船用燃氣-蒸汽聯合動力裝置技術特點及未來發展研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

提高經濟性，減少重量尺寸，減少金屬材料消耗以及降低造價是船舶動力裝置發展的主要方面[1]，這對陸用的發電裝置而言同樣如此[2-4]，提高動力裝置的經濟性，即熱能如何最有效利用往往是動力工程師們所最關心的問題。

在船舶裝置中提高經濟性，除了本身的經濟意義外還影響到船舶的其他性能，在一定的燃料供應量下，提高經濟性可以增大船舶的航程。或者在一定的航程下可以減少燃料的消耗量，從而增加船舶的載貨量。減少重量尺寸對船舶動力裝置來說就較為重要，特別是近代船舶航速都有所增加，因而功率也會相應增大。然而船舶的有效空間、重量尺寸不能不受到限制，否則就會影響船舶的其他性能。減少金屬材料消耗，減低造價具有重要意義。減少金屬材料消耗是與降低重量尺寸分不開的。從以上這些發展方面來考慮，一方面可改進已有型式的動力裝置，另一方面要大力發展和采用符合這些發展方向的新型動力裝置。

1 燃氣-蒸汽聯合動力裝置

對于燃氣輪機裝置來說，重量、尺寸和金屬消耗都較其他裝置更優。然而燃氣輪機效率的提高主要取決于進口溫度和回熱度，但是金屬材料的耐高溫性限制了進口溫度的提高，因而燃氣輪機裝置的過量空氣系數比蒸汽動力裝置要大好幾倍，因而其排煙損失也顯著增加?；責岫鹊奶岣呖墒寡b置效率提高，但卻帶來回熱器重量尺寸的劇烈增加。當回熱度顯著提升時，裝置效率增加緩慢而重量尺寸卻劇烈增加，因此憑借回熱度的增加來提高效率是有限的。這一切都使燃氣輪機裝置效率受到了限制。

對于燃氣輪機動力裝置而言，現代用以提高經濟性的主要途徑是提高燃氣參數和采用高效率的熱力循環，但是當初壓提升到一定程度時循環效率增加緩慢，且引起金屬材料的大量消耗，重量造價及復雜性都增加，提高初溫則會受到材料耐溫性的限制，因而初溫也不能無限制地提高，而且壓力和溫度有一定關系，所以用提高參數來提高效率引起的困難也相對較多。但是蒸汽動力循環的重要特點是允許有較低的循環下限參數，這一點在提高經濟性方面是非常重要的[5]。

采用性能優越的設備能顯著提高裝置的經濟性，但是這會使裝置復雜化，而且一個設計良好的動力裝置都已充分利用了這些有利因素。但是在蒸汽動力裝置中，過去的研究大部分集中在改善蒸汽工質循環上[6]。然而，對于任何一個蒸汽動力裝置而言，就其工質循環狀況來分析，有蒸汽-水和空氣-燃氣工質循環2部分。在空氣-燃氣循環上加以改善，同樣也會提高整個裝置的經濟性。在這方面，過去和現在確實也進行了許多工作，如加裝空氣再熱器及省煤器等。但在今天，燃氣輪機技術的飛躍發展，為改善蒸汽動力裝置中的循環特征提供了新的途徑。

從上文所述，單純的蒸汽動力裝置的重要優點是具有較低的循環下限參數。初參數的提高會引起較多的弊端，而燃氣輪機裝置則相反，其排煙溫度較高，這是一個重大的缺陷，而燃氣初參數的提高，雖然也存在某些具體困難，如耐熱合金鋼強度限制等，但相比蒸汽動力裝置而言，總是更易于解決，溫度也可較蒸汽循環高一些[7]。因此如果按照某種熱力循環方式，將它們聯合起來，就必然可在熱力性能上相互取長補短，提高整個裝置的經濟性。此外，聯合循環還提高了整個裝置的輸出功率，因而便有燃氣-蒸汽聯合循環的出現。這種循環利用了燃氣的高溫性，使循環的進熱溫度提高，且又充分利用了蒸汽部分的低溫性，所以只要聯合循環中燃氣部分的溫度比蒸汽動力裝置高，效果總是在的。而且在聯合動力裝置中的最高溫度發生在鍋爐中[8-9]，這和普通蒸汽動力裝置一樣，因此過量空氣系數也和普通鍋爐相似，而避免了燃氣輪機裝置的排氣中含有大量未燃燒過的空氣。在重量尺度和金屬消耗方面，雖然存在著2個裝置，但是由于出力增加和燃氣輪機部分的輕巧，所以根據已建成的燃氣-蒸汽聯合裝置的數據來看還是比單純蒸汽動力裝置更低。

1929年瑞士B.B.C公司制造了具有凡洛克斯鍋爐的動力裝置，并引起了世界各國的關注。由于燃氣-蒸汽聯合裝置的優點很多，其能很大程度上滿足對動力裝置的要求，因而引起了動力界的注意。很明顯，聯合動力裝置是陸用和船用動力裝置的一個發展方向。

2 燃氣-蒸汽聯合動力裝置的分類及其技術特點

燃氣-蒸汽聯合動力裝置可利用燃氣輪機廢氣產生蒸汽，并與燃氣混合驅動燃氣輪機，或者將其與燃氣混合入燃氣輪機作功。這種聯合動力裝置能提高燃氣輪機熱效率，減少空氣流量，并冷卻高溫燃氣，但是由于這種聯合動力裝置消耗的水量少，因而在船用條件下應慎重考慮。

2.1 帶有增壓燃燒鍋爐的燃氣-蒸汽聯合動力裝置

最早的燃燒鍋爐是1929年瑞士公司（B.B.C）所建造的凡洛克斯增壓燃燒鍋爐（Velox）。這也就是最早的帶有增壓燃燒鍋爐的聯合動力裝置，凡洛克斯鍋爐為強烈循環，煙氣自管內流過，其廢氣燃氣輪機的功率基本上消耗于壓氣機，而沒有剩余功輸出。現在增壓鍋爐已有很大發展，結構上已有很大改進，而且為了進一步提高裝置的效率和增大出力，燃氣輪機的功率除了消耗在壓氣機外，其剩余功可輸出，或帶動發電機，或傳給螺旋槳。

這種聯合動力裝置的優點如下。

（1）效率高，這是采用聯合動力裝置的一個主要原因，這種裝置能充分利用了燃氣的高溫性和蒸汽所能達到的低溫性，而且這種裝置可采用和普通蒸汽動力裝置一樣的過量空氣系數，所以排煙損失也相對較小。

（2）單位重量尺寸小，因此金屬材料消耗少，造價低。這個優點是采用增壓燃燒鍋爐的一個重要原因。對整個裝置來說，由于聯合動力裝置用了燃氣輪機代替汽輪機發出一部分功率，以及燃氣輪機壓氣機組代替了鼓風機組向鍋爐送風，這樣在裝置中就發揮了燃氣輪機重量輕體積小的特點。由于重量尺寸減少了，載貨量及載貨容積便會相應增加。

至于金屬材料的消耗，與重量尺寸有關，裝置的重量尺寸減少，則材料消能少，進而降低造價。但是由于聯合動力裝置中的某些部件承受的溫度較高，需采用較好的金屬材料，這就影響了造價。

（3）操縱性能好。主要表現在升汽時間短，動力裝置能很快投入運行，這是由于增壓鍋爐的熱負荷高，煙氣速度大，再加上水容量小，并且采用了強烈循環，因而一般只需數分鐘就能從冷態到全負荷。而一般的船用燃油水管鍋爐從冷態到全負荷需要數小時左右。就變負荷性能來說，聯合動力裝置在變負荷時效率較穩定，這在很大程度上是由增壓鍋爐變負荷時效率的穩定性所決定。

除了以上這些優點之外，它還擁有汽輪機裝置所擁有的優點，如運轉均勻。與柴油機裝置相比，其噪音振動較小，可靠性和壽命方面根據一些已在運行的聯合動力裝置得到了證明。其壽命與汽輪機裝置相近，一些船用的具有凡洛克斯增壓鍋爐的聯合動力裝置的運行也證明了其可靠性。聯合動力裝置中的燃氣輪機基本上屬于低溫范圍，壽命要比普通單純燃氣輪機裝置更長。

從以上的優點來看，聯合動力裝置在船舶上得到了廣泛的應用。但是不能否認，這種聯合動力裝置還有些缺點，因而妨礙了它目前在陸地上和船舶上的廣泛發展。這些缺點如下。

（1）聯合動力裝置比較復雜。因為它包括了蒸汽和燃氣2套裝置，這使得維護、檢修及管理都增加了困難。況且這種裝置熱負荷高，對輪機人員的要求也相對較高。

（2）操縱調節復雜。由于存在2套裝置和更多的系統，增加了控制調節對象，而且相互關聯的環節也特別多，這些都會使操縱調節復雜化，況且熱負荷高的裝置要求操縱調節要更為可靠。

（3）更傾向于燃用液體和氣體燃料。燃燒固體燃料相對較少，而且燃用較差的液體燃料時，燃氣輪機的進口溫度不宜太高，以免葉片腐蝕。所以燃料問題的限制也是這種裝置的一個很大的缺點。雖然聯合動力裝置存在以上這些缺點，但是隨著科學技術水平的提高，這些困難一定可以克服。

2.2 帶有前置式燃氣輪機的燃氣-蒸汽聯合動力裝置

這種聯合動力裝置是用燃氣輪機的廢氣通入蒸汽鍋爐中進行再燃燒。也就是在蒸汽鍋爐中利用燃氣輪機廢氣中大量的空氣再加入燃料進行燃燒。亦有這樣的聯合動力裝置，即燃氣輪機的廢氣通入廢氣鍋爐而不附加燃燒或通過燃氣輪機廢氣來加熱給水，這樣裝置能收回一部分廢氣的熱量，但效果不顯著，排煙損失仍很大，且廢氣鍋爐的參數受到限制。其工作過程如下，由壓氣機把空氣壓縮后通入燃燒室與燃料混合燃燒，高溫燃氣通入燃氣輪機作功。燃氣輪機剩余功用于帶動發電機。燃氣輪機廢氣排入鍋爐，由于燃氣輪機廢氣中含有大量空氣。廢氣中的含氧量相當于空氣中的含氧量的80%左右。故在蒸汽鍋爐中可加入燃料而無需再補充空氣。在鍋爐中產生蒸汽通入汽輪機做功，至于蒸汽部分的主做功過程與蒸汽動力裝置相同。

這種聯合動力裝置的優點。（1）效率比單純的蒸汽動力裝置及燃氣輪機裝置高。這種裝置亦能充分利用燃氣的高溫性和燃氣所能達到的低溫性，避去了單純燃氣輪機排煙損失大的缺點，而廢氣中大量的廢熱及空氣能得到收回，而且省去了鼓風機的消耗。（2）單位重量和尺寸較蒸汽動力裝置小，這是由于省掉了鍋爐鼓風設備，并發揮了燃氣輪機重量輕體積小的特點，但是其重量尺寸比帶有增壓鍋爐的聯合動力裝置更大。（3）單位功率的造價一般比蒸汽動力裝置低。（4）蒸汽鍋爐完全可用固體燃料，這是這種裝置的一項重要優點。

這種聯合動力裝置的缺點。（1）比單純的汽輪機或燃氣輪機裝置復雜，因為它包括蒸汽和燃氣2套動力裝置，對維護、檢修及管理都增加了困難。（2）操縱控制復雜，因為增加了控制調節對象，致使操縱控制復雜化。（3）燃氣輪機裝置燃燒固體燃料還在試驗研究階段，而且燃用較差的液體燃料還存在困難，如燃用低質液體燃料燃氣進口溫度不宜太高以免葉片腐觸。

該類聯合動力裝置的效率與燃氣輪機的進口溫度有關，但是由于受葉片材料的限制，其溫度不能過高。如果采用了確定的材料，燃氣進口溫度也就相對確定下來。所以從效率最高的觀點來看，一定功率的燃氣輪機必需配上一定功率的汽輪機，燃氣輪機與汽輪機之間有一定的效率比例。

2.3 帶有空氣輪機的蒸汽空氣聯合動力裝置

這種聯合動力裝置除了效率較單純的汽輪機或燃氣輪機裝置更高之外，主要的優點是能全部使用固體燃料，所以這種型式的聯合動力裝置也具有一定的發展前途。

這種聯合動力裝置的工作過程如下?？諝鈴膲簹鈾C出來后進入空氣加熱器中加熱，將空氣的溫度提高。這個空氣加熱器是放在蒸汽鍋爐內，故這時的鍋爐亦稱蒸汽-空氣鍋爐。熱空氣從空氣加熱器中出來進入空氣輪機做功，其排氣入鍋爐作為燃燒空氣，蒸汽部分的主作功過程與蒸汽動力裝置相同。

這種型式聯合動力裝置的優點。

（1）效率比單純的蒸汽或燃氣輪機裝置高，原因和前2種相同。

（2）能夠完全采用固體燃料，符合我國的燃料政策。這是前2種聯合動力裝置所不能比擬的。

（3）在空氣輪機系統內是空氣或其他非腐蝕性工質而不是燃氣，所以不會產生葉片的腐觸，因而壽命長，而且長期運轉后效率不會大幅降低。

這種聯合動力裝置的最大缺點是空氣鍋爐的體積極為龐大，而且空氣加熱器在鋪爐中的布置也較困難。因此在船用條件下就必需加以考慮。

3 結論與展望

世界各先進工業國家已有一些電路燃氣-蒸汽聯合動力裝置在運行，并且證明效果良好。業界普遍認為，燃氣-蒸汽聯合動力裝置對國民經濟的發展具有重大意義，在電站、船舶上以及其他領域中采用這種裝置能有效地降低燃料消耗量和金屬材料消耗，它開辟了動力裝置新的發展途徑，并被認為有必要迅速在國民經濟部門中實現這種裝置。

燃氣-蒸汽聯合動力裝置在船上使用有很大的前景，通過在船舶上使用聯合動力裝置，可有效降低營運費用，增大載重量，增加貨倉容積。

從上文看出，燃氣-蒸汽聯合動力裝置在營運費用方面不但比汽輪機裝置更優越，并且由于柴油機裝置，在運營費用中，最主要的是燃料費，雖然燃氣-蒸汽聯合動力裝置的燃料費比柴油機裝置更大，主要原因是柴油機效率更高[10]，但如果在較大功率的情況下，裝置效率還可提高。在重量和尺度方面，聯合動力裝置更占絕對優勢。

從以上的介紹中，可以很明顯地看出，燃氣-蒸汽聯合動力裝置對船舶而言是一種很有前景的動力裝置，它能很大程度滿足對船舶動力裝置提出的要求。當然，聯合動力裝置在現階段還有些缺點亟待克服，但是可以預料到，隨著科學技術的發展，燃氣-蒸汽聯合動力裝置將會大量應用在船舶上。