三轴船用燃气轮机S－S循环试验研究

董 斌，马正军，林 枫，李东明

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引言

燃气轮机S－S循环技术是在高压比燃气轮机上集成实施压气机喷水中冷技术和蒸汽回注技术。压气机喷水中冷是将具有一定初温、初速度的雾化水喷入高、低压压气机过渡段流道内，利用流动过程中水的蒸发进行液相与气相间的热量与质量交换，从而降低高压压气机入口空气温度;燃气轮机蒸汽回注是将过热蒸汽注入燃烧室内，与高压空气一起共同被加热后，进入涡轮膨胀做功。

美国GE公司针对其LM6000 PC/PD机组开发成功了在高、低压压气机之间采用喷水中冷的技术。1998年，首批2台机组在英国IPP Southern Electric Power Generation所属的电站投入商业运行［1］。经运行测试表明:通过在LM6000机组的高低压压气机之间采取喷水中冷措施，机组在ISO条件下功率提高9%，热耗率下降约0.5%;在32℃大气温度下，功率提高20%，热耗下降约3.9%。与传统的压气机中冷技术相比，该项技术省去了庞大的中冷器及其相关系统，在结构上更为简单，有研究表明此项技术更适合于现代的高压比的燃气轮机机组。中船重工703所在“九五”、“十五”期间，针对某燃气轮机喷水中冷技术完成了大量的相关理论研究工作［2］。

燃气轮机回注蒸汽技术在20世纪80年代曾是国内外研究热点，已是成熟技术，有大批机组投入商业运行，回注蒸汽可以提高燃气轮机功率和热效率，降低机组的氮氧化物 (NOx)的排放。目前已发展到CLN技术，针对LM2500机组经测试排放可达5 ppm［3］。在国内，703所在“八五”期间完成了燃气轮机注蒸汽技术研究，并在实际工程中得到了成功应用，“九五”期间完成了燃气轮机蒸汽回注闭式循环研究。

703所综合上述技术发展现状，针对某燃气轮机提出燃气轮机S－S循环技术， “十五”期间，开展了S－S循环技术理论研究工作， “十一五”期间，以相关理论及部件试验研究的成果为基础，在试车台对某燃气轮机实施S－S循环整机试验，验证了该项技术的有效性［4］。图1为S－S循环示意图。

图1 S－S循环示意图Fig.1 S－S cycle sketch

1 试验系统

为满足雾化效果要求和机组过渡段安装要求，专门从Spraying System公司定制了空气雾化喷嘴，包括标准型和加长型2种，标准型如图2所示。

将过渡段及低压9级静叶环上相应的9个孔(固定9级静叶环的螺栓孔)进行扩孔，另新增9个孔，共18个孔，用于安装空气雾化喷嘴。空气雾化喷嘴、水管和空气管的安装如图3所示。

某燃气轮机采用环管型燃烧室，16个火焰筒均匀分布在内外壳之间的环形空间内。这种结构限制了注蒸汽环管的布置。因此回注蒸汽利用燃烧室外壳上的16个孔探仪检查孔，蒸汽总管和16个注蒸汽喷嘴在燃烧室壳体上的安装如图4所示。

图2 过渡段安装用空气雾化喷嘴Fig.2 Air atomization nozzle fixed between high and low compressor

图3 空气雾化喷嘴装配图Fig.3 Air atomization nozzle fixed position

图4 燃烧室回注蒸汽管路布置Fig.4 Combustion injected steam

参试设备主要有蒸汽回注试验系统和过渡段喷水增压系统，其他所用设备为某燃气轮机试验台用设备，包括试验台进排气系统、滑油、燃油和气动、试验台挡板阀、试验台的电子监控装置等。

除盐水经增压撬体、分配环管、喷嘴喷入燃气轮机过渡段。增压撬体上安装有截止阀、旋涡增压泵、过滤器、压力调节器、流量计，通过调节旋涡增压泵出口旁通管路上的节流阀，可对喷水流量进行调节。设有雾化空气截止阀和空气过滤调压阀，可对雾化空气压力进行调节。

从锅炉过来的过热蒸汽经电动闸阀、减压装置、蒸汽回注撬体、电动闸阀、稳压分汽室注入燃气轮机。蒸汽回注撬体安装有保护燃机安全运行的气动速关阀、进行流量计量、调节、控制的元器件及具有各种功能的回注管道吹扫系统。

2 试验过程

此前分别单独进行了喷水中冷试验和蒸汽回注试验，鉴于蒸汽回注试验在汽/气比0～4%时良好的线性趋势特性，因此S－S循环试验过程中蒸汽回注量基本保持约8 t/h不变，汽/气比约为2.6%，变化循环组合中的中冷喷水量，喷水量分别为0.9 t/h和1.5 t/h。

由于明显预见到S－S循环会改善燃气轮机的功率和效率，为安全起见未在1.0 Ne进行试验，而选择在0.4 Ne，0.6 Ne和0.8 Ne三个工况开展试验。在上述工况组合下首先进行保持油门杆位置不动时的有关参数测量，随后将低压涡轮排温T04保持在未实施S－S循环前的状态，以进行单因素影响分析。

3 试验结果及分析

3.1 热力性能

将有关参数折算到规定条件:大气温度300 K，大气压力101.325 kPa，进气总压损失2 kPa，排气静压损失3 kPa，图5～图11分别示出保持蒸汽回注量约8 t/h基本不变时，各工况保持油门杆位置不变和保持低压涡轮排气温度不变2种情况下，燃气轮机的功率、效率、高压轴转速、低压轴转速、转差、高压压气机出口压力、低压涡轮排气温度等随喷水量的增加的变化趋势。

图5为功率变化－水/气比曲线。由图5可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，功率均提高。

图5 功率变化－水/气比曲线Fig.5 Shift curves of power via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，功率基本保持不变;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，功率大幅上升，基本呈线性关系，其中在低工况时功率上升尤其显著，相对于未实施S－S时功率增加超过30%。

图6为效率变化－水/气比曲线，由图6可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，效率均提高。

图6 效率变化－水/气比曲线Fig.6 Shift curves of thermal efficiency via water air

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，效率略有降低;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，效率上升，基本呈线性关系，其中在低工况时效率上升尤其显著，相对于未实施S－S时效率增加超过10%。

图7为高压轴转速变化－水/气比曲线，由图7可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，高压轴转速均提高。

图7 高压轴转速变化－水/气比曲线Fig.7 Shift curves of high shaft speed via vater air ration

在回注蒸汽量保持不变，水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，高压轴转速下降;在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，高压轴转速上升，基本呈线性关系，其中在高工况时高压轴转速上升明显，相对于未实施S－S时高压轴转速变化增加约3%。

图8为低压轴转速变化－水/气比曲线。由图8可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，低压轴转速均提高。

图8 低压轴转速变化－水/气比曲线Fig.8 Shift curves of low shaft speed via water air ration

回注量基本保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，低压轴转速基本保持不变;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，基本呈线性关系，其中在高工况时低压轴转速上升明显，相对于未实施S－S时低压轴转速增加超过5%。

图9为高低压轴转速差变化－水/气比曲线，由图9可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，高低压轴转速差降低。

图9 高低压轴转速差变化－水/气比曲线Fig.9 Shift curves of shaft speed difference via water air ration

回注量基本保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，无论保持等油门控制还是保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，高低压轴转速差减小，基本呈线性关系，其中等低压涡轮排气温度控制、高工况时高低压轴转速差减小尤其明显，相对于未实施S－S时高低压轴转速差减小超过10%。

图10为低压涡轮后温度变化－水/气比曲线，由图10可看出，回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制各工况下，随着水/气比的增加，低压涡轮后温度降低，基本呈线性关系，其中在低工况时明显减小。

图10 低压涡轮后温度变化－水/气比曲线Fig.10 Shift curves of temperature behind low turbine via water air ration

需要注意的是，注入蒸汽会对涡轮热部件的寿命和维修周期产生影响，加入水/蒸汽对热燃气输运性质的影响表现为其更高的燃气传导率，增加了叶片传热，叶片基体温度若升高，将降低部件寿命。注入蒸汽对部件寿命的影响与燃气轮机的运行控制方式有关［5］。GER－3620J给出一个7EA级1级动叶的例子，对于不变的燃烧室出口温度，注入3%的蒸汽 (25 ppm NOx)可能导致叶片金属温度增加8℃，寿命缩短33%。

图11为高压压气机后压力变化－水/气比曲线，由图11可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，高压压气机后压力均提高。

图11 高压压气机后压力变化－水/气比曲线Fig.11 Shift curves of pressure behind high compressor via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，高压压气机后压力略微上升;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加，高压压气机后压力上升，基本呈线性关系，其中在低工况时高压压气机后压力上升明显，相对于未实施S－S时高压压气机后压力增加达到15%。

在规定条件下，1.0Ne时，当喷水量为0.5%和回注蒸汽量为2.6%的情况下，由热力性能处理结果推得图12和图13。由图12和图13可看出，燃气轮机的功率可以提高24%，效率可以提高7%。

图12 功率变化－水/气比曲线Fig.12 Shift curves of power via water air ration

图13 效率变化－水/气比曲线Fig.13 Shift curves of thermal efficiency via water air ration

文献［6］对燃气轮机S－S循环进行了理论计算，试验结果验证了理论计算中功率、效率、高压轴转速、低压轴转速、转差、高压压气机出口压力等随回注量及喷水量的变化而变化的趋势。喷水中冷和回注蒸汽均可提高功率和改善效率，单位水/气比和汽/气比情况下，中冷喷水侧重起到提高功率的作用，回注蒸汽侧重起到改善效率的作用。

3.2 气动参数

图14为低压压气机压比变化－水/气比曲线，由图14可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，低压压气机压比均提高。

在回注蒸汽引起的影响基础上，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加，低压压气机压比变化较小;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加低压压气机压比升高。相对于未实施S－S时，大水/气比时低压压气机压比升高超过10%。

图14 低压压气机压比变化－水/气比曲线Fig.14 Shift curves of low compressor pressure ration via water air ration

图15为高压压气机压比变化－水/气比曲线。由图15可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，高压压气机压比均提高。

图15 高压压气机压比变化－水/气比曲线Fig.15 Shift curves of high compressor pressure ration via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加高压压气机压比增大，但变化幅度较小;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加高压压气机压比升高。相对于未实施S－S时，大水/气比时高压压气机压比升高超过3%。低于低压压气机压比增幅。

图16为压气机总压比变化－水/气比曲线。由图16可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，压气机总压比均提高。

图16 压气机总压比变化－水/气比曲线Fig.16 Shift curves of compressors total pressure ratio via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加高压压气机压比变大，但变化幅度较小;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加高压压气机压比升高。相对于未实施S－S时，大水/气比时压气机总压比升高超过14%。

图17为高压涡轮膨胀比变化－水/气比曲线。由图17可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，高压涡轮膨胀比均提高。

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制和保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加高压涡轮膨胀比减小;相对于未实施S－S时，高工况时高压涡轮膨胀比变化幅度较小。

图17 高压涡轮膨胀比变化－水/气比曲线Fig.17 Shift curves of high turbine expansion ration via water air ration

图18为低压涡轮膨胀比变化－水/气比曲线。由图18可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，低压涡轮膨胀比均降低。

图18 低压涡轮膨胀比变化－水/气比曲线Fig.18 Shift curves of low turbine expansion ration via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加低压涡轮膨胀比变化增加;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着工况和水/气比的增加低压涡轮膨胀比升高。相对于未实施S－S时，大水/气比时低压涡轮膨胀比升高约1%。

图19为动力涡轮膨胀比变化－水/气比曲线。由图19可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，动力涡轮膨胀比均提高。

图19 动力涡轮膨胀比变化－水/气比曲线Fig.19 Shift curves of power turbine expansion ratio via water air ration

回注蒸汽量保持不变，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加动力涡轮膨胀比增加，但变化幅度较小;保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着水/气比的增加动力涡轮膨胀比升高。相对于未实施S－S时，大水/气比时动力涡轮膨胀比升高超过12%。

图20为动力涡轮温比变化－水/气比曲线。由图20可看出，仅回注蒸汽时，在2种控制条件下，动力涡轮温比均提高。

图20 动力涡轮温比变化－水/气比曲线Fig.20 Shift curves of power turbine temperature ratio via water air ration

在回注蒸汽引起的影响基础上，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，各工况下，随着水/气比的增加动力涡轮温比升高，但变化幅度较小;在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，各工况下，随着工况和水/气比的增加动力涡轮温比升高。相对于未实施S－S时，高工况、大水/气比时动力涡轮温比升高超过2.5%。

图14～图20中，气动参数的变化趋势可用透平机械的基本原理解释。

3.3 NOx排放和振动

由图21可以看出，S－S循环试验过程中蒸汽回注量保持不变，保持等油门控制和保持等低压涡轮排气温度控制，随着水/气比的增加NOx呈线性降低，由于回注蒸汽量较大，因此少量的中冷喷水量降NOx效果不显著。折算到单位耗水的效果来看，蒸汽回注与中冷喷水降NOx大致相当。综合来看，相对于未实施S－S时，NOx排放量大幅降低。

图21 NOx变化－水/气比曲线Fig.21 Shift curves of NOx exhaust via water air ration

由图22可以看出，试验过程中振动值处于正常范围之内，情况良好。

图22 振动－功率曲线Fig.22 Curves of vibration via power

3.4 试验后通流检查

回注蒸汽和S－S循环试验后分别对过渡段喷水处和火焰筒内、外部进行孔探仪检查，喷水区域下游压气机动叶有水迹，火焰筒内外部均正常，通过火焰筒观察涡轮一级导向器未见异常。

后续的分解检查均未发现上述与中冷喷水和回注蒸汽密切相关的部位发生异常。

4 结语

1)采用S－S循环技术后燃气轮机的功率和效率均有大幅提高，NOx排放性能显著改善，低压涡轮后温度场不均匀性正常，振动参数正常。

2)采用S－S循环技术后，考虑到热端部件的使用寿命，燃烧室出口温度与未实施S－S时相比需降低约20℃;在高温天气高工况运行时应关注高低压轴转速上升问题，避免超速。

3)动力涡轮是压比增加的主要获益单元，动力涡轮温比也同时升高，由于水/水蒸气的注入，单位质量工质做功能力提高，未来S－S循环技术工程化应用时需评估动力涡轮吸收功的能力。

4)由于运行点偏离了原设计点，S－S循环技术工程化应用时，控制系统需进行适应性改进。

5)试验验证了S－S循环技术的可行性和有效性，为其应用奠定了坚实的基础。该技术具有方法简单、效果显著的优点，是提高燃气轮机装置性能的有效方法之一。

［1］LM6000 Sprint in Service with British REC［J］.Turbomachinery International，1998(5).

［2］林枫.改善进气条件提高燃气轮机性能的新技术研究［D］.中国舰船研究院，1999.

［3］Victor de Biasi.1.8∶1 steam-to-fuel ratio reduces NOx output of LM2500 to 5 ppm［J］.Gas Turbine World，2009(3):5.

［4］燃气轮机S－S循环性能试验报告［R］.中船重工第七〇三研究所，2011.

［5］JIN H，MARSON E，PISTOR R.A study on the life cycle impact of steam injection［C］.Proceedings of GT2007，ASME Turbo Expo 2007:Power for Land，Sea and Air，May 14 －17，2007，Montreal，Canada.

［6］燃气轮机S－S循环性能预测技术研究报告［R］.中船重工第七〇三研究所，2006.