浅析分布式能源系统中燃气轮机的性能考核试验方法

马洪涛，阮慧锋，童　航

（华电电力科学研究院国家分布式能源技术研发（实验）中心，浙江杭州310030）

浅析分布式能源系统中燃气轮机的性能考核试验方法

马洪涛，阮慧锋，童航

（华电电力科学研究院国家分布式能源技术研发（实验）中心，浙江杭州310030）

燃气轮机作为天然气分布式能源系统的原动机，其性能的好坏决定着整个系统的优劣，如何有效的组织性能试验显得尤为重要。本文参照ASME标准，就燃气轮机现场试验目的、试验仪表以及试验计算等内容进行概述，同时提出了一种新型的天然气取样装置，并在某典型示范项目现场试验中得到了很好的应用，供同行在燃气轮机新机组性能试验时参考。

燃气轮机；AMSE标准；性能试验

0　引言

分布式能源系统是以冷热电联产技术为基础，与大电网和天然气管网联接，向一定区域内的用户同时提供电力、蒸汽、热水等能源的服务系统，一般安装在负荷中心，在并网发电的同时，向负荷区用户提供制冷、供热服务。［1］目前我国已建及在建天然气分布式能源项目的装机容量已达380万kW，对于正处在能源结构调整拐点的中国，分布式能源能对传统集中式供能系统提供有益补充，也将成为我国能源可持续发展战略中的重要一环。

在国家政策的不断鼓励下，国内投产的天然气分布式项目逐年增多，预计到2020年天然气分布式能源装机量达到2000万kW。燃气轮机作为天然气分布式能源系统的原动机，其热力性能决定着整个系统的优劣。［2］本文通过对某典型的天然气分布式能源系统中燃气轮机的性能考核，浅析了燃气轮机在现场性能试验的方法，供同行在新机组性能考核时参考。

1　燃气轮机试验目的及内容

燃气轮机的性能试验目的是为了确定该机组的出力、热耗率等性能指标是否达到合同保证值。由于试验工况常常与设计工况有差别，需要根据设备厂商提供的各种参数修正曲线，将试验得到的性能值修正到设计工况下的性能值，然后与合同中的性能保证值比较，是否达到合同保证值。

2　试验边界及测量参数

试验边界是一个用于定义明确机组性能所必须测量的各个物质/能量流的概念，试验边界决定了跨越燃气轮机机组试验边界的所有能量流。试验中必须明确所有进入和流出试验边界的能流。能流可能由具有化学能、热能和势能的气体、液体或固体物质流组成，也可能是纯的能流。在定义试验边界时，由于与特定的燃气轮机设计密切相关，因此需要有一定的灵活性。图1是典型的燃气轮机测点布置示意图。

燃气轮机性能考核试验需测量或计算跨越边界的质量流量和必要的热力学性质。实际测量位置可以在该点的上游或者下游位置，具体测点位置取决与测量值是否合理，同时考虑能将测点处的流量和流动性质准确的修正到试验边界点处的工况。表1给出了典型燃气轮机性能考核试验中测点清单。［3］

表1　典型燃气轮机性能考核试验测点清单

3　试验仪表及取样装置

3.1试验仪表

燃气轮机性能考核试验所需的仪表可以一部分采用专用仪器仪表，一部分采用现场仪器仪表，所有专用的仪器仪表均已经经过各方认可的有相关资质的权威机构校验，并出具相关的校验报告。

图1　燃气轮机发电机组测点布置示意图

（1）燃机发电机功率、频率、功率因数

燃机发电机功率、频率、功率因数等采用功率表在燃机发电机出口PT、CT端子上进行测量，功率变送器精度为0.1级。

（2）大气温度

大气温度由采用高精度试验用PT100热电阻配合温度变送器测量，安装在燃机空气滤网入口处，等间距布置8个温度测点，热电阻精度为A级。

（3）大气压力

大气压力采用2台高精度绝压变送器测量，测点位置位于室外环境中，且周围气流相对稳定，高度与燃机轴中心线处于同一标高位置。绝压变送器精度为0.075级。

（4）大气湿度

大气湿度采用机组自带的Vasla湿度变送器测量。

（5）天然气流量

燃气流量采用随燃机一起提供的、布置在燃机总管的超声波流量计进行计量。在超声波流量计附近安装热电阻和压力变送器测量燃料气温度和压力。超声波流流量计必须在安装前由制造商负责完成校验，并提供相应的校验报告。流量计实际运行是燃料气压力应尽可能接近校验压力。

（6）燃机排气背压

在余热锅炉进口烟道周向开四个取压孔，用引压管汇集后利用差压变送器进行测量。

（7）燃机排气温度

燃机排气温度采用网格法测量温度场，燃机排气扩散段一侧开设4个试验用测点孔，每个孔测量插入三个不同长度的热电偶，共计12个温度点。

3.2取样装置

天然气取样分析是燃气轮机性能考核试验重要的环节，直接影响试验的准确性。天然气组成和物性的测定很大程度上取决于取样技术的水平。取样系统的设计、结构、材料，都对试验结果至关重要。本文采用一种新型的天然气取样装置，取样过程安全、便捷。在项目实际过程中得到了很好的应用。下图为天然气取样装置示意图。

图2　新型天然气取样装置示意图

4　试验计算及修正

燃气轮机的性能指标与机组实际运行的环境温度、湿度、大气压力等有密切的关系，通常合同保证的性能指标是相对于在设计条件下而言，因此就必须对实测的性能指标进行修正。

4.1燃机出力

采用GE公司性能模拟软件Application for Package Performance Systems cycle deck（APPS）对实际测得的燃机出力进行修正，修正因素包括大气温度、大气压力、大气湿度、燃机进口滤网压损、燃机出口压损、功率因数、发电机损耗、燃料气温度、燃料气成份（含C/H比及热值）等。

修正后的燃机机组毛输出功率：

式中Pgross，corr—修正后的燃机功率输出，kW；

Pmeas—实测的功率，kW；

CFpower_Degr—机组老化修正系数；

CFpower—APPS修正系数。

上式中CFpower系数为试验状态下APPS的期望燃机功率与性能保证工况下APPS的期望燃机功率的比值。

4.2燃机热耗

燃机热耗同样采用APPS软件将试验工况下的燃机热耗修正至性能保证工况下的燃机热耗。试验工况下的燃机热耗：

式中HRgross，calculated—试验工况下燃机实际热耗，kJ/kW·h；

FFmeas—实际测得的燃料气流量，Nm3/h；

LHV—燃料气低位热值，kJ/Nm3。

式中HRgross，corr—修正后的燃机热耗，kJ/kW·h；

CFHR_Degr—机组老化修正系数；

CFHR—APPS热耗修正系数。

上式中CFHR系数为试验状态下APPS的期望燃机热耗与性能保证工况下APPS的期望燃机热耗的比值。

4.3燃机排气温度

同理，燃机排气温度采用APPS性能模拟软件进行修正。修正后的燃机排气温度表示为：

式中T8gross，corr—修正后的燃机排气温度，℃；

T8meas—试验工况下测得的燃机排气温度，℃；

CFT8—APPS燃机排气温度修正值，℃；

CFT8_Degr—燃机排气温度老化修正值，℃。

4.4燃机排气能量

燃机排气能量的修正方式与燃机出力及热耗的修正方式一致。修正后的燃机排气能量表示为：

式中E8gross，corr—修正后的燃机排气能量，kW；

E8meas—试验工况下实际测得的燃机排气能量，kW；

CFE8_Degr—燃机排气能量老化修正系数；

CFE8—燃机排气能量APPS修正系数。

5　典型示范项目应用

采用上述方法，本文对某典型的分布式能源中燃气轮机进行了性能考核试验。该典型项目采用LM2500+G4燃机由GG和PT，发电机及相应的辅助系统和控制系统组成，采用一台燃机带一台发电机。每台LM2500+G4燃机为双轴设计，燃气体发生器（GG）与动力涡轮（PT）分离，靠空气动力耦合传动。

该示范项目燃气轮机性能考核试验内容主要包括额定负荷和部分负荷工况下的性能测试。试验结果表明，该燃机修正后出力为30926kW，优于性能保证值（30649kW）0.9%；修正后热耗为9849.51 kJ/kW·h，优于性能保证值（10047 kJ/kW·h）1.9%；修正后排烟温度551.32℃，优于性能保证值（541.4℃）1.8%；修正后的排气能量为79289kW（Ref 0K），优于保证值（78407kW）1.12%。试验过程中采用上述天然气取样装置取样操作便捷安全。该示范项目的额定负荷下的考核数据见表2和表3。

表2　示范项目考核试验数据

6　结语

燃气轮机的性能考核试验是为了确定机组的出力、热耗率等性能指标是否达到合同保证值，本文参照ASME标准，结合工程实践，同时采用一种新型的天然气取样装置，对某典型示范项目进行了燃气轮机性能考核试验，为同行在分布式能源系统中燃气轮机的性能试验提供有益帮助。

表3　示范项目考核试验结果修正计算

［1］杜建一，王云.分布式能源系统与微型燃气轮机的发展与应用［J］.工程热物理学报，2004，（05）：786～788.

［2］林汝谋，金红光.燃气轮机发电动力装置及应用［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］The American Society of Mechanical Engineers.PTC22-2005 Gas Turbines Performance Test Code［S］.Three Park Avenue，New York，2005.

A brief Analysis of Performance Test Method for Gas Turbine in Distributed Energy System

MA Hong-tao，RUAN Hui-feng，TONG Hang
（Huadian Electric Power Research Institute，National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China）

As the primary motivation of the natural gas distributed energy system，the performance of the gas turbine determines the quality of the whole system.So it is very important to Effective organize the performance test.This paper concisely conducted a summary of gas turbine test purpose，test instruments and test calculation to provide a reference for the technicians by referring to the ASME criteria，and a new type of natural gas sampling device is presented，which is applied in the field performance test of a typical demonstration project.

gas turbine；ASME criteria；performance test

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.001

TK471

B

2095-3429（2015）04-0001-04

2015-08-07

修回日期：2015-08-28

马洪涛（1980-），男，山东临沂人，工学硕士，工程师，电站性能技术部副主任，长期从事火力发电系统及设备性能测试及评价工作。