燃气轮机的湿空气循环性能分析与试验

翁史烈，蒲 强，卫琛喻，葛 冰，臧述升，惠 宇，王玉璋

（上海交通大学机械与动力工程学院，动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

燃气轮机采用湿空气涡轮（Humid Air Turbine，HAT）循环可以充分利用循环中余热，提高燃机的热效率，由于余热的回收其回热器的换热面积远小于蒸汽余热锅炉中的蒸发段的换热面积，因此与燃气—蒸汽复合循环及主蒸汽循环（STIG）相比，设备的成本可以大幅降低。

HAT循环装置采用空气加湿的方法可以提高燃机的比功，而且空气加湿燃烧还可以减少NOX的排放。由于HAT循环可在不改变涡轮初温和压比下提高其比功及效率，这种在成熟的技术基础上获得的性能改善，更值得人们关注。因此20世纪80年代日本Y.Mori教授提出这种循环后，立即受到一些国际大公司的关注，继而投入大量资金进行研究开发［1］。瑞典的LUND理工学院与皇家理工学院共同搭建了第一台600 kW的微型燃气轮机试验台（该试验台基于VT 600Volvo的单轴燃气轮机），并利用试验台对饱和器、大湿度燃烧室的运行进行了研究，得到了许多宝贵的试验数据资料。其后又与英国的纽卡斯尔大学合作，采用了人工神经网络对该试验台的稳态运行工况进行了模拟，模拟结果与试验结果很好吻合［2－3］。

目前，有关HAT循环装置的研究工作已经不再局限在对大型燃气轮机的HAT循环结构以及性能的分析和优化，以微型和小型燃气轮机为基础的HAT循环装置，研究开发工作也引起行业内的广泛关注。

上海交通大学对HAT循环系统从理论到实验，进行了长期的研究工作，对湿化过程中的湿空气热物性、饱和器的传热、传质机理及系统试验开展了深入的研究，并通过实际系统试验得出了HAT循环装置性能机理性试验结果，本文将简单介绍这些研究工作和成果。

1 湿化复合工质的热物性

假设湿空气气相是蒸汽、氧气和氮气组成的混合气体，混合气体的状态方程满足RK方程：

式中：p，T和v分别为混合气体的压力、温度和体积；R为气体常数；a和b为常数。

1.1 湿空气相平衡方程及饱和湿量

空气—水系统是各种状态空气和水混合物的统称：其中的气相是水蒸气、氮气、氧气和少量其他气体组成的混合气体（通常称为湿空气）；液相是溶解了少量氮、氧和其他气体的水溶液。通常，空气—水系统中的气、液两相总是同时存在相互转化，当气相和液相之间的质量传递达到平衡时，相平衡方程就是饱和状态的控制方程：

式中：TV和TL分别为空气—水系统中气相和液相的温度；pV和pL分别为系统中气相和液相的压力；和分别为第i组分气相和液相逸度。

前面两个方程表示相平衡时气、液两相温度和压力都相等，第三个方程表示两相间的质量传递相等，处于传质平衡状态。

1.2 湿空气焓和熵

湿空气的焓、熵、定压比热等热力学参数，可以利用余函数修正方法计算。该方法是在理想气体考虑温度对状态参数影响的基础上，进一步考虑压力的影响，通过实际气体状态方程导出修正余函数实现的。

湿空气的焓：

湿空气的熵：

可以看到，采用RK方程作为状态方程时，热力学状态参数的计算表达式清楚地分为基本项和余项两部分。RK方程可以用来计算水蒸气的热物性，令水蒸气的摩尔浓度YH2O为1；氮和氧的摩尔组分YN2和YO2为0，得到不同温度下的焓和熵，与符卡洛维奇的水蒸气数据比较，不同温度、不同压力下蒸汽的热物理及饱和含湿量计算结果与比较如图1所示。

由图1（a）可以看到，与水蒸气数据相比，采用RK方程计算的熵误差很小。例如：当P为0.1MPa，T为433K时，熵值的相对误差仅为0.5%。由图1（b）可以看到，采用RK模型和理想气体混合模型道尔屯分压定律，对不同温度、不同压力下的饱和含湿量计算的结果，在所研究的温度和压力范围内，采用道尔屯分压定律，最大误差可达5.5%，表明RK模型的计算结果更符合实际情况。

图1 不同温度、不同压力下蒸汽的热物性及饱和含湿量计算结果与比较

2 分轴燃气轮机HAT循环试验系统

HAT循环试验系统原理图如图2所示。经压气机压缩后的空气进入饱和器，同时在经济器中吸收排气低温余热的循环水从饱和器顶部喷下，与压缩后的空气充分混合，湿化后的湿空气进入回热器吸收排气高温余热后进入燃烧室，高温燃气经过高压涡轮、动力涡轮做功，最终通过回热器及经济器后排入大气。

图2 HAT循环系统原理图

本文所用到的分轴燃气轮机HAT循环系统试验台布置图参见图3，系统主要由压气机、饱和器、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮以及电涡流测功机组成。目前该系统正处于逐步完善阶段，现阶段的换热器仅有饱和器，其他如后冷器、回热器、经济器暂不考虑。压气机为1级离心式压气机，额定转速为63 000r／min，额定压比为3.54，高压涡轮为1级向心式涡轮，动力涡轮为1级轴流式涡轮，额定转速为14 000r／min，额定输出功率为80kW。齿轮变速箱额定输入功率为80kW，额定输入转速为14 000r／min，传动比为4.667∶1。

图3 分轴燃气轮机HAT循环系统试验台

3 试验结果及分析

在保持供油量为47kg／h不变的条件下，循环试验分为先加湿后减湿两个阶段。第一阶段加湿，喷入饱和器的水量由0.8m3／h逐渐增加到1.7m3／h；第二阶段减湿，燃气轮机转入高工况运行，供油量增至57kg／h，喷入饱和器的水量由1.7m3／h逐渐减少到0.6 m3／h。HAT循环试验结果如图4所示。

图4 HAT循环试验结果

从图4可看出，加湿后燃气初温快速下降，同时压气机压比和转速升高，燃气轮机输出功率也增大，显示了加湿对燃气轮机性能的显著影响。在试验第一阶段，当保持燃油流量不变时，随着加湿量的增加，压气机状态基本保持不变，燃烧室出口温度随之减小。试验第二阶段可以说是第一阶段的逆过程，这一过程的变化也正好与前一阶段相反。含湿量在4.2%时功率（效率）的增加量为16%。

计算时压气机进气温度、压比、转速，饱和器出口温度和压力，燃烧室出口温度都与试验工况保持一致。压气机的流量和效率使用压气机性能曲线线性插值得到。动力涡轮为轴流式透平，使用Flugel公式近似计算其效率变化，并修正高压涡轮效率。图5为性能计算结果与试验值的比较。从图5可看出，计算结果与试验值能很好地吻合，温比越高，比功和效率就越大，耗油率也越低；在一定含湿量下，对某一温比存在一个最佳压比，在此压比下比功效率都最大，并且温比越高，最佳压比相应也越高。

4 结论

1）RK方程从相平衡机理出发计算饱和含湿量，从而完全摆脱了对道尔屯分压定律的依赖，可以更为精确地计算湿化空气实际气体的含湿量。

2）本文建立的分轴燃气轮机HAT循环系统试验揭示了HAT循环规律，虽只有饱和器一个换热器，但在其对空气加湿之后，对循环功率的提升具有明显作用。

3）性能计算与试验的吻合可以为下一步研究奠定基础。

［1］Jonsson M，Yan J.Humidified Gas Turbines－A Review of Proposed and Implemented Cycles［J］.Energy，2005，30：1013－1078.

［2］Paul von Heiroth，Jan－Olof Gustafsson，etc.A model of an evaporative cycle for heat and power production［J］.Energy Conversion ＆Management，1999，（40）.

［3］Ehsan Mesbahi，Mohsen Assadi，etc.A unique correction technique for evaporative gas turbine（EVGT）parameters［C］.Proceedings of ASME TURBO EXPO，New Orleans，USA：2001.June.