低功率船用汽輪機(jī)功率變化過(guò)程研究

王慶生

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150046）

0 引言

與海運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，船用汽輪機(jī)中蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位，而每個(gè)蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)由大量部件組成才能安全可靠運(yùn)行。在這種蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)中，壓力給水泵是一個(gè)重要的部件，它會(huì)返回從除氧器到蒸汽發(fā)生器的水壓力（通常通過(guò)一個(gè)或多個(gè)高壓進(jìn)料熱水器），大多數(shù)情況下主高壓給水泵由低功率汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。在本文中主給水泵汽輪機(jī)（MFPT）根據(jù)能源效率和能源損耗方面渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率的變化。MFPT 是一種低功率汽輪機(jī)，MFPT 分析的主要目標(biāo)是汽輪機(jī)能效和能量的變化渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率變化期間的功率損失。測(cè)量其蒸汽運(yùn)行參數(shù)與水通過(guò)主給水泵（Main Feed Pump，MFP）的體積流量，是渦輪數(shù)值分析所必需的。在常規(guī)LNG 運(yùn)輸船上進(jìn)行多個(gè)MFPT 負(fù)載，主要特征和液化天然氣運(yùn)輸船的規(guī)格安裝推進(jìn)系統(tǒng)并分析MFPT。

在每個(gè)呈現(xiàn)的渦輪機(jī)操作點(diǎn)，渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率從最低的50 kW 以20 kW 的步長(zhǎng)變化至最大功率570 kW，期間計(jì)算能量功率損失。隨機(jī)選擇3 個(gè)渦輪機(jī)進(jìn)行操作要點(diǎn)分析，但所得出的結(jié)論對(duì)于所有其他操作點(diǎn)也是有效的。在每個(gè)操作點(diǎn)汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)的功率變化允許檢測(cè)具有最高能效的最佳渦輪機(jī)負(fù)載。渦輪機(jī)能效和能量損失與實(shí)際開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行比較。MFPT 負(fù)荷取決于當(dāng)前水質(zhì)量流量通過(guò)高壓給水泵；在能源效率方面，該渦輪機(jī)的最佳選擇是在每臺(tái)機(jī)組中始終以最高負(fù)載（570 kW）運(yùn)行觀察到的操作點(diǎn)。渦輪機(jī)能量功率損失而不是在最高渦輪負(fù)荷時(shí)最低；最低能量功率損失是在最大渦輪機(jī)功率的37%時(shí)獲得的（210 kW 時(shí)）。

1 渦輪機(jī)能量分析的兩個(gè)方程

任何蒸汽系統(tǒng)部件的能量分析由熱力學(xué)第一定律定義與能量守恒有關(guān)。質(zhì)量和能量平衡，用于穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)體積忽略勢(shì)能和動(dòng)能，能源效率可能不同形式取決于系統(tǒng)（或系統(tǒng)）的類(lèi)型如果能量分析僅針對(duì)一個(gè)組件）。

1.1 MFPT 能效和能耗損失

主給水泵汽輪機(jī)（MFPT）直接連接到使用的主給水泵，用于增加水壓并使其返回蒸汽發(fā)電機(jī)。泵的最大容量175 m3/h，輸送高度為818 m，汽輪機(jī)最大功率為570 kW。通過(guò)MFPT 的蒸汽質(zhì)量流量，是與蒸汽比焓和蒸汽一起呈現(xiàn)渦輪入口和出口處的比熵。一個(gè)重要的和主給水的測(cè)量運(yùn)行參數(shù)泵，用于計(jì)算MFPT開(kāi)發(fā)功率，即泵水體積流量。

參數(shù)h1是特定于蒸汽的汽輪機(jī)入口處的焓，h2為在真實(shí)（多變）膨脹后的渦輪機(jī)出口處的蒸汽比焓，以及蒸汽渦輪入口處的比熵s1，是由汽輪機(jī)測(cè)得的蒸汽壓力和溫度，小灣汽輪機(jī)出口處的蒸汽比焓（h2）計(jì)算所得，MFPT 開(kāi)發(fā)功率和通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量。渦輪機(jī)出口處的蒸汽比熵s2為根據(jù)汽輪機(jī)出口處的蒸汽比焓h2和渦輪機(jī)出口處的測(cè)量壓力p2計(jì)算所得。等熵蒸汽膨脹后的比焓根據(jù)渦輪機(jī)出口p2和已知蒸汽比熵在渦輪機(jī)入口s1處計(jì)算。理想等熵膨脹假設(shè)蒸汽比熵?zé)o變化。

本文中給出的完整渦輪機(jī)能量分析基于真實(shí)（多變）蒸汽的比較膨脹和理想（等熵）蒸汽膨脹。汽輪機(jī)入口處的蒸汽比焓h1，蒸汽渦輪等熵膨脹結(jié)束時(shí)的比焓和兩個(gè)蒸汽比熵（在渦輪機(jī)入口s1和出口s2）通過(guò)使用NIST REFPROP 8.0 計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算。

1.2 MFPT 開(kāi)發(fā)功率變化的原理

可使用3 種不同的方法改變開(kāi)發(fā)功率（如果蒸汽入口壓力和溫度相同假設(shè)每個(gè)汽輪機(jī)的蒸汽出口壓力相同操作點(diǎn)）：①通過(guò)MFPT 的蒸汽質(zhì)量流量變化；②蒸汽比焓值的變化汽輪機(jī)出口h2；③方法1 和方法2 的組合。在本文中，組合方法（方法3）為每個(gè)操作點(diǎn)選擇，以顯示MFPT 能效和能量功率損失。渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率從50 kW 上升至最大值570 kW，步長(zhǎng)為20 kW。功率需要改變通過(guò)渦輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量。在每個(gè)操作點(diǎn)，汽輪機(jī)入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪機(jī)出口處的壓力保持與測(cè)量值相同，計(jì)算了汽輪機(jī)出口處的蒸汽焓h2對(duì)于每個(gè)渦輪機(jī)功率和質(zhì)量流量。汽輪機(jī)出口處蒸汽焓的變化h2以及蒸汽質(zhì)量流量的變化，會(huì)導(dǎo)致MFPT 的變化能量效率和能量功率損失。

2 測(cè)量設(shè)備和測(cè)量

上述分析MFPT 測(cè)量結(jié)果，均來(lái)自現(xiàn)有安裝在MFPT 入口和出口上的測(cè)量設(shè)備以及主給水泵入口所用測(cè)量設(shè)備。所需操作的測(cè)量結(jié)果有MFPT 入口和出口的參數(shù)以及水量主給水泵入口的流量，操作點(diǎn)表示LNG 運(yùn)輸船蒸汽系統(tǒng)負(fù)載，MFPT 負(fù)載直接與蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷成比例；高壓蒸汽系統(tǒng)負(fù)載表示較高的MFPT負(fù)載，反之亦然。

3 能效和能耗損失

比較在MFPT 開(kāi)發(fā)的功率變化期間，MFPT 能源效率和能源的變化渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率變化期間的功率損失，完整分析得出的結(jié)論是渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率的降低導(dǎo)致每個(gè)操作點(diǎn)的趨勢(shì)相同。唯一的區(qū)別是操作點(diǎn)之間的渦輪機(jī)能量效率和損失的值。因此，無(wú)需在MFPT 能源效率和每個(gè)觀察到的損失操作點(diǎn)，但重要的是在至少幾個(gè)渦輪機(jī)負(fù)載顯示。

運(yùn)行點(diǎn)MFPT 的能效變化：

在開(kāi)發(fā)的功率變化過(guò)程中，觀察渦輪機(jī)負(fù)載，渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率的增加導(dǎo)致能源效率從最低提高到最高，MFPT 能量持續(xù)增加。汽輪機(jī)出口處蒸汽比焓的降低h2在從50 kW 至570 kW的功率變化期間：最低時(shí)在該操作點(diǎn)觀察到50 kW 的渦輪機(jī)功率，能源效率僅為10.63%；在最高渦輪機(jī)處獲得渦輪機(jī)能量效率開(kāi)發(fā)功率為570 kW，達(dá)到60.30%。能效變化為僅受蒸汽比焓變化的影響汽輪機(jī)產(chǎn)生功率原因的變化。

通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量的變化計(jì)算，其中渦輪機(jī)功率為蒸汽質(zhì)量流量的未知變量。多變膨脹后的蒸汽比焓h2在整個(gè)觀察到的渦輪機(jī)功率范圍內(nèi)降低，因?yàn)闇u輪功率的增加強(qiáng)度與通過(guò)渦輪MFPT 負(fù)荷與船舶蒸汽成正比系統(tǒng)負(fù)載。MFPT 能效在液化天然氣運(yùn)輸船開(kāi)采期間最大值僅占47.74%，這比可能的能效低12.56%。

MFPT 能效的變化也表明，汽輪機(jī)與大多數(shù)其他蒸汽系統(tǒng)一樣，平衡組件將獲得最高能效，在最高汽輪機(jī)（蒸汽系統(tǒng)）負(fù)荷下預(yù)計(jì)液化天然氣運(yùn)輸船的大部分運(yùn)營(yíng)。對(duì)于每個(gè)觀察到的操作點(diǎn)計(jì)算MFPT 能量功率損失。渦輪機(jī)能量功率損失受通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量以及實(shí)際多變后的蒸汽比焓膨脹h2影響最大。對(duì)于每個(gè)工作點(diǎn)，等熵后蒸汽比焓蒸汽膨脹保持不變，因?yàn)楹愣ㄆ啓C(jī)入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪出口處的壓力。MFPT 功率從50 kW 升至570 kW，連續(xù)通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量從2241.33 kg/h（50 kW 時(shí)）增加到4502.45 kg/h（570 kW），而在相同的汽輪機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)，蒸汽比連續(xù)實(shí)際多方膨脹后的焓（h2）從3335.89 kJ/kg（50 kW 時(shí)）降至2960.45 kJ/kg（570 kW 時(shí)）。這兩個(gè)變量的變化強(qiáng)度，定義了在每個(gè)觀察到的渦輪機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的功率變化。MFPT 能量功率損失的變化在渦輪機(jī)功率變化期間最低渦輪處功率為50 kW，能量功率損失最高達(dá)到420.55 kW。渦輪機(jī)功率50 kW 和210 kW，能量功率損失減少，因此在該渦輪機(jī)中蒸汽比焓降低多方膨脹h2對(duì)能量功率損失的影響大于渦輪。

MFPT 功率范圍為210～490 kW 能量功率損失增加，因此在該渦輪機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量增加對(duì)能量功率損失的影響大于多方膨脹后的蒸汽比焓h2。從490 kW 的渦輪機(jī)功率到最大值汽輪機(jī)功率570 kW，在50～210 kW 的渦輪機(jī)功率范圍內(nèi)，蒸汽質(zhì)量流量的影響通過(guò)汽輪機(jī)和蒸汽比焓能量損失的多方膨脹h2是相同的。因此在該功率范圍內(nèi)，渦輪能量功率損失減小。LNG 運(yùn)輸船開(kāi)采期間，MFPT 能量功率損失達(dá)350.35 kW，而在該運(yùn)行點(diǎn)的渦輪機(jī)最大能量效率比汽輪機(jī)（最大開(kāi)發(fā)功率為570 kW）能量功率損失達(dá)375.27 kW。MFPT 能量功率損失與渦輪機(jī)能效或LNG 運(yùn)輸船蒸汽系統(tǒng)負(fù)載，僅從MFPT 能量功率損失的觀點(diǎn)來(lái)看，渦輪機(jī)部分負(fù)載運(yùn)行將是最佳的。另一方面，在該運(yùn)行點(diǎn)的渦輪機(jī)能量功率損失最小值實(shí)現(xiàn)的渦輪機(jī)能效將低于開(kāi)采率僅為38.97%。對(duì)所有MFPT 操作點(diǎn)有效的結(jié)論是：應(yīng)決定渦輪機(jī)運(yùn)行在最小能量功率損失或最大能源效率，因?yàn)檫@兩個(gè)目標(biāo)都無(wú)法在同時(shí)用于該低功率渦輪機(jī)。大多數(shù)LNG 運(yùn)輸船在最大蒸汽系統(tǒng)下運(yùn)行，因此MFPT 生產(chǎn)商的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大能效。

4 結(jié)論

本文對(duì)MFPT 能量的持續(xù)增加效率是由蒸汽的持續(xù)減少引起的發(fā)電期間渦輪機(jī)出口的比焓（h2）進(jìn)行分析，事實(shí)上最高的能源效率將是在最高（最大）渦輪負(fù)荷下獲得的數(shù)據(jù)。對(duì)所有觀察到的渦輪機(jī)PT 能量進(jìn)行了數(shù)值分析，渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率的變化測(cè)量值在9 個(gè)不同的汽輪機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行點(diǎn)和數(shù)值分析，分為3 部分隨機(jī)選擇的操作點(diǎn)。盡管如此，結(jié)論適用于整個(gè)渦輪機(jī)工作范圍。渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率從50 kW 增加至570 kW，步長(zhǎng)為20 kW，渦輪機(jī)能效從最低到最高獲得的操作點(diǎn)。在渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)期間，獲得的能源效率顯著提高。MFPT 能量功率損失通過(guò)汽輪機(jī)和蒸汽比焓的質(zhì)量流量在多方膨脹h2之后受蒸汽影響最大。兩個(gè)變量定義了渦輪機(jī)能量損失的區(qū)域增加和減少。能源損失趨勢(shì)的變化發(fā)生在210 kW 和490 kW 的渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)功率下。在開(kāi)發(fā)時(shí)檢測(cè)到最小渦輪機(jī)能量功率損失功率210 kW，同時(shí)最大渦輪機(jī)能量功率損失在最低渦輪機(jī)負(fù)載（50 kW）下獲得，這對(duì)于整個(gè)蒸汽輪機(jī)操作范圍是有效的。通過(guò)對(duì)MFPT 的分析得出以下結(jié)論：作為其他蒸汽系統(tǒng)部件，低功率汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)不能在能量功率損失最低，但設(shè)計(jì)為在最大能量效率（在渦輪機(jī)最大負(fù)荷）。由于大多數(shù)液化天然氣運(yùn)輸船的運(yùn)行預(yù)期在最高負(fù)載下，所有LNG 船蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)組件是以最高的速度獲得最高的效率。