1、第卷第期燃气轮机技术年玉月丁。口蒸汽回注式燃气轮机的发展及其结构特点张文清航空航天工业部第研究所主万词喷汽循环侣气轮机发展一、蒸汽回注式燃气轮机的发展当前,燕汽回注式然气轮机愈来愈受到人们的青睐,且已成了然气轮机的发展趋势之一。所谓燕汽回注式嫩气轮机实质上就是一种双工质并行复合回热式热机。它是利用简单循环嫩气轮机的排气余热,产生过热燕汽,然后,将此过热蒸汽回注入 该燃气 轮机,与以空气为代表的第一种工质共同参与循环作功的这样一种回热式热机。早在年,瑞典专利局就 曾归档过一份这种类型燃气轮机的专利 申请书,其名称为 使用蒸汽回注的燃气轮机。但是,到了年,这份专利申请却被擞回 了。以后的一段相当长
2、的时间内,人们只是停留在教科书上研讨燕汽回注式燃气轮机的热力循环而已。七十年代末、八十年代初,有人在美国提出了双工质平行复合回热式热机以及程氏双工质循环发动机装置的控制系统等一系列专利申请。从此以后,燕汽回注式收稿 日期年月嫩气轮机才开始引起了一些国家的有关部门和商业集团的关注和重视。蒸汽回注式嫩气轮机终于从理论分析阶段逐步跨入试验研究阶段、示范性工程项目的研制阶段直至商品化生产阶段。率先进入该类产品开发领域的首推国际动力技术公司和通用 电气公司早在年,国际动力技术公司在艾利逊嫩气轮机公司生产的卜型嫌气轮机上,进行回注燕汽的脸证性试验,获得了令人满意的结果。到了年,该公司就向国际徽气轮机市场推
3、出了由。卜型撇气轮机的改装机外加余热锅炉组成的蒸汽回注式燃气轮机成套机组,并且,该机组已于同年投入了商业运行。通用 电气公司为了开发蒸汽回注式艘气轮机产品,也于年完成了徽气发生器的性能特性的有关估算工作,同年月,又对采用回注蒸汽技术的修改型。进行了研究年底,则开始了设备的硬件设计息年月,美国辛普森造纸公司的沙斯塔厂采纳了最终审定了的方案设备同年月底,开始制造然气轮机的外部管路系统月初,完成了基础设施月份,对装有燕汽回注装置的进行了试验,并取得了令人 满 意的结果。以后,通用 电气公司 又于年生产出把蒸汽分别回注至燃料喷 嘴、高压压气机出口以及低压涡轮上游的全蒸汽回注式。燃气发生器。年初,辛普森
4、造纸公司的里彭厂安装了由上述全蒸汽回注式。燃气发生器配 以日本石川岛播磨重工业公 司生 产的动力涡轮组装成 的全蒸汽回注式燃气轮机热电并供设备,并投入了商业性运行。除此之外,日本和意大利等国,也投入了相当的力量,积极参与了蒸汽回注式燃气轮机 的开发研制活动。例如,日本的川崎重工业公司于年与美国国际动力技术公司签订了有关合同,成了国际动力技术公司程氏循 环 专利 产 品指基本负荷额定输出功率为到范围内的蒸汽回注式燃气轮机产品的生产许可证持有者。该公司于年月生产出第一台人一蒸汽回注式 燃气轮机。与此同时,日本的石川岛播磨重工业公司也生产了一入丁等蒸汽回注式燃气轮机。又如,在意大利教育部和 国家科学
5、研究委员会的财政支援下,罗 马大学于年研究了利 用燃气轮机排气 中的一部分热量生产脱盐水,再产生蒸汽回注 到燃气轮机中的这样一种整体式蒸汽回注燃气轮机。另外,他们还研究了一种多级闪蒸脱盐装置,为发展海上使用 的蒸汽回注式燃气轮机提供了一条颇有见地的方案。总之,在燃气轮机上回注蒸汽的技术,经历了十多年的发展之后已取得了很大的成功。当前,世界上不少的燃气轮机制造公司已经生产出多种型号的蒸汽回注式燃气轮机产品,并陆续将其推向国际燃气轮机市场,这些产品为日本石川岛播磨重工业公司 的一、一、崎重工业 公司 的一。美国艾利逊燃气轮机公司的、。,、一、通 用匕气公司的入,工匕,人。飞、国际动力技术公 司 的
6、丁二了、歹斯图尔特和斯蒂文森公司的一。、艺异一下,一、一国际汤姆森 公司的。、。二、主要优点蒸汽回注式燃气轮机具有循环热效率高、输出功率大、排放物少、占地面积小、第一次投资成本低以及对电力负载和热负荷的各种不同需求具有较强的适应性等优点。现进一步描述如下它能够使热效率和抽 出功率两者同时获得惊人的提高例如,艾利逊燃气轮机公司的型燃气轮机采用蒸汽回注 的试验结果表明。在不提高涡轮前温度的前提下,热效率比未采用蒸汽回注时提高了务,输出功率提高了肠。表列出了一燃气轮机注汽前后的性能对比。又如,与未采用回注蒸汽的。燃气轮机相比,全高压和低压蒸汽回注式燃气轮机 的功率实现了惊人 的增长,从增长到了同时其
7、效率也有了明显 的提高,从帕提高到了务。排放物减少,减轻了环境污染例如,在辛普森造纸公司沙斯塔厂,对烧天然气燃料的燃气轮机所作的回注蒸汽试验表明向燃烧室回注蒸汽,可把二排放物抑制到低于基于肠。当输出功率达、向燃烧 室回注蒸汽时,其排放 物,为基于肠当向燃烧室回表卜机注汽前后性能标准大气压、海平面、涡轮进口温度和转速均不变主要今竺一一蒸汽流量输 出功率热效率肠燃料耗量进口空气量涡轮质量流量八压气机压比压气机耗功“涡轮功率涡轮温降涡轮工质平均比热注汽前,。、。注 汽后。了日。夕。差异变化百分比。日。注蒸汽时,其排放物,低于,低于。又如,在辛普森造纸公司 的里彭厂,由于其全高压和低压蒸汽回注式。燃
8、气轮机采用 了选择性催化还原器,获得了、的极佳的渊卜放量,满足了美国现有的渊卜放量的规定,并直,该机还满足了美国联邦环境保护局关于发电厂准则中规定的吨年排放量的要求。占地面积小安装在辛普森造纸公司里彭厂的一台输出功率的全高压和低压蒸汽回注式燃 气轮机机组只占地,与一套容量大致相当的联合循环燃气轮机机组相比,或与一套容量大致相当的燃煤发电机组相比,前者比后者 占地要小、倍。第一次投资成本低一意大利罗马大学所作的分析研究指出对比容量大致相当的一套常规的燃 气一蒸 汽联合循环机组与一套蒸汽回注式燃气轮机机组,由于后者的设备比前者大为简化,因此,前者的第一次投资成本比后者要高肠。同样,美国辛普森造纸公
9、司也已判明,一套全高压和低压蒸汽回注式。燃气轮机机组的总投资和运行费是一套与其容量大致相当的联合循环机组费,用的肠。它对不 同的电力负截和热负荷摇求其有良好的适应性通过调节回注蒸汽的流量,可使蒸汽回注式燃气轮机机组很方便地改变电力负载与热负荷的输出。因此,这种然气轮机可议按照用户每天和每个季节所要求的电力负载和热负荷,实施灵活的运行。例如,冬天为满足居民取暖需要较多的蒸汽,或用户的工艺流程需要更多的蒸汽时,可通过减少注入燃气轮机的蒸汽流量解决之。反之,夏天环境温度高,输出功率下降,或用户需要更多的电力时,可通过增大注入燃气轮机的蒸汽量解决之。三、结构特点从结构上讲、蒸汽回注式燃气轮机机组实质上
10、就是把余热回收锅炉、蒸汽回注式燃气轮机以及燃气轮机锅炉控制系统等一体化的一种热机设备刀如果要把简单循环燃气轮机改装成蒸汽回注式燃气轮机,至少必须要对燃气轮机的燃烧室渴轮以及控制系统作如下修改,姗烧室要做的修改必须在燃烧室 外套上设置回注蒸汽的总管及支管在燃烧室外套的前部或中部开出沿周向均布的注汽孔。此外,还应把燃料喷嘴修改成能够同时注入嫩料蒸汽的喷嘴。涡轮要做的修改涡轮的通 流面积必须放大,以适应因回注蒸汽带来的流量增大,尽量保持原来的涡轮进口温度和压气机压比。万控制系统要做的修改把简单循环燃气轮机改装成回注蒸汽的燃气轮机后,燃气初温已不再是嫩料量的单值函数,而是 由燃料量与蒸汽流 量共同确定
11、,故其调节参数已由一个变成 了两个。而且,这种把布雷顿热力循环和朗肯热力循环并行应用在一起的蒸汽回注式燃气轮机,只有在朗肯循环工质与布雷顿循环工质的某一比值下,才 会 出现效率的最大值。朗肯循环工质过多或过少,均会导致循环 效 率的下降。因此,在设计蒸汽回注式燃气轮机的控制系统时,必须认真地考虑,如何精确地控制空气流量、蒸汽流量和燃料量 的问题。与此同时,还必须解决因蒸汽的能量来自相 同的动力涡轮的排气热量,从而带来 的系统反馈回路的问题等。为了进一步阐述具体的改装情况,下文举出几个改装的实例以说明之。例如,日本川崎 重 工 业 公司为了把一改装成蒸汽回注 式一燃气轮机,在燃烧室 的外套上装
12、设了回注蒸汽的注汽总管和注汽孔。同时,还把压气机压比从 降低到。为 了适应流量的增大,还放大了第级和第级涡轮导向器的喉部面积。另外,为了匹配改装后增大了的愉出功率,重新设计了减速器,并放大了传扭轴上花键面积。又如,美国辛普森造纸公司,为 了将其在沙斯塔厂中运行的。燃气轮机改装成燕汽回注式嫩气轮机,由通用 电气公司在其 原来的。燃 气轮机上加装了蒸六输送 系统,以便把蒸汽回注入燃烧 室 的生雌区,并且注入由燃烧室 内环和燃烧室内机匣形成的环腔 内。为了保证蒸汽流在内环腔中均匀分布,在然烧室的后框架上加装了一块档板。蒸汽流经双路燃料喷嘴注入主撤区。当喷嘴外环把蒸汽注入主燃区的时候,其内输送通道则把
13、燃料喷入主然区。上述蒸汽回注式燃气轮机的控制系统包含两只工业用可编程序的逻辑控制器、一只电一液作动器操作的蒸汽流量限量阀、五只气动截止阀和加热放泄阀、一只涡轮一喷射器式蒸汽总流量计和压力及温度传 感器。一只起了定序器的作用,而另 一 只则作为蒸汽总流量闭环操作调节器。为了确定总蒸汽流量实际分流到压气机出口处和嫩烧室内的蒸汽流量值,使用了测量燃烧室蒸汽流量的流量计。而其分流率嫌烧为肠,压气机出口处为肠系 由排放物的数值而定。上述蒸汽输送系统由碳钢管构成,蒸汽由余热锅炉流经目双膜过滤器之后,被输送到燃气轮机中去。再如,通用 电气公司为 了把辛晋森造纸公司里彭厂 的。燃气轮机改装 成全高压和低压蒸汽
14、回注式燃气轮机,则在原然气轮机上加装了回注蒸汽管路和喷嘴。这些回注蒸汽管路把高压过热蒸汽回注到压气机出口处和嫩烧室的燃料喷嘴中去,而把低压蒸汽回注到低压涡轮的上游嫩气中去。另外,还增大了高压祸轮的通流面积,以降低嘟五压气机的转速,并使压气机排气压力在高压压气机机匣容许的设计极限之内。上述蒸汽回注式燃气轮机采用的余热锅炉由高压、中压和低压蒸发器,高压和中压过热器,以及个单独的省煤器组成。此外,该燕汽回注式燃气轮机还装有进气过滤器、蒸发式冷却器、燃料系统、防冰系统以及水清洗系统等燃气轮机辅助设备。锅炉辅助 设备包括选择性催化还原器及给水 补给水换热器等。四、结束语多年来,国外的一些燃气轮机制造公司
15、为了拿下燕汽回注式艘气轮机这项具有“热诀窍”的产品,在人力、物力和财力作了相当大的投入,并取得了成功。当前,它们已纷纷向国际燃气轮机市场推 出了多种型号的蒸汽回注式嫩气轮机。国内的一些研究和生产单位,在有关领导部门的大力关心下,充分运用以往在 研制、生产、使用和维护燃气轮机方面积累的经验,有的单位已于年顺 利 地 通 过了“双工质平行复合循环燃气轮机的试验”部级鉴定有的单位正努力从事蒸汽回注技术应用于燃气轮机的开发。我们相信,通过同行们的共 同努力,认真消化吸收国外引进的蒸汽回注式燃气轮机上的有关技术,据报导我国深圳华能经济发展公司已向美国斯图尔特和斯蒂文森公司订购了两套一。蒸 汽回注式燃气轮
16、机发电机组,上述机组于。年交付,我们一定能够掌握蒸汽回注技术的“热诀窍”,向国际嫩气轮机市场推出中国制造 的蒸汽回注式燃气轮机。参考文献张文清航空改型燃气轮机联供机组研制中有关燃烧等问题的探 讨轻型燃气轮机 文 集第 一集,航空工业部第八技术情报网,年张文清在使用和维护中努力提高轻型燃气轮机的可靠性和使用寿命轻型燃气轮机文集第三集二肮空航天工业部第八技术情报网,。年。尚 义航机的改造方 式和用 途浅析轻 型燃 气 轮机文集第一集,航空工业 部第八技术 情报网,年。王 丰提高 燃气轮机经济性的各 种途径及其 分析比较航空工业部第八技术情报网,年刘爱萍译,张文清校双 流并联混 合回 热 式热机六一四科技,年月薛银春,章霖官译校程氏双流循环发动机撼制系统六一四科技,纽,月,一,、二。肠,。,川、入,一一,入,习一一,碱几,一一,山,口,一一。双工质平行复合循环燃气轮机预研课题通过部级鉴定热能动力工程,
