貢文明，李煒，李明

(1.江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能試驗(yàn)是指利用特定的方法和標(biāo)準(zhǔn)對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行性能測試，運(yùn)用熱力學(xué)方法分析性能指標(biāo)，從而衡量聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力裝置的優(yōu)劣。性能試驗(yàn)是掌握火力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)和熱力設(shè)備等運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段[1]。

依據(jù)相關(guān)規(guī)程，現(xiàn)場完成一次熱力性能試驗(yàn)需要經(jīng)過試驗(yàn)方案制定、測點(diǎn)布置、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)收集整理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析和試驗(yàn)報(bào)告出具等過程，耗時(shí)費(fèi)力且達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的[2-3]?，F(xiàn)階段，火力發(fā)電機(jī)組在線性能監(jiān)測系統(tǒng)大部分是基于廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)的歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)的，主要目的是滿足發(fā)電企業(yè)節(jié)能工程師和機(jī)務(wù)專業(yè)人員日常生產(chǎn)管理需要，但機(jī)組性能監(jiān)測的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，無法保證運(yùn)行人員實(shí)時(shí)掌握機(jī)組、系統(tǒng)和熱力設(shè)備的性能狀態(tài)，無法及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式。

為了全面、實(shí)時(shí)地對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能進(jìn)行監(jiān)測，需要開發(fā)一套結(jié)合性能試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的在線性能試驗(yàn)計(jì)算模塊，以增強(qiáng)機(jī)組在線性能監(jiān)測。一方面便于運(yùn)行人員實(shí)時(shí)在線開展熱力試驗(yàn)，掌握機(jī)組、系統(tǒng)和熱力設(shè)備的熱力性能；另一方面，可為工程師或機(jī)務(wù)專業(yè)人員提供可靠的熱力性能參數(shù)，為節(jié)能監(jiān)督工作的開展提供支持。

1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能分析

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主要分為上游發(fā)電設(shè)備和下游發(fā)電設(shè)備(如圖1所示)：上游發(fā)電設(shè)備主要為燃?xì)廨啓C(jī)，熱力循環(huán)方式為布雷頓循環(huán)；下游發(fā)電設(shè)備主要為汽輪機(jī)，熱力循環(huán)方式為朗肯循環(huán)。上下游發(fā)電設(shè)備通過余熱鍋爐和相關(guān)蒸汽管道結(jié)合在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)。聯(lián)合循環(huán)溫-熵(T-S)曲線如圖2所示，圖中：1—2—3—4為燃?xì)廨啓C(jī)做功過程，7—8—9—10為汽輪機(jī)做功過程，4—5為余熱鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱過程[4]。在性能分析中，輸出功率是反映聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力性能的指標(biāo)，熱效率和熱耗率是反映聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)[5]。

圖1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組示意Fig.1 Schematic combined cycle unit

圖2 聯(lián)合循環(huán)T-S曲線Fig.2 Combined cycle T-S curve

現(xiàn)役聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)的功率一般是汽輪機(jī)的2倍。在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)消耗燃料，燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)輸出動(dòng)力，所以燃?xì)廨啓C(jī)效率越高，同功率下所耗燃料量越少，經(jīng)濟(jì)性越好，機(jī)組的熱耗率、發(fā)電氣耗率都相應(yīng)降低，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性、全廠經(jīng)濟(jì)性可得到提高。通過熱力性能測試分析聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，可以指出提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的方向，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

燃?xì)廨啓C(jī)包含壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部分，實(shí)際的影響因素主要包括3個(gè)阻力和3個(gè)效率：壓氣機(jī)進(jìn)口、燃燒室和排氣3個(gè)阻力，壓氣機(jī)、燃燒室和透平3個(gè)效率。壓氣機(jī)需要消耗約2/3的燃?xì)廨啓C(jī)功率，因此提高壓氣機(jī)效率對于提升燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率有至關(guān)重要的作用。在消耗同等燃料量的情況下，壓氣機(jī)功耗越小，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率越大，效率就越高。

燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的特性曲線是指在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的條件下，壓比Π和效率η與空氣流量的關(guān)系曲線。壓氣機(jī)特性曲線常被用來分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù)(如壓氣機(jī)進(jìn)氣參數(shù)、轉(zhuǎn)速和透平前的燃?xì)鉁囟?對壓氣機(jī)效率以及對整個(gè)系統(tǒng)的影響[6]。

壓氣機(jī)效率計(jì)算公式如下

(1)

式中：T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，K；T2為壓氣機(jī)排氣溫度，K；Π為壓氣機(jī)壓比；k為絕熱系數(shù)。

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在廠家提供的溫控曲線時(shí)，機(jī)組的效率最高。由于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣的最大體積流量一定，如果環(huán)境溫度上升，空氣的密度就會(huì)減少，燃?xì)廨啓C(jī)吸入空氣的質(zhì)量流量減少，意味著進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣量減少，參與燃燒做功的燃料量也就相應(yīng)下降，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙量也會(huì)相應(yīng)降低，余熱鍋爐的熱負(fù)荷降低，汽輪機(jī)輸出功率下降，最終導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力下降、效率降低、熱耗率增加[7]。圖3為某臺燃?xì)廨啓C(jī)在溫控模式下運(yùn)行時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率隨溫度變化的趨勢。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率隨溫度變化趨勢Fig.3 Gas turbine power and efficiency trends changing with temperature

2 在線性能試驗(yàn)計(jì)算平臺

在性能檢測過程中，通過測試燃?xì)廨啓C(jī)出力及熱耗率，壓氣機(jī)效率，余熱鍋爐產(chǎn)汽出力及效率，汽輪機(jī)出力、缸效率以及冷端性能，可以準(zhǔn)確了解機(jī)組的性能。優(yōu)化主蒸汽參數(shù)和冷端系統(tǒng)，能夠有效提升聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能，故在線性能試驗(yàn)計(jì)算平臺中，首先要關(guān)注以上參數(shù)。采用maxDNA組態(tài)語言與C語言聯(lián)合開發(fā)的通用maxDNA組態(tài)平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示(圖中：DCS為分散控制系統(tǒng)；OPC為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；CB為控制組態(tài)軟件)。

maxDNA是向電力工業(yè)和其他重要過程應(yīng)用提供的完全集成的DCS。maxDNA組態(tài)的多種界面可以被圖形化。創(chuàng)建算法是指應(yīng)用算法定義工具并對算法的規(guī)格參數(shù)、輸出、輸入和外觀進(jìn)行設(shè)置，在圖形化組態(tài)時(shí)調(diào)用。將在線性能試驗(yàn)軟件直接掛接在maxDNA上，根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)接口讀取所需數(shù)據(jù)，采用C語言編寫算法程序，利用專用編譯器將其嵌入maxDNA中進(jìn)行在線性能試驗(yàn)。這種接入方式既不改變電廠系統(tǒng)前端中調(diào)與遠(yuǎn)程終端單元(RTU)之間以及RTU與廠內(nèi)機(jī)組maxDNA之間的信號流和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也不改變maxDNA硬件結(jié)構(gòu)。為了保持系統(tǒng)的一致性，在線性能試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)算單元直接采用maxDNA通用的控制器。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相對獨(dú)立，不改變原控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，便于系統(tǒng)組態(tài)、下裝、邏輯功能的修改與擴(kuò)展、調(diào)節(jié)及維護(hù)[7]。

圖4 通用maxDNA組態(tài)平臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of general platform in maxDNA configuration language

3 在線計(jì)算模塊

3.1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率及熱耗率[8]

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)條件下的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率的計(jì)算公式如下

Pt=Pm-Pec，

(2)

式中：Pt為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的輸出功率；Pm為發(fā)電機(jī)端輸出功率測量值；Pec為機(jī)組勵(lì)磁機(jī)功率測量值。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率計(jì)算公式如下

(3)

式中：q為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總熱耗率；qV為天然氣流量；Qnet為試驗(yàn)條件下計(jì)算的燃料低位發(fā)熱量；it為計(jì)算分界點(diǎn)的燃料顯熱。

3.2 天然氣低位熱值

天然氣低位熱值按照基準(zhǔn)工況下的燃料溫度以及燃料氣成分確定，具體計(jì)算公式如下[9]

(4)

式中：Mrj為相對分子質(zhì)量；xj為摩爾分?jǐn)?shù)；hj為比焓；j為天然氣組分。

3.3 余熱鍋爐效率

余熱鍋爐通過吸收燃?xì)廨啓C(jī)的排氣加熱管道中的水使之成為蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。對于余熱鍋爐系統(tǒng)，檢測參數(shù)包含余熱鍋爐效率、產(chǎn)汽出力及各個(gè)壓力段的蒸汽參數(shù)。

余熱鍋爐的效率反映燃?xì)廨啓C(jī)排煙利用率及換熱效率，提升余熱鍋爐的效率，可以提高排煙熱量的利用率。在相同的排煙熱量下，余熱鍋爐效率越高，其產(chǎn)汽量就越高，驅(qū)動(dòng)的蒸汽輪機(jī)出力也就越大。因此，在性能檢測過程中，計(jì)算分析余熱鍋爐效率，對提升整個(gè)聯(lián)合循環(huán)效率有著至關(guān)重要的作用。

在特定的蒸汽參數(shù)條件下，余熱鍋爐入口溫度不變，余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量隨著排煙溫度的降低而提高。因此，在入口煙溫穩(wěn)定的條件下，應(yīng)降低余熱鍋爐排煙溫度，盡可能提升余熱鍋爐效率[10]。

余熱鍋爐的產(chǎn)汽出力直接影響蒸汽輪機(jī)出力，因此，可以通過測量余熱鍋爐的產(chǎn)汽參數(shù)來分析蒸汽比焓，進(jìn)而判斷余熱鍋爐產(chǎn)汽出力的大小。

余熱鍋爐效率計(jì)算公式如下

(5)

Qg,out=hyc×qmyc，

(6)

100×(Qg,in-Qg,out)，

(7)

式中：ζ為余熱鍋爐反平衡效率，%；Qhl為額定負(fù)荷下鍋爐的熱損失；Qg，in為進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣熱量；Qg,out為離開余熱鍋爐的煙氣熱量；hyc為余熱鍋爐排煙比焓，kJ/kg；qmyc為余熱鍋爐排煙流量，t/h。

3.4 汽輪機(jī)效率

汽缸效率是指蒸汽在汽缸中的實(shí)際焓降與理想焓降之比。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行方式為全周進(jìn)汽滑壓運(yùn)行，隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的不同，汽輪機(jī)負(fù)荷隨之變化，在此過程中需要重點(diǎn)關(guān)注高壓缸效率與低壓缸效率變化，從而分析機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。對于汽輪機(jī)而言，凝汽器真空度變化對汽輪機(jī)正常運(yùn)行有著重要的影響，根據(jù)廠家提供的性能曲線，真空度每降低1 kPa，就會(huì)影響汽輪機(jī)0.9%的熱耗，進(jìn)而影響聯(lián)合循環(huán)機(jī)組1.0%的出力，因此，控制好凝汽器真空度是保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重要條件。引起汽輪機(jī)凝汽器真空度下降的原因主要有循環(huán)水量不足或中斷、循環(huán)水溫度升高、后軸封供汽中斷、真空泵故障或出力不足、凝汽器水位過高、凝汽器換熱管道結(jié)垢或腐蝕、傳熱惡化、凝汽器泄漏以及真空系統(tǒng)不嚴(yán)密等。

4 結(jié)束語

基于maxDNA控制系統(tǒng)開發(fā)實(shí)時(shí)在線性能試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和性能計(jì)算結(jié)果，在線開展熱力試驗(yàn)，掌握機(jī)組、系統(tǒng)和熱力設(shè)備的熱力性能，更好地優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行。