25 MW燃氣輪機進氣級間噴水試驗研究

馬正軍，常春輝，何 彬，董 斌

(中國船舶重工集團有限公司第七O三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

在燃氣輪機壓氣機進口/級間噴水，無需對燃氣輪機內(nèi)部流道進行改造，即可適當(dāng)提高燃氣輪機的輸出功率和熱效率[1]，噴水示意圖如圖1所示。

在燃氣輪機裝置的壓氣機進口/級間向壓縮空氣中噴水，利用水的氣化潛熱，使壓縮過程接近于定溫，從而減少耗功，增加輸出功率，提高熱效率[2–3]。噴入的霧化水還可以降低燃燒產(chǎn)物中NOx的生成量，減少環(huán)境污染[4]。

EPRI（Electric Power Research Institute）率先開發(fā)了多級噴水冷卻技術(shù)[5]。Utili Corp能源集團利用EPRI的技術(shù)在7E型燃氣輪機上進行了試驗[6]。在夏季運行150 h后表明，燃機裝置功率增加了15.5%，同時熱耗下降。

美國GE公司提出了LM6000 Sprint技術(shù)[7]。在具有較高壓比的LM6000 PC/PD型燃機上，環(huán)境溫度32 ℃下向高壓壓氣機前噴入0.27%空氣流量的水，測得燃氣輪機功率增加20.4%，熱效率從37.2%增加到38.7%，也就是使效率增加4%（相對值）[5]。

哈爾濱工程大學(xué)在S1-02小型燃氣輪機實施了壓氣機進口/級間噴水[8]，實驗結(jié)果表明在一定噴水量后隨噴水量的增加，燃機效率提高的幅度減少，對進氣初溫較低的循環(huán)，噴水后效率提高幅度更大。

中國船舶重工集團有限公司第七〇三研究所利用噴水中冷技術(shù)開發(fā)了濕壓縮、進氣冷卻技術(shù)[9]；在PG6581L燃氣輪機上實施了進口噴水冷卻工程應(yīng)用，實際運行測試表明燃氣輪機功率增加明顯，效率得到一定程度的提高。

1 燃氣輪機進氣/級間噴水試驗研究

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

1）對燃氣輪機進氣/級間噴水冷卻進行試驗驗證。

圖 1 S-S循環(huán)實施示意圖Fig. 1 S-S cycle sketch map

2）研究在燃機進氣/級間實施不同噴水流量對燃氣輪機性能及排放指標(biāo)的影響。

1.2 試驗設(shè)備

進氣/級間噴水增壓系統(tǒng)，25 MW燃氣輪機，霧化噴嘴等。

1.3 試驗系統(tǒng)及過程

本試驗在25 MW燃氣輪機的進口處安裝了100個壓力霧化噴嘴，安裝形式如圖2所示。進氣噴水系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供水壓力和霧化噴嘴的開度來調(diào)節(jié)噴水流量，霧化噴嘴霧化后水滴顆粒索特平均直徑[10]小于25 μm。

在過渡段上安裝18個空氣霧化噴嘴，安裝形式如圖3所示。

級間噴水空氣霧化噴嘴安裝于燃氣輪機過渡段上，通過調(diào)節(jié)供水管路旁通閥控制噴水流量，高壓氣源采用高壓壓氣機后引氣（或場地壓縮空氣），空氣霧化噴嘴霧化后水滴顆粒索特平均直徑小于40 μm，如圖4所示。

試驗過程：

1）在未噴水情況下，測試燃氣輪機各穩(wěn)定工況下的參數(shù)；

2）分別在進氣和級間噴入除鹽水，測試燃氣輪機在某工況指定參數(shù)時的相應(yīng)參數(shù)。

圖 2 進氣道內(nèi)霧化噴嘴Fig. 2 Spray nozzle array

圖 3 級間噴嘴安裝位置Fig. 3 Air nozzle fixing between stages

圖 4 級間噴水空氣霧化噴嘴安裝示意圖Fig. 4 Air nozzle installing sketch map

2 燃氣輪機進氣/級間噴水試驗結(jié)果及分析

本試驗主要測試了燃氣輪機分別在0.35，0.6，0.8工況下保持等油門控制和等低壓渦輪后排氣溫度控制時，測試燃氣輪機的功率、效率、高壓軸轉(zhuǎn)速、低壓軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差、高壓壓氣機出口壓力、低壓渦輪排氣溫度、NOx排放特性等隨噴水量的增加的變化趨勢。將試驗參數(shù)折算到海軍條件（大氣溫度300 K，大氣壓力101.325 kPa，進氣總壓損失2 kPa，排氣靜壓損失3 kPa）進行對比分析。

本文定義燃氣輪機在某一工況下實施進氣/級間噴水后的性能參數(shù)變化百分比為：

式中：Δ為在燃氣輪機實施進氣/級間噴水后的性能參數(shù)變化百分比；X0為未實施進氣/級間噴水時燃氣輪機在某一恒定油門下的性能參數(shù)；Xws為燃氣輪機在等油門或等低壓渦輪后溫度控制下實施進氣/級間噴水后的性能參數(shù)。

2.1 進氣/級間噴水對燃機功率、效率的影響

由圖5可以看出，在保持等油門控制時，隨噴水量的增加，燃機功率略有增加，但并不明顯。在等低渦后排溫控制時，隨噴水量的增加，燃機功率增加顯著，在水氣比0.5%時，實施級間噴水后燃機功率增加8%，實施進氣噴水，燃機功率增加16%左右。因此，可以看出在相同水氣比下，進氣噴水相對于級間噴水，燃機功率增加百分比更明顯，即為提高燃機輸出功率，實施進氣噴水比級間噴水的效果會更好。

圖 5 功率變化-水/氣比曲線Fig. 5 Curve of output augment vs water mass fraction

進氣/級間噴水的主要目的是為了降低壓氣機壓縮過程中工質(zhì)的溫度，從而減少壓縮功；如果噴水前后渦輪進口溫度不變，由于水蒸氣的比熱要比燃氣的比熱大，噴水后工質(zhì)流量也比噴水前大，導(dǎo)致渦輪的總功比噴水前增加很多，加上噴水后壓縮功的減少，因此燃機輸出功率增加。

由圖6可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實施進氣噴水后，燃機效率略有增加，而實施級間噴水燃機效率基本保持不變。在保持等低壓渦輪排氣溫度控制時，實施進氣/級間噴水燃機效率均明顯改善，在水氣比0.5%時，實施級間噴水后燃機效率提高約2%，而相同水氣比下實施進氣噴水，燃機效率提高5%左右，因此，可以看出，在相同水氣比下，進氣噴水相對于級間噴水，燃機效率提高百分比更明顯，也就是說，為改善燃機效率，實施進氣噴水比級間噴水的效果會更好。

圖 6 效率變化-水/氣比曲線Fig. 6 Curve of unit efficiency augment vs water mass fraction

從理論上分析，在相同的壓比下，受溫度和壓力等因素共同作用，級間噴水的出口可用能要比進氣噴水小，導(dǎo)致進氣噴水比級間噴水冷卻效率高，壓比越大，級間噴水損失的可用能越多。

綜合比較實施進氣/級間噴水后，燃機功率、效率提高百分數(shù)，可以看出實施進氣噴水的效果要好于級間噴水，但從實施條件上，進氣噴水受外界大氣環(huán)境的影響較大，大氣溫度越高、濕度越小，實施進氣噴水的效果會越好；而實施級間噴水受外界條件的限制較小，但需對燃機本體進行一定的改造才能實施級間噴水，受燃機本體結(jié)構(gòu)的限制。

2.2 進氣/級間噴水對高低壓軸轉(zhuǎn)速的影響

由圖7可以看出，在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，高壓軸轉(zhuǎn)速降低，并且降低幅度接近，降低不超過1%；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，隨水/氣比的增加，高壓軸轉(zhuǎn)速升高不超過0.2%。綜合來說，實施進氣/級間噴水后，無論是保持等油門控制，還是保持等低壓渦輪后排氣溫度控制，高壓軸轉(zhuǎn)速變化幅度均較小，因此，在水氣比一定范圍內(nèi)，實施進氣/級間噴水對燃氣高壓軸轉(zhuǎn)速的影響較小。

圖 7 高壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線Fig. 7 Curve of HP shaft speed augment vs water mass fraction

由圖8可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，低壓軸轉(zhuǎn)速變化很小，基本保持不變；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加低壓軸轉(zhuǎn)速均升高，在相同水氣比下，實施進氣噴水后，低壓軸轉(zhuǎn)速升高較大，在水/氣比0.6%時低壓軸轉(zhuǎn)速升高達到3%左右。

圖 8 低壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線Fig. 8 Curve of LP shaft speed augment vs water mass fraction

進氣/級間噴水使壓氣機特性線保持大致形狀上移，即噴水使壓氣機工況線移向更大的壓比和流量增加的一側(cè)，因此，高低壓軸的轉(zhuǎn)速均有較小的增加。同時，壓氣機效率也有明顯的增加。

由圖9可以看出，在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，無論是保持等油門控制還是保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，高低壓軸轉(zhuǎn)速差基本呈下降趨勢，其中保持等低壓渦輪排氣溫度控制的速差下降幅度可達9%。

圖 9 高低壓軸轉(zhuǎn)速差變化-水/氣比曲線Fig. 9 Curve of margin of HP-LP shaft augment vs water mass fraction

2.3 進氣/級間噴水對低壓渦輪后溫度的影響

由圖10可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制時，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，低壓渦輪后溫度均呈下降趨勢，相同水氣比時，進氣噴水使低壓渦輪后溫度下降幅度更大。

圖 10 低壓渦輪后溫度變化-水/氣比曲線Fig. 10 Curve of unit condition augment vs water mass fraction

燃氣輪機進氣/級間噴水后，由于透平的通流量和膨脹比升高，使得低壓渦輪后溫度下降，從圖10可以看出實驗結(jié)果與理論分析相符。

2.4 進氣/級間噴水對高壓壓氣機后壓力的影響

由圖11可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，高壓壓氣機后壓力基本保持不變；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加高壓壓氣機后壓力均升高，在進氣噴水且大水/氣比時高壓壓氣機后壓力升高不超過10%。

燃氣輪機進氣/級間噴水后，工質(zhì)溫度降低，導(dǎo)致壓氣機壓比升高即高壓壓氣機后壓力升高。

圖 11 高壓壓氣機后壓力變化-水/氣比曲線Fig. 11 Curve of HP exit pressure augment vs water mass fraction

2.5 進氣/級間噴水對NOx排放特性的影響

由圖12可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加NOx降低越多；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實施級間噴水后，隨著水/氣比的增加NOx降低，但降低量值明顯小于保持等油門控制的情況。在保持等低壓渦輪排氣溫度控制時，進氣噴水相對級間噴水，NOx降低幅度更加明顯。水的加入使燃燒產(chǎn)物中的NOx生成量大大降低，因此，實施進氣/級間噴水，改善燃機NOx排放，減少環(huán)境污染。

圖 12 NOx 變化-水/氣比曲線Fig. 12 Curve of exhaust NOx augment vs water mass fraction

3 結(jié) 語

通過對25 MW燃氣輪機實施進氣/級間噴水的試驗研究，有效改善燃氣輪機性能。本文的主要結(jié)論如下：

1）實施進氣/級間噴水后，均能有效的增大燃氣輪機的輸出功率，提高燃機效率。且隨著噴水量的增加，燃機性能改善越明顯。對于相同的水氣比下，進氣噴水的效果要好于級間噴水；

2）實施進氣/級間噴水后，對高低壓軸的轉(zhuǎn)速影響較小，但高低壓軸轉(zhuǎn)速差基本呈下降趨勢，且下降幅度較大；

3）實施進氣/級間噴水后，可以顯著改善燃氣輪機NOx的排放。

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