燃氣輪機的濕空氣循環性能分析與試驗

翁史烈，蒲 強，衛琛喻，葛 冰，臧述升，惠 宇，王玉璋

（上海交通大學機械與動力工程學院，動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240）

0 引言

燃氣輪機采用濕空氣渦輪（Humid Air Turbine，HAT）循環可以充分利用循環中余熱，提高燃機的熱效率，由于余熱的回收其回熱器的換熱面積遠小于蒸汽余熱鍋爐中的蒸發段的換熱面積，因此與燃氣—蒸汽復合循環及主蒸汽循環（STIG）相比，設備的成本可以大幅降低。

HAT循環裝置采用空氣加濕的方法可以提高燃機的比功，而且空氣加濕燃燒還可以減少NOX的排放。由于HAT循環可在不改變渦輪初溫和壓比下提高其比功及效率，這種在成熟的技術基礎上獲得的性能改善，更值得人們關注。因此20世紀80年代日本Y.Mori教授提出這種循環后，立即受到一些國際大公司的關注，繼而投入大量資金進行研究開發［1］。瑞典的LUND理工學院與皇家理工學院共同搭建了第一臺600 kW的微型燃氣輪機試驗臺（該試驗臺基于VT 600Volvo的單軸燃氣輪機），并利用試驗臺對飽和器、大濕度燃燒室的運行進行了研究，得到了許多寶貴的試驗數據資料。其后又與英國的紐卡斯爾大學合作，采用了人工神經網絡對該試驗臺的穩態運行工況進行了模擬，模擬結果與試驗結果很好吻合［2－3］。

目前，有關HAT循環裝置的研究工作已經不再局限在對大型燃氣輪機的HAT循環結構以及性能的分析和優化，以微型和小型燃氣輪機為基礎的HAT循環裝置，研究開發工作也引起行業內的廣泛關注。

上海交通大學對HAT循環系統從理論到實驗，進行了長期的研究工作，對濕化過程中的濕空氣熱物性、飽和器的傳熱、傳質機理及系統試驗開展了深入的研究，并通過實際系統試驗得出了HAT循環裝置性能機理性試驗結果，本文將簡單介紹這些研究工作和成果。

1 濕化復合工質的熱物性

假設濕空氣氣相是蒸汽、氧氣和氮氣組成的混合氣體，混合氣體的狀態方程滿足RK方程：

式中：p，T和v分別為混合氣體的壓力、溫度和體積；R為氣體常數；a和b為常數。

1.1 濕空氣相平衡方程及飽和濕量

空氣—水系統是各種狀態空氣和水混合物的統稱：其中的氣相是水蒸氣、氮氣、氧氣和少量其他氣體組成的混合氣體（通常稱為濕空氣）；液相是溶解了少量氮、氧和其他氣體的水溶液。通常，空氣—水系統中的氣、液兩相總是同時存在相互轉化，當氣相和液相之間的質量傳遞達到平衡時，相平衡方程就是飽和狀態的控制方程：

式中：TV和TL分別為空氣—水系統中氣相和液相的溫度；pV和pL分別為系統中氣相和液相的壓力；和分別為第i組分氣相和液相逸度。

前面兩個方程表示相平衡時氣、液兩相溫度和壓力都相等，第三個方程表示兩相間的質量傳遞相等，處于傳質平衡狀態。

1.2 濕空氣焓和熵

濕空氣的焓、熵、定壓比熱等熱力學參數，可以利用余函數修正方法計算。該方法是在理想氣體考慮溫度對狀態參數影響的基礎上，進一步考慮壓力的影響，通過實際氣體狀態方程導出修正余函數實現的。

濕空氣的焓：

濕空氣的熵：

可以看到，采用RK方程作為狀態方程時，熱力學狀態參數的計算表達式清楚地分為基本項和余項兩部分。RK方程可以用來計算水蒸氣的熱物性，令水蒸氣的摩爾濃度YH2O為1；氮和氧的摩爾組分YN2和YO2為0，得到不同溫度下的焓和熵，與符卡洛維奇的水蒸氣數據比較，不同溫度、不同壓力下蒸汽的熱物理及飽和含濕量計算結果與比較如圖1所示。

由圖1（a）可以看到，與水蒸氣數據相比，采用RK方程計算的熵誤差很小。例如：當P為0.1MPa，T為433K時，熵值的相對誤差僅為0.5%。由圖1（b）可以看到，采用RK模型和理想氣體混合模型道爾屯分壓定律，對不同溫度、不同壓力下的飽和含濕量計算的結果，在所研究的溫度和壓力范圍內，采用道爾屯分壓定律，最大誤差可達5.5%，表明RK模型的計算結果更符合實際情況。

圖1 不同溫度、不同壓力下蒸汽的熱物性及飽和含濕量計算結果與比較

2 分軸燃氣輪機HAT循環試驗系統

HAT循環試驗系統原理圖如圖2所示。經壓氣機壓縮后的空氣進入飽和器，同時在經濟器中吸收排氣低溫余熱的循環水從飽和器頂部噴下，與壓縮后的空氣充分混合，濕化后的濕空氣進入回熱器吸收排氣高溫余熱后進入燃燒室，高溫燃氣經過高壓渦輪、動力渦輪做功，最終通過回熱器及經濟器后排入大氣。

圖2 HAT循環系統原理圖

本文所用到的分軸燃氣輪機HAT循環系統試驗臺布置圖參見圖3，系統主要由壓氣機、飽和器、燃燒室、高壓渦輪、動力渦輪以及電渦流測功機組成。目前該系統正處于逐步完善階段，現階段的換熱器僅有飽和器，其他如后冷器、回熱器、經濟器暫不考慮。壓氣機為1級離心式壓氣機，額定轉速為63 000r／min，額定壓比為3.54，高壓渦輪為1級向心式渦輪，動力渦輪為1級軸流式渦輪，額定轉速為14 000r／min，額定輸出功率為80kW。齒輪變速箱額定輸入功率為80kW，額定輸入轉速為14 000r／min，傳動比為4.667∶1。

圖3 分軸燃氣輪機HAT循環系統試驗臺

3 試驗結果及分析

在保持供油量為47kg／h不變的條件下，循環試驗分為先加濕后減濕兩個階段。第一階段加濕，噴入飽和器的水量由0.8m3／h逐漸增加到1.7m3／h；第二階段減濕，燃氣輪機轉入高工況運行，供油量增至57kg／h，噴入飽和器的水量由1.7m3／h逐漸減少到0.6 m3／h。HAT循環試驗結果如圖4所示。

圖4 HAT循環試驗結果

從圖4可看出，加濕后燃氣初溫快速下降，同時壓氣機壓比和轉速升高，燃氣輪機輸出功率也增大，顯示了加濕對燃氣輪機性能的顯著影響。在試驗第一階段，當保持燃油流量不變時，隨著加濕量的增加，壓氣機狀態基本保持不變，燃燒室出口溫度隨之減小。試驗第二階段可以說是第一階段的逆過程，這一過程的變化也正好與前一階段相反。含濕量在4.2%時功率（效率）的增加量為16%。

計算時壓氣機進氣溫度、壓比、轉速，飽和器出口溫度和壓力，燃燒室出口溫度都與試驗工況保持一致。壓氣機的流量和效率使用壓氣機性能曲線線性插值得到。動力渦輪為軸流式透平，使用Flugel公式近似計算其效率變化，并修正高壓渦輪效率。圖5為性能計算結果與試驗值的比較。從圖5可看出，計算結果與試驗值能很好地吻合，溫比越高，比功和效率就越大，耗油率也越低；在一定含濕量下，對某一溫比存在一個最佳壓比，在此壓比下比功效率都最大，并且溫比越高，最佳壓比相應也越高。

4 結論

1）RK方程從相平衡機理出發計算飽和含濕量，從而完全擺脫了對道爾屯分壓定律的依賴，可以更為精確地計算濕化空氣實際氣體的含濕量。

2）本文建立的分軸燃氣輪機HAT循環系統試驗揭示了HAT循環規律，雖只有飽和器一個換熱器，但在其對空氣加濕之后，對循環功率的提升具有明顯作用。

3）性能計算與試驗的吻合可以為下一步研究奠定基礎。

［1］Jonsson M，Yan J.Humidified Gas Turbines－A Review of Proposed and Implemented Cycles［J］.Energy，2005，30：1013－1078.

［2］Paul von Heiroth，Jan－Olof Gustafsson，etc.A model of an evaporative cycle for heat and power production［J］.Energy Conversion ＆Management，1999，（40）.

［3］Ehsan Mesbahi，Mohsen Assadi，etc.A unique correction technique for evaporative gas turbine（EVGT）parameters［C］.Proceedings of ASME TURBO EXPO，New Orleans，USA：2001.June.