使用Mg+CO2無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合的閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置

李大鵬，王臻

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使用Mg+CO2無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合的閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置

李大鵬1，王臻2

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院, 武漢 430033；2.海軍大連艦艇學(xué)院外訓(xùn)系, 遼寧大連 112600)

外熱源式AIP裝置使用無氣體產(chǎn)生燃料，可從根本上解決AIP裝置燃燒產(chǎn)物氣體排放問題，大幅度提高AIP潛艇隱蔽性。提出了使用Mg和CO2無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合的閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置，裝置主要由Mg粉和CO2儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)等2 個(gè)子系統(tǒng)組成，對系統(tǒng)運(yùn)行和構(gòu)成，以及存在的主要技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究。

無氣體產(chǎn)生燃料 閉式循環(huán)汽輪機(jī) AIP裝置 Mg CO2

0 引言

對于外熱源式AIP裝置，燃燒和做功在不同設(shè)備中進(jìn)行，因此可使用多種類型燃料，其中，以碳?xì)淙剂希绮裼?，最為方便和?jīng)濟(jì)，但為保持潛艇隱蔽性，燃燒生成的氣體產(chǎn)物排放是個(gè)難題[1]。

可利用Mg與CO2作為無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合，利用其反應(yīng)放出熱量，作為閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP裝置熱源，反應(yīng)無氣體產(chǎn)生，反應(yīng)產(chǎn)物可在艇上儲(chǔ)存，可徹底解決氣體反應(yīng)產(chǎn)物排放問題，大幅提高潛艇隱蔽性。

1 Mg與CO2放熱反應(yīng)

Mg加工成粉末狀顆粒，當(dāng)壓力、CO2濃度升高到一定程度時(shí)，Mg粉顆粒著火燃燒。Mg粉在CO2中的燃燒是氣相燃燒[2,3,4]。燃燒過程中，表面和空間反應(yīng)并存，燃燒產(chǎn)物為MgO和CO，CO會(huì)進(jìn)一步與Mg反應(yīng)生成MgO和C，這兩種燃燒產(chǎn)物為固體爐渣。

Mg+CO2無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑的性質(zhì)見表1。

CO2的儲(chǔ)存與制備技術(shù)非常成熟，可在潛艇上安全使用。應(yīng)注意的是，Mg粉與CO2燃燒的二次反應(yīng)產(chǎn)物中，包括有CO。在潛艇環(huán)境這樣的封閉空間內(nèi)，CO的泄露與擴(kuò)散具有很大危險(xiǎn)。可將CO采取燃燒的方式消耗掉，且燃燒放出熱量可利用，這就需要潛艇自帶O2。潛艇條件下O2儲(chǔ)存和使用不存在任何問題。

使用Mg+CO2的無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑組合的閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置，主要由Mg粉和CO2儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)等2 個(gè)子系統(tǒng)組成。

2 Mg粉和CO2儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)

Mg以粉末狀在潛艇上儲(chǔ)存，Mg粉具有一定的流動(dòng)性。Mg粉可直接向企業(yè)采購。Mg粉裝載、清空、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，遵守相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使用惰性氣體或CO2保護(hù)進(jìn)行。

Mg粉儲(chǔ)存在燃料柜中，由氣力輸送系統(tǒng)供應(yīng)給閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置燃燒室。

Mg粉應(yīng)能在密閉的燃料柜內(nèi)長期和安全儲(chǔ)存，采用負(fù)壓儲(chǔ)存方案，從而避免火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，且燃料不會(huì)老化。為此，使用CO2充填儲(chǔ)存箱，以起到保護(hù)作用。負(fù)壓由真空泵產(chǎn)生。

Mg粉的流化效果直接影響燃燒性能，從而影響閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置性能。采用負(fù)壓氣力輸送方案，真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，可有效保證Mg向艙室中泄露，避免火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。

輸送給閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置燃燒室的Mg粉濃度應(yīng)穩(wěn)定且均勻，以保證燃燒室中燃燒的穩(wěn)定性、提高燃燒室燃燒效率和保證其使用壽命。

輸送的Mg粉流量應(yīng)可調(diào)節(jié)，能夠保持穩(wěn)定工況下的流量穩(wěn)定，同時(shí)滿足閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置的啟動(dòng)和停止、穩(wěn)定運(yùn)行、工況和功率變換的要求。為此，設(shè)立Mg粉流量調(diào)節(jié)裝置。

潛艇使用條件下，CO2以液態(tài)形式儲(chǔ)存在氣瓶中，經(jīng)減壓后氣化，供給到Mg粉輸送回路，并與Mg粉一并進(jìn)入燃燒室。另有支路分別通Mg粉燃料柜、Mg粉儲(chǔ)存箱和燃燒室。

Mg粉和CO2儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)見圖1。

3 閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)

閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)采用雙回路形式，分別為加熱回路和蒸汽動(dòng)力裝置回路。見圖2。

在加熱回路中，Mg粉與CO2在燃燒室中燃燒放出大量熱量，并被加熱回路載熱劑帶走。載熱劑可采用惰性氣體。

為防止燃燒生成的氣固兩相混合燃燒產(chǎn)物進(jìn)入分離器，對燃燒產(chǎn)物進(jìn)行凈化處理，以除去固態(tài)燃燒產(chǎn)物，固態(tài)燃燒產(chǎn)物進(jìn)入爐渣熱量回收器。

爐渣熱量可回收利用。在爐渣熱量回收器中，加熱蒸汽動(dòng)力裝置回路的給水。爐渣最終進(jìn)入爐渣收集箱。

加熱回路載熱劑進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，加熱蒸汽動(dòng)力裝置回路的工質(zhì)—水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，做功后的乏汽在冷凝器中被冷凝成水，由給水泵打回蒸汽發(fā)生器，構(gòu)成一個(gè)完整的蒸汽動(dòng)力裝置回路。

主冷凝器使用海水冷卻。汽輪給水泵的汽輪機(jī)耗汽直接來自蒸汽發(fā)生器，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)；也可使用電動(dòng)給水泵。

Mg粉供應(yīng)直接影響燃燒室中的燃燒，并進(jìn)一步影響AIP裝置總體性能。Mg粉與CO2燃燒可采用多種形式，可采用分層燃燒、沸騰層狀燃燒、直接流動(dòng)氣流或包圍氣流中燃燒。燃燒需使用非常規(guī)設(shè)備，可使用多種型式的燃燒室。此類設(shè)備的制造可能需要非常規(guī)的技術(shù)加工手段，可借助計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)行研究。

4 小結(jié)

使用Mg和CO2作為閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置的無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑，可從根本上解決AIP裝置燃燒產(chǎn)物氣體排放問題，大幅度提高AIP潛艇隱蔽性，具有良好的應(yīng)用前景。

在潛艇條件下，使用Mg和CO2燃燒反應(yīng)放出熱量，作為閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置熱源，不存在不可克服的困難。其中，Mg粉供應(yīng)是技術(shù)難點(diǎn)。

[1] 張曉東, 李大鵬. 閉式循環(huán)氣輪機(jī)裝置使用的無氣體產(chǎn)生燃料[J]. 能源研究與信息, 2012，28(2): 120-124.

[2] 劉晶如, 羅運(yùn)軍. 固體推進(jìn)劑用金屬燃燒劑的研究及應(yīng)用[J]. 化學(xué)推進(jìn)與高分子材料, 2007，5(4): 6-9.

[3] 黃序, 羅智勛, 黃利亞, 胡建新. 氧化性氣氛中鎂顆粒燃燒特性研究進(jìn)展[J]. 含能材料,2013，21(3): 379-386.

[4] 黃利亞. Mg粉基水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒過程與燃燒組織方法研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

Closed-cycle Steam Turbine Plants Working with Mg and CO2 as No-gas Generation Fuel and Oxidant

Li Dapeng1，Wang Zhen2

(1. Naval university of engineering, Wuhan 430033, Hubei , China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian 112600, Liaoning , China)

U664

A

1003-4862（2015）01-0045-03

2014-06-05

教育部第47批歸國留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金，教外司留（2013）第1792號(hào)。

李大鵬（1972-），男，博士后。研究方向：艦船動(dòng)力裝置。