船用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展研究

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

提高經(jīng)濟(jì)性，減少重量尺寸，減少金屬材料消耗以及降低造價(jià)是船舶動(dòng)力裝置發(fā)展的主要方面[1]，這對(duì)陸用的發(fā)電裝置而言同樣如此[2-4]，提高動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性，即熱能如何最有效利用往往是動(dòng)力工程師們所最關(guān)心的問題。

在船舶裝置中提高經(jīng)濟(jì)性，除了本身的經(jīng)濟(jì)意義外還影響到船舶的其他性能，在一定的燃料供應(yīng)量下，提高經(jīng)濟(jì)性可以增大船舶的航程?；蛘咴谝欢ǖ暮匠滔驴梢詼p少燃料的消耗量，從而增加船舶的載貨量。減少重量尺寸對(duì)船舶動(dòng)力裝置來說就較為重要，特別是近代船舶航速都有所增加，因而功率也會(huì)相應(yīng)增大。然而船舶的有效空間、重量尺寸不能不受到限制，否則就會(huì)影響船舶的其他性能。減少金屬材料消耗，減低造價(jià)具有重要意義。減少金屬材料消耗是與降低重量尺寸分不開的。從以上這些發(fā)展方面來考慮，一方面可改進(jìn)已有型式的動(dòng)力裝置，另一方面要大力發(fā)展和采用符合這些發(fā)展方向的新型動(dòng)力裝置。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)裝置來說，重量、尺寸和金屬消耗都較其他裝置更優(yōu)。然而燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高主要取決于進(jìn)口溫度和回?zé)岫?，但是金屬材料的耐高溫性限制了進(jìn)口溫度的提高，因而燃?xì)廨啓C(jī)裝置的過量空氣系數(shù)比蒸汽動(dòng)力裝置要大好幾倍，因而其排煙損失也顯著增加?；?zé)岫鹊奶岣呖墒寡b置效率提高，但卻帶來回?zé)崞髦亓砍叽绲膭×以黾?。?dāng)回?zé)岫蕊@著提升時(shí)，裝置效率增加緩慢而重量尺寸卻劇烈增加，因此憑借回?zé)岫鹊脑黾觼硖岣咝适怯邢薜?。這一切都使燃?xì)廨啓C(jī)裝置效率受到了限制。

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置而言，現(xiàn)代用以提高經(jīng)濟(jì)性的主要途徑是提高燃?xì)鈪?shù)和采用高效率的熱力循環(huán)，但是當(dāng)初壓提升到一定程度時(shí)循環(huán)效率增加緩慢，且引起金屬材料的大量消耗，重量造價(jià)及復(fù)雜性都增加，提高初溫則會(huì)受到材料耐溫性的限制，因而初溫也不能無限制地提高，而且壓力和溫度有一定關(guān)系，所以用提高參數(shù)來提高效率引起的困難也相對(duì)較多。但是蒸汽動(dòng)力循環(huán)的重要特點(diǎn)是允許有較低的循環(huán)下限參數(shù)，這一點(diǎn)在提高經(jīng)濟(jì)性方面是非常重要的[5]。

采用性能優(yōu)越的設(shè)備能顯著提高裝置的經(jīng)濟(jì)性，但是這會(huì)使裝置復(fù)雜化，而且一個(gè)設(shè)計(jì)良好的動(dòng)力裝置都已充分利用了這些有利因素。但是在蒸汽動(dòng)力裝置中，過去的研究大部分集中在改善蒸汽工質(zhì)循環(huán)上[6]。然而，對(duì)于任何一個(gè)蒸汽動(dòng)力裝置而言，就其工質(zhì)循環(huán)狀況來分析，有蒸汽-水和空氣-燃?xì)夤べ|(zhì)循環(huán)2部分。在空氣-燃?xì)庋h(huán)上加以改善，同樣也會(huì)提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性。在這方面，過去和現(xiàn)在確實(shí)也進(jìn)行了許多工作，如加裝空氣再熱器及省煤器等。但在今天，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，為改善蒸汽動(dòng)力裝置中的循環(huán)特征提供了新的途徑。

從上文所述，單純的蒸汽動(dòng)力裝置的重要優(yōu)點(diǎn)是具有較低的循環(huán)下限參數(shù)。初參數(shù)的提高會(huì)引起較多的弊端，而燃?xì)廨啓C(jī)裝置則相反，其排煙溫度較高，這是一個(gè)重大的缺陷，而燃?xì)獬鯀?shù)的提高，雖然也存在某些具體困難，如耐熱合金鋼強(qiáng)度限制等，但相比蒸汽動(dòng)力裝置而言，總是更易于解決，溫度也可較蒸汽循環(huán)高一些[7]。因此如果按照某種熱力循環(huán)方式，將它們聯(lián)合起來，就必然可在熱力性能上相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性。此外，聯(lián)合循環(huán)還提高了整個(gè)裝置的輸出功率，因而便有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的出現(xiàn)。這種循環(huán)利用了燃?xì)獾母邷匦?，使循環(huán)的進(jìn)熱溫度提高，且又充分利用了蒸汽部分的低溫性，所以只要聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)獠糠值臏囟缺日羝麆?dòng)力裝置高，效果總是在的。而且在聯(lián)合動(dòng)力裝置中的最高溫度發(fā)生在鍋爐中[8-9]，這和普通蒸汽動(dòng)力裝置一樣，因此過量空氣系數(shù)也和普通鍋爐相似，而避免了燃?xì)廨啓C(jī)裝置的排氣中含有大量未燃燒過的空氣。在重量尺度和金屬消耗方面，雖然存在著2個(gè)裝置，但是由于出力增加和燃?xì)廨啓C(jī)部分的輕巧，所以根據(jù)已建成的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合裝置的數(shù)據(jù)來看還是比單純蒸汽動(dòng)力裝置更低。

1929年瑞士B.B.C公司制造了具有凡洛克斯鍋爐的動(dòng)力裝置，并引起了世界各國的關(guān)注。由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合裝置的優(yōu)點(diǎn)很多，其能很大程度上滿足對(duì)動(dòng)力裝置的要求，因而引起了動(dòng)力界的注意。很明顯，聯(lián)合動(dòng)力裝置是陸用和船用動(dòng)力裝置的一個(gè)發(fā)展方向。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置的分類及其技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置可利用燃?xì)廨啓C(jī)廢氣產(chǎn)生蒸汽，并與燃?xì)饣旌向?qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，或者將其與燃?xì)饣旌先肴細(xì)廨啓C(jī)作功。這種聯(lián)合動(dòng)力裝置能提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率，減少空氣流量，并冷卻高溫燃?xì)?，但是由于這種聯(lián)合動(dòng)力裝置消耗的水量少，因而在船用條件下應(yīng)慎重考慮。

2.1 帶有增壓燃燒鍋爐的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置

最早的燃燒鍋爐是1929年瑞士公司（B.B.C）所建造的凡洛克斯增壓燃燒鍋爐（Velox）。這也就是最早的帶有增壓燃燒鍋爐的聯(lián)合動(dòng)力裝置，凡洛克斯鍋爐為強(qiáng)烈循環(huán)，煙氣自管內(nèi)流過，其廢氣燃?xì)廨啓C(jī)的功率基本上消耗于壓氣機(jī)，而沒有剩余功輸出?，F(xiàn)在增壓鍋爐已有很大發(fā)展，結(jié)構(gòu)上已有很大改進(jìn)，而且為了進(jìn)一步提高裝置的效率和增大出力，燃?xì)廨啓C(jī)的功率除了消耗在壓氣機(jī)外，其剩余功可輸出，或帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，或傳給螺旋槳。

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）效率高，這是采用聯(lián)合動(dòng)力裝置的一個(gè)主要原因，這種裝置能充分利用了燃?xì)獾母邷匦院驼羝苓_(dá)到的低溫性，而且這種裝置可采用和普通蒸汽動(dòng)力裝置一樣的過量空氣系數(shù)，所以排煙損失也相對(duì)較小。

（2）單位重量尺寸小，因此金屬材料消耗少，造價(jià)低。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用增壓燃燒鍋爐的一個(gè)重要原因。對(duì)整個(gè)裝置來說，由于聯(lián)合動(dòng)力裝置用了燃?xì)廨啓C(jī)代替汽輪機(jī)發(fā)出一部分功率，以及燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)組代替了鼓風(fēng)機(jī)組向鍋爐送風(fēng)，這樣在裝置中就發(fā)揮了燃?xì)廨啓C(jī)重量輕體積小的特點(diǎn)。由于重量尺寸減少了，載貨量及載貨容積便會(huì)相應(yīng)增加。

至于金屬材料的消耗，與重量尺寸有關(guān)，裝置的重量尺寸減少，則材料消能少，進(jìn)而降低造價(jià)。但是由于聯(lián)合動(dòng)力裝置中的某些部件承受的溫度較高，需采用較好的金屬材料，這就影響了造價(jià)。

（3）操縱性能好。主要表現(xiàn)在升汽時(shí)間短，動(dòng)力裝置能很快投入運(yùn)行，這是由于增壓鍋爐的熱負(fù)荷高，煙氣速度大，再加上水容量小，并且采用了強(qiáng)烈循環(huán)，因而一般只需數(shù)分鐘就能從冷態(tài)到全負(fù)荷。而一般的船用燃油水管鍋爐從冷態(tài)到全負(fù)荷需要數(shù)小時(shí)左右。就變負(fù)荷性能來說，聯(lián)合動(dòng)力裝置在變負(fù)荷時(shí)效率較穩(wěn)定，這在很大程度上是由增壓鍋爐變負(fù)荷時(shí)效率的穩(wěn)定性所決定。

除了以上這些優(yōu)點(diǎn)之外，它還擁有汽輪機(jī)裝置所擁有的優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)轉(zhuǎn)均勻。與柴油機(jī)裝置相比，其噪音振動(dòng)較小，可靠性和壽命方面根據(jù)一些已在運(yùn)行的聯(lián)合動(dòng)力裝置得到了證明。其壽命與汽輪機(jī)裝置相近，一些船用的具有凡洛克斯增壓鍋爐的聯(lián)合動(dòng)力裝置的運(yùn)行也證明了其可靠性。聯(lián)合動(dòng)力裝置中的燃?xì)廨啓C(jī)基本上屬于低溫范圍，壽命要比普通單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)裝置更長(zhǎng)。

從以上的優(yōu)點(diǎn)來看，聯(lián)合動(dòng)力裝置在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。但是不能否認(rèn)，這種聯(lián)合動(dòng)力裝置還有些缺點(diǎn)，因而妨礙了它目前在陸地上和船舶上的廣泛發(fā)展。這些缺點(diǎn)如下。

（1）聯(lián)合動(dòng)力裝置比較復(fù)雜。因?yàn)樗苏羝腿細(xì)?套裝置，這使得維護(hù)、檢修及管理都增加了困難。況且這種裝置熱負(fù)荷高，對(duì)輪機(jī)人員的要求也相對(duì)較高。

（2）操縱調(diào)節(jié)復(fù)雜。由于存在2套裝置和更多的系統(tǒng)，增加了控制調(diào)節(jié)對(duì)象，而且相互關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)也特別多，這些都會(huì)使操縱調(diào)節(jié)復(fù)雜化，況且熱負(fù)荷高的裝置要求操縱調(diào)節(jié)要更為可靠。

（3）更傾向于燃用液體和氣體燃料。燃燒固體燃料相對(duì)較少，而且燃用較差的液體燃料時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度不宜太高，以免葉片腐蝕。所以燃料問題的限制也是這種裝置的一個(gè)很大的缺點(diǎn)。雖然聯(lián)合動(dòng)力裝置存在以上這些缺點(diǎn)，但是隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，這些困難一定可以克服。

2.2 帶有前置式燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置是用燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣通入蒸汽鍋爐中進(jìn)行再燃燒。也就是在蒸汽鍋爐中利用燃?xì)廨啓C(jī)廢氣中大量的空氣再加入燃料進(jìn)行燃燒。亦有這樣的聯(lián)合動(dòng)力裝置，即燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣通入廢氣鍋爐而不附加燃燒或通過燃?xì)廨啓C(jī)廢氣來加熱給水，這樣裝置能收回一部分廢氣的熱量，但效果不顯著，排煙損失仍很大，且廢氣鍋爐的參數(shù)受到限制。其工作過程如下，由壓氣機(jī)把空氣壓縮后通入燃燒室與燃料混合燃燒，高溫燃?xì)馔ㄈ肴細(xì)廨啓C(jī)作功。燃?xì)廨啓C(jī)剩余功用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)廢氣排入鍋爐，由于燃?xì)廨啓C(jī)廢氣中含有大量空氣。廢氣中的含氧量相當(dāng)于空氣中的含氧量的80%左右。故在蒸汽鍋爐中可加入燃料而無需再補(bǔ)充空氣。在鍋爐中產(chǎn)生蒸汽通入汽輪機(jī)做功，至于蒸汽部分的主做功過程與蒸汽動(dòng)力裝置相同。

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)。（1）效率比單純的蒸汽動(dòng)力裝置及燃?xì)廨啓C(jī)裝置高。這種裝置亦能充分利用燃?xì)獾母邷匦院腿細(xì)馑苓_(dá)到的低溫性，避去了單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)排煙損失大的缺點(diǎn)，而廢氣中大量的廢熱及空氣能得到收回，而且省去了鼓風(fēng)機(jī)的消耗。（2）單位重量和尺寸較蒸汽動(dòng)力裝置小，這是由于省掉了鍋爐鼓風(fēng)設(shè)備，并發(fā)揮了燃?xì)廨啓C(jī)重量輕體積小的特點(diǎn)，但是其重量尺寸比帶有增壓鍋爐的聯(lián)合動(dòng)力裝置更大。（3）單位功率的造價(jià)一般比蒸汽動(dòng)力裝置低。（4）蒸汽鍋爐完全可用固體燃料，這是這種裝置的一項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)。

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置的缺點(diǎn)。（1）比單純的汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)裝置復(fù)雜，因?yàn)樗ㄕ羝腿細(xì)?套動(dòng)力裝置，對(duì)維護(hù)、檢修及管理都增加了困難。（2）操縱控制復(fù)雜，因?yàn)樵黾恿丝刂普{(diào)節(jié)對(duì)象，致使操縱控制復(fù)雜化。（3）燃?xì)廨啓C(jī)裝置燃燒固體燃料還在試驗(yàn)研究階段，而且燃用較差的液體燃料還存在困難，如燃用低質(zhì)液體燃料燃?xì)膺M(jìn)口溫度不宜太高以免葉片腐觸。

該類聯(lián)合動(dòng)力裝置的效率與燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度有關(guān)，但是由于受葉片材料的限制，其溫度不能過高。如果采用了確定的材料，燃?xì)膺M(jìn)口溫度也就相對(duì)確定下來。所以從效率最高的觀點(diǎn)來看，一定功率的燃?xì)廨啓C(jī)必需配上一定功率的汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)之間有一定的效率比例。

2.3 帶有空氣輪機(jī)的蒸汽空氣聯(lián)合動(dòng)力裝置

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置除了效率較單純的汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)裝置更高之外，主要的優(yōu)點(diǎn)是能全部使用固體燃料，所以這種型式的聯(lián)合動(dòng)力裝置也具有一定的發(fā)展前途。

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置的工作過程如下?？諝鈴膲簹鈾C(jī)出來后進(jìn)入空氣加熱器中加熱，將空氣的溫度提高。這個(gè)空氣加熱器是放在蒸汽鍋爐內(nèi)，故這時(shí)的鍋爐亦稱蒸汽-空氣鍋爐。熱空氣從空氣加熱器中出來進(jìn)入空氣輪機(jī)做功，其排氣入鍋爐作為燃燒空氣，蒸汽部分的主作功過程與蒸汽動(dòng)力裝置相同。

這種型式聯(lián)合動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)。

（1）效率比單純的蒸汽或燃?xì)廨啓C(jī)裝置高，原因和前2種相同。

（2）能夠完全采用固體燃料，符合我國的燃料政策。這是前2種聯(lián)合動(dòng)力裝置所不能比擬的。

（3）在空氣輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)是空氣或其他非腐蝕性工質(zhì)而不是燃?xì)?，所以不?huì)產(chǎn)生葉片的腐觸，因而壽命長(zhǎng)，而且長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后效率不會(huì)大幅降低。

這種聯(lián)合動(dòng)力裝置的最大缺點(diǎn)是空氣鍋爐的體積極為龐大，而且空氣加熱器在鋪爐中的布置也較困難。因此在船用條件下就必需加以考慮。

3 結(jié)論與展望

世界各先進(jìn)工業(yè)國家已有一些電路燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置在運(yùn)行，并且證明效果良好。業(yè)界普遍認(rèn)為，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義，在電站、船舶上以及其他領(lǐng)域中采用這種裝置能有效地降低燃料消耗量和金屬材料消耗，它開辟了動(dòng)力裝置新的發(fā)展途徑，并被認(rèn)為有必要迅速在國民經(jīng)濟(jì)部門中實(shí)現(xiàn)這種裝置。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置在船上使用有很大的前景，通過在船舶上使用聯(lián)合動(dòng)力裝置，可有效降低營運(yùn)費(fèi)用，增大載重量，增加貨倉容積。

從上文看出，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置在營運(yùn)費(fèi)用方面不但比汽輪機(jī)裝置更優(yōu)越，并且由于柴油機(jī)裝置，在運(yùn)營費(fèi)用中，最主要的是燃料費(fèi)，雖然燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置的燃料費(fèi)比柴油機(jī)裝置更大，主要原因是柴油機(jī)效率更高[10]，但如果在較大功率的情況下，裝置效率還可提高。在重量和尺度方面，聯(lián)合動(dòng)力裝置更占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

從以上的介紹中，可以很明顯地看出，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置對(duì)船舶而言是一種很有前景的動(dòng)力裝置，它能很大程度滿足對(duì)船舶動(dòng)力裝置提出的要求。當(dāng)然，聯(lián)合動(dòng)力裝置在現(xiàn)階段還有些缺點(diǎn)亟待克服，但是可以預(yù)料到，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合動(dòng)力裝置將會(huì)大量應(yīng)用在船舶上。