗率的修正系数的变化，满负荷工况时，透平排气流量和机组输出机械功快速下降，虽然排气温度有所上升，但排气能量下降，汽轮机输出的机械功也同步下降，其热耗率会呈现上升趋势。

图8 联合循环部分负荷热耗率随进气压损变化的修正系数

部分负荷工况时，透平排气温度几乎维持恒定值，进气压损增加时，燃气轮机进气部分损失增加，燃气轮机出力稍有减少，但联合循环出力维持目标值不变，汽轮机出力需要被动增加。此时IGV开度处于开大趋势，IGV的节流损失变小，热耗率相对变化量比100%负荷工况时稍小。

2.3 排汽压力对部分负荷工况热耗率的影响

汽轮机排汽压力有所改变时，燃气轮机出力由于汽轮机出力的波动而被动变化。图9为排汽压力对热耗率的影响，压力升高，汽轮机出力逐渐变小，为了保持联合循环出力不变，燃料阀开度变大(燃料流量增加)，燃气轮机透平做功增加，而联合循环出力维持特定值，此时热耗率上升。

图9 联合循环部分负荷热耗率随汽轮机背压变化的修正系数

3 部分负荷工况性能试验方法

3.1 联合循环机组100%负荷性能修正方法

联合循环机组在100%负荷纯凝工况下进行性能试验时，燃气轮机处于“排气温度控制”运行模式，联合循环性能受运行边界影响，当运行边界偏离性能保证工况的边界参数时，需把出力和热耗率修正至对应工况，以考核机组性能是否达标。

笔者在文献[4]中已对联合循环机组100%负荷性能试验时的修正方法做了详细描述，联合循环100%负荷纯凝工况出力和热耗率的修正见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)和(2)包含功率因数、汽水系统泄漏和汽轮机冷端3项加法修正，其他的运行边界均为乘法修正，包括燃气轮机等效运行小时数对出力和热耗率的修正。

3.2 部分负荷工况运行时的性能试验方法

联合循环机组按配置形式分为分轴机组和单轴机组。分轴机组的燃气轮机和汽轮机各配1台发电机，单轴机组的燃气轮机和汽轮机共用1台发电机。机组运行时，分轴机组通过DCS协调，可以分别控制总负荷或者燃气轮机单独负荷，而单轴机组只能控制联合循环出力，因此基于ASME PTC46中的规定[16-17]及文献[18-19]中的介绍，同时结合联合循环单、分轴机组的特点，本文提出两种适用于联合循环部分负荷工况的性能试验方法：

1)“指定燃气轮机出力”模式。性能试验时，设定燃气轮机出力至目标负荷，即控制修正后的燃气轮机出力，汽轮机出力被动随运行边界波动，其出力波动不会影响燃气轮机出力和机组运行时的控制方式，此时燃气轮机的运行与100%负荷时燃气轮机的运行相似。

“指定燃气轮机出力”模式下，部分负荷工况时，燃气轮机实际出力与目标出力可能稍有偏离，这会影响联合循环出力，因此当实测燃气轮机出力偏离目标值时，需要针对该偏差对联合循环出力进行乘法修正，具体如下：

(3)

式中：a8为燃气轮机出力与目标值的偏差对联合循环出力的乘法修正系数。

(4)

式中：f8为燃气轮机实际出力与目标出力的偏差对热耗率的乘法修正系数。

联合循环机组进行性能试验时，运行工况尽量与性能保证工况接近，以减少由于运行工况偏离引起的修正量，该方法仅适用于联合循环分轴机组。

2)“指定联合循环出力”模式。设定联合循环出力至目标值，即控制修正后的联合循环出力，燃气轮机和汽轮机出力随运行工况变化，并自动匹配和分配负荷。

“指定联合循环出力”模式下，实测出力即为修正后联合循环的目标出力，出力不需要进行额外修正，当运行工况的出力和目标出力相比有偏差时，增加出力偏离量，对热耗率进行乘法修正，具体如下:

(5)

式中：f8为联合循环出力偏离目标值对热耗率的乘法修正系数；f9为汽水泄漏对热耗率的乘法修正系数；f10为汽轮机背压(单、分轴机组)或凝汽器循环水温度和流量(分轴机组)对热耗率的乘法修正系数。

该修正方法对分轴机组和单轴机组均适用。同时修正曲线绘制时，也只需绘制各影响因素对热耗率的修正即可。

3.3 两种试验方法的对比

性能试验时，针对以上2种试验方法，试验前修正曲线绘制工作量及性能试验期间机组的运行方式有差异，2种试验方法各有优势。

“指定燃气轮机出力”模式的优点为：性能试验时，只需将燃气轮机出力控制至目标出力即可，汽轮机的运行状态对燃气轮机没有影响，只有外界运行条件变化时，汽轮机出力才被动跟随，同时联合循环热耗率也相应波动；联合循环机组部分负荷工况下，可以参考100%负荷工况对出力和热耗率的修正方法，汽轮机的冷端修正采用循环水流量或汽轮机背压修正均可。缺点为：适用范围小，仅对分轴机组部分负荷工况时的性能试验适用；修正曲线绘制的工作较为繁琐，修正曲线绘制时，需要同时绘制各运行边界对出力和热耗率的修正曲线，工作量与联合循环100%负荷工况性能试验类似。

“指定联合循环出力”模式的优点为：绘制修正曲线的工作量小，只需绘制各影响因素对热耗率的修正曲线即可；适用范围广，可适用于联合循环单轴和分轴机组。缺点为：乘法修正项增加，性能试验时控制联合循环出力，汽轮机排汽背压和汽水泄漏影响汽轮机出力。为了保持联合循环出力不变，燃气轮机出力被动跟随，同时汽轮机出力及联合循环热耗率均相应波动，当汽轮机排汽压力和汽水泄漏偏离设计值时，需要以乘法修正的方式修正热耗偏差量；如果修正边界缩小，则在做联合循环部分负荷性能试验时，无法准确测量汽轮机出力，即无法通过热平衡法计算循环水流量，汽轮机冷端只采用背压修正，凝汽器性能将被排除至修正边界外，因此试验前需各方确认并达成一致。

“指定燃气轮机出力”和“指定联合循环出力”2种方法各有优势，考虑到准备工作的工作量和试验方法的通用性，推荐采用“指定联合循环出力”模式。

4 结 论

本文研究了联合循环机组部分负荷性能特性、性能试验修正方法和试验方法，主要结论如下：

1)联合循环机组部分负荷性能试验时修正项与100%负荷时基本相同。

2)单轴机组性能试验时，只能采用“指定联合循环出力”模式进行修正，汽轮机排汽压力以乘法修正作为联合循环的冷端修正。

3)分轴机组性能试验时， “指定燃气轮机出力”方法和“指定联合循环出力”方法均可采用。

采用“指定燃气轮机出力”方法时，冷端修正采用循环水参数或背压对机组出力进行修正均可，冷端修正为加法修正；采用“指定联合循环出力”方法时，修正方法与联合循环单轴机组相同。

从修正曲线绘制工作量、修正方法适应性及试验时机组控制的难易程度来说，推荐采用“指定联合循环出力” 模式进行性能试验。

本文的相关研究将为联合循环机组部分负荷性能试验提供理论参考。