燃氣輪機進氣除鹽技術(shù)綜述

1、燃氣輪機進氣除鹽技術(shù)綜述哈爾濱工程大學摘要：海洋大氣中含有鹽分且以氣溶膠形式存在，海洋艦船的進氣往往有除鹽要求?？諝庵械柠}分對發(fā)動機工作的性能、可靠性和壽命有嚴重的影響。在艦船進氣系統(tǒng)中設(shè)置進氣濾清器可以有效地濾除鹽分,使進入發(fā)動機空氣中的含鹽量降低到容許值。本文介紹了進氣濾清器的發(fā)展經(jīng)歷、原理、應(yīng)用、檢查與維護。關(guān)鍵詞：鹽分；進氣濾清器；燃氣輪機1 本文選題的背景燃氣輪機是繼蒸汽輪機和內(nèi)燃機之后的新一代熱機。由于它質(zhì)量輕、體積小、單機功率大、啟動快、操作維護簡單、污染少以及燃氣初溫高，可以實現(xiàn)能量的梯級利用，因而熱效率高，經(jīng)濟性好；由于無往復運動部件，因而可靠性好且運行平穩(wěn)。自從1939年第

2、一臺燃氣輪機投入使用以來，短短的半個多世紀已取得了飛速發(fā)展。從50年代開始就在航空領(lǐng)域取得絕對優(yōu)勢地位，取代了航空活塞式發(fā)動機；從60年代開始，軍用水面艦船渦輪化；70年代末期美國的主戰(zhàn)坦克開始采用燃氣輪機；80年代高速客輪、高速船等也采用了燃氣輪機，實現(xiàn)民用船舶船速的飛躍。近30年船舶用燃氣輪機功率增加200倍以上。在工業(yè)領(lǐng)域，石油工業(yè)、石化、化工等部門率先采用燃氣輪機；在城市發(fā)電方面，由于常規(guī)燃煤蒸汽輪機發(fā)電廠污染嚴重，發(fā)電效率低以及在國際范圍內(nèi)天然氣供應(yīng)充欲，因而燃氣輪機電廠迅速發(fā)展1。燃氣輪機單機進氣量大的特點使燃氣輪機的進氣系統(tǒng)受到研究人員的重視。燃氣輪機進氣量之大（例如：LM250

3、0燃氣輪機的進氣量為65kg/s，GT2500燃氣輪機的進氣量為82kg/s。）以至于大功率燃氣輪機的流量可達150kg/s。飛機的速度提高更快，從每小時幾十公里提高到幾百公里，從亞音速到超音速，現(xiàn)代飛機已達幾千公里、幾倍音速。唯獨艦船航速提高很慢，一般商船只有15至20節(jié)，最快的客船和商船也只有30多節(jié)，就是現(xiàn)代大中型軍艦(如航空母艦、驅(qū)逐艦等)的航速也沒有超過40節(jié)的。人們長久以來一直在探索降低船舶阻力提高航行速度的各種方法，而高性能艦船就是這種探索的產(chǎn)物，它在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛用途已得到了越來越多國家的關(guān)注。高性能船用燃機的單機進氣量大，再加上其甲板較低，進氣濕度比較大，有的甚至沒有進

4、氣空間，所有這些因素帶來的一個突出問題就是單位時間內(nèi)的鹽分攝入量大，鹽分對燃氣輪機的影響包括機械損害、化學損害和熱損害等幾個方面2。對壓氣機而言，存在著機械和化學兩種形式的損害。機械損害是指對壓氣機通道特別是葉片的磨蝕，以及在葉片上的積垢。磨蝕會改變壓氣機通道的幾何形狀，使通流部分的氣動性能惡化，結(jié)果是壓氣機效率、壓比及燃氣輪機功率都隨之降低。磨蝕還使葉片的橫截面減小，增大局部應(yīng)力，降低壽命，嚴重時可在運行期間發(fā)生斷裂。鹽垢沉積在壓氣機葉片上將改變?nèi)~片的幾何形狀和光潔度，從而改變了葉片的氣動特性，增加流動阻力，導致壓氣機效率的降低，甚至引起壓氣機的喘振。英國在四十年代首次把航空發(fā)動機改裝成G1

5、型燃氣輪機用于高速炮艇時運行僅二十分鐘就發(fā)現(xiàn)燃氣輪機性能急劇下降，其原因是由于進氣中的鹽分在壓氣機通流部分形成積垢造成的。美國海軍的JEFF(B)型氣墊船早期水上試驗也表明在運行五十分鐘后壓氣機的積鹽引起了發(fā)動機的喘振。對渦輪等熱通道而言，危害主要是化學損害和熱損害。進入燃燒室的鹽分(進氣和燃油中各攜帶一部分)在燃燒時與燃料中的硫化合，生成熔融態(tài)的硫酸鈉，該物質(zhì)在噴嘴和渦輪葉片上產(chǎn)生腐蝕，影響發(fā)動機的性能和壽命，降低了可靠性。使用LM2500燃氣輪機的卡拉漢級運輸船的運行經(jīng)驗表明，造成燃氣輪機的熱端壽命從預定的10000小時減少到額定的3500小時的主要因素是海洋鹽霧氣溶膠的攝入3。為了避免海

6、鹽帶來的上述問題，需要在進氣系統(tǒng)中安裝燃機進氣濾清器。除了燃氣輪機外，其他艦船發(fā)動機燃燒和冷卻用的迸氣，通訊電子艙等艙室的進氣等往往也有除鹽要求。船用鹽霧氣溶膠分離裝置已應(yīng)用于多種艦船進氣系統(tǒng)，分離效率最高可達99%。 2 除鹽技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀船用燃氣輪機進氣濾清器的發(fā)展經(jīng)歷了單級分離，二級分離和三級分離等幾個階段。單級的絲網(wǎng)凝聚器對小的液滴(210um) 4和較小風速(36m/s)時有良好的分離效果。對較大的液滴和較大風速時分離效果很差，而單一的慣性級氣水分離器的特性恰恰相反5- 7。正是由于單級絲網(wǎng)凝聚器和慣性級氣水分離器的特點以及它們在分離效果上的互補性，開始研究二級進氣濾清器，它由一個絲網(wǎng)

7、凝聚器和一個慣性級氣水分離器組成，后者做第一級，它可以除去大量的海水和大的鹽霧液滴，絲網(wǎng)凝聚器則負責除去較小的鹽霧液滴，它捕獲并凝聚小的液滴使之越變越大，最后由重力的作用，大的液滴順著絲網(wǎng)匯聚到凝聚器的底部，從而大大減少了進入燃氣輪機壓氣機的鹽霧液滴。這比單級的分離效果有十分明顯的提高。第二級起的作用是凝聚液滴，所以叫做凝聚器，在其后和下游還可能有較大的液滴，所以還需要另外一個慣性級氣水分離器才可以有更好的分離效果，這就提出了由前慣性級、絲網(wǎng)凝聚器和后慣性級組成的三級濾清器的概念。隨著對濾清器的研究越來越深入，濾清器的效果和性能趨于完善。目前由于西方國家在這方面的研究入手比較早，所以如美國和英

8、國取得的成就很大，處于領(lǐng)先地位。我國在這方面起步較晚，大概是在二十世紀八十年代才開始研究，但是我國的這方面發(fā)展較快，特別是我校三級和四級濾清器的研制達到國內(nèi)領(lǐng)先的水平。對于各種分離器，他們的分離原理無外乎以下幾種：重力沉降、慣性分離、擴散分離、攔截分離、靜電捕集等。而本文介紹的絲網(wǎng)凝聚器的捕霧原理主要有三種：慣性捕集，直接碰撞分離和擴散分離(Gerrard，1986；Holmes和Chen，1 984；Feord,1993)。但是研究表明慣性捕集是絲網(wǎng)凝聚器的主要分離方式。液滴被捕獲以后并不會馬上就沿絲網(wǎng)流下，而是繼續(xù)粘在絲網(wǎng)上，并且在絲網(wǎng)上它還會粘住一些流過它附近的小液滴，這樣小液滴就會越積

9、越大，由于表面張力及毛細管作用而沿著細絲流到兩根絲交匯處的縫隙，當它積到自身重力大于絲網(wǎng)作用在液滴上的力的時候，才會沿網(wǎng)絲流下。但是國外研究表明，絲網(wǎng)凝聚的作用主要還是慣性分離，所以現(xiàn)在我們也認為慣性分離是絲網(wǎng)凝聚器捕集液滴的主要方法，絲網(wǎng)凝聚器的分離效果主要歸功于慣性分離。3鹽霧氣溶膠被燃氣輪機吸入的最重要的一種污染物是鹽，它通常以氣溶膠形式存在。它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽氯化鈉，它主要來源于海洋和內(nèi)地鹽堿地區(qū)。它的形成主要是因為風引起海面擾動和漲、落潮時，海水相互間的沖擊和海浪拍擊海岸，致使很多海浪粒子拖入空中，水分發(fā)蒸后，留下一些極小的鹽粒，在大氣團的平流和紊流交換作用下，這些鹽

10、粒在空氣中散開來，并隨風流動形成沿海地區(qū)鹽霧8。鹽霧對金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學反應(yīng)引起的。同時，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面。造成對產(chǎn)品極壞的不良反應(yīng)。海上鹽霧彌漫，空氣濕度大?？諝獬睗癫粌H引起艦船發(fā)動機效能降低，還會加速機件腐蝕、老化，降低機件的使用壽命。4 數(shù)值模擬方法在傳統(tǒng)的船舶空氣動力學研究中，大多采用風洞實測的方法確定流場速度和壓力分布。該方法造價高，耗資大并且在風洞試驗中存在著動力相似和幾何相似的影響，還要考慮風洞

11、邊界條件的影響和湍流、風速、風向、雷諾數(shù)等。實驗結(jié)果要進行換算，還存在測量點有限、采集數(shù)據(jù)的測量誤差等問題，對于紊亂的流動區(qū)域難以獲得準確的結(jié)果。計算流體動力學分析所得到的結(jié)果與在實驗室進行的風洞試驗所得的結(jié)果相類似，它們都要描述一系列的不同流動狀況的馬赫數(shù)與雷諾數(shù)9。利用數(shù)值模擬的方法研究船舶內(nèi)外流場的流動狀況，對流場參數(shù)進行分析，并與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，可以有效的改善船舶性能，節(jié)約研究資金，提高研究效率。進行船用氣水分離器機理的數(shù)值模擬及實驗研究，為高性能船用氣水分離器的設(shè)計制造提供依據(jù)有著重要的現(xiàn)實意義。常規(guī)的進氣濾清器主要包含兩部分： 一為形狀復雜的曲折流道式慣性分離器，簡稱為慣性級；

12、一為細金屬絲編織網(wǎng)層疊而成的網(wǎng)墊級。艦船燃氣輪機是在海面含鹽氣氛下工作的?？諝庵械柠}分對發(fā)動機工作的性能、可靠性和壽命有嚴重的影響。在艦船進氣系統(tǒng)中設(shè)置進氣濾清器可以有效地濾除鹽分,使進入發(fā)動機空氣中的含鹽量降低到容許值。因而如何有效地濾除進入燃氣輪機空氣中的鹽分,研制高效、低阻進氣濾清器一直是國內(nèi)外船用燃氣輪機界和沿海以燃氣輪機為動力的工業(yè)界 （如海上鉆井平臺,移動式動力站等）十分關(guān)注的重要課題之一10。5 濾清系統(tǒng)簡介濕度在海鹽的存在狀態(tài)已經(jīng)懸浮顆粒的大小中扮演著一個重要的角色。通常鹽存在的干的狀態(tài)環(huán)境中可接受濕度范圍最低為40%，最高為70%。在這兩個范圍之間的任何地方，鹽將會是一個過渡

13、狀態(tài)。當相對濕度降到70%以下，鹽分粒子自然變得粘或具有粘滯性直到達到40%，此時它們變成干鹽粒子。然而，當相對濕度超過40%時，鹽顆粒將保持干顆粒狀態(tài)直到達到相對濕度70%，在這時它們被目前潮濕的空氣快速的吸收。當相對濕度改變時，空氣中鹽分的集結(jié)不會改變，存在僅有的相當數(shù)量的濕氣。當濕度下降，懸浮顆粒的大小將明顯的收縮直到相對濕度接近40%，這時干鹽粒子開始存在。安裝燃氣輪機的位置主要被分為兩個主要的區(qū)域：沿海、海洋、近?；蛘呗坊鶓?yīng)用。這些地方最主要的不同是這些地方大氣中的鹽分的集中的不同，在沿海、海洋、近海含鹽量很高。在船只上使用的最常見濾清系統(tǒng)目前是葉片分離器，聚結(jié)器，葉片分離器三階段系

14、統(tǒng)。這些都是高速系統(tǒng)，在捕獲水顆粒和水粒子中溶解的鹽粒子方面有很高的效率（鹽氣溶膠）。第一個分離器的作用是去除大量的水霧，從艦船的尾流和波浪，雨或潮濕的雪。這個分離器可以防止聯(lián)合系統(tǒng)過載。聚集器收集第一階段葉片分離器不能捕獲的更小的水滴并將它們聚集成大水滴或者流走或者重新進入氣流中。聚集器有時也扮演去除粒子的角色，并且能夠捕獲大的粉塵粒子。這種濾清器一般是由非編織的聚酯或更小的材料制成。這對于靠近海岸線的燃氣輪機的運行也是有用的。任何大水滴被空氣帶走的會被第二個葉片分離器捕獲。濾清系統(tǒng)配備排水系統(tǒng)以及水、鹽去除系統(tǒng)，因此水汽和鹽能夠恰當?shù)闹苯訌娜細廨啓C去除。路基燃氣輪機的應(yīng)用受到許多不同環(huán)境的

15、限制。這些環(huán)境從寒冷的北極環(huán)境在這雪和冰是主要考慮的因素，到熱帶環(huán)境中在這大量的雨和昆蟲將被去除。每一個環(huán)境都有他獨特的污染物和季節(jié)多樣性。6 濾清器更換、清潔和檢查有四種被應(yīng)用于燃機濾清器性能的標準。這些標準是為了采暖通風與空調(diào)應(yīng)用而制定的，但它們?nèi)匀豢梢詰?yīng)用于燃氣輪機。美國應(yīng)用的標準是ASHRAE52.2:2007。歐洲標準是EN779:2002和EN1822:2009。每一測試標準在測試設(shè)備和性能結(jié)果上都是不同的。濾清器一般在它達到壓力損失的額定值和全負荷后被更換。水清洗是一種在大修期中間清洗燃機的方法，水清洗可以恢復由于沒有被濾清系統(tǒng)濾除的污染物造成的部分性能下降。有兩種水清洗方案：脫

16、機（也包括聯(lián)合）或聯(lián)機。聯(lián)機清洗是最方便的因為它可以再燃機運行情況下進行11。然而，脫機清洗提供了更嚴密的清潔和去除一些聯(lián)機清洗不能去除的污垢的方法。脫機清洗是一個比聯(lián)機清洗更細致的過程。洗滌劑被用來代替蒸餾水來去除污染物。在這種類型的清洗中，改變速度、液滴尺寸、進口導葉設(shè)置和水管內(nèi)水壓是確保洗滌劑被送到壓氣機最遠級來最大限度的去除污垢的重要方法。當燃機被洗滌劑清洗完畢，用蒸餾水全面的清洗壓氣機是很重要的一點。檢查測試應(yīng)該包括測試濾清器的強度，監(jiān)測濾清器的水抑制性能，測量濾清器上污染物的種類和數(shù)量和估計濾清器的老化程度。測試將為濾清工程師評估濾清器在濾清系統(tǒng)中工作狀況提供依據(jù)。測試結(jié)果可以被用

17、來確定不同得濾清器是否應(yīng)該被安裝或什么時候應(yīng)該更換濾清器。這類性能測試可以幫助確保由于空氣質(zhì)量導致的燃機磨損降到最低水平。在濾清系統(tǒng)中有幾項檢查應(yīng)該被進行以便確認濾清系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)。排水彎管內(nèi)水位和排水系統(tǒng)柔性連接處應(yīng)該每周檢查。彎管連接處的密封應(yīng)該每月檢查。這些檢查中發(fā)現(xiàn)的任何瑕疵應(yīng)該被及時的修復。此外，只要可能對濾清器本身就應(yīng)該進行肉眼檢查。在肉眼檢查中，全負荷或損壞的濾清器可以被發(fā)現(xiàn)。這些濾清器應(yīng)該被更換。參考文獻1 牛利民，李淑英.船舶燃氣輪機結(jié)構(gòu)M.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.2 催佃飛.船用燃氣輪機進氣流場研究D.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.3 石寶龍.船用燃

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