燃气-蒸汽联合动力装置在水面舰船领域的应用与发展

2021-12-05伍赛特

上海节能 2021年10期

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 前言

为了提高蒸汽动力循环的热效率并节约燃料，采取了提高蒸汽初参数，降低排汽压力和改进循环方式。如：给水回热、蒸汽中间再热等方法[1,2]。这些方法都获得了一定的成效，但也存在不少困难，如蒸汽动力装置的系统变得更为复杂和庞大，同时增加了设备的投资和管理费用等。

近几十年来，燃气轮机的不断完善促进了动力工业的发展，燃气轮机不仅在航空工业上广为应用，其应用领域也逐步扩大到陆电站和舰船动力装置上[3-5]。燃气轮机是利用燃气动能做功的热力原动机。燃气轮机装置包括三个主要设备，即压气机、燃烧室、涡轮[6]。

燃气轮机的结构和工作原理与汽轮机相似。燃气轮机不需要锅炉等许多设备，控制简单，启动快[7]，其所使用的工质压力较低。空气从大气中进入压气机，在压气机中升高压力后进入燃烧室，同时，燃料由燃料泵压入燃料室，并在燃烧室中燃烧，燃烧生成的高温燃气进入燃气轮机经喷管降低压力，产生高速气流冲动叶片，从而推动叶轮旋转而做功。做功后的废气再排向大气。单独的燃气轮机循环，其热效率相对较低，同时其余热量均损失在排气中。燃气轮机装置具有外形尺寸小、重量轻，启动迅速，可组装性以及辅机系统简单等特点。但是，燃气轮机装置热效率低和排气温度高依然是一项显著的缺点。

1 舰船燃气-蒸汽联合动力装置

从热力循环可知，热力循环效率取决于吸热温度和放热温度。提高吸热温度，降低放热温度，都能提高循环效率。对蒸汽动力装置而言，由于受到材料的限制，蒸汽的初始温度较难提升，但终压可以降到很低，相应的终温也很低。燃气轮机动力装置工质的初温却可以很高（例如，第二代LM2500型燃气轮机工质的初温为1 170℃，第三代LM2500型燃气轮机工质的初温为1 350℃，而排气压力略高于大气压力，排气温度仍高达400～525℃。换言之，大量的高温燃气排入大气中，形成巨大的排气损失。据统计，按开式简单循环工作的燃气轮机装置的排气热能损失，约占其消耗总热能的62%，甚至会更多些，这部分热能在燃气轮机装置中无法利用。为了充分利用燃气轮机的排气热能，结合燃气轮机高初温和汽轮机低终温的特点，出现了燃气轮机和汽轮机的联合动力装置，简称燃气-蒸汽联合动力装置，用COGAS表示。显然，这种组合的联合动力循环可以进一步提高循环热效率。

采用联合动力装置后，由于在燃气轮机排气道中设置了余热锅炉并且增加了排气阻力，使涡轮膨胀比减小，致使燃气轮机的效率降低，但燃气轮机损失的功率不到5%，因此，联合动力装置经济性的提高仍然是十分可观的。

根据相关研究，联合动力装置的效率可达30%～50%，比简单燃气循环约增加10%，即联合动力装置效率可在简单燃气循环效率的基础上增值10%。

联合动力装置中的汽轮机功率与燃气轮机功率的比值约为20%～50%[8，9]，即采用联合动力装置后动力装置的功率较原有简单循环燃气轮机装置的功率增加了1/5～1/2。如果在余热锅炉中进行补燃，则汽轮机功率还能进一步提高。从这些数字可见，用燃气-蒸汽联合动力装置的方式，利用燃气轮机的排气余热使热经济性得到很大的改善。然而，引入蒸汽动力装置，不可避免地带来造价高，重量、尺寸大，复杂化等不利因素，因此必须从技术经济上全面加以衡量。

2 燃气-蒸汽联合动力装置的类型及其应用与发展

在燃气-蒸汽联合动力装置中，燃气和蒸汽两种工质在整个循环中存在着一定联系。燃气轮机的排气作为余热锅炉内的热源，余热锅炉产生的蒸汽进入汽轮机做功，也可作为加热或生活用汽[10]。燃气轮机和汽轮机都输出功率，它们可通过共用的减速齿轮向外输出推进功率。这种装置被称为燃气轮机-汽轮机联合动力装置，简称燃气-蒸汽联合动力装置，用COGAS表示。还有一种汽轮机和燃气轮机联合起来组成的联合动力装置，称为汽轮机-燃气轮机联合动力装置，简称蒸汽-燃气联合动力装置，可用COSAG表示。在这种形式的联合动力装置中，蒸汽和燃气两种工质在整个循环中没有联系，汽轮机和燃气轮机只在机械上有联系（如齿轮箱），汽轮机通常输出基本功率。当需要更大的功率时才将燃气轮机装置投入工作，燃气轮机是作为增速机组使用的。本文主要讨论具有较好发展前景的燃气-蒸汽联合动力装置型式。这种联合动力装置付诸实施时可能采用的方案很多，本文仅对带增压燃烧锅炉，带余热锅炉和带前置式燃气轮机的三种燃气-蒸汽联合动力装置，进行分析讨论。

2.1 带增压燃烧锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置及其应用与发展

最早期的增压燃烧锅炉是在上世纪30年代末由瑞士B.B.C公司建造的韦洛克斯增压燃烧锅炉（VeLox）。韦洛克斯锅炉为强制循环，烟气由管内流过。燃气轮机的功率除消耗于压气机外，剩余功率可输出到船舶推进器上[11]。

大气中的空气被压气机吸入[12]，在其中压缩后送入增压锅炉的炉膛[13]，与燃油混合后燃烧，既产生高温燃气，又产生高温蒸汽。前者进入燃气轮机做功，其排气经过烟气给水加热器后排入大气中；后者进入汽轮机做功，其排汽在冷凝器内凝结成水，被水泵抽至烟气给水加热器加热后进入增压锅炉[14，15]。在此类联合动力装置中，输出功率以汽轮机为主，燃气轮机主要用来带动压气机，多余的功率用来带动螺旋桨。一般燃气轮机输出的功率只占总功率的10%～15%左右。

带增压燃烧锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置有下列优点：

1）效率高。这是采用联合动力装置的一个主要原因。此类装置能充分利用燃气轮机的高温性和汽轮机所能达到的低温性，而且可采用和普通蒸汽动力装置相同的过量空气系数，排烟损失小。根据陆用资料，此类联合动力装置较同参数的汽轮机动力装置可节省燃料约12%～15%，而较燃气轮机装置节省15%～20%。

2）单位重量减轻，因而金属材料消耗少，造价低。此优点是采用增压燃烧锅炉的一个很主要的原因。由于炉膛压力高，燃烧加剧，温度升高，辐射强烈，增压锅炉的炉膛热负荷大幅增加，炉膛容积显著减少。同时，增压锅炉的烟气速度很高，达到200～300 m/s，使传热系数增加，对流受热面减少。由于以上原因，增压锅炉较普通锅炉轻巧，按一般资料，增压锅炉的重量约为普通锅炉的1/4～1/2。另外，对整个装置而言，燃气轮机输出一部分功率，且燃气轮机中的压气机代替了鼓风机组向锅炉送风，同时装置中燃气轮机重量轻，体积小，使整个联合动力装置的重量进一步降低。因此，可以相应增加船舶的载货量和载货舱容积，或者增加船舶的续航力。

3）工作机动性能好。由于采用增压锅炉，产汽时间大幅缩短，使联合动力装置很快就能投入工作。此类联合动力装置从冷态至全负荷运行需要的时间约12～13 min，紧急时只需3～5 min，而普通锅炉则需要2～4 h左右。

4）变负荷时效率较稳定，在很大程度上是由于增压锅炉变负荷时效率的稳定性所决定的。

5）联合动力装置具有汽轮机装置所拥有的优点，如运转均匀、噪音振动小等。可靠性和寿命方面，以在运行的联合动力装置而言，已证明了联合动力装置的寿命与汽轮机装置相近。一些具有韦洛克斯增压锅炉的联合动力装置的运行也证明其可靠性。联合动力装置中的燃气轮机基本上介于低温范围，寿命大于普通单纯燃气轮机装置，某些联合动力装置的电站长期运行也可以说明联合动力装置的可靠性。

此联合动力装置的主要缺点是燃料的适应性差，仅能燃烧优质燃油或气体燃料。另外，此联合动力装置比单一的汽轮机或燃气轮机装置复杂，增加了管理和维修工作的困难。

2.2 带余热锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置及其应用与发展

联合动力装置是由两套联合动力装置所组成的船舶动力装置。以燃气-蒸汽联合动力装置为例，每套联合动力装置通过共用的减速齿轮将燃气轮机和汽轮机在机械上联系起来，一起向外输出功率，带动螺旋桨。它是以燃气轮机输出的功率为主。

为了使整个联合动力装置布置紧凑，燃气轮机和汽轮机可以布置在减速齿轮大齿轮的两侧，也可以布置在同一侧；废气锅炉可以布置在燃气轮机出口上方，也可以布置在燃气轮机旁或减速齿轮的上方；汽轮机装置中某些辅机和设备布置在机舱底部或上部空间。

燃气轮机的排气进入余热锅炉的炉膛，作为产生蒸汽的热源，然后排入大气中。余热锅炉产生的过热蒸汽在汽轮机内做功后排入凝汽器，凝结后的凝水被凝水泵抽至除氧器内加热并除氧。然后，再被增压泵和给水泵抽出，送入锅炉内。除氧器的加热蒸汽是从汽轮机抽出的蒸汽[16-20]。这种联合动力装置中汽轮机装置实质上是利用燃气轮机排气余热做功的装置。带余热锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置具有以下优点[21]：

1）效率高。由于回收燃气轮机的部分排气热能，使联合动力装置的耗油率降低20%～25%左右，输出功率增加25%～30%左右。

2）变负荷下工作性能好。燃气轮机装置在变负荷下工作时效率显著降低，而在此类联合动力装置中，可将燃气轮机损失的排气热能部分地加以回收，通过汽轮机转变成机械功。燃气轮机在变负荷下工作，偏离额定工况越大，汽轮机发出的功率在整个联合动力装置总功率中所占的比重越大。由此，使整个联合动力装置在变负荷下工作的性能得到改善。

3）联合动力装置功率范围大。由于燃气轮机的研制周期长，制造成本高，因此，其型式和功率分档数较少。与汽轮机组成联合动力装置时，同一型式的燃气轮机可以和不同型式的余热锅炉、汽轮机联合起来组成不同功率的联合动力装置，可以满足各种功率的船舶推进要求。另外，具有单位重量轻，相对尺寸小，工作可靠，使用寿命长和制造成本较低等优点。此类联合动力装置的主要缺点是燃料的适应性差和装置复杂。对这类联合动力装置，如何更多地回收燃气轮机的排气余热，目前仍然是令人很感兴趣的一个课题。

2.3 带补燃型余热锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置及其应用与发展

带补燃型余热锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置是将燃气轮机的排气通入蒸汽锅炉中再燃烧，具有补充燃烧的补燃型余热锅炉。带补燃型余热锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置与上一种型式相比仅增加—整套燃油供应设备和几台燃烧器。考虑到燃气轮机的排气中含有大量的剩余空气，其含氧量相当于普通空气含氧量的80%左右。因此，在余热锅炉中，可以利用这部分剩余空气进行补充燃烧，提高燃气的温度，使蒸汽温度随之提高，并使蒸汽在汽轮机内继续做功，从而增加联合动力装置的总功率。此类联合动力装置具有下列优点：

1）不仅工作效率较高，而且联合动力装置的总功率也较高。此类联合动力装置的总功率比前一种联合动力装置高，虽然其有效效率比上一种联合动力装置稍低，但高于同参数的蒸汽动力装置。

2）运行比较灵活，装置联合或单独运行均可。为使汽轮机、燃气轮机都能实现单独运行，锅炉装有备用送风机，燃气轮机设有排气烟囱。无论是燃气轮机还是汽轮机发生故障，另一套正常的热机仍能独立工作，输出一定的功率。若燃气轮机装置发生故障，汽轮机动力装置由于余热锅炉有一整套燃油供应设备和燃烧器，仍能继续工作；若汽轮机装置发生故障，燃气轮机装置也能继续工作。此时由于余热锅炉处于“干烧”状态，必须将排烟温度限制在一定温度以下。

3）联合动力装置的功率范围还可以进一步提升，但这种联合动力装置的主要缺点是装置较复杂，给管理带来困难[22]。