一种燃气轮机余热锅炉效率测试及计算方法

摘要

本发明涉及一种燃气轮机余热锅炉效率测试及计算方法，包括以下步骤：步骤一、在燃气轮机余热锅炉效率测试前确认测试；步骤二、确定锅炉稳定运行的条件；步骤三、天然气相对分子质量计算；步骤四、天然气中烷烯成分和氢气成分的C元素和H元素摩尔含量计算；步骤五、天然气中非烷烯成分的摩尔含量的计算；步骤六、天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Qtgy的计算；步骤七、燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Qphgkq和总干空气摩尔量Qzgkq的计算；步骤八、空气中干空气摩尔比的计算；步骤九、烟气气体各成分的质量和比焓的计算；步骤十、余热锅炉入出口烟气焓值计算；步骤十一、余热锅炉散热损失和效率计算；本发明减少试验测点的数量，提高试验效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机余热锅炉效率测试及计算方法，属于燃气轮机余热锅炉性能评价技术领域。

背景技术

目前国内大型燃气轮机基本都是进口机组，燃气蒸汽联合循环机组性能考核试验大多按照ASME标准进行，采用的标准有ASME PTC46-1996《电厂整体性能试验标准》、ASMEPTC22-2005《燃气轮机性能试验规程》、ASME PTC4.4-2008《燃气轮机余热锅炉性能试验规程》，其中余热锅炉效率测试采用ASME PTC4.4-2008《燃气轮机余热锅炉性能试验规程》进行试验，国内也有相应的行业标准DL/T1427-2015《联合循环余热锅炉性能试验规程》，其内容与ASME PTC4.4-2008《燃气轮机余热锅炉性能试验规程》基本相同，只是将测量和计算的部分参数英制单位更换为国际单位，两个标准的测试内容和测试方法是相同的，都需要基于热平衡对从余热锅炉抽取热量的工质焓增进行测量和计算，典型的燃气轮机型余热锅炉系统包括高压蒸汽系统、中压蒸汽系统、低压蒸汽系统、性能加热器系统等等，因此工质焓增需要测试和计算多处给水流量、多处工质的压力和温度。汽水系统梳理难度大、测点安装和测量工作繁重、工质焓增计算工作繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在燃气轮机联合循环机组余热锅炉分散控制系统中可以实时显示的燃气轮机余热锅炉效率测试及计算方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，包括以下步骤：

步骤一、在燃气轮机余热锅炉效率测试前确认天然气侧参数测试、干空气摩尔含量测试、燃气轮机排气扩散段烟温测量和烟囱SEMS平台烟气参数测试；

步骤二、确定锅炉稳定运行的条件；

步骤三、天然气相对分子质量计算；

步骤四、天然气中烷烯成分和氢气成分的C元素和H元素摩尔含量计算；

步骤五、天然气中非烷烯成分的摩尔含量的计算；

步骤六、天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Q

步骤七、燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Q

步骤八、空气中干空气摩尔比的计算；

步骤九、烟气气体各成分的质量和比焓的计算；

步骤十、余热锅炉入出口烟气焓值计算；

步骤十一、余热锅炉散热损失和效率计算。

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤三的天然气相对分子质量计算公式为：

TRQ＝(∑a

式中：TRQ——天然气的相对分子质量；单位:g/mol

a

a

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤四中C元素摩尔含量计算公式为：

C

H元素摩尔含量计算公式为：

H

式(2)和(3)中：

Q——天然气的质量流量；单位:kg/h；

C

H

C

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤五中非烷烯成分包括氮气(N

N

CO

O

H

BH

其中：

BH

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤六中天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Q

C

式中：C

单位mol/h；

H

式中：H

Q

式中：Q

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤七中燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Q

Q

式中：O

燃气轮机入口总干空气摩尔量Q

C

H

Q

式中：C

单位mol/h；

H

单位mol/h；

Q

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤八中空气中干空气摩尔比的计算方法如下：

根据环境温度T

或根据公式算得：

T

当-100℃-0℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0214165E4/T

当0℃-200℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0440397E4/T

式中：

T

T

R——相对湿度；单位：％；

Pv——饱和水蒸气分压；单位：Pa；

P

G

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤九中烟气气体各成分的质量计算公式为：

式中：

式中：

式中：

Z

式中：Z

式中：

烟气气体各成分的比焓计算公式为：

h

式中：hi----烟气各成分的焓值，单位：g/h；

T----烟气温度，单位：兰氏温标°R，°R＝1.8(℃+273.15)，

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤十中余热锅炉入出口烟气焓值计算公式为：

式中：H

式中：H

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤十一中余热锅炉散热损失计算公式为：

式中：q

余热锅炉的效率计算公式为：

η＝(H

本发明积极效果如下：第一、不再需要锅炉汽水侧的压力、温度、流量等测点测量，降低了试验工作量，提高了试验效率；第二、根据DCS表盘参数，利用本发明可以实现余热锅炉效率的实时在线显示，给运行人员对剧组参数调整提供了依据；第三.本发明所需现场测量数据较原方法大量减少，可以降低试验结果的不确定度，提高试验精度。

附图说明

附图1为余热锅炉效率测试测点位置结构示意图。

具体实施方式

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，包括以下步骤：

步骤一、在燃气轮机余热锅炉效率测试前确认天然气侧参数测试、干空气摩尔含量测试、燃气轮机排气扩散段烟温测量和烟囱SEMS平台烟气参数测试；

步骤二、确定锅炉稳定运行的条件；

步骤三、天然气相对分子质量计算；

步骤四、天然气中烷烯成分和氢气成分的C元素和H元素摩尔含量计算；

步骤五、天然气中非烷烯成分的摩尔含量的计算；

步骤六、天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Q

步骤七、燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Q

步骤八、空气中干空气摩尔比的计算；

步骤九、烟气气体各成分的质量和比焓的计算；

步骤十、余热锅炉入出口烟气焓值计算；步骤十一、余热锅炉散热损失和效率计算。

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤三的天然气相对分子质量计算公式为：

TRQ＝(∑a

式中：TRQ——天然气的相对分子质量；单位:g/mol

a

a

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤四中C元素摩尔含量计算公式为：

C

H元素摩尔含量计算公式为：

H

式(2)和(3)中：

Q——天然气的质量流量；单位:kg/h；

C

H

C

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤五中非烷烯成分包括氮气(N

N

CO

O

H

BH

其中：

BH

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤六中天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Q

C

式中：C

单位mol/h；

H

式中：H

Q

式中：Q

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤七中燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Q

Q

式中：O

燃气轮机入口总干空气摩尔量Q

C

H

Q

式中：C

单位mol/h；

H

单位mol/h；

Q

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤八中空气中干空气摩尔比的计算方法如下：

根据环境温度T

或根据公式算得：

T

当-100℃-0℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0214165E4/T

当0℃-200℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0440397E4/T

P

G

式中：

T

T

R——相对湿度；单位：％；

Pv——饱和水蒸气分压；单位：Pa；

P

G

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤九中烟气气体各成分的质量计算公式为：

式中：

式中：

式中：

Z

式中：Z

式中：

烟气气体各成分的比焓计算公式为：

h

式中：hi----烟气各成分的焓值，单位：g/h；

T----烟气温度，单位：兰氏温标°R，°R＝1.8(℃+273.15)，

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤十中余热锅炉入出口烟气焓值计算公式为：

式中：H

式中：H

本发明燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法，步骤十一中余热锅炉散热损失计算公式为：

式中：q

余热锅炉的效率计算公式为：

单位：％。

如附图1所示，本发明以河北南网某热电公司F型燃气轮机余热锅炉效率的测试及计算方法为例，采用如下步骤：

步骤一、在燃气轮机余热锅炉效率测试前确认，包括：

1天然气侧参数测试：天然气成分分析通常采用电厂在线的色谱分析仪数据，此数据准确可靠；天然气流量采用电厂在线仪表数据；

2干空气摩尔含量测试：在燃气轮机空气入口平台处，进行多点的大气压力、环境干球温度、相对湿度的测量；

3余热锅炉入口即燃气轮机排气扩散段烟温测量：通常燃气轮机厂家在此处圆周上均匀布置6个甚至更多的测量，测量元件在检定周期内，可以采用DCS上多点烟温数据的平均值；

4烟囱SEMS平台烟气参数测试：网格法测量烟气的含氧量和烟气温度，由于余热锅炉为正压运行锅炉，空气无法漏入烟气中去，因此余热锅炉烟囱处的烟气成分与余热锅炉入口处相同，经过余热锅炉的流程充分混合，烟囱处的烟气成分非常均匀；SEMS上单点的烟气含量在线测试数据可以作为断面多点测试值的平均值；由于尾部受热面的换热不同以及烟气混合距离短等原因，烟气温度需要多点网格法进行测量。

步骤二、余热锅炉出口烟气温度稳定，曲线平整，温度波动在0.5℃之内，大气压力为100.5kPa，环境温度为16.3℃，相对湿度为63％，余热锅炉入口烟温温度为586.7℃，余热锅炉出口烟温温度为96℃，余热锅炉出口烟气含氧量为13.8％，天然气流量为15.55kg/s，天然气成分摩尔比见表1，开始数据测量和记录。

步骤三、天然气相对分子质量计算公式为：

TRQ＝(∑a

式中：TRQ——天然气的相对分子质量；单位:g/mol；

a

a

根据上述公式的具体计算值见下表1：

表1

步骤四：天然气中烷烯成分和氢气成分的C元素和H元素摩尔含量计算，其中C元素摩尔含量计算公式为：

C

H元素摩尔含量计算公式为：

H

式(2)和(3)中：

Q——天然气的质量流量；单位:kg/h；

C

H

C

根据上述公式的具体计算值见下表2：

表2

步骤五、天然气中非烷烯成分的摩尔含量的计算；非烷烯成分包括氮气(N

N

CO

O

H

BH

其中：

BH

根据上述公式的具体计算值见下表3：

表3

步骤六、天然气燃料充分燃烧产生的干烟气量Q

C

H

Q

步骤七、燃气轮机入口平衡干空气摩尔量Q

Q

＝＝28819386.92*0.138/(0.209476-0.138)＝55642109.18单位:mol/h；

式中：O

燃气轮机入口总干空气摩尔量Q

C

H

Q

式中：

C

H

Q

步骤八、空气中干空气摩尔比的计算如下：

根据环境温度T

或根据公式算得：

T

当-100℃-0℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0214165E4/T

当0℃-200℃时，

Pv＝6894.757EXP

(-1.0440397E4/T

P

G

式中：

T

T

R——相对湿度；单位：％；

Pv——饱和水蒸气分压；单位：Pa；

P

P

G

步骤九、烟气中气体各成分的质量和比焓的计算，

其中，烟气中气体各成分的质量计算：

Z

烟气各成分的比焓计算：

h

式中：hi----烟气各成分的焓值，单位：g/h；

T----烟气温度，单位：兰氏温标°R，°R＝1.8(℃+273.15)

当T≤724.85℃时系数的选取：

表4

当T≥724.85℃时系数的选取：

表5

根据上述公式烟气各成分的比焓的具体计算值见下表6：

表6

步骤十、余热锅炉入出口烟气焓值计算：

步骤十一、余热锅炉散热损失计算为：

余热锅炉的效率计算：

η＝(H

采用本发明方法:第一、不再需要锅炉汽水侧的压力、温度、流量等测点测量，降低了试验工作量，提高了试验效率；第二、根据DCS表盘参数，利用本发明可以实现余热锅炉效率的实时在线显示，给运行人员对剧组参数调整提供了依据；第三.本发明所需现场测量数据较原方法大量减少，可以降低试验结果的不确定度，提高试验精度。

最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。