董 斌,馬正軍,林 楓,李東明
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所,黑龍江 哈爾濱 150078)
燃?xì)廨啓C(jī)S-S循環(huán)技術(shù)是在高壓比燃?xì)廨啓C(jī)上集成實(shí)施壓氣機(jī)噴水中冷技術(shù)和蒸汽回注技術(shù)。壓氣機(jī)噴水中冷是將具有一定初溫、初速度的霧化水噴入高、低壓壓氣機(jī)過渡段流道內(nèi),利用流動(dòng)過程中水的蒸發(fā)進(jìn)行液相與氣相間的熱量與質(zhì)量交換,從而降低高壓壓氣機(jī)入口空氣溫度;燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽回注是將過熱蒸汽注入燃燒室內(nèi),與高壓空氣一起共同被加熱后,進(jìn)入渦輪膨脹做功。
美國(guó)GE公司針對(duì)其LM6000 PC/PD機(jī)組開發(fā)成功了在高、低壓壓氣機(jī)之間采用噴水中冷的技術(shù)。1998年,首批2臺(tái)機(jī)組在英國(guó)IPP Southern Electric Power Generation所屬的電站投入商業(yè)運(yùn)行[1]。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試表明:通過在LM6000機(jī)組的高低壓壓氣機(jī)之間采取噴水中冷措施,機(jī)組在ISO條件下功率提高9%,熱耗率下降約0.5%;在32℃大氣溫度下,功率提高20%,熱耗下降約3.9%。與傳統(tǒng)的壓氣機(jī)中冷技術(shù)相比,該項(xiàng)技術(shù)省去了龐大的中冷器及其相關(guān)系統(tǒng),在結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單,有研究表明此項(xiàng)技術(shù)更適合于現(xiàn)代的高壓比的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。中船重工703所在“九五”、“十五”期間,針對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)噴水中冷技術(shù)完成了大量的相關(guān)理論研究工作[2]。
燃?xì)廨啓C(jī)回注蒸汽技術(shù)在20世紀(jì)80年代曾是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn),已是成熟技術(shù),有大批機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行,回注蒸汽可以提高燃?xì)廨啓C(jī)功率和熱效率,降低機(jī)組的氮氧化物 (NOx)的排放。目前已發(fā)展到CLN技術(shù),針對(duì)LM2500機(jī)組經(jīng)測(cè)試排放可達(dá)5 ppm[3]。在國(guó)內(nèi),703所在“八五”期間完成了燃?xì)廨啓C(jī)注蒸汽技術(shù)研究,并在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用,“九五”期間完成了燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽回注閉式循環(huán)研究。
703所綜合上述技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,針對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)提出燃?xì)廨啓C(jī)S-S循環(huán)技術(shù), “十五”期間,開展了S-S循環(huán)技術(shù)理論研究工作, “十一五”期間,以相關(guān)理論及部件試驗(yàn)研究的成果為基礎(chǔ),在試車臺(tái)對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施S-S循環(huán)整機(jī)試驗(yàn),驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的有效性[4]。圖1為S-S循環(huán)示意圖。
圖1 S-S循環(huán)示意圖Fig.1 S-S cycle sketch
為滿足霧化效果要求和機(jī)組過渡段安裝要求,專門從Spraying System公司定制了空氣霧化噴嘴,包括標(biāo)準(zhǔn)型和加長(zhǎng)型2種,標(biāo)準(zhǔn)型如圖2所示。
將過渡段及低壓9級(jí)靜葉環(huán)上相應(yīng)的9個(gè)孔(固定9級(jí)靜葉環(huán)的螺栓孔)進(jìn)行擴(kuò)孔,另新增9個(gè)孔,共18個(gè)孔,用于安裝空氣霧化噴嘴。空氣霧化噴嘴、水管和空氣管的安裝如圖3所示。
某燃?xì)廨啓C(jī)采用環(huán)管型燃燒室,16個(gè)火焰筒均勻分布在內(nèi)外殼之間的環(huán)形空間內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)限制了注蒸汽環(huán)管的布置。因此回注蒸汽利用燃燒室外殼上的16個(gè)孔探儀檢查孔,蒸汽總管和16個(gè)注蒸汽噴嘴在燃燒室殼體上的安裝如圖4所示。
圖2 過渡段安裝用空氣霧化噴嘴Fig.2 Air atomization nozzle fixed between high and low compressor
圖3 空氣霧化噴嘴裝配圖Fig.3 Air atomization nozzle fixed position
圖4 燃燒室回注蒸汽管路布置Fig.4 Combustion injected steam
參試設(shè)備主要有蒸汽回注試驗(yàn)系統(tǒng)和過渡段噴水增壓系統(tǒng),其他所用設(shè)備為某燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)臺(tái)用設(shè)備,包括試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)排氣系統(tǒng)、滑油、燃油和氣動(dòng)、試驗(yàn)臺(tái)擋板閥、試驗(yàn)臺(tái)的電子監(jiān)控裝置等。
除鹽水經(jīng)增壓撬體、分配環(huán)管、噴嘴噴入燃?xì)廨啓C(jī)過渡段。增壓撬體上安裝有截止閥、旋渦增壓泵、過濾器、壓力調(diào)節(jié)器、流量計(jì),通過調(diào)節(jié)旋渦增壓泵出口旁通管路上的節(jié)流閥,可對(duì)噴水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)有霧化空氣截止閥和空氣過濾調(diào)壓閥,可對(duì)霧化空氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
從鍋爐過來的過熱蒸汽經(jīng)電動(dòng)閘閥、減壓裝置、蒸汽回注撬體、電動(dòng)閘閥、穩(wěn)壓分汽室注入燃?xì)廨啓C(jī)。蒸汽回注撬體安裝有保護(hù)燃機(jī)安全運(yùn)行的氣動(dòng)速關(guān)閥、進(jìn)行流量計(jì)量、調(diào)節(jié)、控制的元器件及具有各種功能的回注管道吹掃系統(tǒng)。
此前分別單獨(dú)進(jìn)行了噴水中冷試驗(yàn)和蒸汽回注試驗(yàn),鑒于蒸汽回注試驗(yàn)在汽/氣比0~4%時(shí)良好的線性趨勢(shì)特性,因此S-S循環(huán)試驗(yàn)過程中蒸汽回注量基本保持約8 t/h不變,汽/氣比約為2.6%,變化循環(huán)組合中的中冷噴水量,噴水量分別為0.9 t/h和1.5 t/h。
由于明顯預(yù)見到S-S循環(huán)會(huì)改善燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率,為安全起見未在1.0 Ne進(jìn)行試驗(yàn),而選擇在0.4 Ne,0.6 Ne和0.8 Ne三個(gè)工況開展試驗(yàn)。在上述工況組合下首先進(jìn)行保持油門桿位置不動(dòng)時(shí)的有關(guān)參數(shù)測(cè)量,隨后將低壓渦輪排溫T04保持在未實(shí)施S-S循環(huán)前的狀態(tài),以進(jìn)行單因素影響分析。
將有關(guān)參數(shù)折算到規(guī)定條件: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,圖5~圖11分別示出保持蒸汽回注量約8 t/h基本不變時(shí),各工況保持油門桿位置不變和保持低壓渦輪排氣溫度不變2種情況下,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、低壓渦輪排氣溫度等隨噴水量的增加的變化趨勢(shì)。
圖5為功率變化-水/氣比曲線。由圖5可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,功率均提高。
圖5 功率變化-水/氣比曲線Fig.5 Shift curves of power via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,功率基本保持不變;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,功率大幅上升,基本呈線性關(guān)系,其中在低工況時(shí)功率上升尤其顯著,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)功率增加超過30%。
圖6為效率變化-水/氣比曲線,由圖6可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,效率均提高。
圖6 效率變化-水/氣比曲線Fig.6 Shift curves of thermal efficiency via water air
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,效率略有降低;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,效率上升,基本呈線性關(guān)系,其中在低工況時(shí)效率上升尤其顯著,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)效率增加超過10%。
圖7為高壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線,由圖7可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,高壓軸轉(zhuǎn)速均提高。
圖7 高壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線Fig.7 Shift curves of high shaft speed via vater air ration
在回注蒸汽量保持不變,水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,高壓軸轉(zhuǎn)速下降;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,各工況下,隨著水/氣比的增加,高壓軸轉(zhuǎn)速上升,基本呈線性關(guān)系,其中在高工況時(shí)高壓軸轉(zhuǎn)速上升明顯,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)高壓軸轉(zhuǎn)速變化增加約3%。
圖8為低壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線。由圖8可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,低壓軸轉(zhuǎn)速均提高。
圖8 低壓軸轉(zhuǎn)速變化-水/氣比曲線Fig.8 Shift curves of low shaft speed via water air ration
回注量基本保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,低壓軸轉(zhuǎn)速基本保持不變;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,基本呈線性關(guān)系,其中在高工況時(shí)低壓軸轉(zhuǎn)速上升明顯,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)低壓軸轉(zhuǎn)速增加超過5%。
圖9為高低壓軸轉(zhuǎn)速差變化-水/氣比曲線,由圖9可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,高低壓軸轉(zhuǎn)速差降低。
圖9 高低壓軸轉(zhuǎn)速差變化-水/氣比曲線Fig.9 Shift curves of shaft speed difference via water air ration
回注量基本保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),無論保持等油門控制還是保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,高低壓軸轉(zhuǎn)速差減小,基本呈線性關(guān)系,其中等低壓渦輪排氣溫度控制、高工況時(shí)高低壓軸轉(zhuǎn)速差減小尤其明顯,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)高低壓軸轉(zhuǎn)速差減小超過10%。
圖10為低壓渦輪后溫度變化-水/氣比曲線,由圖10可看出,回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制各工況下,隨著水/氣比的增加,低壓渦輪后溫度降低,基本呈線性關(guān)系,其中在低工況時(shí)明顯減小。
圖10 低壓渦輪后溫度變化-水/氣比曲線Fig.10 Shift curves of temperature behind low turbine via water air ration
需要注意的是,注入蒸汽會(huì)對(duì)渦輪熱部件的壽命和維修周期產(chǎn)生影響,加入水/蒸汽對(duì)熱燃?xì)廨斶\(yùn)性質(zhì)的影響表現(xiàn)為其更高的燃?xì)鈧鲗?dǎo)率,增加了葉片傳熱,葉片基體溫度若升高,將降低部件壽命。注入蒸汽對(duì)部件壽命的影響與燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行控制方式有關(guān)[5]。GER-3620J給出一個(gè)7EA級(jí)1級(jí)動(dòng)葉的例子,對(duì)于不變的燃燒室出口溫度,注入3%的蒸汽 (25 ppm NOx)可能導(dǎo)致葉片金屬溫度增加8℃,壽命縮短33%。
圖11為高壓壓氣機(jī)后壓力變化-水/氣比曲線,由圖11可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,高壓壓氣機(jī)后壓力均提高。
圖11 高壓壓氣機(jī)后壓力變化-水/氣比曲線Fig.11 Shift curves of pressure behind high compressor via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,高壓壓氣機(jī)后壓力略微上升;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,高壓壓氣機(jī)后壓力上升,基本呈線性關(guān)系,其中在低工況時(shí)高壓壓氣機(jī)后壓力上升明顯,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí)高壓壓氣機(jī)后壓力增加達(dá)到15%。
在規(guī)定條件下,1.0Ne時(shí),當(dāng)噴水量為0.5%和回注蒸汽量為2.6%的情況下,由熱力性能處理結(jié)果推得圖12和圖13。由圖12和圖13可看出,燃?xì)廨啓C(jī)的功率可以提高24%,效率可以提高7%。
圖12 功率變化-水/氣比曲線Fig.12 Shift curves of power via water air ration
圖13 效率變化-水/氣比曲線Fig.13 Shift curves of thermal efficiency via water air ration
文獻(xiàn)[6]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)S-S循環(huán)進(jìn)行了理論計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算中功率、效率、高壓軸轉(zhuǎn)速、低壓軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差、高壓壓氣機(jī)出口壓力等隨回注量及噴水量的變化而變化的趨勢(shì)。噴水中冷和回注蒸汽均可提高功率和改善效率,單位水/氣比和汽/氣比情況下,中冷噴水側(cè)重起到提高功率的作用,回注蒸汽側(cè)重起到改善效率的作用。
圖14為低壓壓氣機(jī)壓比變化-水/氣比曲線,由圖14可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,低壓壓氣機(jī)壓比均提高。
在回注蒸汽引起的影響基礎(chǔ)上,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加,低壓壓氣機(jī)壓比變化較小;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加低壓壓氣機(jī)壓比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),大水/氣比時(shí)低壓壓氣機(jī)壓比升高超過10%。
圖14 低壓壓氣機(jī)壓比變化-水/氣比曲線Fig.14 Shift curves of low compressor pressure ration via water air ration
圖15為高壓壓氣機(jī)壓比變化-水/氣比曲線。由圖15可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,高壓壓氣機(jī)壓比均提高。
圖15 高壓壓氣機(jī)壓比變化-水/氣比曲線Fig.15 Shift curves of high compressor pressure ration via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加高壓壓氣機(jī)壓比增大,但變化幅度較小;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加高壓壓氣機(jī)壓比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),大水/氣比時(shí)高壓壓氣機(jī)壓比升高超過3%。低于低壓壓氣機(jī)壓比增幅。
圖16為壓氣機(jī)總壓比變化-水/氣比曲線。由圖16可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,壓氣機(jī)總壓比均提高。
圖16 壓氣機(jī)總壓比變化-水/氣比曲線Fig.16 Shift curves of compressors total pressure ratio via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加高壓壓氣機(jī)壓比變大,但變化幅度較小;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加高壓壓氣機(jī)壓比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),大水/氣比時(shí)壓氣機(jī)總壓比升高超過14%。
圖17為高壓渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線。由圖17可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,高壓渦輪膨脹比均提高。
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制和保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加高壓渦輪膨脹比減小;相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),高工況時(shí)高壓渦輪膨脹比變化幅度較小。
圖17 高壓渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線Fig.17 Shift curves of high turbine expansion ration via water air ration
圖18為低壓渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線。由圖18可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,低壓渦輪膨脹比均降低。
圖18 低壓渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線Fig.18 Shift curves of low turbine expansion ration via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加低壓渦輪膨脹比變化增加;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著工況和水/氣比的增加低壓渦輪膨脹比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),大水/氣比時(shí)低壓渦輪膨脹比升高約1%。
圖19為動(dòng)力渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線。由圖19可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,動(dòng)力渦輪膨脹比均提高。
圖19 動(dòng)力渦輪膨脹比變化-水/氣比曲線Fig.19 Shift curves of power turbine expansion ratio via water air ration
回注蒸汽量保持不變,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加動(dòng)力渦輪膨脹比增加,但變化幅度較小;保持等低壓渦輪排氣溫度控制,各工況下,隨著水/氣比的增加動(dòng)力渦輪膨脹比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),大水/氣比時(shí)動(dòng)力渦輪膨脹比升高超過12%。
圖20為動(dòng)力渦輪溫比變化-水/氣比曲線。由圖20可看出,僅回注蒸汽時(shí),在2種控制條件下,動(dòng)力渦輪溫比均提高。
圖20 動(dòng)力渦輪溫比變化-水/氣比曲線Fig.20 Shift curves of power turbine temperature ratio via water air ration
在回注蒸汽引起的影響基礎(chǔ)上,在水/氣比為0~0.6%范圍內(nèi),保持等油門控制,各工況下,隨著水/氣比的增加動(dòng)力渦輪溫比升高,但變化幅度較小;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,各工況下,隨著工況和水/氣比的增加動(dòng)力渦輪溫比升高。相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),高工況、大水/氣比時(shí)動(dòng)力渦輪溫比升高超過2.5%。
圖14~圖20中,氣動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)可用透平機(jī)械的基本原理解釋。
由圖21可以看出,S-S循環(huán)試驗(yàn)過程中蒸汽回注量保持不變,保持等油門控制和保持等低壓渦輪排氣溫度控制,隨著水/氣比的增加NOx呈線性降低,由于回注蒸汽量較大,因此少量的中冷噴水量降NOx效果不顯著。折算到單位耗水的效果來看,蒸汽回注與中冷噴水降NOx大致相當(dāng)。綜合來看,相對(duì)于未實(shí)施S-S時(shí),NOx排放量大幅降低。
圖21 NOx變化-水/氣比曲線Fig.21 Shift curves of NOx exhaust via water air ration
由圖22可以看出,試驗(yàn)過程中振動(dòng)值處于正常范圍之內(nèi),情況良好。
圖22 振動(dòng)-功率曲線Fig.22 Curves of vibration via power
回注蒸汽和S-S循環(huán)試驗(yàn)后分別對(duì)過渡段噴水處和火焰筒內(nèi)、外部進(jìn)行孔探儀檢查,噴水區(qū)域下游壓氣機(jī)動(dòng)葉有水跡,火焰筒內(nèi)外部均正常,通過火焰筒觀察渦輪一級(jí)導(dǎo)向器未見異常。
后續(xù)的分解檢查均未發(fā)現(xiàn)上述與中冷噴水和回注蒸汽密切相關(guān)的部位發(fā)生異常。
1)采用S-S循環(huán)技術(shù)后燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率均有大幅提高,NOx排放性能顯著改善,低壓渦輪后溫度場(chǎng)不均勻性正常,振動(dòng)參數(shù)正常。
2)采用S-S循環(huán)技術(shù)后,考慮到熱端部件的使用壽命,燃燒室出口溫度與未實(shí)施S-S時(shí)相比需降低約20℃;在高溫天氣高工況運(yùn)行時(shí)應(yīng)關(guān)注高低壓軸轉(zhuǎn)速上升問題,避免超速。
3)動(dòng)力渦輪是壓比增加的主要獲益單元,動(dòng)力渦輪溫比也同時(shí)升高,由于水/水蒸氣的注入,單位質(zhì)量工質(zhì)做功能力提高,未來S-S循環(huán)技術(shù)工程化應(yīng)用時(shí)需評(píng)估動(dòng)力渦輪吸收功的能力。
4)由于運(yùn)行點(diǎn)偏離了原設(shè)計(jì)點(diǎn),S-S循環(huán)技術(shù)工程化應(yīng)用時(shí),控制系統(tǒng)需進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。
5)試驗(yàn)驗(yàn)證了S-S循環(huán)技術(shù)的可行性和有效性,為其應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該技術(shù)具有方法簡(jiǎn)單、效果顯著的優(yōu)點(diǎn),是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能的有效方法之一。
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