船用燃气-蒸汽联合动力装置技术特点及未来发展研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

提高经济性，减少重量尺寸，减少金属材料消耗以及降低造价是船舶动力装置发展的主要方面[1]，这对陆用的发电装置而言同样如此[2-4]，提高动力装置的经济性，即热能如何最有效利用往往是动力工程师们所最关心的问题。

在船舶装置中提高经济性，除了本身的经济意义外还影响到船舶的其他性能，在一定的燃料供应量下，提高经济性可以增大船舶的航程。或者在一定的航程下可以减少燃料的消耗量，从而增加船舶的载货量。减少重量尺寸对船舶动力装置来说就较为重要，特别是近代船舶航速都有所增加，因而功率也会相应增大。然而船舶的有效空间、重量尺寸不能不受到限制，否则就会影响船舶的其他性能。减少金属材料消耗，减低造价具有重要意义。减少金属材料消耗是与降低重量尺寸分不开的。从以上这些发展方面来考虑，一方面可改进已有型式的动力装置，另一方面要大力发展和采用符合这些发展方向的新型动力装置。

1 燃气-蒸汽联合动力装置

对于燃气轮机装置来说，重量、尺寸和金属消耗都较其他装置更优。然而燃气轮机效率的提高主要取决于进口温度和回热度，但是金属材料的耐高温性限制了进口温度的提高，因而燃气轮机装置的过量空气系数比蒸汽动力装置要大好几倍，因而其排烟损失也显著增加。回热度的提高可使装置效率提高，但却带来回热器重量尺寸的剧烈增加。当回热度显著提升时，装置效率增加缓慢而重量尺寸却剧烈增加，因此凭借回热度的增加来提高效率是有限的。这一切都使燃气轮机装置效率受到了限制。

对于燃气轮机动力装置而言，现代用以提高经济性的主要途径是提高燃气参数和采用高效率的热力循环，但是当初压提升到一定程度时循环效率增加缓慢，且引起金属材料的大量消耗，重量造价及复杂性都增加，提高初温则会受到材料耐温性的限制，因而初温也不能无限制地提高，而且压力和温度有一定关系，所以用提高参数来提高效率引起的困难也相对较多。但是蒸汽动力循环的重要特点是允许有较低的循环下限参数，这一点在提高经济性方面是非常重要的[5]。

采用性能优越的设备能显著提高装置的经济性，但是这会使装置复杂化，而且一个设计良好的动力装置都已充分利用了这些有利因素。但是在蒸汽动力装置中，过去的研究大部分集中在改善蒸汽工质循环上[6]。然而，对于任何一个蒸汽动力装置而言，就其工质循环状况来分析，有蒸汽-水和空气-燃气工质循环2部分。在空气-燃气循环上加以改善，同样也会提高整个装置的经济性。在这方面，过去和现在确实也进行了许多工作，如加装空气再热器及省煤器等。但在今天，燃气轮机技术的飞跃发展，为改善蒸汽动力装置中的循环特征提供了新的途径。

从上文所述，单纯的蒸汽动力装置的重要优点是具有较低的循环下限参数。初参数的提高会引起较多的弊端，而燃气轮机装置则相反，其排烟温度较高，这是一个重大的缺陷，而燃气初参数的提高，虽然也存在某些具体困难，如耐热合金钢强度限制等，但相比蒸汽动力装置而言，总是更易于解决，温度也可较蒸汽循环高一些[7]。因此如果按照某种热力循环方式，将它们联合起来，就必然可在热力性能上相互取长补短，提高整个装置的经济性。此外，联合循环还提高了整个装置的输出功率，因而便有燃气-蒸汽联合循环的出现。这种循环利用了燃气的高温性，使循环的进热温度提高，且又充分利用了蒸汽部分的低温性，所以只要联合循环中燃气部分的温度比蒸汽动力装置高，效果总是在的。而且在联合动力装置中的最高温度发生在锅炉中[8-9]，这和普通蒸汽动力装置一样，因此过量空气系数也和普通锅炉相似，而避免了燃气轮机装置的排气中含有大量未燃烧过的空气。在重量尺度和金属消耗方面，虽然存在着2个装置，但是由于出力增加和燃气轮机部分的轻巧，所以根据已建成的燃气-蒸汽联合装置的数据来看还是比单纯蒸汽动力装置更低。

1929年瑞士B.B.C公司制造了具有凡洛克斯锅炉的动力装置，并引起了世界各国的关注。由于燃气-蒸汽联合装置的优点很多，其能很大程度上满足对动力装置的要求，因而引起了动力界的注意。很明显，联合动力装置是陆用和船用动力装置的一个发展方向。

2 燃气-蒸汽联合动力装置的分类及其技术特点

燃气-蒸汽联合动力装置可利用燃气轮机废气产生蒸汽，并与燃气混合驱动燃气轮机，或者将其与燃气混合入燃气轮机作功。这种联合动力装置能提高燃气轮机热效率，减少空气流量，并冷却高温燃气，但是由于这种联合动力装置消耗的水量少，因而在船用条件下应慎重考虑。

2.1 带有增压燃烧锅炉的燃气-蒸汽联合动力装置

最早的燃烧锅炉是1929年瑞士公司（B.B.C）所建造的凡洛克斯增压燃烧锅炉（Velox）。这也就是最早的带有增压燃烧锅炉的联合动力装置，凡洛克斯锅炉为强烈循环，烟气自管内流过，其废气燃气轮机的功率基本上消耗于压气机，而没有剩余功输出。现在增压锅炉已有很大发展，结构上已有很大改进，而且为了进一步提高装置的效率和增大出力，燃气轮机的功率除了消耗在压气机外，其剩余功可输出，或带动发电机，或传给螺旋桨。

这种联合动力装置的优点如下。

（1）效率高，这是采用联合动力装置的一个主要原因，这种装置能充分利用了燃气的高温性和蒸汽所能达到的低温性，而且这种装置可采用和普通蒸汽动力装置一样的过量空气系数，所以排烟损失也相对较小。

（2）单位重量尺寸小，因此金属材料消耗少，造价低。这个优点是采用增压燃烧锅炉的一个重要原因。对整个装置来说，由于联合动力装置用了燃气轮机代替汽轮机发出一部分功率，以及燃气轮机压气机组代替了鼓风机组向锅炉送风，这样在装置中就发挥了燃气轮机重量轻体积小的特点。由于重量尺寸减少了，载货量及载货容积便会相应增加。

至于金属材料的消耗，与重量尺寸有关，装置的重量尺寸减少，则材料消能少，进而降低造价。但是由于联合动力装置中的某些部件承受的温度较高，需采用较好的金属材料，这就影响了造价。

（3）操纵性能好。主要表现在升汽时间短，动力装置能很快投入运行，这是由于增压锅炉的热负荷高，烟气速度大，再加上水容量小，并且采用了强烈循环，因而一般只需数分钟就能从冷态到全负荷。而一般的船用燃油水管锅炉从冷态到全负荷需要数小时左右。就变负荷性能来说，联合动力装置在变负荷时效率较稳定，这在很大程度上是由增压锅炉变负荷时效率的稳定性所决定。

除了以上这些优点之外，它还拥有汽轮机装置所拥有的优点，如运转均匀。与柴油机装置相比，其噪音振动较小，可靠性和寿命方面根据一些已在运行的联合动力装置得到了证明。其寿命与汽轮机装置相近，一些船用的具有凡洛克斯增压锅炉的联合动力装置的运行也证明了其可靠性。联合动力装置中的燃气轮机基本上属于低温范围，寿命要比普通单纯燃气轮机装置更长。

从以上的优点来看，联合动力装置在船舶上得到了广泛的应用。但是不能否认，这种联合动力装置还有些缺点，因而妨碍了它目前在陆地上和船舶上的广泛发展。这些缺点如下。

（1）联合动力装置比较复杂。因为它包括了蒸汽和燃气2套装置，这使得维护、检修及管理都增加了困难。况且这种装置热负荷高，对轮机人员的要求也相对较高。

（2）操纵调节复杂。由于存在2套装置和更多的系统，增加了控制调节对象，而且相互关联的环节也特别多，这些都会使操纵调节复杂化，况且热负荷高的装置要求操纵调节要更为可靠。

（3）更倾向于燃用液体和气体燃料。燃烧固体燃料相对较少，而且燃用较差的液体燃料时，燃气轮机的进口温度不宜太高，以免叶片腐蚀。所以燃料问题的限制也是这种装置的一个很大的缺点。虽然联合动力装置存在以上这些缺点，但是随着科学技术水平的提高，这些困难一定可以克服。

2.2 带有前置式燃气轮机的燃气-蒸汽联合动力装置

这种联合动力装置是用燃气轮机的废气通入蒸汽锅炉中进行再燃烧。也就是在蒸汽锅炉中利用燃气轮机废气中大量的空气再加入燃料进行燃烧。亦有这样的联合动力装置，即燃气轮机的废气通入废气锅炉而不附加燃烧或通过燃气轮机废气来加热给水，这样装置能收回一部分废气的热量，但效果不显著，排烟损失仍很大，且废气锅炉的参数受到限制。其工作过程如下，由压气机把空气压缩后通入燃烧室与燃料混合燃烧，高温燃气通入燃气轮机作功。燃气轮机剩余功用于带动发电机。燃气轮机废气排入锅炉，由于燃气轮机废气中含有大量空气。废气中的含氧量相当于空气中的含氧量的80%左右。故在蒸汽锅炉中可加入燃料而无需再补充空气。在锅炉中产生蒸汽通入汽轮机做功，至于蒸汽部分的主做功过程与蒸汽动力装置相同。

这种联合动力装置的优点。（1）效率比单纯的蒸汽动力装置及燃气轮机装置高。这种装置亦能充分利用燃气的高温性和燃气所能达到的低温性，避去了单纯燃气轮机排烟损失大的缺点，而废气中大量的废热及空气能得到收回，而且省去了鼓风机的消耗。（2）单位重量和尺寸较蒸汽动力装置小，这是由于省掉了锅炉鼓风设备，并发挥了燃气轮机重量轻体积小的特点，但是其重量尺寸比带有增压锅炉的联合动力装置更大。（3）单位功率的造价一般比蒸汽动力装置低。（4）蒸汽锅炉完全可用固体燃料，这是这种装置的一项重要优点。

这种联合动力装置的缺点。（1）比单纯的汽轮机或燃气轮机装置复杂，因为它包括蒸汽和燃气2套动力装置，对维护、检修及管理都增加了困难。（2）操纵控制复杂，因为增加了控制调节对象，致使操纵控制复杂化。（3）燃气轮机装置燃烧固体燃料还在试验研究阶段，而且燃用较差的液体燃料还存在困难，如燃用低质液体燃料燃气进口温度不宜太高以免叶片腐触。

该类联合动力装置的效率与燃气轮机的进口温度有关，但是由于受叶片材料的限制，其温度不能过高。如果采用了确定的材料，燃气进口温度也就相对确定下来。所以从效率最高的观点来看，一定功率的燃气轮机必需配上一定功率的汽轮机，燃气轮机与汽轮机之间有一定的效率比例。

2.3 带有空气轮机的蒸汽空气联合动力装置

这种联合动力装置除了效率较单纯的汽轮机或燃气轮机装置更高之外，主要的优点是能全部使用固体燃料，所以这种型式的联合动力装置也具有一定的发展前途。

这种联合动力装置的工作过程如下。空气从压气机出来后进入空气加热器中加热，将空气的温度提高。这个空气加热器是放在蒸汽锅炉内，故这时的锅炉亦称蒸汽-空气锅炉。热空气从空气加热器中出来进入空气轮机做功，其排气入锅炉作为燃烧空气，蒸汽部分的主作功过程与蒸汽动力装置相同。

这种型式联合动力装置的优点。

（1）效率比单纯的蒸汽或燃气轮机装置高，原因和前2种相同。

（2）能够完全采用固体燃料，符合我国的燃料政策。这是前2种联合动力装置所不能比拟的。

（3）在空气轮机系统内是空气或其他非腐蚀性工质而不是燃气，所以不会产生叶片的腐触，因而寿命长，而且长期运转后效率不会大幅降低。

这种联合动力装置的最大缺点是空气锅炉的体积极为庞大，而且空气加热器在铺炉中的布置也较困难。因此在船用条件下就必需加以考虑。

3 结论与展望

世界各先进工业国家已有一些电路燃气-蒸汽联合动力装置在运行，并且证明效果良好。业界普遍认为，燃气-蒸汽联合动力装置对国民经济的发展具有重大意义，在电站、船舶上以及其他领域中采用这种装置能有效地降低燃料消耗量和金属材料消耗，它开辟了动力装置新的发展途径，并被认为有必要迅速在国民经济部门中实现这种装置。

燃气-蒸汽联合动力装置在船上使用有很大的前景，通过在船舶上使用联合动力装置，可有效降低营运费用，增大载重量，增加货仓容积。

从上文看出，燃气-蒸汽联合动力装置在营运费用方面不但比汽轮机装置更优越，并且由于柴油机装置，在运营费用中，最主要的是燃料费，虽然燃气-蒸汽联合动力装置的燃料费比柴油机装置更大，主要原因是柴油机效率更高[10]，但如果在较大功率的情况下，装置效率还可提高。在重量和尺度方面，联合动力装置更占绝对优势。

从以上的介绍中，可以很明显地看出，燃气-蒸汽联合动力装置对船舶而言是一种很有前景的动力装置，它能很大程度满足对船舶动力装置提出的要求。当然，联合动力装置在现阶段还有些缺点亟待克服，但是可以预料到，随着科学技术的发展，燃气-蒸汽联合动力装置将会大量应用在船舶上。