低功率船用汽轮机功率变化过程研究

王庆生

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150046）

0 引言

与海运发动机不同，船用汽轮机中蒸汽推进系统占主导地位，而每个蒸汽推进系统由大量部件组成才能安全可靠运行。在这种蒸汽推进系统中，压力给水泵是一个重要的部件，它会返回从除氧器到蒸汽发生器的水压力（通常通过一个或多个高压进料热水器），大多数情况下主高压给水泵由低功率汽轮机驱动。在本文中主给水泵汽轮机（MFPT）根据能源效率和能源损耗方面涡轮机开发功率的变化。MFPT 是一种低功率汽轮机，MFPT 分析的主要目标是汽轮机能效和能量的变化涡轮机开发功率变化期间的功率损失。测量其蒸汽运行参数与水通过主给水泵（Main Feed Pump，MFP）的体积流量，是涡轮数值分析所必需的。在常规LNG 运输船上进行多个MFPT 负载，主要特征和液化天然气运输船的规格安装推进系统并分析MFPT。

在每个呈现的涡轮机操作点，涡轮机开发功率从最低的50 kW 以20 kW 的步长变化至最大功率570 kW，期间计算能量功率损失。随机选择3 个涡轮机进行操作要点分析，但所得出的结论对于所有其他操作点也是有效的。在每个操作点汽轮机开发的功率变化允许检测具有最高能效的最佳涡轮机负载。涡轮机能效和能量损失与实际开发情况进行比较。MFPT 负荷取决于当前水质量流量通过高压给水泵；在能源效率方面，该涡轮机的最佳选择是在每台机组中始终以最高负载（570 kW）运行观察到的操作点。涡轮机能量功率损失而不是在最高涡轮负荷时最低；最低能量功率损失是在最大涡轮机功率的37%时获得的（210 kW 时）。

1 涡轮机能量分析的两个方程

任何蒸汽系统部件的能量分析由热力学第一定律定义与能量守恒有关。质量和能量平衡，用于稳态标准体积忽略势能和动能，能源效率可能不同形式取决于系统（或系统）的类型如果能量分析仅针对一个组件）。

1.1 MFPT 能效和能耗损失

主给水泵汽轮机（MFPT）直接连接到使用的主给水泵，用于增加水压并使其返回蒸汽发电机。泵的最大容量175 m3/h，输送高度为818 m，汽轮机最大功率为570 kW。通过MFPT 的蒸汽质量流量，是与蒸汽比焓和蒸汽一起呈现涡轮入口和出口处的比熵。一个重要的和主给水的测量运行参数泵，用于计算MFPT开发功率，即泵水体积流量。

参数h1是特定于蒸汽的汽轮机入口处的焓，h2为在真实（多变）膨胀后的涡轮机出口处的蒸汽比焓，以及蒸汽涡轮入口处的比熵s1，是由汽轮机测得的蒸汽压力和温度，小湾汽轮机出口处的蒸汽比焓（h2）计算所得，MFPT 开发功率和通过汽轮机的蒸汽质量流量。涡轮机出口处的蒸汽比熵s2为根据汽轮机出口处的蒸汽比焓h2和涡轮机出口处的测量压力p2计算所得。等熵蒸汽膨胀后的比焓根据涡轮机出口p2和已知蒸汽比熵在涡轮机入口s1处计算。理想等熵膨胀假设蒸汽比熵无变化。

本文中给出的完整涡轮机能量分析基于真实（多变）蒸汽的比较膨胀和理想（等熵）蒸汽膨胀。汽轮机入口处的蒸汽比焓h1，蒸汽涡轮等熵膨胀结束时的比焓和两个蒸汽比熵（在涡轮机入口s1和出口s2）通过使用NIST REFPROP 8.0 计算软件来计算。

1.2 MFPT 开发功率变化的原理

可使用3 种不同的方法改变开发功率（如果蒸汽入口压力和温度相同假设每个汽轮机的蒸汽出口压力相同操作点）：①通过MFPT 的蒸汽质量流量变化；②蒸汽比焓值的变化汽轮机出口h2；③方法1 和方法2 的组合。在本文中，组合方法（方法3）为每个操作点选择，以显示MFPT 能效和能量功率损失。涡轮机开发功率从50 kW 上升至最大值570 kW，步长为20 kW。功率需要改变通过涡轮机的蒸汽质量流量。在每个操作点，汽轮机入口的蒸汽压力和温度以及蒸汽涡轮机出口处的压力保持与测量值相同，计算了汽轮机出口处的蒸汽焓h2对于每个涡轮机功率和质量流量。汽轮机出口处蒸汽焓的变化h2以及蒸汽质量流量的变化，会导致MFPT 的变化能量效率和能量功率损失。

2 测量设备和测量

上述分析MFPT 测量结果，均来自现有安装在MFPT 入口和出口上的测量设备以及主给水泵入口所用测量设备。所需操作的测量结果有MFPT 入口和出口的参数以及水量主给水泵入口的流量，操作点表示LNG 运输船蒸汽系统负载，MFPT 负载直接与蒸汽系统负荷成比例；高压蒸汽系统负载表示较高的MFPT负载，反之亦然。

3 能效和能耗损失

比较在MFPT 开发的功率变化期间，MFPT 能源效率和能源的变化涡轮机产生的功率变化期间的功率损失，完整分析得出的结论是涡轮机开发功率的降低导致每个操作点的趋势相同。唯一的区别是操作点之间的涡轮机能量效率和损失的值。因此，无需在MFPT 能源效率和每个观察到的损失操作点，但重要的是在至少几个涡轮机负载显示。

运行点MFPT 的能效变化：

在开发的功率变化过程中，观察涡轮机负载，涡轮机开发功率的增加导致能源效率从最低提高到最高，MFPT 能量持续增加。汽轮机出口处蒸汽比焓的降低h2在从50 kW 至570 kW的功率变化期间：最低时在该操作点观察到50 kW 的涡轮机功率，能源效率仅为10.63%；在最高涡轮机处获得涡轮机能量效率开发功率为570 kW，达到60.30%。能效变化为仅受蒸汽比焓变化的影响汽轮机产生功率原因的变化。

通过汽轮机的蒸汽质量流量的变化计算，其中涡轮机功率为蒸汽质量流量的未知变量。多变膨胀后的蒸汽比焓h2在整个观察到的涡轮机功率范围内降低，因为涡轮功率的增加强度与通过涡轮MFPT 负荷与船舶蒸汽成正比系统负载。MFPT 能效在液化天然气运输船开采期间最大值仅占47.74%，这比可能的能效低12.56%。

MFPT 能效的变化也表明，汽轮机与大多数其他蒸汽系统一样，平衡组件将获得最高能效，在最高汽轮机（蒸汽系统）负荷下预计液化天然气运输船的大部分运营。对于每个观察到的操作点计算MFPT 能量功率损失。涡轮机能量功率损失受通过汽轮机的蒸汽质量流量以及实际多变后的蒸汽比焓膨胀h2影响最大。对于每个工作点，等熵后蒸汽比焓蒸汽膨胀保持不变，因为恒定汽轮机入口的蒸汽压力和温度以及蒸汽涡轮出口处的压力。MFPT 功率从50 kW 升至570 kW，连续通过汽轮机的蒸汽质量流量从2241.33 kg/h（50 kW 时）增加到4502.45 kg/h（570 kW），而在相同的汽轮机负荷范围内，蒸汽比连续实际多方膨胀后的焓（h2）从3335.89 kJ/kg（50 kW 时）降至2960.45 kJ/kg（570 kW 时）。这两个变量的变化强度，定义了在每个观察到的涡轮机运行点的功率变化。MFPT 能量功率损失的变化在涡轮机功率变化期间最低涡轮处功率为50 kW，能量功率损失最高达到420.55 kW。涡轮机功率50 kW 和210 kW，能量功率损失减少，因此在该涡轮机中蒸汽比焓降低多方膨胀h2对能量功率损失的影响大于涡轮。

MFPT 功率范围为210～490 kW 能量功率损失增加，因此在该涡轮机运行时通过汽轮机的蒸汽质量流量增加对能量功率损失的影响大于多方膨胀后的蒸汽比焓h2。从490 kW 的涡轮机功率到最大值汽轮机功率570 kW，在50～210 kW 的涡轮机功率范围内，蒸汽质量流量的影响通过汽轮机和蒸汽比焓能量损失的多方膨胀h2是相同的。因此在该功率范围内，涡轮能量功率损失减小。LNG 运输船开采期间，MFPT 能量功率损失达350.35 kW，而在该运行点的涡轮机最大能量效率比汽轮机（最大开发功率为570 kW）能量功率损失达375.27 kW。MFPT 能量功率损失与涡轮机能效或LNG 运输船蒸汽系统负载，仅从MFPT 能量功率损失的观点来看，涡轮机部分负载运行将是最佳的。另一方面，在该运行点的涡轮机能量功率损失最小值实现的涡轮机能效将低于开采率仅为38.97%。对所有MFPT 操作点有效的结论是：应决定涡轮机运行在最小能量功率损失或最大能源效率，因为这两个目标都无法在同时用于该低功率涡轮机。大多数LNG 运输船在最大蒸汽系统下运行，因此MFPT 生产商的目标是实现最大能效。

4 结论

本文对MFPT 能量的持续增加效率是由蒸汽的持续减少引起的发电期间涡轮机出口的比焓（h2）进行分析，事实上最高的能源效率将是在最高（最大）涡轮负荷下获得的数据。对所有观察到的涡轮机PT 能量进行了数值分析，涡轮机开发功率的变化测量值在9 个不同的汽轮机运行中进行点和数值分析，分为3 部分随机选择的操作点。尽管如此，结论适用于整个涡轮机工作范围。涡轮机开发功率从50 kW 增加至570 kW，步长为20 kW，涡轮机能效从最低到最高获得的操作点。在涡轮机开发期间，获得的能源效率显著提高。MFPT 能量功率损失通过汽轮机和蒸汽比焓的质量流量在多方膨胀h2之后受蒸汽影响最大。两个变量定义了涡轮机能量损失的区域增加和减少。能源损失趋势的变化发生在210 kW 和490 kW 的涡轮机开发功率下。在开发时检测到最小涡轮机能量功率损失功率210 kW，同时最大涡轮机能量功率损失在最低涡轮机负载（50 kW）下获得，这对于整个蒸汽轮机操作范围是有效的。通过对MFPT 的分析得出以下结论：作为其他蒸汽系统部件，低功率汽轮机的设计不能在能量功率损失最低，但设计为在最大能量效率（在涡轮机最大负荷）。由于大多数液化天然气运输船的运行预期在最高负载下，所有LNG 船蒸汽系统的设计目标组件是以最高的速度获得最高的效率。