燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置在水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 前言

為了提高蒸汽動力循環(huán)的熱效率并節(jié)約燃料，采取了提高蒸汽初參數(shù)，降低排汽壓力和改進循環(huán)方式。如：給水回熱、蒸汽中間再熱等方法[1,2]。這些方法都獲得了一定的成效，但也存在不少困難，如蒸汽動力裝置的系統(tǒng)變得更為復雜和龐大，同時增加了設(shè)備的投資和管理費用等。

近幾十年來，燃氣輪機的不斷完善促進了動力工業(yè)的發(fā)展，燃氣輪機不僅在航空工業(yè)上廣為應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴大到陸電站和艦船動力裝置上[3-5]。燃氣輪機是利用燃氣動能做功的熱力原動機。燃氣輪機裝置包括三個主要設(shè)備，即壓氣機、燃燒室、渦輪[6]。

燃氣輪機的結(jié)構(gòu)和工作原理與汽輪機相似。燃氣輪機不需要鍋爐等許多設(shè)備，控制簡單，啟動快[7]，其所使用的工質(zhì)壓力較低。空氣從大氣中進入壓氣機，在壓氣機中升高壓力后進入燃燒室，同時，燃料由燃料泵壓入燃料室，并在燃燒室中燃燒，燃燒生成的高溫燃氣進入燃氣輪機經(jīng)噴管降低壓力，產(chǎn)生高速氣流沖動葉片，從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)而做功。做功后的廢氣再排向大氣。單獨的燃氣輪機循環(huán)，其熱效率相對較低，同時其余熱量均損失在排氣中。燃氣輪機裝置具有外形尺寸小、重量輕，啟動迅速，可組裝性以及輔機系統(tǒng)簡單等特點。但是，燃氣輪機裝置熱效率低和排氣溫度高依然是一項顯著的缺點。

1 艦船燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置

從熱力循環(huán)可知，熱力循環(huán)效率取決于吸熱溫度和放熱溫度。提高吸熱溫度，降低放熱溫度，都能提高循環(huán)效率。對蒸汽動力裝置而言，由于受到材料的限制，蒸汽的初始溫度較難提升，但終壓可以降到很低，相應(yīng)的終溫也很低。燃氣輪機動力裝置工質(zhì)的初溫卻可以很高（例如，第二代LM2500型燃氣輪機工質(zhì)的初溫為1 170℃，第三代LM2500型燃氣輪機工質(zhì)的初溫為1 350℃，而排氣壓力略高于大氣壓力，排氣溫度仍高達400～525℃。換言之，大量的高溫燃氣排入大氣中，形成巨大的排氣損失。據(jù)統(tǒng)計，按開式簡單循環(huán)工作的燃氣輪機裝置的排氣熱能損失，約占其消耗總熱能的62%，甚至會更多些，這部分熱能在燃氣輪機裝置中無法利用。為了充分利用燃氣輪機的排氣熱能，結(jié)合燃氣輪機高初溫和汽輪機低終溫的特點，出現(xiàn)了燃氣輪機和汽輪機的聯(lián)合動力裝置，簡稱燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置，用COGAS表示。顯然，這種組合的聯(lián)合動力循環(huán)可以進一步提高循環(huán)熱效率。

采用聯(lián)合動力裝置后，由于在燃氣輪機排氣道中設(shè)置了余熱鍋爐并且增加了排氣阻力，使渦輪膨脹比減小，致使燃氣輪機的效率降低，但燃氣輪機損失的功率不到5%，因此，聯(lián)合動力裝置經(jīng)濟性的提高仍然是十分可觀的。

根據(jù)相關(guān)研究，聯(lián)合動力裝置的效率可達30%～50%，比簡單燃氣循環(huán)約增加10%，即聯(lián)合動力裝置效率可在簡單燃氣循環(huán)效率的基礎(chǔ)上增值10%。

聯(lián)合動力裝置中的汽輪機功率與燃氣輪機功率的比值約為20%～50%[8，9]，即采用聯(lián)合動力裝置后動力裝置的功率較原有簡單循環(huán)燃氣輪機裝置的功率增加了1/5～1/2。如果在余熱鍋爐中進行補燃，則汽輪機功率還能進一步提高。從這些數(shù)字可見，用燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置的方式，利用燃氣輪機的排氣余熱使熱經(jīng)濟性得到很大的改善。然而，引入蒸汽動力裝置，不可避免地帶來造價高，重量、尺寸大，復雜化等不利因素，因此必須從技術(shù)經(jīng)濟上全面加以衡量。

2 燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置的類型及其應(yīng)用與發(fā)展

在燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置中，燃氣和蒸汽兩種工質(zhì)在整個循環(huán)中存在著一定聯(lián)系。燃氣輪機的排氣作為余熱鍋爐內(nèi)的熱源，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機做功，也可作為加熱或生活用汽[10]。燃氣輪機和汽輪機都輸出功率，它們可通過共用的減速齒輪向外輸出推進功率。這種裝置被稱為燃氣輪機-汽輪機聯(lián)合動力裝置，簡稱燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置，用COGAS表示。還有一種汽輪機和燃氣輪機聯(lián)合起來組成的聯(lián)合動力裝置，稱為汽輪機-燃氣輪機聯(lián)合動力裝置，簡稱蒸汽-燃氣聯(lián)合動力裝置，可用COSAG表示。在這種形式的聯(lián)合動力裝置中，蒸汽和燃氣兩種工質(zhì)在整個循環(huán)中沒有聯(lián)系，汽輪機和燃氣輪機只在機械上有聯(lián)系（如齒輪箱），汽輪機通常輸出基本功率。當需要更大的功率時才將燃氣輪機裝置投入工作，燃氣輪機是作為增速機組使用的。本文主要討論具有較好發(fā)展前景的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置型式。這種聯(lián)合動力裝置付諸實施時可能采用的方案很多，本文僅對帶增壓燃燒鍋爐，帶余熱鍋爐和帶前置式燃氣輪機的三種燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置，進行分析討論。

2.1 帶增壓燃燒鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置及其應(yīng)用與發(fā)展

最早期的增壓燃燒鍋爐是在上世紀30年代末由瑞士B.B.C公司建造的韋洛克斯增壓燃燒鍋爐（VeLox）。韋洛克斯鍋爐為強制循環(huán)，煙氣由管內(nèi)流過。燃氣輪機的功率除消耗于壓氣機外，剩余功率可輸出到船舶推進器上[11]。

大氣中的空氣被壓氣機吸入[12]，在其中壓縮后送入增壓鍋爐的爐膛[13]，與燃油混合后燃燒，既產(chǎn)生高溫燃氣，又產(chǎn)生高溫蒸汽。前者進入燃氣輪機做功，其排氣經(jīng)過煙氣給水加熱器后排入大氣中；后者進入汽輪機做功，其排汽在冷凝器內(nèi)凝結(jié)成水，被水泵抽至煙氣給水加熱器加熱后進入增壓鍋爐[14，15]。在此類聯(lián)合動力裝置中，輸出功率以汽輪機為主，燃氣輪機主要用來帶動壓氣機，多余的功率用來帶動螺旋槳。一般燃氣輪機輸出的功率只占總功率的10%～15%左右。

帶增壓燃燒鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置有下列優(yōu)點：

1）效率高。這是采用聯(lián)合動力裝置的一個主要原因。此類裝置能充分利用燃氣輪機的高溫性和汽輪機所能達到的低溫性，而且可采用和普通蒸汽動力裝置相同的過量空氣系數(shù)，排煙損失小。根據(jù)陸用資料，此類聯(lián)合動力裝置較同參數(shù)的汽輪機動力裝置可節(jié)省燃料約12%～15%，而較燃氣輪機裝置節(jié)省15%～20%。

2）單位重量減輕，因而金屬材料消耗少，造價低。此優(yōu)點是采用增壓燃燒鍋爐的一個很主要的原因。由于爐膛壓力高，燃燒加劇，溫度升高，輻射強烈，增壓鍋爐的爐膛熱負荷大幅增加，爐膛容積顯著減少。同時，增壓鍋爐的煙氣速度很高，達到200～300 m/s，使傳熱系數(shù)增加，對流受熱面減少。由于以上原因，增壓鍋爐較普通鍋爐輕巧，按一般資料，增壓鍋爐的重量約為普通鍋爐的1/4～1/2。另外，對整個裝置而言，燃氣輪機輸出一部分功率，且燃氣輪機中的壓氣機代替了鼓風機組向鍋爐送風，同時裝置中燃氣輪機重量輕，體積小，使整個聯(lián)合動力裝置的重量進一步降低。因此，可以相應(yīng)增加船舶的載貨量和載貨艙容積，或者增加船舶的續(xù)航力。

3）工作機動性能好。由于采用增壓鍋爐，產(chǎn)汽時間大幅縮短，使聯(lián)合動力裝置很快就能投入工作。此類聯(lián)合動力裝置從冷態(tài)至全負荷運行需要的時間約12～13 min，緊急時只需3～5 min，而普通鍋爐則需要2～4 h左右。

4）變負荷時效率較穩(wěn)定，在很大程度上是由于增壓鍋爐變負荷時效率的穩(wěn)定性所決定的。

5）聯(lián)合動力裝置具有汽輪機裝置所擁有的優(yōu)點，如運轉(zhuǎn)均勻、噪音振動小等。可靠性和壽命方面，以在運行的聯(lián)合動力裝置而言，已證明了聯(lián)合動力裝置的壽命與汽輪機裝置相近。一些具有韋洛克斯增壓鍋爐的聯(lián)合動力裝置的運行也證明其可靠性。聯(lián)合動力裝置中的燃氣輪機基本上介于低溫范圍，壽命大于普通單純?nèi)細廨啓C裝置，某些聯(lián)合動力裝置的電站長期運行也可以說明聯(lián)合動力裝置的可靠性。

此聯(lián)合動力裝置的主要缺點是燃料的適應(yīng)性差，僅能燃燒優(yōu)質(zhì)燃油或氣體燃料。另外，此聯(lián)合動力裝置比單一的汽輪機或燃氣輪機裝置復雜，增加了管理和維修工作的困難。

2.2 帶余熱鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置及其應(yīng)用與發(fā)展

聯(lián)合動力裝置是由兩套聯(lián)合動力裝置所組成的船舶動力裝置。以燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置為例，每套聯(lián)合動力裝置通過共用的減速齒輪將燃氣輪機和汽輪機在機械上聯(lián)系起來，一起向外輸出功率，帶動螺旋槳。它是以燃氣輪機輸出的功率為主。

為了使整個聯(lián)合動力裝置布置緊湊，燃氣輪機和汽輪機可以布置在減速齒輪大齒輪的兩側(cè)，也可以布置在同一側(cè)；廢氣鍋爐可以布置在燃氣輪機出口上方，也可以布置在燃氣輪機旁或減速齒輪的上方；汽輪機裝置中某些輔機和設(shè)備布置在機艙底部或上部空間。

燃氣輪機的排氣進入余熱鍋爐的爐膛，作為產(chǎn)生蒸汽的熱源，然后排入大氣中。余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽在汽輪機內(nèi)做功后排入凝汽器，凝結(jié)后的凝水被凝水泵抽至除氧器內(nèi)加熱并除氧。然后，再被增壓泵和給水泵抽出，送入鍋爐內(nèi)。除氧器的加熱蒸汽是從汽輪機抽出的蒸汽[16-20]。這種聯(lián)合動力裝置中汽輪機裝置實質(zhì)上是利用燃氣輪機排氣余熱做功的裝置。帶余熱鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置具有以下優(yōu)點[21]：

1）效率高。由于回收燃氣輪機的部分排氣熱能，使聯(lián)合動力裝置的耗油率降低20%～25%左右，輸出功率增加25%～30%左右。

2）變負荷下工作性能好。燃氣輪機裝置在變負荷下工作時效率顯著降低，而在此類聯(lián)合動力裝置中，可將燃氣輪機損失的排氣熱能部分地加以回收，通過汽輪機轉(zhuǎn)變成機械功。燃氣輪機在變負荷下工作，偏離額定工況越大，汽輪機發(fā)出的功率在整個聯(lián)合動力裝置總功率中所占的比重越大。由此，使整個聯(lián)合動力裝置在變負荷下工作的性能得到改善。

3）聯(lián)合動力裝置功率范圍大。由于燃氣輪機的研制周期長，制造成本高，因此，其型式和功率分檔數(shù)較少。與汽輪機組成聯(lián)合動力裝置時，同一型式的燃氣輪機可以和不同型式的余熱鍋爐、汽輪機聯(lián)合起來組成不同功率的聯(lián)合動力裝置，可以滿足各種功率的船舶推進要求。另外，具有單位重量輕，相對尺寸小，工作可靠，使用壽命長和制造成本較低等優(yōu)點。此類聯(lián)合動力裝置的主要缺點是燃料的適應(yīng)性差和裝置復雜。對這類聯(lián)合動力裝置，如何更多地回收燃氣輪機的排氣余熱，目前仍然是令人很感興趣的一個課題。

2.3 帶補燃型余熱鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置及其應(yīng)用與發(fā)展

帶補燃型余熱鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置是將燃氣輪機的排氣通入蒸汽鍋爐中再燃燒，具有補充燃燒的補燃型余熱鍋爐。帶補燃型余熱鍋爐的燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置與上一種型式相比僅增加—整套燃油供應(yīng)設(shè)備和幾臺燃燒器。考慮到燃氣輪機的排氣中含有大量的剩余空氣，其含氧量相當于普通空氣含氧量的80%左右。因此，在余熱鍋爐中，可以利用這部分剩余空氣進行補充燃燒，提高燃氣的溫度，使蒸汽溫度隨之提高，并使蒸汽在汽輪機內(nèi)繼續(xù)做功，從而增加聯(lián)合動力裝置的總功率。此類聯(lián)合動力裝置具有下列優(yōu)點：

1）不僅工作效率較高，而且聯(lián)合動力裝置的總功率也較高。此類聯(lián)合動力裝置的總功率比前一種聯(lián)合動力裝置高，雖然其有效效率比上一種聯(lián)合動力裝置稍低，但高于同參數(shù)的蒸汽動力裝置。

2）運行比較靈活，裝置聯(lián)合或單獨運行均可。為使汽輪機、燃氣輪機都能實現(xiàn)單獨運行，鍋爐裝有備用送風機，燃氣輪機設(shè)有排氣煙囪。無論是燃氣輪機還是汽輪機發(fā)生故障，另一套正常的熱機仍能獨立工作，輸出一定的功率。若燃氣輪機裝置發(fā)生故障，汽輪機動力裝置由于余熱鍋爐有一整套燃油供應(yīng)設(shè)備和燃燒器，仍能繼續(xù)工作；若汽輪機裝置發(fā)生故障，燃氣輪機裝置也能繼續(xù)工作。此時由于余熱鍋爐處于“干燒”狀態(tài)，必須將排煙溫度限制在一定溫度以下。

3）聯(lián)合動力裝置的功率范圍還可以進一步提升，但這種聯(lián)合動力裝置的主要缺點是裝置較復雜，給管理帶來困難[22]。

3 結(jié)論與展望

總體而言，上述三種聯(lián)合動力裝置型式中，不論哪一種型式都提高了動力裝置的熱經(jīng)濟性，聯(lián)合動力裝置在艦艇上也是一種主要的艦用動力裝置型式。

在常規(guī)的汽輪機與燃氣輪機動力裝置基礎(chǔ)上，燃氣-蒸汽聯(lián)合動力裝置得以不斷發(fā)展，并實現(xiàn)了充分優(yōu)化。目前，這種動力裝置的應(yīng)用已日益廣泛。隨著此類動力裝置的發(fā)展，在艦船動力及陸用發(fā)電領(lǐng)域中，將會起到更大的作用。