馬正軍，常春輝，何 彬，董 斌

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七O三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

在燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口/級(jí)間噴水，無(wú)需對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流道進(jìn)行改造，即可適當(dāng)提高燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率和熱效率[1]，噴水示意圖如圖1所示。

在燃?xì)廨啓C(jī)裝置的壓氣機(jī)進(jìn)口/級(jí)間向壓縮空氣中噴水，利用水的氣化潛熱，使壓縮過(guò)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(chǎn)物中NOx的生成量，減少環(huán)境污染[4]。

EPRI（Electric Power Research Institute）率先開發(fā)了多級(jí)噴水冷卻技術(shù)[5]。Utili Corp能源集團(tuán)利用EPRI的技術(shù)在7E型燃?xì)廨啓C(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)[6]。在夏季運(yùn)行150 h后表明，燃機(jī)裝置功率增加了15.5%，同時(shí)熱耗下降。

美國(guó)GE公司提出了LM6000 Sprint技術(shù)[7]。在具有較高壓比的LM6000 PC/PD型燃機(jī)上，環(huán)境溫度32 ℃下向高壓壓氣機(jī)前噴入0.27%空氣流量的水，測(cè)得燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)值）[5]。

哈爾濱工程大學(xué)在S1-02小型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施了壓氣機(jī)進(jìn)口/級(jí)間噴水[8]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定噴水量后隨噴水量的增加，燃機(jī)效率提高的幅度減少，對(duì)進(jìn)氣初溫較低的循環(huán)，噴水后效率提高幅度更大。

中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七〇三研究所利用噴水中冷技術(shù)開發(fā)了濕壓縮、進(jìn)氣冷卻技術(shù)[9]；在PG6581L燃?xì)廨啓C(jī)上實(shí)施了進(jìn)口噴水冷卻工程應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表明燃?xì)廨啓C(jī)功率增加明顯，效率得到一定程度的提高。

1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣/級(jí)間噴水試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1）對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣/級(jí)間噴水冷卻進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖 1 S-S循環(huán)實(shí)施示意圖Fig. 1 S-S cycle sketch map

2）研究在燃機(jī)進(jìn)氣/級(jí)間實(shí)施不同噴水流量對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能及排放指標(biāo)的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)氣/級(jí)間噴水增壓系統(tǒng)，25 MW燃?xì)廨啓C(jī)，霧化噴嘴等。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及過(guò)程

本試驗(yàn)在25 MW燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口處安裝了100個(gè)壓力霧化噴嘴，安裝形式如圖2所示。進(jìn)氣噴水系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)供水壓力和霧化噴嘴的開度來(lái)調(diào)節(jié)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(guò)渡段上安裝18個(gè)空氣霧化噴嘴，安裝形式如圖3所示。

級(jí)間噴水空氣霧化噴嘴安裝于燃?xì)廨啓C(jī)過(guò)渡段上，通過(guò)調(diào)節(jié)供水管路旁通閥控制噴水流量，高壓氣源采用高壓壓氣機(jī)后引氣（或場(chǎng)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(yàn)過(guò)程：

1）在未噴水情況下，測(cè)試燃?xì)廨啓C(jī)各穩(wěn)定工況下的參數(shù)；

2）分別在進(jìn)氣和級(jí)間噴入除鹽水，測(cè)試燃?xì)廨啓C(jī)在某工況指定參數(shù)時(shí)的相應(yīng)參數(shù)。

圖 2 進(jìn)氣道內(nèi)霧化噴嘴Fig. 2 Spray nozzle array

圖 3 級(jí)間噴嘴安裝位置Fig. 3 Air nozzle fixing between stages

圖 4 級(jí)間噴水空氣霧化噴嘴安裝示意圖Fig. 4 Air nozzle installing sketch map

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣/級(jí)間噴水試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)主要測(cè)試了燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)，測(cè)試燃?xì)廨啓C(jī)的功率、效率、高壓軸轉(zhuǎn)速、低壓軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差、高壓壓氣機(jī)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(shì)。將試驗(yàn)參數(shù)折算到海軍條件（大氣溫度300 K，大氣壓力101.325 kPa，進(jìn)氣總壓損失2 kPa，排氣靜壓損失3 kPa）進(jìn)行對(duì)比分析。

本文定義燃?xì)廨啓C(jī)在某一工況下實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后的性能參數(shù)變化百分比為：

式中：Δ為在燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后的性能參數(shù)變化百分比；X0為未實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)在某一恒定油門下的性能參數(shù)；Xws為燃?xì)廨啓C(jī)在等油門或等低壓渦輪后溫度控制下實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后的性能參數(shù)。

2.1 進(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)燃機(jī)功率、效率的影響

由圖5可以看出，在保持等油門控制時(shí)，隨噴水量的增加，燃機(jī)功率略有增加，但并不明顯。在等低渦后排溫控制時(shí)，隨噴水量的增加，燃機(jī)功率增加顯著，在水氣比0.5%時(shí)，實(shí)施級(jí)間噴水后燃機(jī)功率增加8%，實(shí)施進(jìn)氣噴水，燃機(jī)功率增加16%左右。因此，可以看出在相同水氣比下，進(jìn)氣噴水相對(duì)于級(jí)間噴水，燃機(jī)功率增加百分比更明顯，即為提高燃機(jī)輸出功率，實(shí)施進(jìn)氣噴水比級(jí)間噴水的效果會(huì)更好。

圖 5 功率變化-水/氣比曲線Fig. 5 Curve of output augment vs water mass fraction

進(jìn)氣/級(jí)間噴水的主要目的是為了降低壓氣機(jī)壓縮過(guò)程中工質(zhì)的溫度，從而減少壓縮功；如果噴水前后渦輪進(jìn)口溫度不變，由于水蒸氣的比熱要比燃?xì)獾谋葻岽?，噴水后工質(zhì)流量也比噴水前大，導(dǎo)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(jī)輸出功率增加。

由圖6可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實(shí)施進(jìn)氣噴水后，燃機(jī)效率略有增加，而實(shí)施級(jí)間噴水燃機(jī)效率基本保持不變。在保持等低壓渦輪排氣溫度控制時(shí)，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水燃機(jī)效率均明顯改善，在水氣比0.5%時(shí)，實(shí)施級(jí)間噴水后燃機(jī)效率提高約2%，而相同水氣比下實(shí)施進(jìn)氣噴水，燃機(jī)效率提高5%左右，因此，可以看出，在相同水氣比下，進(jìn)氣噴水相對(duì)于級(jí)間噴水，燃機(jī)效率提高百分比更明顯，也就是說(shuō)，為改善燃機(jī)效率，實(shí)施進(jìn)氣噴水比級(jí)間噴水的效果會(huì)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(jí)間噴水的出口可用能要比進(jìn)氣噴水小，導(dǎo)致進(jìn)氣噴水比級(jí)間噴水冷卻效率高，壓比越大，級(jí)間噴水損失的可用能越多。

綜合比較實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，燃機(jī)功率、效率提高百分?jǐn)?shù)，可以看出實(shí)施進(jìn)氣噴水的效果要好于級(jí)間噴水，但從實(shí)施條件上，進(jìn)氣噴水受外界大氣環(huán)境的影響較大，大氣溫度越高、濕度越小，實(shí)施進(jìn)氣噴水的效果會(huì)越好；而實(shí)施級(jí)間噴水受外界條件的限制較小，但需對(duì)燃機(jī)本體進(jìn)行一定的改造才能實(shí)施級(jí)間噴水，受燃機(jī)本體結(jié)構(gòu)的限制。

2.2 進(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)高低壓軸轉(zhuǎn)速的影響

由圖7可以看出，在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加，高壓軸轉(zhuǎn)速降低，并且降低幅度接近，降低不超過(guò)1%；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，隨水/氣比的增加，高壓軸轉(zhuǎn)速升高不超過(guò)0.2%。綜合來(lái)說(shuō)，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，無(wú)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(zhuǎn)速變化幅度均較小，因此，在水氣比一定范圍內(nèi)，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)燃?xì)飧邏狠S轉(zhuǎn)速的影響較小。

圖 7 高壓軸轉(zhuǎn)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(nèi)，保持等油門控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加，低壓軸轉(zhuǎn)速變化很小，基本保持不變；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加低壓軸轉(zhuǎn)速均升高，在相同水氣比下，實(shí)施進(jìn)氣噴水后，低壓軸轉(zhuǎn)速升高較大，在水/氣比0.6%時(shí)低壓軸轉(zhuǎn)速升高達(dá)到3%左右。

圖 8 低壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線Fig. 8 Curve of LP shaft speed augment vs water mass fraction

進(jìn)氣/級(jí)間噴水使壓氣機(jī)特性線保持大致形狀上移，即噴水使壓氣機(jī)工況線移向更大的壓比和流量增加的一側(cè)，因此，高低壓軸的轉(zhuǎn)速均有較小的增加。同時(shí)，壓氣機(jī)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(nèi)，無(wú)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(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加，高低壓軸轉(zhuǎn)速差基本呈下降趨勢(shì)，其中保持等低壓渦輪排氣溫度控制的速差下降幅度可達(dá)9%。

圖 9 高低壓軸轉(zhuǎn)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(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)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(nèi)，保持等油門控制時(shí)，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)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(shì)，相同水氣比時(shí)，進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣/級(jí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

2.4 進(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)高壓壓氣機(jī)后壓力的影響

由圖11可以看出，在水/氣比為0～0.5%范圍內(nèi)，保持等油門控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加，高壓壓氣機(jī)后壓力基本保持不變；在水/氣比為0～0.6%范圍內(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，隨著水/氣比的增加高壓壓氣機(jī)后壓力均升高，在進(jìn)氣噴水且大水/氣比時(shí)高壓壓氣機(jī)后壓力升高不超過(guò)10%。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，工質(zhì)溫度降低，導(dǎo)致壓氣機(jī)壓比升高即高壓壓氣機(jī)后壓力升高。

圖 11 高壓壓氣機(jī)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(jìn)氣/級(jí)間噴水對(duì)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(nèi)，保持等油門控制，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)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(nèi)，保持等低壓渦輪排氣溫度控制，實(shí)施級(jí)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(shí)，進(jìn)氣噴水相對(duì)級(jí)間噴水，NOx降低幅度更加明顯。水的加入使燃燒產(chǎn)物中的NOx生成量大大降低，因此，實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水，改善燃機(jī)NOx排放，減少環(huán)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(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)25 MW燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水的試驗(yàn)研究，有效改善燃?xì)廨啓C(jī)性能。本文的主要結(jié)論如下：

1）實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，均能有效的增大燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率，提高燃機(jī)效率。且隨著噴水量的增加，燃機(jī)性能改善越明顯。對(duì)于相同的水氣比下，進(jìn)氣噴水的效果要好于級(jí)間噴水；

2）實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，對(duì)高低壓軸的轉(zhuǎn)速影響較小，但高低壓軸轉(zhuǎn)速差基本呈下降趨勢(shì)，且下降幅度較大；

3）實(shí)施進(jìn)氣/級(jí)間噴水后，可以顯著改善燃?xì)廨啓C(jī)NOx的排放。

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