曠仲和
(中廣核工程有限公司,深圳 515124)
隨著改革開放的深入,參加國(guó)際工程總承包(簡(jiǎn)稱EPC)火電項(xiàng)目投標(biāo)的企業(yè)日益增多。但一些企業(yè)由于不能完成合同預(yù)約的凈熱耗率、凈功率指標(biāo),遭受到嚴(yán)重的違約罰款。究其原因,發(fā)現(xiàn)有關(guān)項(xiàng)目在投標(biāo)、合同談判過程中對(duì)于凈熱耗率與相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及熱力參數(shù)之間的關(guān)系,以及對(duì)于預(yù)期的凈熱耗率指標(biāo)的判斷分析,缺乏正確把握,以致簽署了不利的EPC 合同凈熱耗率預(yù)約條款。
本文提出國(guó)際EPC 火電機(jī)組凈熱耗率指標(biāo)預(yù)警性判斷,用數(shù)學(xué)解析方法說明凈熱耗率預(yù)警性判斷值與有關(guān)經(jīng)濟(jì)小指標(biāo)以及熱力參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系。應(yīng)用這種判斷法,為爭(zhēng)取簽訂可達(dá)到的凈熱耗率值指明了具體的方法。本文旨在針對(duì)上述情況,提出在參加國(guó)際EPC 談判中掌握凈熱耗率指標(biāo)的分析以及可控的基本方法,這對(duì)于降低違約罰款風(fēng)險(xiǎn),具有實(shí)際意義。
根據(jù)文獻(xiàn)[1-3],凈熱耗率按以下公式計(jì)算:
根據(jù)文獻(xiàn)[4],考核試驗(yàn)測(cè)量的凈熱耗率為:
式(1)和式(2)中:Qz為設(shè)計(jì)參數(shù)下的燃料發(fā)熱量,kcal/h;Nz為設(shè)計(jì)參數(shù)下的供電功率,kW;K為試驗(yàn)不確定度對(duì)熱耗率的修正系數(shù)。
按照合同規(guī)定的考核試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)該遵循公式(2)的計(jì)算方法。公式(2)可以改寫為:
式(1)~(3)中:Qo為鍋爐吸取的熱量,Qo=Qz× ηb× ηg,kcal/h;Nz為供電功率,Nz=Nf-Nc;Nf為發(fā)電機(jī)輸出功率;Nc為廠用電消耗的功率,kW;qf為汽機(jī)熱耗率,qf=,kcal/kW·h ;Noi為汽機(jī)內(nèi)功率,kW;ηoi為汽機(jī)內(nèi)效率,%;ηm為汽機(jī)機(jī)械效率,%;ηd為發(fā)電機(jī)效率,%;ηl為廠用電率,ηl=(Nf- Nz)/Nf,%;ηb為鍋爐效率,%;ηg為管道效率,%;為合同簽約的凈熱耗率值,kcal/kW·h。
公式(3)是凈熱耗率違約預(yù)警性判斷式。
1.2.1 熱力參數(shù)變化對(duì)汽機(jī)熱耗率的影響計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[1-3],參數(shù)變化將引起汽機(jī)熱耗率的變化。引起的熱耗率變化率為:
式中:ΔTks為排汽溫度偏離設(shè)計(jì)排汽溫度的偏差值;ΔTks=為設(shè)計(jì)排汽溫度;為變化后的排汽溫度,K;ΔTom為由于參數(shù)變化引起平均吸熱溫度偏離設(shè)計(jì)平均吸熱溫度的偏差值;ΔTks=-Tks,Tom為設(shè)計(jì)平均吸熱溫度,為參數(shù)變化后的平均吸熱溫度,K;Tom=Q/Δs;Q 為鍋爐單位公斤蒸汽吸取的熱量,kcal/kg,按下式計(jì)算:
式中:i0為主蒸汽焓,由主蒸汽溫度t0與主蒸汽壓力Po確定;ig為給水焓,由給水溫度tg與給水壓力Pg確定;ir為再熱蒸汽焓,由再熱蒸汽溫度tr與壓力Pr確定;ih為高壓缸排汽的焓,由高壓缸的排汽溫度th與壓力Ph確定(上述單位參數(shù)均為kcal/kg);ar為再熱蒸汽的流量占主蒸汽流量的份額,%;Δs 為參數(shù)變化后引起的熵的變化量,按下式計(jì)算:
式中:s0為主汽熵,由主汽溫度t0與壓力P0確定;sg為給水熵,由給水溫度tg與壓力Pg確定;sr為再熱汽熵,由再熱汽溫度tr與壓力Pr確定;sh為高壓汽缸排汽熵,由高壓汽缸排汽溫度th與壓力Pks確定。上述各項(xiàng)參數(shù)的單位均為kcal/kg·K。為汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率變化率,%,按下式計(jì)算:
式中:ηoi、為參數(shù)變化前后的汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率,%。當(dāng)機(jī)組容量確定時(shí),與汽機(jī)熱力參數(shù)有關(guān),由文獻(xiàn)[3]中與熱力參數(shù)之間的關(guān)系曲線圖確定。
式(4)中的各項(xiàng)實(shí)際上都分別是汽機(jī)各個(gè)性能參數(shù)(P0、t0、tr、tg、Tks或Pks)等的函數(shù),那么,式(4)實(shí)際上可以轉(zhuǎn)換為:
上式表明幾個(gè)參數(shù)同時(shí)變化,引起的熱耗率變化,是各個(gè)參數(shù)單獨(dú)變化引起的熱耗率變化的代數(shù)和。根據(jù)式(4)~(7)表述的內(nèi)容和過程就能夠計(jì)算出式(8)中的各項(xiàng)。
1.2.2 熱力參數(shù)變化對(duì)發(fā)電機(jī)功率影響計(jì)算
參數(shù)變化會(huì)引起汽機(jī)熱耗率相應(yīng)變化,同時(shí)還會(huì)引起發(fā)電機(jī)功率相應(yīng)變化:
上式表明:幾個(gè)參數(shù)同時(shí)變化引起的功率變化是各個(gè)參數(shù)單獨(dú)變化引起的功率變化的代數(shù)和。根據(jù)式(3)及式(7)表述的內(nèi)容和過程就能夠計(jì)算出式(10)中的各項(xiàng)。
很多國(guó)際EPC 工程對(duì)于汽機(jī)終端參數(shù)要求按冷卻水溫度考核。在此情況下,根據(jù)文獻(xiàn)[5],可以確定冷卻水溫度與汽機(jī)排汽溫度之間的函數(shù)關(guān)系。其表達(dá)式為:
式中:Qp為汽機(jī)排汽熱量,熱平衡圖上查取,J/S;A 為凝汽器管束表面面積,在變工況試算前預(yù)先確定,m2;K 為總傳熱系數(shù),根據(jù)冷卻水溫度、設(shè)計(jì)流速、凝汽器管子材料以及尺寸等確定,W/m2.℃;t2為凝汽器冷卻水出口溫度,℃;t1為凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度,℃;tn為汽機(jī)排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度,當(dāng)該式中的各項(xiàng)預(yù)先確定試算時(shí),tn即可求知,℃;當(dāng)tn求取后,然后根據(jù)查水蒸氣表,確定tn相對(duì)應(yīng)的飽和壓力(背壓)Pks。
1.2.3 修正到額定功率工況下汽機(jī)熱耗率的計(jì)算
參數(shù)變動(dòng)引起熱耗率與功率同時(shí)變動(dòng)后,此時(shí)熱耗率值q1(如圖1 所示的狀態(tài)點(diǎn)1)相對(duì)額定功率工況、變動(dòng)參數(shù)下對(duì)應(yīng)的值q4(如圖1 所示的狀態(tài)點(diǎn)4)發(fā)生偏移,因此,需要獲得參數(shù)變動(dòng)下修正到額定功率工況的熱耗率值q4。由于參數(shù)變動(dòng)下熱耗率與功率關(guān)系曲線還沒有建立,熱耗率值q4可以通過下述修正方法得到。其修正原理是假定設(shè)計(jì)參數(shù)與變動(dòng)參數(shù)下熱耗率與發(fā)電機(jī)端功率之間關(guān)系曲線的斜率相等,其修正方法與步驟是:
1)根據(jù)已知的設(shè)計(jì)參數(shù)下汽機(jī)熱耗率與發(fā)電機(jī)端功率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)(或曲線),按文獻(xiàn)[9]所述數(shù)學(xué)最小二乘法擬合二次方程式:
2)對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù),則求得該曲線的斜率:
以增量來代替上式,則有:
3)把變動(dòng)參數(shù)下引起功率偏移的熱耗率q1修正到變動(dòng)參數(shù)、額定功率對(duì)應(yīng)的熱耗率,則為:
圖1 修正到變動(dòng)參數(shù)、額定功率下所對(duì)應(yīng)的熱耗率示意圖
案例項(xiàng)目SLYN 電廠的招標(biāo)機(jī)組形式為循環(huán)流化床鍋爐亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、八級(jí)給水加熱回?zé)崮健0l(fā)電機(jī)額定輸出功率為310 000 kW;主汽門前汽壓不低于17.5 MPa,主汽溫度不低于540 ℃;再熱蒸汽溫度不低于540 ℃;凝汽器冷卻水溫度為26 ℃;汽機(jī)背壓以及給水溫度投標(biāo)方確定。給水采用3 ×50%電動(dòng)給水泵。
機(jī)組保證凈功率為280 000 kW,凈耗熱率為2 380 kcal/kW·h,考核試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[1]。凈熱耗率(低位發(fā)熱量)違約罰款條款是:相對(duì)保證值每增加1 kcal/kW·h,罰款200 000 美元。增加值超過擔(dān)保值的2.5%,每增加1 kcal/kW·h,罰款3 倍。凈功率違約罰款條款是:相對(duì)保證值每降低1 kW,罰款4 500 美元/kW;降低值超過擔(dān)保值的2.5%,每降低1 kW,罰款3 倍。
2.3.1 投標(biāo)方提出的相關(guān)差異
1)投標(biāo)方提出把主汽溫度由540 ℃降為538 ℃。招標(biāo)方同意,但考核指標(biāo)維持不變。
2)投標(biāo)方提出由招標(biāo)書的26 ℃改為26.5 ℃;招標(biāo)方同意,但考核指標(biāo)維持不變。
其它性能參數(shù)及考核指標(biāo)投標(biāo)方?jīng)]有提出異議。
2.3.2 簽下EPC 凈熱耗率及凈功率的考核指標(biāo)
在平均大氣溫度23.2 ℃、大氣壓力0.101 3 MPa、相對(duì)濕度81%、凝汽器器冷卻水溫度26.5 ℃下:單臺(tái)機(jī)組保證凈功率為280 000 kW,保證凈熱耗率(低位熱值)為2 380 kcal/kW·h,不考慮考核試驗(yàn)測(cè)量不確定度的修正。
(1)與汽機(jī)廠簽訂的發(fā)電機(jī)端功率為310 000 kW,汽機(jī)熱耗率為1 881.96 kcal/kW·h,汽機(jī)內(nèi)效率為89.23%,給水溫度為267.7℃;(2)與凝汽器廠家簽訂的冷卻水溫度是26.5℃,其背壓為6.2 kPa;(3)與鍋爐廠家簽訂的額定工況鍋爐效率是90%(低位熱值);(4)與發(fā)電機(jī)廠家簽訂的發(fā)電機(jī)效率為98.8%。其它的熱力參數(shù)與EPC要求的參數(shù)一致。
除上述數(shù)據(jù)外,還知道在設(shè)計(jì)工況下:Do=916.17 t/h,Po=16.7 MPa,to=538 ℃,io=3 398.62 kJ/kg,so=6.415 1 kJ/kg·K,Dr=756.75 t/h,Pr=2.96 MPa,tr=538 ℃,ir=3 542.92 kJ/kg,sr=7.35 kJ/kg·K,Ph=3.286 MPa,th=312 ℃,ih=3 016.24 kJ/kg,sh=6.54 kJ/kg·K,Pg=20 MPa,tg=267.7 ℃,ig=1 170.83 kJ/kg,sg=2.915 5 kJ/kg·K,Pks=6.2 kPa,tks=36.76 ℃,ar=0.826,高壓汽缸效率為83.75%,中壓汽缸效率為92.1%,低壓汽缸效率為86.92%。
2.6.1 凈熱耗率是否違約的判斷
根據(jù)上述數(shù)據(jù),算出廠用電率估算值9.677%;EPC 談判中對(duì)管道效率沒有約定,按照文獻(xiàn)[3]的規(guī)定取值為98%;汽機(jī)內(nèi)效率為89.23%;機(jī)械效率在EPC 合同中沒有約定,按照文獻(xiàn)[3],一般取99%;發(fā)電機(jī)效率擔(dān)保值為98.8%;式(3)中的K 值,根據(jù)文獻(xiàn)[1],最大取1.015。本案例取1.01,將已知相關(guān)的數(shù)據(jù)代入式(3)得凈熱耗率預(yù)警值qz=2 386 kcal/kW·h。根據(jù)式(3)計(jì)算結(jié)果分析:該預(yù)警性判斷值比考核指標(biāo)高6 kcal/kW·h,凈熱耗率違約將罰款6 ×200 000=1200 000 美元。在凈熱耗率升高后,在保持發(fā)電功率、鍋爐效率、管道效率不變的情況下,根據(jù)式(3)分析,相對(duì)合同簽訂的熱耗率2 380 kcal/kW·h 工況而言,會(huì)引起廠用電升高,在發(fā)電功率不變的情況下,將引起凈功率的降低。將上述相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3),預(yù)警的凈功率為279 294.75 kW,凈功率下降了637 kW,凈功率違約將罰款637 ×4500=2 866 500美元。這說明簽訂的凈熱耗與凈功率指標(biāo)已經(jīng)存在一定的違約風(fēng)險(xiǎn)。
2.6.2 凈熱耗率違約因素分析及其解決措施
2.6.2.1 采用輔機(jī)調(diào)速裝置降低廠用電率
根據(jù)式(3)分析,凈功率下降,在其他參數(shù)不變的情況下,廠用電的增加是引起凈功率下降的原因。由此可見,降低廠用電是降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn)的措施之一。降低廠用電率的措施是:首先是盡可能采用高效輔機(jī);其次是對(duì)輔機(jī)配置調(diào)速節(jié)能裝置。根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]可知,輔機(jī)采用調(diào)速裝置能夠有效降低廠用電率。對(duì)于本案例而言,這些風(fēng)機(jī)沒有考慮采用調(diào)速裝置。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如果采用變頻器調(diào)速,廠用電率將由0.096 77 下降到0.091 07,下降了0.005 7。將降低后的廠用電率代入式(3)計(jì)算,由此引起凈熱耗率由2 386 kcal/kW·h 下降到2 371.03 kcal/kW·h,下降了14.97 kcal/kW·h,使凈功率增加了1 596 kW。但由于需采用變頻電機(jī)以及增加變頻器裝置(包括控制室等土建工程及附屬設(shè)備),費(fèi)用約增加1 825 641 美元。因此,具體采用哪一種調(diào)速方式,需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析確定。就本案例而言,由于采用以下措施可以更容易降低凈熱耗率,因此本案例不采用風(fēng)機(jī)變頻措施來降低凈熱耗率。
2.6.2.2 主汽溫度對(duì)熱耗率的影響判斷及其措施
1)基本判斷:如果主蒸汽采用招標(biāo)書的540 ℃,那么把有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)~(14)計(jì)算得出:汽機(jī)熱耗率將由538 ℃時(shí)的1 881.98 kcal/kW·h降低到1 881.06 kcal/kW·h,降低了0.92 kcal/kW·h。
2)對(duì)汽機(jī)以及鍋爐主要部件材料的影響判斷:材料的選用主要考慮材料溫度適用性能是否滿足案例的蒸汽溫度。為此需要對(duì)案例主要設(shè)備的材料進(jìn)行分析。分析情況見表1。
表1 汽機(jī)廠和鍋爐廠主要材料溫度性能與本案例的使用溫度(見參考文獻(xiàn)[8]中的材料性能)
根據(jù)表1 分析,案例的材料使用溫度提高了2 ℃,在材料性能允許范圍內(nèi)。實(shí)際上,已經(jīng)有很多亞臨界機(jī)組的主汽溫度采用540 ℃,這種機(jī)型參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),其應(yīng)用的材料也與上表中的材料等同,不會(huì)由于主汽溫度提高2 ℃而需要改變材質(zhì)以及增加費(fèi)用。
3)主汽溫度選擇的綜合判斷:在合同談判中投標(biāo)方把招標(biāo)書要求的汽機(jī)主蒸汽溫度由540 ℃降低到538 ℃,這樣會(huì)使熱耗率增加。在已定材料性能允許的情況下,盡可能提高主汽溫度,是降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn)的措施之一。
2.6.2.3 再熱溫度對(duì)熱耗率的影響及其措施
招標(biāo)書要求再熱溫度不低于538 ℃。如果在投標(biāo)談判中,投標(biāo)方將此溫度定為540 ℃,也完全符合招標(biāo)書要求。在提高2 ℃后,鍋爐與汽機(jī)的材料如上述主汽溫度對(duì)熱耗率的影響分析相同。在再熱溫度538 ℃升高到540 ℃的情況下,把上述有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)~(14)計(jì)算得出:汽機(jī)熱耗率由1 881.98 kcal/kW·h 下降到1 880.29 kcal/kW·h,下降了0.77 kcal/kW·h。由此可見,在材料允許情況下,降低再熱溫度,會(huì)使熱耗率增加。因此,在招標(biāo)書規(guī)定的材料性能允許情況下,盡可能提高再熱蒸汽溫度是降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn)的措施之一
2.6.2.4 冷卻水溫度對(duì)熱耗的影響及其措施
招標(biāo)書給出的冷卻水溫度為26 ℃。投標(biāo)方提出要求改為26.5 ℃。根據(jù)式(11)計(jì)算得出,在冷卻水溫度為26 ℃時(shí),冷卻水溫度每升高0.5 ℃,排汽壓力則升高0.2 kPa。把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)~(14)計(jì)算得出:熱耗率由1 881.98 kcal/kW·h升高到1 885.316 kcal/kW·h,升高了3.336 kcal/kW·h。由此可見,把設(shè)計(jì)冷卻水溫度提高到比招標(biāo)書的要求還高,這樣會(huì)使熱耗率增加。對(duì)于EPC 整個(gè)項(xiàng)目性能的考核而言,冷卻水溫度不僅是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),而且是性能試驗(yàn)考核的修正參數(shù)。所以,在技術(shù)談判中,在符合招標(biāo)書的要求下,盡量選用較低的冷卻水溫度是降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn)的措施之一。
2.6.2.5 給水溫度對(duì)熱耗率的影響及其措施
EPC 招標(biāo)書對(duì)于給水溫度的要求是由投標(biāo)方確定的。在后續(xù)與汽機(jī)廠簽訂的協(xié)議中,給水溫度定為267.7 ℃。根據(jù)文獻(xiàn)[3],對(duì)于回?zé)峒?jí)數(shù)為8 級(jí)的亞臨界機(jī)組,考慮鍋爐造價(jià)、鍋爐效率、高壓加熱器造價(jià)等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比因素,推薦的給水溫度是275 ℃,此時(shí)能取得最佳的給水循環(huán)熱效率。如果把給水溫度267.7 ℃提高到275 ℃,把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)~(14)式計(jì)算得出:熱耗率由1 881.98 kJ/kW·h 降低到1 878.62 kcal/kW·h,降低了3.36 kkcal/kW·h。由此判斷:采用較低的給水溫度,這樣會(huì)使熱耗率增加。因此,在符合招標(biāo)書的原則要求下,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比,盡可能采用最佳給水溫度,是降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn)的措施之一。
根據(jù)式(3)分析:在充分考慮機(jī)組參數(shù)、技術(shù)條件特性、輔助系統(tǒng)配置特點(diǎn)的前提下,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比,盡可能采用較低的汽機(jī)熱耗率、較低的廠用電率、較高的汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率、較高的機(jī)械效率、較高的發(fā)電機(jī)效率、較高的管道效率、較高的鍋爐效率,都有利于降低凈熱耗率,使其盡可能低于簽約值。如果上述指標(biāo)已經(jīng)不能調(diào)整到最佳值,那么,通過對(duì)輔機(jī)采用調(diào)速裝置來降低廠用電率,以及在符合招標(biāo)書的原則要求的情況下,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比,盡可能采取較高的主蒸汽溫度、較高的再熱蒸汽溫度、較高的給水溫度、較低的冷卻水溫等,凈熱耗率的預(yù)警值就有進(jìn)一步降低的空間。其綜合判斷見表2。
表2 凈熱耗率以及凈功率違約罰款預(yù)警性判斷的計(jì)算結(jié)果
表2 說明采用預(yù)警性判斷法分析:本案例熱耗率違約為6 kcal/kW·h,凈功率違約637 kW,兩項(xiàng)違約罰款共計(jì)4 066 500 美元。采用參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)措施后,除化解了違約風(fēng)險(xiǎn)帶來的罰款以外,還為進(jìn)一步降低凈熱耗率留有0.100 25%的裕度,為增加凈功率留有0.319 6%的裕度。
1)對(duì)于國(guó)際EPC 項(xiàng)目?jī)魺岷穆手笜?biāo)的談判,由于違約罰款數(shù)額巨大,合同執(zhí)行力度嚴(yán)厲,因此,對(duì)各個(gè)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)和凈熱耗率之間的關(guān)系進(jìn)行預(yù)警性判斷,至關(guān)重要。
2)本文建立的凈熱耗率預(yù)警性判斷法,其特點(diǎn)是:
①考慮了試驗(yàn)不確定度對(duì)凈熱耗率的影響,這對(duì)于預(yù)防違約風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生,留有適當(dāng)?shù)脑6取?/p>
②關(guān)于各個(gè)熱力參數(shù)對(duì)熱耗率以及功率的影響,采用本文創(chuàng)立的解析方法,概念清晰,數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的今天,這些計(jì)算沒有難度。
3)應(yīng)用該預(yù)警性判斷法,可以有效地預(yù)先判斷凈熱耗率以及凈功率的合同值是否違約,同時(shí)也為EPC 項(xiàng)目降低凈熱耗率違約風(fēng)險(xiǎn),提供了可操作的判斷依據(jù)以及參數(shù)調(diào)整的改進(jìn)措施。
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