加汽式燃气轮机应用于舰船动力装置的前景分析

引言

加汽式燃气轮机(SteamAugmentedGaSTurbine,SAGT)是国外正在研制的一种燃气轮机方案,并准备在海军水面舰艇上使用。国外目前已提出了两种加汽式燃气轮机方案,并作了可行性研究,即中冷加汽式燃气轮机和带再热燃烧室的加汽式燃气轮机。

1中冷加汽式燃气轮机

中冷加汽式燃气轮机是在燃气轮机的压气机之间加一中间冷却器。要进入余热锅炉的水先在中间冷却器中由压气机的热空气加热,然后再进入余热锅炉。在余热锅炉中,由动力涡轮排出的废气加热水变成蒸汽,进入燃烧室,完成加汽循环。

与蒸汽回注燃气轮机相比,由于在压气机间增加一中间冷却器,可使水在中间冷却器中一次加热,待进入余热锅炉二次加热后,可产生更多的蒸汽。而且由于中冷器的作用,压气机中间级温度降低,使空气压缩更接近等温压缩的理想过程,从而减少了循环内消耗在空气中的压缩功,增加了循环有用功。

另外,由于在压缩过程中采用中间冷却,减少了循环内换算空气流量,因此,可相应地减小涡轮压气机组及热交换器的尺寸与重量。

2带再热燃烧室的加汽式燃气轮机

带再热燃烧室的加汽式燃气轮机循环中的余热锅炉采用双压锅炉。燃气发生器内的燃烧室被称作高压燃烧室,动力涡轮前增加的一个燃烧室则被称作低压燃烧室。余热双压锅炉产生的高压蒸汽送入高压燃烧室,低压蒸汽送入低压燃烧室。此外,双压锅炉产生的一部分蒸汽将送入涡轮,对涡轮冷却后再送入低压燃烧室。不仅如此,高压燃烧室还要直接喷入一部分水。

增加低压燃烧室后,动力涡轮中做功的燃气是重新加热过的,这样,其热力循环更接近于理想的等温膨胀过程,从而增大了循环有用功。

带再热燃烧室的加汽式燃气轮机是参照燃气轮机装置循环中的燃气中间再热以及加注蒸汽燃气轮机循环(STIG)而提出的。因此,其同时具有上述两种循环的优点。

与目前已实现商用的蒸汽回注(STIG)装置循环相比,加汽式燃气轮机因增加了中间冷却器(中冷式)或者双压锅炉及低压燃烧室(带再热燃烧室式)等装置,从而使蒸汽加注量大幅增加。蒸汽回注燃气轮机的蒸汽加注量不超过空气流量的l5%,而加汽式燃气轮机的蒸汽加注量则高达50%,当蒸汽加注量为空气流量的50%时,加汽式燃气轮机的燃烧可在接近化学计算燃烧率(即理想配比)下工作,其比功率超过923kw/kg。

3性能分析

燃气轮机在STIG点产生功率,可以保证最大的燃油效率。STIG点位置的改变主要取决于设计状态、部件效率、水-汽比和总极限。STIG点出现在蒸汽接近饱和处。

假定三种发动机装于舰船上,且每台发动机输出功率相同,完全符合发动机与轴间的连接特性,对任何航速而言,LM2500型燃气轮机都需要更多的燃油,当全航速大于29Kn时,加汽式燃气轮机的计算数据表明其耗油率比中间冷却回热(ICR)发动机的更低。

当基于相同功率图谱时,SAGT动力装置每年的燃油消耗量为7677t。SAGT装置的燃油节省率(29.6%)比ICR装置的节省率(28.3%)更高。

4辅助系统

为使SAGT装置的总热效率最大化,要求从排气管回注烟气中获取最大的热量,需设计高效的热回收蒸汽发生器一一双压锅炉(对于第一种中冷加汽式燃气轮机则是余热锅炉和中间冷却器),以使烟气温度不致升至232℃以上。此外,为防止烟囱严重损坏,此烟气温度又不应低于135℃。为避开常规的135℃硫酸露点,低于135℃则应防止结构腐蚀。

虽然在低功率下蒸汽处于过热状态,但当蒸汽量增加到化学计算点流量时,过热度则会很快下降。实际上,在化学计算点附近,可用热能产生的蒸汽量比例需降至1以下(约为98%)。

因为需要产生大量喷入燃烧室的蒸汽,因此选择水源是头等问题。若加汽式燃气轮机装于舰船上,那么水源只能来自海水。海水中含有大量盐分,水质亦不高,因此,在整个装置中应增加一个反渗透除盐装置。要进入余热锅炉的海水需先经过反渗透除盐装置除盐,然后进入双压锅炉。

规定的这种燃气轮机用蒸汽/水的纯度很高,一个典型的要求是总溶解粒子的质量分数低于4.0×10-5。如果未能保持此蒸汽纯度,则必须大大增加清洗频率,否则燃气轮机可能出现严重损坏。

美国海军水面作战中心已着手三级反渗透设备的发展研究。其反渗透膜技术曾考虑过采用由美国膜技术公司(Filmtec)制造的薄膜式组合膜制成的一种螺旋管方案Sw30HR-8040和采用由Dupont公司制造的芳香聚酰胺式Aramid膜制成的B10空心纤维方案。

若SAGT装于舰船上,与之相配的烟道系统是需要重点考虑的因素之一。空气流量的显著减少和SAGT系统中烟道废气密度的增加使烟道系统容积和系统重量大大减少。SAGT系统的分析值都是基于LM2500发动机的计算面积和烟道高度。

4加汽式燃气轮机应用展望

美国海军水面作战中心的研究表明:中冷加汽式燃气轮机应用于美国海军DDG-51级驱逐舰时,取得的效率接近美国海军正在研制的中间冷却回热(ICR)燃气轮机,而且机组结构特别紧凑,空气耗量低,且比功率较大。

带再热燃烧室的加汽式燃气轮机应用于DDG-51级驱逐规时,其最佳工作点的效率为43%,超过了中间冷却回热(ICR)燃气轮机的效率,并且中冷加汽式燃气轮机的结构尤为紧凑。此外,仿真数据还表明,带再热燃烧室的加汽式燃气轮机在巡航时效率最高。由于DDG-51级驱逐舰大部分时间在巡航条件下航行,因此,该加汽式燃气轮机可以比中冷回热(ICR)燃气轮机更节省燃油。加之没有回热器,相关部件的研制工作就可大为减少。

即使按最保守的估计,加汽式燃气轮机的第一次采购费也可与目前正在美国海军舰队中使用的燃气轮机的采购费用相媲美。

当然,若把一种现成的燃气轮机设计改型研制成一种船用型加汽式燃气轮机,还应考虑一些问题,具体如下:

(1)需针对不利于热交换器工作状态的热力梯度进行专项设计:

(2)启动、停车、瞬时状态下的振动控制:

(3)各燃烧室中的火焰稳定性:

(4)叶片冷却方法的改变:

(5)确保热部件的寿命:

(6)修改控制方法,以使主燃烧室和再热燃烧室的燃油量、水流量以及蒸汽量随海情、功率指令和机动次序的变化相适应。

6结语

加汽式燃气轮机作为一类新式的燃气轮机,其应用于舰船动力装置有其自身优势,但同时也面临着一系列的技术问题,随着相关技术的不断发展与完善,其应用前景必将日渐明朗。