25 MW燃气轮机进气级间喷水试验研究

马正军，常春辉，何 彬，董 斌

(中国船舶重工集团有限公司第七O三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引 言

在燃气轮机压气机进口/级间喷水，无需对燃气轮机内部流道进行改造，即可适当提高燃气轮机的输出功率和热效率[1]，喷水示意图如图1所示。

在燃气轮机装置的压气机进口/级间向压缩空气中喷水，利用水的气化潜热，使压缩过程接近于定温，从而减少耗功，增加输出功率，提高热效率[2–3]。喷入的雾化水还可以降低燃烧产物中NOx的生成量，减少环境污染[4]。

EPRI（Electric Power Research Institute）率先开发了多级喷水冷却技术[5]。Utili Corp能源集团利用EPRI的技术在7E型燃气轮机上进行了试验[6]。在夏季运行150 h后表明，燃机装置功率增加了15.5%，同时热耗下降。

美国GE公司提出了LM6000 Sprint技术[7]。在具有较高压比的LM6000 PC/PD型燃机上，环境温度32 ℃下向高压压气机前喷入0.27%空气流量的水，测得燃气轮机功率增加20.4%，热效率从37.2%增加到38.7%，也就是使效率增加4%（相对值）[5]。

哈尔滨工程大学在S1-02小型燃气轮机实施了压气机进口/级间喷水[8]，实验结果表明在一定喷水量后随喷水量的增加，燃机效率提高的幅度减少，对进气初温较低的循环，喷水后效率提高幅度更大。

中国船舶重工集团有限公司第七〇三研究所利用喷水中冷技术开发了湿压缩、进气冷却技术[9]；在PG6581L燃气轮机上实施了进口喷水冷却工程应用，实际运行测试表明燃气轮机功率增加明显，效率得到一定程度的提高。

1 燃气轮机进气/级间喷水试验研究

1.1 试验目的

1）对燃气轮机进气/级间喷水冷却进行试验验证。

图 1 S-S循环实施示意图Fig. 1 S-S cycle sketch map

2）研究在燃机进气/级间实施不同喷水流量对燃气轮机性能及排放指标的影响。

1.2 试验设备

进气/级间喷水增压系统，25 MW燃气轮机，雾化喷嘴等。

1.3 试验系统及过程

本试验在25 MW燃气轮机的进口处安装了100个压力雾化喷嘴，安装形式如图2所示。进气喷水系统通过调节供水压力和雾化喷嘴的开度来调节喷水流量，雾化喷嘴雾化后水滴颗粒索特平均直径[10]小于25 μm。

在过渡段上安装18个空气雾化喷嘴，安装形式如图3所示。

级间喷水空气雾化喷嘴安装于燃气轮机过渡段上，通过调节供水管路旁通阀控制喷水流量，高压气源采用高压压气机后引气（或场地压缩空气），空气雾化喷嘴雾化后水滴颗粒索特平均直径小于40 μm，如图4所示。

试验过程：

1）在未喷水情况下，测试燃气轮机各稳定工况下的参数；

2）分别在进气和级间喷入除盐水，测试燃气轮机在某工况指定参数时的相应参数。

图 2 进气道内雾化喷嘴Fig. 2 Spray nozzle array

图 3 级间喷嘴安装位置Fig. 3 Air nozzle fixing between stages

图 4 级间喷水空气雾化喷嘴安装示意图Fig. 4 Air nozzle installing sketch map

2 燃气轮机进气/级间喷水试验结果及分析

本试验主要测试了燃气轮机分别在0.35，0.6，0.8工况下保持等油门控制和等低压涡轮后排气温度控制时，测试燃气轮机的功率、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、NOx排放特性等随喷水量的增加的变化趋势。将试验参数折算到海军条件（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）进行对比分析。

本文定义燃气轮机在某一工况下实施进气/级间喷水后的性能参数变化百分比为：

式中：Δ为在燃气轮机实施进气/级间喷水后的性能参数变化百分比；X0为未实施进气/级间喷水时燃气轮机在某一恒定油门下的性能参数；Xws为燃气轮机在等油门或等低压涡轮后温度控制下实施进气/级间喷水后的性能参数。

2.1 进气/级间喷水对燃机功率、效率的影响

由图5可以看出，在保持等油门控制时，随喷水量的增加，燃机功率略有增加，但并不明显。在等低涡后排温控制时，随喷水量的增加，燃机功率增加显著，在水气比0.5%时，实施级间喷水后燃机功率增加8%，实施进气喷水，燃机功率增加16%左右。因此，可以看出在相同水气比下，进气喷水相对于级间喷水，燃机功率增加百分比更明显，即为提高燃机输出功率，实施进气喷水比级间喷水的效果会更好。

图 5 功率变化-水/气比曲线Fig. 5 Curve of output augment vs water mass fraction

进气/级间喷水的主要目的是为了降低压气机压缩过程中工质的温度，从而减少压缩功；如果喷水前后涡轮进口温度不变，由于水蒸气的比热要比燃气的比热大，喷水后工质流量也比喷水前大，导致涡轮的总功比喷水前增加很多，加上喷水后压缩功的减少，因此燃机输出功率增加。

由图6可以看出，在水/气比为0～0.5%范围内，保持等油门控制，实施进气喷水后，燃机效率略有增加，而实施级间喷水燃机效率基本保持不变。在保持等低压涡轮排气温度控制时，实施进气/级间喷水燃机效率均明显改善，在水气比0.5%时，实施级间喷水后燃机效率提高约2%，而相同水气比下实施进气喷水，燃机效率提高5%左右，因此，可以看出，在相同水气比下，进气喷水相对于级间喷水，燃机效率提高百分比更明显，也就是说，为改善燃机效率，实施进气喷水比级间喷水的效果会更好。

图 6 效率变化-水/气比曲线Fig. 6 Curve of unit efficiency augment vs water mass fraction

从理论上分析，在相同的压比下，受温度和压力等因素共同作用，级间喷水的出口可用能要比进气喷水小，导致进气喷水比级间喷水冷却效率高，压比越大，级间喷水损失的可用能越多。

综合比较实施进气/级间喷水后，燃机功率、效率提高百分数，可以看出实施进气喷水的效果要好于级间喷水，但从实施条件上，进气喷水受外界大气环境的影响较大，大气温度越高、湿度越小，实施进气喷水的效果会越好；而实施级间喷水受外界条件的限制较小，但需对燃机本体进行一定的改造才能实施级间喷水，受燃机本体结构的限制。

2.2 进气/级间喷水对高低压轴转速的影响

由图7可以看出，在水/气比为0～0.6%范围内，保持等油门控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加，高压轴转速降低，并且降低幅度接近，降低不超过1%；在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，随水/气比的增加，高压轴转速升高不超过0.2%。综合来说，实施进气/级间喷水后，无论是保持等油门控制，还是保持等低压涡轮后排气温度控制，高压轴转速变化幅度均较小，因此，在水气比一定范围内，实施进气/级间喷水对燃气高压轴转速的影响较小。

图 7 高压轴转速变化-水/气比曲线Fig. 7 Curve of HP shaft speed augment vs water mass fraction

由图8可以看出，在水/气比为0～0.5%范围内，保持等油门控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加，低压轴转速变化很小，基本保持不变；在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加低压轴转速均升高，在相同水气比下，实施进气喷水后，低压轴转速升高较大，在水/气比0.6%时低压轴转速升高达到3%左右。

图 8 低压轴转速变化-水/气比曲线Fig. 8 Curve of LP shaft speed augment vs water mass fraction

进气/级间喷水使压气机特性线保持大致形状上移，即喷水使压气机工况线移向更大的压比和流量增加的一侧，因此，高低压轴的转速均有较小的增加。同时，压气机效率也有明显的增加。

由图9可以看出，在水/气比为0～0.6%范围内，无论是保持等油门控制还是保持等低压涡轮排气温度控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加，高低压轴转速差基本呈下降趋势，其中保持等低压涡轮排气温度控制的速差下降幅度可达9%。

图 9 高低压轴转速差变化-水/气比曲线Fig. 9 Curve of margin of HP-LP shaft augment vs water mass fraction

2.3 进气/级间喷水对低压涡轮后温度的影响

由图10可以看出，在水/气比为0～0.5%范围内，保持等油门控制时，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加，低压涡轮后温度均呈下降趋势，相同水气比时，进气喷水使低压涡轮后温度下降幅度更大。

图 10 低压涡轮后温度变化-水/气比曲线Fig. 10 Curve of unit condition augment vs water mass fraction

燃气轮机进气/级间喷水后，由于透平的通流量和膨胀比升高，使得低压涡轮后温度下降，从图10可以看出实验结果与理论分析相符。

2.4 进气/级间喷水对高压压气机后压力的影响

由图11可以看出，在水/气比为0～0.5%范围内，保持等油门控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加，高压压气机后压力基本保持不变；在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加高压压气机后压力均升高，在进气喷水且大水/气比时高压压气机后压力升高不超过10%。

燃气轮机进气/级间喷水后，工质温度降低，导致压气机压比升高即高压压气机后压力升高。

图 11 高压压气机后压力变化-水/气比曲线Fig. 11 Curve of HP exit pressure augment vs water mass fraction

2.5 进气/级间喷水对NOx排放特性的影响

由图12可以看出，在水/气比为0～0.5%范围内，保持等油门控制，实施进气/级间喷水后，随着水/气比的增加NOx降低越多；在水/气比为0～0.6%范围内，保持等低压涡轮排气温度控制，实施级间喷水后，随着水/气比的增加NOx降低，但降低量值明显小于保持等油门控制的情况。在保持等低压涡轮排气温度控制时，进气喷水相对级间喷水，NOx降低幅度更加明显。水的加入使燃烧产物中的NOx生成量大大降低，因此，实施进气/级间喷水，改善燃机NOx排放，减少环境污染。

图 12 NOx 变化-水/气比曲线Fig. 12 Curve of exhaust NOx augment vs water mass fraction

3 结 语

通过对25 MW燃气轮机实施进气/级间喷水的试验研究，有效改善燃气轮机性能。本文的主要结论如下：

1）实施进气/级间喷水后，均能有效的增大燃气轮机的输出功率，提高燃机效率。且随着喷水量的增加，燃机性能改善越明显。对于相同的水气比下，进气喷水的效果要好于级间喷水；

2）实施进气/级间喷水后，对高低压轴的转速影响较小，但高低压轴转速差基本呈下降趋势，且下降幅度较大；

3）实施进气/级间喷水后，可以显著改善燃气轮机NOx的排放。

[1] 董斌, 林枫, 杨正薇, 等. S-S循环燃气轮机进口喷水试验研究[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(8): 85–88.DONG Bin, LIN Feng, YANG Zheng wei, et al. Gas turbine inlet air fogging experiment study of S-S cycle[J]. Ship Science and Technology. 2010, 32(8): 85–88.

[2] WHITE A J, MEACOCK A J. Wet compression analysis including velocity slip effects[R]. Proceedings of ASME Turbo Expo 2010: June 14–18, Glasgow, UK; GT2010–23793.

[3] WAYNE R S, MICHAEL R S. The effects of wet compression on gas turbine engine operating performance[R]. Proceedings of ASME Turbo Expo 2003, June 16–19, 2003, Atlanta,Georgia, USA, GT-2003–38045.

[4] YAN Shao, QUN Zheng. The entropy and exergy analyses of wet compression gas turbine[R]; Proceedings of ASME Turbo Expo 2005: June 6–9, 2005, Reno-Tahoe, Nevada, USA;GT2005–68649.

[5] LM6000 Sprint in Service with British REC[J]. Turbo machinery International, Sep-Oct. 1998. 39(5): 24–28

[6] IRWIN STAMBLER. Spray cooling inlet and compressor flow increases hot day plant rating[J]. Gas Turbine World, 1997,(3): 37–41.

[7] THOMAS R. Inlet fogging auguments power production [J].Power Engineering, 1999, 103(2): 26–30.

[8] 李淑英, 张正一, 孙聿峰, 等. 压气机级间喷水燃气轮机的实验研究. 热能动力工程, 2002, 17(2): 143–146.LI Shu-ying, ZHANG Zheng-yi, SUN Yu-feng, et al.Experimental investigation of gas turbine compressor interstage water spray[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2002, 17(2): 143～146.

[9] 王永清, 李炳熙. 燃气轮机装置湿压缩技术的研究发展状况[J]. 热能动力工程, 2004, 19(2): 111-115, 210.WANG Yong-qing, LI Bing-xi. Present status of the research and development of wet compression technology for gas turbine power plants[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2004, 19(2): 111-115, 210.

[10] MUSTAPHA A C. Inlet fogging of gas turbine engines:experimental and analytical investigations on impaction pin fog nozzle behavior[R]. Proceedings of ASME Turbo Expo 2003,June 16–19, 2003 Atlanta, Georgia, USA, ASME GT-2003–38801.