低功率船用汽輪機功率變化過程研究

王慶生

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150046）

0 引言

與海運發動機不同，船用汽輪機中蒸汽推進系統占主導地位，而每個蒸汽推進系統由大量部件組成才能安全可靠運行。在這種蒸汽推進系統中，壓力給水泵是一個重要的部件，它會返回從除氧器到蒸汽發生器的水壓力（通常通過一個或多個高壓進料熱水器），大多數情況下主高壓給水泵由低功率汽輪機驅動。在本文中主給水泵汽輪機（MFPT）根據能源效率和能源損耗方面渦輪機開發功率的變化。MFPT 是一種低功率汽輪機，MFPT 分析的主要目標是汽輪機能效和能量的變化渦輪機開發功率變化期間的功率損失。測量其蒸汽運行參數與水通過主給水泵（Main Feed Pump，MFP）的體積流量，是渦輪數值分析所必需的。在常規LNG 運輸船上進行多個MFPT 負載，主要特征和液化天然氣運輸船的規格安裝推進系統并分析MFPT。

在每個呈現的渦輪機操作點，渦輪機開發功率從最低的50 kW 以20 kW 的步長變化至最大功率570 kW，期間計算能量功率損失。隨機選擇3 個渦輪機進行操作要點分析，但所得出的結論對于所有其他操作點也是有效的。在每個操作點汽輪機開發的功率變化允許檢測具有最高能效的最佳渦輪機負載。渦輪機能效和能量損失與實際開發情況進行比較。MFPT 負荷取決于當前水質量流量通過高壓給水泵；在能源效率方面，該渦輪機的最佳選擇是在每臺機組中始終以最高負載（570 kW）運行觀察到的操作點。渦輪機能量功率損失而不是在最高渦輪負荷時最低；最低能量功率損失是在最大渦輪機功率的37%時獲得的（210 kW 時）。

1 渦輪機能量分析的兩個方程

任何蒸汽系統部件的能量分析由熱力學第一定律定義與能量守恒有關。質量和能量平衡，用于穩態標準體積忽略勢能和動能，能源效率可能不同形式取決于系統（或系統）的類型如果能量分析僅針對一個組件）。

1.1 MFPT 能效和能耗損失

主給水泵汽輪機（MFPT）直接連接到使用的主給水泵，用于增加水壓并使其返回蒸汽發電機。泵的最大容量175 m3/h，輸送高度為818 m，汽輪機最大功率為570 kW。通過MFPT 的蒸汽質量流量，是與蒸汽比焓和蒸汽一起呈現渦輪入口和出口處的比熵。一個重要的和主給水的測量運行參數泵，用于計算MFPT開發功率，即泵水體積流量。

參數h1是特定于蒸汽的汽輪機入口處的焓，h2為在真實（多變）膨脹后的渦輪機出口處的蒸汽比焓，以及蒸汽渦輪入口處的比熵s1，是由汽輪機測得的蒸汽壓力和溫度，小灣汽輪機出口處的蒸汽比焓（h2）計算所得，MFPT 開發功率和通過汽輪機的蒸汽質量流量。渦輪機出口處的蒸汽比熵s2為根據汽輪機出口處的蒸汽比焓h2和渦輪機出口處的測量壓力p2計算所得。等熵蒸汽膨脹后的比焓根據渦輪機出口p2和已知蒸汽比熵在渦輪機入口s1處計算。理想等熵膨脹假設蒸汽比熵無變化。

本文中給出的完整渦輪機能量分析基于真實（多變）蒸汽的比較膨脹和理想（等熵）蒸汽膨脹。汽輪機入口處的蒸汽比焓h1，蒸汽渦輪等熵膨脹結束時的比焓和兩個蒸汽比熵（在渦輪機入口s1和出口s2）通過使用NIST REFPROP 8.0 計算軟件來計算。

1.2 MFPT 開發功率變化的原理

可使用3 種不同的方法改變開發功率（如果蒸汽入口壓力和溫度相同假設每個汽輪機的蒸汽出口壓力相同操作點）：①通過MFPT 的蒸汽質量流量變化；②蒸汽比焓值的變化汽輪機出口h2；③方法1 和方法2 的組合。在本文中，組合方法（方法3）為每個操作點選擇，以顯示MFPT 能效和能量功率損失。渦輪機開發功率從50 kW 上升至最大值570 kW，步長為20 kW。功率需要改變通過渦輪機的蒸汽質量流量。在每個操作點，汽輪機入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪機出口處的壓力保持與測量值相同，計算了汽輪機出口處的蒸汽焓h2對于每個渦輪機功率和質量流量。汽輪機出口處蒸汽焓的變化h2以及蒸汽質量流量的變化，會導致MFPT 的變化能量效率和能量功率損失。

2 測量設備和測量

上述分析MFPT 測量結果，均來自現有安裝在MFPT 入口和出口上的測量設備以及主給水泵入口所用測量設備。所需操作的測量結果有MFPT 入口和出口的參數以及水量主給水泵入口的流量，操作點表示LNG 運輸船蒸汽系統負載，MFPT 負載直接與蒸汽系統負荷成比例；高壓蒸汽系統負載表示較高的MFPT負載，反之亦然。

3 能效和能耗損失

比較在MFPT 開發的功率變化期間，MFPT 能源效率和能源的變化渦輪機產生的功率變化期間的功率損失，完整分析得出的結論是渦輪機開發功率的降低導致每個操作點的趨勢相同。唯一的區別是操作點之間的渦輪機能量效率和損失的值。因此，無需在MFPT 能源效率和每個觀察到的損失操作點，但重要的是在至少幾個渦輪機負載顯示。

運行點MFPT 的能效變化：

在開發的功率變化過程中，觀察渦輪機負載，渦輪機開發功率的增加導致能源效率從最低提高到最高，MFPT 能量持續增加。汽輪機出口處蒸汽比焓的降低h2在從50 kW 至570 kW的功率變化期間：最低時在該操作點觀察到50 kW 的渦輪機功率，能源效率僅為10.63%；在最高渦輪機處獲得渦輪機能量效率開發功率為570 kW，達到60.30%。能效變化為僅受蒸汽比焓變化的影響汽輪機產生功率原因的變化。

通過汽輪機的蒸汽質量流量的變化計算，其中渦輪機功率為蒸汽質量流量的未知變量。多變膨脹后的蒸汽比焓h2在整個觀察到的渦輪機功率范圍內降低，因為渦輪功率的增加強度與通過渦輪MFPT 負荷與船舶蒸汽成正比系統負載。MFPT 能效在液化天然氣運輸船開采期間最大值僅占47.74%，這比可能的能效低12.56%。

MFPT 能效的變化也表明，汽輪機與大多數其他蒸汽系統一樣，平衡組件將獲得最高能效，在最高汽輪機（蒸汽系統）負荷下預計液化天然氣運輸船的大部分運營。對于每個觀察到的操作點計算MFPT 能量功率損失。渦輪機能量功率損失受通過汽輪機的蒸汽質量流量以及實際多變后的蒸汽比焓膨脹h2影響最大。對于每個工作點，等熵后蒸汽比焓蒸汽膨脹保持不變，因為恒定汽輪機入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪出口處的壓力。MFPT 功率從50 kW 升至570 kW，連續通過汽輪機的蒸汽質量流量從2241.33 kg/h（50 kW 時）增加到4502.45 kg/h（570 kW），而在相同的汽輪機負荷范圍內，蒸汽比連續實際多方膨脹后的焓（h2）從3335.89 kJ/kg（50 kW 時）降至2960.45 kJ/kg（570 kW 時）。這兩個變量的變化強度，定義了在每個觀察到的渦輪機運行點的功率變化。MFPT 能量功率損失的變化在渦輪機功率變化期間最低渦輪處功率為50 kW，能量功率損失最高達到420.55 kW。渦輪機功率50 kW 和210 kW，能量功率損失減少，因此在該渦輪機中蒸汽比焓降低多方膨脹h2對能量功率損失的影響大于渦輪。

MFPT 功率范圍為210～490 kW 能量功率損失增加，因此在該渦輪機運行時通過汽輪機的蒸汽質量流量增加對能量功率損失的影響大于多方膨脹后的蒸汽比焓h2。從490 kW 的渦輪機功率到最大值汽輪機功率570 kW，在50～210 kW 的渦輪機功率范圍內，蒸汽質量流量的影響通過汽輪機和蒸汽比焓能量損失的多方膨脹h2是相同的。因此在該功率范圍內，渦輪能量功率損失減小。LNG 運輸船開采期間，MFPT 能量功率損失達350.35 kW，而在該運行點的渦輪機最大能量效率比汽輪機（最大開發功率為570 kW）能量功率損失達375.27 kW。MFPT 能量功率損失與渦輪機能效或LNG 運輸船蒸汽系統負載，僅從MFPT 能量功率損失的觀點來看，渦輪機部分負載運行將是最佳的。另一方面，在該運行點的渦輪機能量功率損失最小值實現的渦輪機能效將低于開采率僅為38.97%。對所有MFPT 操作點有效的結論是：應決定渦輪機運行在最小能量功率損失或最大能源效率，因為這兩個目標都無法在同時用于該低功率渦輪機。大多數LNG 運輸船在最大蒸汽系統下運行，因此MFPT 生產商的目標是實現最大能效。

4 結論

本文對MFPT 能量的持續增加效率是由蒸汽的持續減少引起的發電期間渦輪機出口的比焓（h2）進行分析，事實上最高的能源效率將是在最高（最大）渦輪負荷下獲得的數據。對所有觀察到的渦輪機PT 能量進行了數值分析，渦輪機開發功率的變化測量值在9 個不同的汽輪機運行中進行點和數值分析，分為3 部分隨機選擇的操作點。盡管如此，結論適用于整個渦輪機工作范圍。渦輪機開發功率從50 kW 增加至570 kW，步長為20 kW，渦輪機能效從最低到最高獲得的操作點。在渦輪機開發期間，獲得的能源效率顯著提高。MFPT 能量功率損失通過汽輪機和蒸汽比焓的質量流量在多方膨脹h2之后受蒸汽影響最大。兩個變量定義了渦輪機能量損失的區域增加和減少。能源損失趨勢的變化發生在210 kW 和490 kW 的渦輪機開發功率下。在開發時檢測到最小渦輪機能量功率損失功率210 kW，同時最大渦輪機能量功率損失在最低渦輪機負載（50 kW）下獲得，這對于整個蒸汽輪機操作范圍是有效的。通過對MFPT 的分析得出以下結論：作為其他蒸汽系統部件，低功率汽輪機的設計不能在能量功率損失最低，但設計為在最大能量效率（在渦輪機最大負荷）。由于大多數液化天然氣運輸船的運行預期在最高負載下，所有LNG 船蒸汽系統的設計目標組件是以最高的速度獲得最高的效率。