燃氣輪機濕壓縮技術研究進展及應用綜述

霍東方，張子健，何 娟，鄧清華，李 軍，豐鎮平

(1. 華能河南中原燃氣發電有限公司, 河南 駐馬店 463002；2. 西安交通大學 能源與動力工程學院, 西安 710049)

燃氣輪機具有結構緊湊、啟停靈活、功率密度大、熱功轉換效率高等優勢[1]，已廣泛應用于航空、航海、發電等領域。如何實現燃氣輪機輸出功率和效率的進一步提升是未來研究的重點。

壓氣機是燃氣輪機裝置的重要組成部分，耗功占透平膨脹功的1/2～2/3[2]。隨著環境溫度升高，壓氣機耗功上升，燃氣輪機輸出功率和效率下降。研究表明，環境溫度每升高1 K，壓氣機耗功增加0.5%～0.9%[3-4]。因此，如何有效降低壓氣機耗功是提高燃氣輪機輸出功率的關鍵，而降低進口工質溫度是主要手段之一。

壓氣機進口工質冷卻技術包括：入口蒸發冷卻、中間冷卻以及濕壓縮冷卻[5-6]。入口蒸發冷卻是指通過蒸發冷卻器冷卻工質，對溫度和濕度較敏感。中間冷卻是指在高、低壓壓氣機之間布置中冷器冷卻低壓壓氣機出流工質，能量損失較多。濕壓縮冷卻是指在壓氣機進口或級間向被壓縮工質中噴入液滴，兩者相互接觸，工質在被壓縮的同時被冷卻，使整個壓縮過程向等溫壓縮靠近，從而使壓氣機出口溫度低于絕熱壓縮溫度，耗功低于絕熱壓縮功。Thomas[7]詳細比較了壓氣機噴水前后T-S圖。

相比于中間冷卻和入口蒸發冷卻，濕壓縮冷卻在如下幾方面有明顯優勢[8]。(1) 經濟性：前期投資較少，后期設備運行及維修費用較低；(2) 循環性：進氣量增加，進出口工質溫度降低，壓縮功降低，燃氣輪機輸出功率提高；(3) 環保性：NOx污染物排放降低；(4) 穩定性：在一定程度上抑制失速和喘振[9]。典型濕壓縮系統如圖1所示[10]。

圖1 燃氣輪機濕壓縮系統圖[10]

綜上所述，深入研究濕壓縮技術，對進一步提升燃氣輪機輸出功率與效率具有重要意義。因此，本文綜述了濕壓縮技術的國內外研究現狀與關鍵技術，凝練相關科學問題，提出燃氣輪機濕壓縮技術未來的研究方向。

1 濕壓縮技術研究進展

1.1 國外濕壓縮技術研究狀況

1.1.1 濕壓縮技術初探

上世紀40年代，Kleinschmidt首次提出濕壓縮概念[11]。Beede和Withee[12]比較了三臺軸流壓氣機噴水前后性能，發現噴水后壓比上升但最大效率降低，具體數據見表1。Hamrick等[13]在某離心壓氣機進口噴水，發現噴水使其壓比提高，效率降低。分析認為噴水后效率降低是因為霧化不佳，液滴直徑過大。另外，Hill[14]向壓氣機中噴入水和酒精兩種液滴，并進行氣動性能比較，初步探索壓氣機中的兩相流動。

表1 不同壓氣機噴水后性能參數變化[12]

1.1.2 濕壓縮相關理論模型建立

從20世紀80年代后期開始，濕壓縮技術得到了快速發展。美國對Atlas聯合循環電廠的多臺燃氣輪機進行壓氣機改造，以實現進氣道噴水[15]，并成功研發了多級噴水冷卻技術[16]和高壓霧化系統[17]。德國西門子公司、美國西屋公司與陶氏化學公司共同研發了高效濕壓縮系統，并應用于W501A燃氣輪機，使其輸出功率提升20%，熱耗率降低1.5%～3%[18]。法國阿爾斯通公司研發的濕壓縮系統成功應用于GT24/GT26燃氣輪機機組[19]。Utamura等[20]考慮了液滴蒸發速率，提出對液滴噴射器的要求，并在某115 MW燃氣輪機進氣口噴入直徑為10 μm細液滴，發現1%的加濕量使燃氣輪機輸出功率提高10%，熱效率提高3%。Sexton等[21]提出一種改進的預測模型，用于研究液滴蒸發性能。結果表明，進氣道中可蒸發水量取決于環境相對濕度和溫度，而功率提升取決于環境溫度、相對濕度和噴水量。Haertel等[22]分別用理想蒸發模型和非平衡蒸發模型預測濕壓縮后壓氣機的氣動性能，發現當液滴直徑小于1 μm時，兩種模型的預測結果幾乎相同。Bagnoli等[23-24]對不同進氣條件和噴水條件下的壓氣機氣動性能進行研究。其中，噴水位置(WIP)和噴水量對輸出功率影響的結果如圖2所示。

圖2 水和空氣的質量流量比和噴水位置對燃氣輪機輸出功率的影響[24]

Khan等[25]在平衡態液滴蒸發模型的基礎上引入非平衡液滴傳熱模型，對壓氣機濕壓縮技術開展了進一步研究。結果表明，由于濕壓縮過程中液滴蒸發速率不斷變化，采用非平衡法與平衡法得到的濕壓縮對壓氣機性能的影響規律差異較大。比如，液滴大小在平衡態時影響不大，但在非平衡態時影響較大。White等[26]提出了一種簡單的計算濕壓縮的數值方法，并分析了濕壓縮的變工況特性，發現噴水后的壓氣機特性線始終向高壓比高流量的方向偏移，具體如圖3所示。另外，在該研究中，液滴噴入使壓氣機前幾級偏向阻塞邊界，而后幾級則偏向失速邊界。Roumelioti等[27]也獲得了類似結論。

(a) 壓比曲線

Tahani等[28]建立了壓氣機過噴濕壓縮熱力學模型，考慮了液滴直徑、液滴量和液滴溫度三個變量，以輸出功為目標函數，對壓氣機濕壓縮性能進行優化。Payne等[29]提出了一種適用于靜止和旋轉多排葉片的單級壓氣機內小液滴噴射的計算方法。Sanaye等[30]對燃氣輪機濕壓縮過程進行參數分析，研究了進氣道蒸發冷卻和濕壓縮冷卻對16種燃氣輪機的輸出功率、排氣溫度和循環效率的影響，提出了各種燃氣輪機實際凈功率的預測公式。此外，還研究了進口蒸發和濕壓縮過程中壓氣機物性參數變化以及壓氣機工作點的移動，結果如圖4所示。

圖4 無冷卻、進氣飽和噴霧、濕壓縮(過噴量=1%)、濕壓縮(過噴量=2%)的壓氣機特性線[30]

1.1.3 濕壓縮中液滴運動特性研究

隨著研究深入，液滴噴入后在壓氣機內的滑移、碰撞、飛濺等運動引起廣泛關注。Khan等[31]研究了不同的液滴破碎模型、腐蝕模型、液滴示蹤模型以及傳熱傳質模型，發現壓氣機通流部分壓力梯度使液滴滑移并腐蝕動葉吸力面前緣，結果如圖5所示。Johnson等[32]比較了穩態和瞬態蒸發模型預測的液滴蒸發特性，發現兩種模型下液滴溫度、飽和壓力和密度加權質量擴散系數增加都可以增加液滴蒸發速率，但穩態模型預測的蒸發速率更高，如圖6所示。White等[33]在濕壓縮熱力學模型中考慮滑移、碰撞、飛濺、成膜等現象，發現滑移運動可有效強化蒸發冷卻。另外，滑移速度隨液滴直徑增加而增大，當直徑小于5 μm時，液滴流動性較好。

圖5 動葉吸力面前緣區域的腐蝕情況[31]

圖6 液滴直徑隨時間的變化[32]

1.2 國內濕壓縮技術發展概況

國內最早是陳大燮教授對濕壓縮的熱力學性能進行了綜合評估[34]。正式研究起步于20世紀90年代中后期，主要集中在高校和科研院所，目前已取得了一些科研成果。下面將分別從循環理論、實驗測試和數值模擬三方面進行綜述。

1.2.1 循環理論研究

鄭群等[35]將濕壓縮熱力學過程與液滴蒸發模型結合，構建了壓氣機濕壓縮的完整熱力學模型，并利用該模型對壓氣機濕壓縮開展研究。結果指出，噴水后壓縮過程的工質由單相變成兩相，液滴與空氣之間的相互作用伴隨著傳熱傳質，導致干壓縮的很多概念及定義不再適用，因此專門提出了適用于濕壓縮的新概念，包括濕等熵系數、濕等熵效率以及濕等熵壓縮功等。進一步研究中，上述成果被運用到燃氣輪機回熱循環，并創造性地提出了燃氣輪機濕壓縮[36]。濕壓縮回熱循環與其他循環方式的輸出功和效率比較結果如圖7所示。

(a) 輸出功

李淑英等[37-38]為準確計算濕空氣和濕燃氣在任意水氣比下的物性參數，提出了適用于計算機計算的濕空氣和濕燃氣的物性計算方法。王云輝等[39]建立了濕壓縮系統的M-G模型，主要研究濕壓縮對壓縮系統失速狀況下的瞬態響應特性，發現在一定條件下，濕壓縮可有效消除壓氣機的喘振和失速，提高系統穩定性，結果如圖8所示。

圖8 濕壓縮后壓氣機穩定特性線及失速線的變化[39]

李明宏[40-41]和鄭群[42]推導并修正了M-G模型，建立了濕壓縮系統穩定分岔模型，并分析了濕壓縮對壓縮系統穩定性的影響。結果表明，除某些極端情況外，濕壓縮不僅能抑制旋轉失速，還能減小喘振。由雪琴[43]重點關注了濕壓縮過程中的傳熱傳質現象，建立了液滴蒸發模型，分析了濕壓縮技術對壓縮終溫、壓縮功等的影響。邵燕等[44-45]分析了濕壓縮過程中熵和的變化情況，結果如圖9和圖10所示。林楓等[46-47]整理了國外關于壓氣機噴水的研究資料，初步總結了噴水對壓氣機總體性能的影響。劉建成等[48]分別從液滴噴射、粒子動力學、液滴蒸發率及兩相流四個方面對濕壓縮技術的國內外研究動態進行闡述。王永青等[6, 49-52]提出了濕壓縮HAT循環，研究了壓氣機進口噴霧量、噴霧尺寸與通道長度之間的關系，指出濕壓縮技術的關鍵在于研究高效霧化噴嘴。

(a) 干壓縮效率0.88與壓縮比7條件

圖10 理想干壓縮與濕壓縮的比較[45]

1.2.2 實驗研究

目前，國內對濕壓縮技術開展的實驗研究較少，僅哈爾濱工程大學動力與能源工程學院熱力渦輪機工程實驗室建立了較為完整的實驗臺。他們首先建立了一級離心壓氣機濕壓縮實驗臺，如圖11(a)所示，并進行了一系列實驗研究[37-43]。在此基礎上，對某離心壓氣機進行改造，建立兩級離心壓氣機濕壓縮實驗臺，裝置示意圖如圖11(b)所示。通過對壓氣機濕壓縮前后的特性線進行對比，發現進口噴入液滴后，進口空氣溫度明顯下降，壓氣機的特性線偏向高壓比、高流量方向。另外，實驗過程中對比了兩種加濕霧化方法(直流閃蒸和旋流閃蒸)的濕壓縮效果，同時也比較了不同位置(進口和級間)噴霧的效果。結果表明，直流閃蒸霧化的加濕量更大，液滴直徑大小也能夠滿足要求。進口加濕和級間加濕都能有效提高壓比和效率，但從增加進氣量和減少耗功來看，進口加濕更好[53-56]。目前，他們正在繼續進行實驗臺改造，已初步完成對三級軸流壓氣機濕壓縮實驗臺的搭建[57]。

(a) 一級離心壓氣機

1.2.3 數值模擬研究

計算機技術的快速發展為葉輪機械研究，尤其是內部流場的數值求解創造了便利條件，濕壓縮的CFD求解也迎來了快速發展。

邵燕等[58]的研究結果指出液滴在通道內的存留時間隨直徑增大而延長。孫蘭昕等[59-63]數值研究了不同出口壓力時的濕壓縮情況，包括流道表面分離區域的大小、壓縮效率、壓比和比壓縮功等參數的變化。此外，還研究了液滴大小、液滴溫度和噴水流量等因素對壓氣機性能的影響。結果表明，濕壓縮可以削弱或消除動葉通道吸力側的分離流，從而改善壓氣機內部流場。另外，濕壓縮可以擴大壓氣機安全運行區域，提高壓氣機穩定性，具體流場信息如圖12所示。

(a) 干壓縮

孫蘭昕對應用濕壓縮技術的某燃氣輪機整機進行了數值模擬，分析了噴霧對各部件性能以及污染物排放的影響。結果顯示，液滴直徑越小，整個燃氣輪機機組的濕壓縮性能越好。同時，液滴噴入降低了進口空氣溫度，從而降低燃燒室出口溫度和燃燒室出口排放物中的NOx濃度，但是CO排放量上升[62]，如圖13所示。

(a) CO濃度分布

羅銘聰等[64]對NASA 37級跨音速壓氣機轉子進行數值模擬，獲得了三種噴水方案(葉尖注水、濕壓縮和葉尖注水與濕壓縮相結合)下的壓氣機性能，并評估了各種性能參數(總壓比、進口流量和絕熱效率)對總壓損失、熵、馬赫數、溫度、極限流線等的影響。結果表明，隨著液滴尺寸的減小和噴射速度的增加，葉尖泄漏渦強度降低，失速情況得到改善，濕壓縮有助于實現最大的失速裕度改善，如圖14和圖15所示。他們還關注了壓氣機在設計工況和旋轉失速邊界噴水引起的氣動性能變化，并對水滴運動進行了模擬[65]。結果表明，無論在設計工況下，還是在旋轉失速工況下，濕壓縮都可以提高多級壓氣機的性能。只有直徑為5 μm的水滴才能實現在壓氣機中的完全蒸發，說明細粒徑水滴的蒸發-冷卻累積效果要遠遠好于大粒徑水滴，如圖16所示。

(a) 熵云圖

圖15 不同的液滴噴射方式對壓氣機失速裕度的影響[64]

(a) 初始直徑：5 μm

2 濕壓縮關鍵技術——霧化技術

前已述及，濕壓縮技術可以有效提高燃氣輪機裝置的輸出功率和循環效率，但當液滴直徑過大時，提高燃氣機性能的效果并不明顯。因此，良好的霧化是高效濕壓縮技術的關鍵。

2.1 霧化理論發展

霧化過程復雜紛呈，霧化噴嘴多種多樣，所以其理論發展非常緩慢。目前對霧化技術的研究多局限于某一因素或者局部，少有全面研究[66]。迄今為止仍沒有一個完善的霧化理論能夠完全預測不同形式噴嘴的霧化過程[67]。

目前對液體霧化過程的認識形成的統一觀點認為霧化過程主要有液膜破碎、 液柱破碎和液滴破碎三種形式[68]。Rayleigh[69]首次對無粘射流的破碎機理進行了理論研究。Weber[70]建立了考慮液體粘性的射流模型，發現粘性并不是影響霧化時射流穩定性的判定準則，但粘性會減小射流表面擾動波的最大增長率，減小最不穩定波數，從而增大射流破碎尺寸。Reitz等[71]對常溫常壓下高速氣流中的液滴破碎進行機理研究，獲得了液滴在不同破碎模式下的霧化特性。柴柏青等[72]根據韋伯數將水滴的氣動力破碎形態以及碰壁后形態進行分類，如表2所示。

表2 水滴氣動力破碎形態[72]

2.2 霧化方法

目前液滴霧化方法主要分為四種[56]：

(1) 高壓噴射霧化法：高壓條件下從噴嘴射出的液體與周圍環境之間存在一定的速度差，相對運動使得液滴破碎，進而霧化。

(2) 閃蒸霧化法：基于高壓噴射，對液滴進一步施加壓力并加熱，使其在一次霧化的基礎上發生二次破碎的技術。

(3) 超聲波霧化法：超聲波發生器輸出的高頻電能在通過壓電轉換器后將轉化為聲能，傳到霧化罐底部凹面聚焦，破壞液態分子結構，形成霧態的技術。

(4) 靜電霧化法：在高壓靜電場的作用下實現液體霧化的技術。

2.3 霧化系統

霧化系統一般由泵站、高壓供水管、噴嘴矩陣以及疏水管道四大部分組成[73]。

泵站的主要作用是為霧化噴嘴供給高壓除鹽水，其數量主要取決于噴水量。為了獲得較均勻的供水壓力，高壓水泵大都是相位錯開的電動容積泵。另外，泵站上通常設有高精度控制系統以準確控制噴水量，還有用于測量空氣干球溫度和相對濕度的“氣象站”以及供水流量表等精密儀器設備。

高壓供水管是連接泵站和噴嘴歧管的部件，一般是不銹鋼管。為避免堵塞噴嘴濾網，在供水管與噴嘴歧管連接前，必須徹底清除管內的垃圾。

噴嘴矩陣是整個霧化系統最重要的部分，是形成均勻水霧場的關鍵。噴嘴通常按要求間距被固定在進氣道內的不銹鋼框架上，形成噴嘴歧管，最終矩陣狀分布于機組進氣道內。噴嘴數量由總噴水量和單噴嘴流量決定。研究表明，錯排布置的噴嘴陣列有利于提高水霧場均勻性，進而提高壓氣機進口溫度場的均勻性。噴嘴主要有旋流式和撞針式兩種，表3對兩種噴嘴進行了比較。撞針式噴嘴內，高速水流在離開噴口后撞擊緊挨噴口的球頭撞針，產生較均勻的微小水滴；而旋流式噴嘴內，高壓水通過噴嘴內的旋流器高速切向離開噴口，將水膜“撕裂”成小水滴。

表3 兩種噴嘴性能比較

疏水管道主要是為了消除噴霧與進氣道壁面接觸而形成的大水滴，從而避免壓氣機葉片受損。一般而言，良好霧化系統的疏水量不能超過總噴水量的1%。通常在壓氣機的進氣道底板上進行潑水實驗以確定最低疏水位置。由于進氣道內是負壓狀態，為順利疏水，須要保證疏水管有一定的垂直高度，并在其末端裝逆止閥。

迄今為止，在工業生產領域，應用最為廣泛的是美國Mee公司的MeeFogTM霧化系統，如圖17所示。截至2013年，該霧化系統在全世界的銷售量已經達到900套，在我國也有7套在使用。

圖17 Mee公司燃氣輪機進氣霧化系統示意圖[62]

經過多年的發展，霧化技術已在國外燃氣輪機上廣泛應用。早在1998年，美國GE公司就在高、低壓壓氣機之間的過渡段安裝了24只噴嘴對液滴進行霧化，并且液滴霧化直徑已經達到小于20 μm的水平。法國阿爾斯通公司將高壓霧化系統應用于GT24/GT26燃氣輪機，運行結果發現壓氣機進口噴水后，燃氣輪機的輸出功率大約可增加7.1%[19]。

近年來，霧化技術在國內也逐漸開展了應用研究。國內首例噴霧冷卻裝置由中船重工703所和新疆塔里木油田分公司合作研發，已經應用于實際燃氣輪機電站。目前的運行結果顯示該霧化裝置霧化后的液滴直徑不超過10 μm，可以達到要求，在提高燃氣輪機電站的經濟性方面顯示出了絕對優勢[74]。另外，哈爾濱工程大學在液滴初次霧化的基礎上，利用閃蒸原理使其產生二次破碎，進而得到直徑更小的液滴，在高校實驗室環境下達到了低于10 μm液滴直徑的目標[55]。

3 討論與結語

深入研究濕壓縮相關理論與技術應用，對進一步提高現代燃氣輪機的性能具有重要意義。論文綜述了國內外燃氣輪機濕壓縮研究的進展以及應用狀況，依據目前研究結果，作者認為今后的相關研究應重點關注以下幾個方面：

(1) 對多級壓氣機進行全三維數值模擬與實驗測量，準確獲得加濕后壓氣機內部流場的變化與液滴蒸發狀況，客觀分析壓氣機加濕后的正面效應和負面影響，全面獲得壓氣機加濕后的流場局部和綜合氣動性能變化。

(2) 精細化研究液滴在壓氣機葉片通道內的時空遷移與蒸發規律，進一步建立更為完善的液滴/葉片撞擊模型，探索液滴和葉片之間的相互作用機理，定量化表征葉片各部位的沖蝕狀況，完善壓氣機葉片水蝕相關理論，提出相應的葉片防護措施。

(3) 進一步研究整機環境下，濕壓縮技術對燃氣輪機裝置各部件(壓氣機、燃燒室、透平)的性能影響，以及壓氣機加濕后各個部件之間的氣動性能匹配問題，進而開展新型濕壓縮壓氣機的設計研究。

(4) 厘清影響液滴霧化的各種影響因素之間的相互作用機制，進一步發展更為系統的噴嘴霧化理論，從而對不同形式噴嘴的霧化過程進行預測，構建新型霧化噴嘴結構，充分降低霧化液滴直徑，抑制液滴對葉片和氣缸的水蝕影響。