淺談燃機進氣口結冰原理及防冰措施

馬立軍

（哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

燃氣輪機的使用能夠加快工業的發展，隨著我國工業化的深入，人們對于燃機的使用范圍在逐漸的拓寬。雖然燃機具有一定的使用優勢，但是其難以處理的結冰現象，至今仍是燃機系統的一個主要弊端，如不加以處理，將會嚴重制約燃機的推廣。

2 成因

燃氣輪機的進氣系統結構原理簡述：A為阻擋式空氣過濾器元件，俗稱濾芯；B為空氣過濾器箱體及過渡段；C為進氣消音器；D為燃機進口導葉。進氣系統的結霜結冰現象，常常在可結冰條件時發生在濾芯表面（可以看見）和消音器出口及進氣導葉處（均看不見）。濾芯位置的結冰現象，主要是由于內外的溫差變化造成的，如果不能夠得到及時有效的處理，那么積累嚴重的冰塊會導致報警系統啟動，更為嚴重的將會擾亂燃機的正常作業，最終迫使燃機停止運轉。而消音器出口處或進氣導葉處結冰，冰塊會被吸入燃機，造成打斷壓氣機葉片的惡性事故。我們必須高度重視燃氣輪機進氣系統的結霜結冰現象，并徹底解決這個危及燃機安全運行的事故隱患。

提高解決燃機結冰現象的能力，關鍵是要對導致燃機結冰的各種數據進行詳細的分析，并利用計算的公式，對所有的數據進行嚴格的控制。下面將從六個具體的結構上進行理論的分析：

I段為空氣過濾器外側，并且假定為當地大氣壓P0=91Kpa，環境溫度 ta=-7℃，相對溫度φ0=95%，空氣流動速度V0≈0m/s。

Ⅱ段為過濾器濾芯濾紙內外側交接處，此處的空氣流速為 V1（m/s），空氣溫度為 t1（℃）。

Ⅲ段為過濾器箱體及過渡段，此處壓力P2=-700Pa，即絕對壓力 P2=90.3Kpa。

以TITAN130燃氣輪機發電機組為例，此處進氣道直管段空氣平均流速V2≈6m/s。

Ⅳ段為進氣消音器出口處，此處的空氣平均流速為 V3（m/s），溫度為 t3（℃）。

Ⅴ段為進氣喇叭口穩流段，此處壓力P4=89.9Kpa；溫度為 t4，Ⅵ段為燃機進口導葉處，空氣平均流速 V5≈113m/s，溫度為 t5。

整理以上條件:

Ⅰ段：P0=91KPa ta=-7℃ φ0=95%V0=0m/s

Ⅱ段：為收縮口段

Ⅲ段：P2=90.31KPa V2=6m/s

Ⅳ段：為收縮口段

Ⅴ段：P4=89.9KPa

Ⅵ段：收縮口段V5=113m/s

通常來說，燃氣機的體積比較小，所以進入的氣體不會在其內部逗留很長的時間，這樣，外部的空氣與內部的空氣基本上不存在著能量和溫度的變化，基于此點理論，我們可以把燃氣機當做是一個空氣熱力系統。下面將具體的計算相關的空氣熱力系統：

燃氣輪機進氣系統的空氣流動能量方程可以簡化為：

將有關參數代入（1）、（2）、（3）式，聯解求得:

t1=-7.6℃ t3=-7.3℃ t5=-13.4℃

根據上述的理論數據的分析和公式計算，我們能夠明確，當內外部的空氣氣壓數值差越大時，氣溫的下降幅度也會更大。所以，減少結冰的一個重要舉措就是控制好內外溫差。

本文設定溫度t4在燃機測量及控制系統上通常稱之為t1溫度，即燃機進氣入口溫度。它通常小于外界環境 ta(0.5～1)℃。

水露、霜凍形成的機理是：當空氣中相對濕度Φ1比較大，晝夜溫差△t=ta1-ta2比較大時，一旦大氣的溫度ta1降至ta2、Φ1對應的露點 ts1以下時 ，空氣中的一部分水蒸汽就會自然析出一部分水霧來。這些水霧形成水珠靠自重降落在小草上，這就是我們常說的“露水”。當大氣溫度 ta2繼續降至 0℃以下時，“露水”就變成了“霜凍”。

在一定的大氣條件下，濕空氣的干球溫度 ta、相對濕度Φ(或絕對濕度 d)、濕球溫度 tw、露點溫度 ts等等都是一一對應的。當相對濕度Φ小于 100%時，始終有ta﹥tw﹥ts；相對濕度 Φ 愈大，ta、tw、ts 三者愈接近；當相對濕度Φ=100%時，會出現ta=tw=ts。

濕空氣在 ta=3℃，相對濕度Φ=70%時，絕對濕度 d1=3.66g/kg干空氣；當溫度陡然降至B點達到對應的露點 ts=-1.93℃時，濕空氣的相對濕度為 100%，如果溫度繼續下降，達到-5℃時，空氣的相對濕度雖然仍為 100%，但絕對濕度為d2＇=2.89g/kg，這時每公斤濕空氣中會有△d=(3.66-2.89)g=0.77g的水會凝結成冰。

3 綜合分析

3.1 濾芯部位燃機進氣高效濾芯一般由木質纖維材料制成，有一定的吸水性。但是受到制作工藝的限制，任何一種濾芯都是不均勻的。在比較薄的濾芯位置，受到外部氣溫的影響，就會將氣體凝結成水。剩余的部位，由于氣流的空間變狹窄，內外的壓強差增大，所以也極容易發生氣體凝結成水的現象。長此以往，堵塞的現象會越來越嚴重。因此，在處理燃機進氣口結冰現象時，需要重點對濾芯部位進行改善。

3.2 進氣消音器

進氣消音器也是一個比較容易結冰的部位，如果不加以及時的處理，結冰的范圍會越來越大，逐漸形成一個大的冰塊。當冰塊在氣流的不斷沖擊影響之下，發生斷裂和飛奔時，四散的冰塊就會打到燃機的各個部位，造成構建的損毀。嚴重的也會傷及到工作人員的身體。為此，進行及時的結冰現象排查是十分有必要的。

3.3 進氣導葉這部位氣流速度最高，降溫幅度也最大。完全具備了水蒸汽凝華結冰的條件。

由于飛機和輪船的建造空間有限，需要盡量減少本身的重量，來提高運載能力，保證運輸安全。所以這兩種交通工具在實際使用過程中，基本上不安裝空氣過濾器。這樣在云層和海上存在的具有灰塵和雜物的空氣，就會自然的流入到燃機內部，同時在惡劣的氣候條件之下，空氣的溫度發生變化，結冰的現象也就時有發生。雖然，小量的結冰對機體和船身的影響不大，但是為了防患于未然，也需要進行周密的考量。

4 對策

4.1 在溫度比較低的冬天，需要在燃機的進風口處安裝相應的空氣調節設備，保證傳入的空氣是在十度以上的。需要注意的是，雖然暖溫的空氣能夠有效的抑制燃機結冰，但是溫度也不宜過高。目前該種措施實施難度比較低，操作簡單，使用的也比較廣泛。

4.2 在冬季防冰季節，可以將燃機高壓壓氣機的一部分高溫高壓空氣適時地引入到燃機的進氣系統入口處。該種措施需要耗費一定的燃機功率，所以在使用的過程中需要進行具體的分析。

結語

綜上所述，燃機結冰現象主要是由于進氣機處的溫度下降導致的，為此，需要在氣溫下降的時候，結合外部的實時氣溫和機組的室內溫度進行良好的溫度控制，只要控制好溫度，燃機結冰的問題就可以迎刃而解了。

[1]沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司.燃氣輪機原理.結構與應用[M].科學出版社.2002.

[2]宋瑞樟.艦用燃氣輪機的進氣裝置[M].中船重工第七研究院，703研究所情報室，1982.