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，無需對燃氣輪機內部流道進行改造，即可適當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物中NOx的生成量，減少環境污染[4]。

EPRI（Electric Power Research Institute）率先開發了多級噴水冷卻技術[5]。Utili Corp能源集團利用EPRI的技術在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[7]。在具有較高壓比的LM6000 PC/PD型燃機上，環境溫度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，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開發了濕壓縮、進氣冷卻技術[9]；在PG6581L燃氣輪機上實施了進口噴水冷卻工程應用，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 試驗目的

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的影響。

1.2 試驗設備

進氣/級間噴水增壓系統，25 MW燃氣輪機，霧化噴嘴等。

1.3 試驗系統及過程

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。進氣噴水系統通過調節供水壓力和霧化噴嘴的開度來調節噴水流量，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，通過調節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，測試燃氣輪機各穩定工況下的參數；

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時的相應參數。

圖 2 進氣道內霧化噴嘴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、高壓軸轉速、低壓軸轉速、轉差、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；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。

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，噴水后工質流量也比噴水前大，導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，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，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，受燃機本體結構的限制。

2.2 進氣/級間噴水對高低壓軸轉速的影響

由圖7可以看出，在水/氣比為0～0.6%范圍內，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，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，隨水/氣比的增加，高壓軸轉速升高不超過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，高壓軸轉速變化幅度均較小，因此，在水氣比一定范圍內，實施進氣/級間噴水對燃氣高壓軸轉速的影響較小。

圖 7 高壓軸轉速變化-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，保持等油門控制，實施進氣/級間噴水后，隨著水/氣比的增加，低壓軸轉速變化很小，基本保持不變；在水/氣比為0～0.6%范圍內，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速均升高，在相同水氣比下，實施進氣噴水后，低壓軸轉速升高較大，在水/氣比0.6%時低壓軸轉速升高達到3%左右。

圖 8 低壓軸轉速變化-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，因此，高低壓軸的轉速均有較小的增加。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，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，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，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，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，工質溫度降低，導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，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，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 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，對高低壓軸的轉速影響較小，但高低壓軸轉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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