某型燃氣輪機離線水洗后性能恢復試驗研究

方一格,征建生,張再峰

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214000)

某型燃氣輪機長期在海洋環(huán)境下運行，機組面臨進口空氣高含鹽量的影響[1]。燃氣輪機葉片等部件在高速、高壓、濕度大和高含鹽量空氣的沖刷下會發(fā)生磨損腐蝕，葉片表面粗糙度增大，改變了葉片表面流場分布，葉片表面附面層增大。燃氣輪機進氣流量、壓氣機壓比、效率等性能也隨之改變[2]。

目前國內(nèi)外大部分研究均針對燃氣輪機壓氣機葉片表面積垢的影響。Borell等發(fā)現(xiàn)壓氣機葉片積垢主要集中在葉片前緣、壓力面50%葉高處及吸力面50%葉高以下部位[3]。Diakunchak通過某型工業(yè)燃氣輪機性能試驗，發(fā)現(xiàn)積垢會使得壓氣機進氣流量降低5%，壓氣機效率降低1.8%，造成燃氣輪機功率下降約7%，熱耗率提升2.5%[4]。Syverud等人通過試驗發(fā)現(xiàn)壓氣機靜葉積垢后粗糙度增大程度是動葉的兩倍[5-6]。葉片表面粗糙度的變化引起流動分離與堵塞，從而使得壓氣機性能下降[7-8]。壓氣機葉片葉尖間隙的變化也是導致壓氣機性能衰退的原因之一[9-10]。

為了使燃氣輪機性能恢復就須要定期進行檢修，目前主要要有清洗、維修、替換等檢修手段。但由于經(jīng)濟成本，維修和替換只有在燃氣輪機到達修理壽命以及出現(xiàn)必須檢修的情況時采用，水洗成為燃氣輪機日常維護的重要手段。目前針對水洗對燃氣輪機性能恢復程度的研究較少，李東等針對壓氣機性能衰退和清洗恢復情況進行了仿真研究[11]。

本文基于鹽霧環(huán)境下燃氣輪機加速腐蝕整機性能試驗臺，對燃氣輪機進行周期性水洗，對比燃氣輪機清洗效果，探索離線水洗對燃氣輪機性能恢復的影響規(guī)律。

1 試驗裝置

1.1 試驗臺系統(tǒng)

某型三軸燃氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪及動力渦輪等六個部分組成。低壓壓氣機與高壓壓氣機主要從進氣室引進空氣，壓縮后提供給燃燒室。燃燒室將燃料與高壓空氣混合后燃燒，高溫燃氣在高壓渦輪和低壓渦輪處膨脹做功，并帶動高壓壓氣機與低壓壓氣機。動力渦輪受高溫燃氣作用，將燃氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能。

燃氣輪機陸基試驗臺如圖1所示，主要包含進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、燃油增壓系統(tǒng)、鹽霧發(fā)生裝置、離線水洗裝置等。鹽溶液由鹽霧發(fā)生裝置液化后經(jīng)進氣管送到燃氣輪機進口處，與進口空氣混合，一同進入燃氣輪機。水力測功器用于測量并吸收燃氣輪機產(chǎn)生的軸功。離線水洗裝置在低壓壓氣機入口與高壓壓氣機入口分別設置有進口，用于噴灑清洗液與清水。

圖1 燃氣輪機陸基試驗臺系統(tǒng)示意圖

本次采用的鹽溶液成分如表1所示，一個運行周期在進口空氣中共計加入12.5 L鹽溶液，含鹽量1 030 g。

表1 加速腐蝕試驗鹽溶液成分(每1 000 mL)

1.2 試驗測量系統(tǒng)

測量的燃氣輪機參數(shù)包括：大氣壓力、進口空氣總壓、進口空氣溫度、高壓后空氣總壓、高壓后空氣溫度、燃氣輪機功率、燃油流量、高低壓轉(zhuǎn)速等。

圖2為試驗測量系統(tǒng)示意圖，試驗臺進氣道附近設置測量裝置用于測量大氣壓和大氣溫度，燃氣輪機進口截面設置總壓測量探針測量進口空氣總壓，進氣管道壁面處設置靜壓測量孔測量靜壓。燃氣輪機磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量低壓壓氣機轉(zhuǎn)速和高壓壓氣機轉(zhuǎn)速，安裝總壓測量探針測量高壓壓氣機后空氣總壓和溫度測量探針。陸基試驗臺采用水力測功器測量燃氣輪機輸出功率。在燃油供給系統(tǒng)布置有體積流量計，測量燃氣輪機燃油流量。

圖2 測量系統(tǒng)示意圖

2 試驗結果分析

燃氣輪機按照圖譜進行各工況運行，運行期間根據(jù)工況調(diào)整在燃氣輪機進氣中加入不同的鹽霧量，實時模擬海洋環(huán)境條件下進氣。一個運行周期由n個圖譜構成，一個運行周期結束后對燃氣輪機進行性能測量,隨后進行離線水洗，離線水洗后對燃氣輪機再次進行性能測量。這樣就可以得到一個運行周期后燃氣輪機水洗前和水洗后的性能。水洗后的性能測量結束后，燃氣輪機開始圖譜運行，再次轉(zhuǎn)入正常運行周期。

將機組運行參數(shù)折合至標準大氣環(huán)境下(大氣壓101 325 Pa、溫度27 ℃)，計算分析水洗前后燃氣輪機各項性能變化。旋轉(zhuǎn)部件性能衰退是造成燃氣輪機性能下降的主要原因，其中壓氣機相比較渦輪的影響更大。因此本文主要分析離線水洗對壓氣機性能和燃氣輪機整體性能的影響。

以下各圖橫坐標為燃油當量，是每個工況下燃油流量與額定工況燃油流量的比值，縱坐標為水洗后性能參數(shù)與水洗前同一參數(shù)的相對變化率。

2.1 壓氣機性能分析

2.1.1 進口空氣流量

圖3為燃氣輪機三次離線水洗對壓氣機進口空氣流量的影響。離線水洗燃氣輪機進口空氣流量均得到提升，且隨著燃氣輪機工況升高，進口空氣流量相對變化率也逐漸擴大。三次水洗結果相對比較來看，第一次水洗后進口空氣流量可以得到較大的提高，最大提高2.09%。隨后兩次的水洗則分別最大提高1.55%和1.31%，相比較第一次離線水洗，后兩次進氣流量相對變化率有一定的跌落，低燃油流量時，離線水洗效果接近，高燃油流量時，水洗效果產(chǎn)生的差距逐漸加大。后兩次水洗相對變化率較為接近。

圖3 離線水洗對進氣流量的影響

2.1.2 壓氣機增壓比

圖4為燃氣輪機三次離線水洗對壓氣機增壓比的影響。離線水洗可以去除壓氣機表面形成的鹽漬，降低了葉片表面粗糙度，壓氣機增壓比均得到一定的增大。燃氣輪機全工況比較，隨著工況的升高，增壓比相對變化率呈現(xiàn)增大的趨勢，燃油當量大于0.9后，增壓比相對變化率呈下降趨勢。額定工況下，三次水洗增壓比分別提高1.46%、1.43%和1.24%。相對比較來看，三次離線水洗對壓氣機增壓比提高的作用逐漸減弱。

圖4 離線水洗對壓氣機增壓比的影響

2.1.3 壓氣機效率

圖5為燃氣輪機三次離線水洗對壓氣機效率的影響。離線水洗后壓氣機效率均得到有效提升，且水洗對壓氣機效率提升的作用愈加明顯。隨著燃氣輪機運行時間的增長，壓氣機葉片積垢逐漸增加，雖然水洗清除部分葉片表面附著鹽，但葉片表面仍會有部分殘留，水洗前壓氣機效率衰減較多，水洗后恢復的程度也相應擴大。燃油當量小于0.4以及大于0.6時，壓氣機效率相對變化率較高；燃油當量0.5左右時，壓氣機效率提升較低。燃油當量0.9左右時，三次水洗壓氣機效率相對變化率達到峰值，依次為2.68%、2.99%和3.19%。額定工況下，三次離線水洗壓氣機效率分別提高2.28%、2.52%和2.64%。

圖5 離線水洗對壓氣機效率的影響

2.2 燃氣輪機性能分析

2.2.1 燃氣輪機功率

圖6為燃氣輪機三次離線水洗對燃氣輪機功率的影響。離線水洗后燃氣輪機功率提高0.5%～1.5%，并且在低燃油當量及高燃油當量時燃氣輪機功率變化幅度較大。燃氣輪機燃油當量小于0.4時，三次離線水洗作用接近。燃油當量大于0.5后，第一次離線水洗對功率提升幅度較為明顯，且后兩次離線水洗在高工況時作用相似。額定工況下，三次離線水洗燃氣輪機功率分別提高1.61%、1.12%和1.00%。

圖6 離線水洗對燃氣輪機功率的影響

2.2.2 燃氣輪機效率

圖7為燃氣輪機三次離線水洗對燃氣輪機效率的影響。離線水洗后燃氣輪機效率提高0.2%～1.8%，并且在低工況及高工況時燃氣輪機效率變化幅度較大。同時比較三次離線水洗可以發(fā)現(xiàn)，離線水洗對燃氣輪機效率的提升程度逐漸降低，且第二次和第三次離線水洗后燃氣輪機效率變化程度接近。額定工況下，三次離線水洗壓氣機效率分別提高1.41%、0.72%和0.68%。

圖7 離線水洗對燃氣輪機效率的影響

3 結論

對鹽霧加速腐蝕試驗后的燃氣輪機進行離線水洗，測量并計算離線水洗前后性能，分析比較三次離線水洗對燃氣輪機各性能參數(shù)的影響，得出以下結論：

1)離線水洗后，壓氣機進氣流量、壓氣機增壓比、壓氣機效率、燃氣輪機功率和燃氣輪機效率均得到有效提升。三次離線水洗對壓氣機效率提升的程度逐漸增強，對進氣流量、壓氣機增壓比、燃氣輪機功率和燃氣輪機效率影響則逐漸減弱。

2)燃氣輪機全工況范圍比較單次離線水洗作用，壓氣機效率、燃氣輪機功率和燃氣輪機效率在燃油當量0.5左右提升程度最低，而進氣流量及壓氣機壓比則隨著工況的升高，提升程度呈現(xiàn)上升趨勢。額定工況下三次離線水洗壓氣機效率平均提升2.48%，燃氣輪機效率平均提升0.94%。

3)比較三次離校水洗對燃氣輪機各性能的影響，第二次和第三次離線水洗提升程度較為接近。