某型燃气轮机离线水洗后性能恢复试验研究

方一格,征建生,张再峰

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所无锡分部，江苏 无锡 214000)

某型燃气轮机长期在海洋环境下运行，机组面临进口空气高含盐量的影响[1]。燃气轮机叶片等部件在高速、高压、湿度大和高含盐量空气的冲刷下会发生磨损腐蚀，叶片表面粗糙度增大，改变了叶片表面流场分布，叶片表面附面层增大。燃气轮机进气流量、压气机压比、效率等性能也随之改变[2]。

目前国内外大部分研究均针对燃气轮机压气机叶片表面积垢的影响。Borell等发现压气机叶片积垢主要集中在叶片前缘、压力面50%叶高处及吸力面50%叶高以下部位[3]。Diakunchak通过某型工业燃气轮机性能试验，发现积垢会使得压气机进气流量降低5%，压气机效率降低1.8%，造成燃气轮机功率下降约7%，热耗率提升2.5%[4]。Syverud等人通过试验发现压气机静叶积垢后粗糙度增大程度是动叶的两倍[5-6]。叶片表面粗糙度的变化引起流动分离与堵塞，从而使得压气机性能下降[7-8]。压气机叶片叶尖间隙的变化也是导致压气机性能衰退的原因之一[9-10]。

为了使燃气轮机性能恢复就须要定期进行检修，目前主要要有清洗、维修、替换等检修手段。但由于经济成本，维修和替换只有在燃气轮机到达修理寿命以及出现必须检修的情况时采用，水洗成为燃气轮机日常维护的重要手段。目前针对水洗对燃气轮机性能恢复程度的研究较少，李东等针对压气机性能衰退和清洗恢复情况进行了仿真研究[11]。

本文基于盐雾环境下燃气轮机加速腐蚀整机性能试验台，对燃气轮机进行周期性水洗，对比燃气轮机清洗效果，探索离线水洗对燃气轮机性能恢复的影响规律。

1 试验装置

1.1 试验台系统

某型三轴燃气轮机主要由低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮及动力涡轮等六个部分组成。低压压气机与高压压气机主要从进气室引进空气，压缩后提供给燃烧室。燃烧室将燃料与高压空气混合后燃烧，高温燃气在高压涡轮和低压涡轮处膨胀做功，并带动高压压气机与低压压气机。动力涡轮受高温燃气作用，将燃气的内能转化为动能。

燃气轮机陆基试验台如图1所示，主要包含进气系统、排气系统、空气压缩系统、燃油增压系统、盐雾发生装置、离线水洗装置等。盐溶液由盐雾发生装置液化后经进气管送到燃气轮机进口处，与进口空气混合，一同进入燃气轮机。水力测功器用于测量并吸收燃气轮机产生的轴功。离线水洗装置在低压压气机入口与高压压气机入口分别设置有进口，用于喷洒清洗液与清水。

图1 燃气轮机陆基试验台系统示意图

本次采用的盐溶液成分如表1所示，一个运行周期在进口空气中共计加入12.5 L盐溶液，含盐量1 030 g。

表1 加速腐蚀试验盐溶液成分(每1 000 mL)

1.2 试验测量系统

测量的燃气轮机参数包括：大气压力、进口空气总压、进口空气温度、高压后空气总压、高压后空气温度、燃气轮机功率、燃油流量、高低压转速等。

图2为试验测量系统示意图，试验台进气道附近设置测量装置用于测量大气压和大气温度，燃气轮机进口截面设置总压测量探针测量进口空气总压，进气管道壁面处设置静压测量孔测量静压。燃气轮机磁电式转速传感器测量低压压气机转速和高压压气机转速，安装总压测量探针测量高压压气机后空气总压和温度测量探针。陆基试验台采用水力测功器测量燃气轮机输出功率。在燃油供给系统布置有体积流量计，测量燃气轮机燃油流量。

图2 测量系统示意图

2 试验结果分析

燃气轮机按照图谱进行各工况运行，运行期间根据工况调整在燃气轮机进气中加入不同的盐雾量，实时模拟海洋环境条件下进气。一个运行周期由n个图谱构成，一个运行周期结束后对燃气轮机进行性能测量,随后进行离线水洗，离线水洗后对燃气轮机再次进行性能测量。这样就可以得到一个运行周期后燃气轮机水洗前和水洗后的性能。水洗后的性能测量结束后，燃气轮机开始图谱运行，再次转入正常运行周期。

将机组运行参数折合至标准大气环境下(大气压101 325 Pa、温度27 ℃)，计算分析水洗前后燃气轮机各项性能变化。旋转部件性能衰退是造成燃气轮机性能下降的主要原因，其中压气机相比较涡轮的影响更大。因此本文主要分析离线水洗对压气机性能和燃气轮机整体性能的影响。

以下各图横坐标为燃油当量，是每个工况下燃油流量与额定工况燃油流量的比值，纵坐标为水洗后性能参数与水洗前同一参数的相对变化率。

2.1 压气机性能分析

2.1.1 进口空气流量

图3为燃气轮机三次离线水洗对压气机进口空气流量的影响。离线水洗燃气轮机进口空气流量均得到提升，且随着燃气轮机工况升高，进口空气流量相对变化率也逐渐扩大。三次水洗结果相对比较来看，第一次水洗后进口空气流量可以得到较大的提高，最大提高2.09%。随后两次的水洗则分别最大提高1.55%和1.31%，相比较第一次离线水洗，后两次进气流量相对变化率有一定的跌落，低燃油流量时，离线水洗效果接近，高燃油流量时，水洗效果产生的差距逐渐加大。后两次水洗相对变化率较为接近。

图3 离线水洗对进气流量的影响

2.1.2 压气机增压比

图4为燃气轮机三次离线水洗对压气机增压比的影响。离线水洗可以去除压气机表面形成的盐渍，降低了叶片表面粗糙度，压气机增压比均得到一定的增大。燃气轮机全工况比较，随着工况的升高，增压比相对变化率呈现增大的趋势，燃油当量大于0.9后，增压比相对变化率呈下降趋势。额定工况下，三次水洗增压比分别提高1.46%、1.43%和1.24%。相对比较来看，三次离线水洗对压气机增压比提高的作用逐渐减弱。

图4 离线水洗对压气机增压比的影响

2.1.3 压气机效率

图5为燃气轮机三次离线水洗对压气机效率的影响。离线水洗后压气机效率均得到有效提升，且水洗对压气机效率提升的作用愈加明显。随着燃气轮机运行时间的增长，压气机叶片积垢逐渐增加，虽然水洗清除部分叶片表面附着盐，但叶片表面仍会有部分残留，水洗前压气机效率衰减较多，水洗后恢复的程度也相应扩大。燃油当量小于0.4以及大于0.6时，压气机效率相对变化率较高；燃油当量0.5左右时，压气机效率提升较低。燃油当量0.9左右时，三次水洗压气机效率相对变化率达到峰值，依次为2.68%、2.99%和3.19%。额定工况下，三次离线水洗压气机效率分别提高2.28%、2.52%和2.64%。

图5 离线水洗对压气机效率的影响

2.2 燃气轮机性能分析

2.2.1 燃气轮机功率

图6为燃气轮机三次离线水洗对燃气轮机功率的影响。离线水洗后燃气轮机功率提高0.5%～1.5%，并且在低燃油当量及高燃油当量时燃气轮机功率变化幅度较大。燃气轮机燃油当量小于0.4时，三次离线水洗作用接近。燃油当量大于0.5后，第一次离线水洗对功率提升幅度较为明显，且后两次离线水洗在高工况时作用相似。额定工况下，三次离线水洗燃气轮机功率分别提高1.61%、1.12%和1.00%。

图6 离线水洗对燃气轮机功率的影响

2.2.2 燃气轮机效率

图7为燃气轮机三次离线水洗对燃气轮机效率的影响。离线水洗后燃气轮机效率提高0.2%～1.8%，并且在低工况及高工况时燃气轮机效率变化幅度较大。同时比较三次离线水洗可以发现，离线水洗对燃气轮机效率的提升程度逐渐降低，且第二次和第三次离线水洗后燃气轮机效率变化程度接近。额定工况下，三次离线水洗压气机效率分别提高1.41%、0.72%和0.68%。

图7 离线水洗对燃气轮机效率的影响

3 结论

对盐雾加速腐蚀试验后的燃气轮机进行离线水洗，测量并计算离线水洗前后性能，分析比较三次离线水洗对燃气轮机各性能参数的影响，得出以下结论：

1)离线水洗后，压气机进气流量、压气机增压比、压气机效率、燃气轮机功率和燃气轮机效率均得到有效提升。三次离线水洗对压气机效率提升的程度逐渐增强，对进气流量、压气机增压比、燃气轮机功率和燃气轮机效率影响则逐渐减弱。

2)燃气轮机全工况范围比较单次离线水洗作用，压气机效率、燃气轮机功率和燃气轮机效率在燃油当量0.5左右提升程度最低，而进气流量及压气机压比则随着工况的升高，提升程度呈现上升趋势。额定工况下三次离线水洗压气机效率平均提升2.48%，燃气轮机效率平均提升0.94%。

3)比较三次离校水洗对燃气轮机各性能的影响，第二次和第三次离线水洗提升程度较为接近。