燃气轮机进气除盐技术综述

1、燃气轮机进气除盐技术综述哈尔滨工程大学摘要：海洋大气中含有盐分且以气溶胶形式存在，海洋舰船的进气往往有除盐要求。空气中的盐分对发动机工作的性能、可靠性和寿命有严重的影响。在舰船进气系统中设置进气滤清器可以有效地滤除盐分,使进入发动机空气中的含盐量降低到容许值。本文介绍了进气滤清器的发展经历、原理、应用、检查与维护。关键词：盐分；进气滤清器；燃气轮机1 本文选题的背景燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代热机。由于它质量轻、体积小、单机功率大、启动快、操作维护简单、污染少以及燃气初温高，可以实现能量的梯级利用，因而热效率高，经济性好；由于无往复运动部件，因而可靠性好且运行平稳。自从1939年第

2、一台燃气轮机投入使用以来，短短的半个多世纪已取得了飞速发展。从50年代开始就在航空领域取得绝对优势地位，取代了航空活塞式发动机；从60年代开始，军用水面舰船涡轮化；70年代末期美国的主战坦克开始采用燃气轮机；80年代高速客轮、高速船等也采用了燃气轮机，实现民用船舶船速的飞跃。近30年船舶用燃气轮机功率增加200倍以上。在工业领域，石油工业、石化、化工等部门率先采用燃气轮机；在城市发电方面，由于常规燃煤蒸汽轮机发电厂污染严重，发电效率低以及在国际范围内天然气供应充欲，因而燃气轮机电厂迅速发展1。燃气轮机单机进气量大的特点使燃气轮机的进气系统受到研究人员的重视。燃气轮机进气量之大（例如：LM250

3、0燃气轮机的进气量为65kg/s，GT2500燃气轮机的进气量为82kg/s。）以至于大功率燃气轮机的流量可达150kg/s。飞机的速度提高更快，从每小时几十公里提高到几百公里，从亚音速到超音速，现代飞机已达几千公里、几倍音速。唯独舰船航速提高很慢，一般商船只有15至20节，最快的客船和商船也只有30多节，就是现代大中型军舰(如航空母舰、驱逐舰等)的航速也没有超过40节的。人们长久以来一直在探索降低船舶阻力提高航行速度的各种方法，而高性能舰船就是这种探索的产物，它在军事和民用领域的广泛用途已得到了越来越多国家的关注。高性能船用燃机的单机进气量大，再加上其甲板较低，进气湿度比较大，有的甚至没有进

4、气空间，所有这些因素带来的一个突出问题就是单位时间内的盐分摄入量大，盐分对燃气轮机的影响包括机械损害、化学损害和热损害等几个方面2。对压气机而言，存在着机械和化学两种形式的损害。机械损害是指对压气机通道特别是叶片的磨蚀，以及在叶片上的积垢。磨蚀会改变压气机通道的几何形状，使通流部分的气动性能恶化，结果是压气机效率、压比及燃气轮机功率都随之降低。磨蚀还使叶片的横截面减小，增大局部应力，降低寿命，严重时可在运行期间发生断裂。盐垢沉积在压气机叶片上将改变叶片的几何形状和光洁度，从而改变了叶片的气动特性，增加流动阻力，导致压气机效率的降低，甚至引起压气机的喘振。英国在四十年代首次把航空发动机改装成G1

5、型燃气轮机用于高速炮艇时运行仅二十分钟就发现燃气轮机性能急剧下降，其原因是由于进气中的盐分在压气机通流部分形成积垢造成的。美国海军的JEFF(B)型气垫船早期水上试验也表明在运行五十分钟后压气机的积盐引起了发动机的喘振。对涡轮等热通道而言，危害主要是化学损害和热损害。进入燃烧室的盐分(进气和燃油中各携带一部分)在燃烧时与燃料中的硫化合，生成熔融态的硫酸钠，该物质在喷嘴和涡轮叶片上产生腐蚀，影响发动机的性能和寿命，降低了可靠性。使用LM2500燃气轮机的卡拉汉级运输船的运行经验表明，造成燃气轮机的热端寿命从预定的10000小时减少到额定的3500小时的主要因素是海洋盐雾气溶胶的摄入3。为了避免海

6、盐带来的上述问题，需要在进气系统中安装燃机进气滤清器。除了燃气轮机外，其他舰船发动机燃烧和冷却用的迸气，通讯电子舱等舱室的进气等往往也有除盐要求。船用盐雾气溶胶分离装置已应用于多种舰船进气系统，分离效率最高可达99%。 2 除盐技术发展现状船用燃气轮机进气滤清器的发展经历了单级分离，二级分离和三级分离等几个阶段。单级的丝网凝聚器对小的液滴(210um) 4和较小风速(36m/s)时有良好的分离效果。对较大的液滴和较大风速时分离效果很差，而单一的惯性级气水分离器的特性恰恰相反5- 7。正是由于单级丝网凝聚器和惯性级气水分离器的特点以及它们在分离效果上的互补性，开始研究二级进气滤清器，它由一个丝网

7、凝聚器和一个惯性级气水分离器组成，后者做第一级，它可以除去大量的海水和大的盐雾液滴，丝网凝聚器则负责除去较小的盐雾液滴，它捕获并凝聚小的液滴使之越变越大，最后由重力的作用，大的液滴顺着丝网汇聚到凝聚器的底部，从而大大减少了进入燃气轮机压气机的盐雾液滴。这比单级的分离效果有十分明显的提高。第二级起的作用是凝聚液滴，所以叫做凝聚器，在其后和下游还可能有较大的液滴，所以还需要另外一个惯性级气水分离器才可以有更好的分离效果，这就提出了由前惯性级、丝网凝聚器和后惯性级组成的三级滤清器的概念。随着对滤清器的研究越来越深入，滤清器的效果和性能趋于完善。目前由于西方国家在这方面的研究入手比较早，所以如美国和英

8、国取得的成就很大，处于领先地位。我国在这方面起步较晚，大概是在二十世纪八十年代才开始研究，但是我国的这方面发展较快，特别是我校三级和四级滤清器的研制达到国内领先的水平。对于各种分离器，他们的分离原理无外乎以下几种：重力沉降、惯性分离、扩散分离、拦截分离、静电捕集等。而本文介绍的丝网凝聚器的捕雾原理主要有三种：惯性捕集，直接碰撞分离和扩散分离(Gerrard，1986；Holmes和Chen，1 984；Feord,1993)。但是研究表明惯性捕集是丝网凝聚器的主要分离方式。液滴被捕获以后并不会马上就沿丝网流下，而是继续粘在丝网上，并且在丝网上它还会粘住一些流过它附近的小液滴，这样小液滴就会越积

9、越大，由于表面张力及毛细管作用而沿着细丝流到两根丝交汇处的缝隙，当它积到自身重力大于丝网作用在液滴上的力的时候，才会沿网丝流下。但是国外研究表明，丝网凝聚的作用主要还是惯性分离，所以现在我们也认为惯性分离是丝网凝聚器捕集液滴的主要方法，丝网凝聚器的分离效果主要归功于惯性分离。3盐雾气溶胶被燃气轮机吸入的最重要的一种污染物是盐，它通常以气溶胶形式存在。它的主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐氯化钠，它主要来源于海洋和内地盐碱地区。它的形成主要是因为风引起海面扰动和涨、落潮时，海水相互间的冲击和海浪拍击海岸，致使很多海浪粒子拖入空中，水分发蒸后，留下一些极小的盐粒，在大气团的平流和紊流交换作用下，这些盐

10、粒在空气中散开来，并随风流动形成沿海地区盐雾8。盐雾对金属材料表面的腐蚀是由于含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应引起的。同时，氯离子含有一定的水合能，易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝排挤并取代氯化层中的氧，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面。造成对产品极坏的不良反应。海上盐雾弥漫，空气湿度大。空气潮湿不仅引起舰船发动机效能降低，还会加速机件腐蚀、老化，降低机件的使用寿命。4 数值模拟方法在传统的船舶空气动力学研究中，大多采用风洞实测的方法确定流场速度和压力分布。该方法造价高，耗资大并且在风洞试验中存在着动力相似和几何相似的影响，还要考虑风洞

11、边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数等。实验结果要进行换算，还存在测量点有限、采集数据的测量误差等问题，对于紊乱的流动区域难以获得准确的结果。计算流体动力学分析所得到的结果与在实验室进行的风洞试验所得的结果相类似，它们都要描述一系列的不同流动状况的马赫数与雷诺数9。利用数值模拟的方法研究船舶内外流场的流动状况，对流场参数进行分析，并与传统的研究方法结合，可以有效的改善船舶性能，节约研究资金，提高研究效率。进行船用气水分离器机理的数值模拟及实验研究，为高性能船用气水分离器的设计制造提供依据有着重要的现实意义。常规的进气滤清器主要包含两部分： 一为形状复杂的曲折流道式惯性分离器，简称为惯性级；

12、一为细金属丝编织网层叠而成的网垫级。舰船燃气轮机是在海面含盐气氛下工作的。空气中的盐分对发动机工作的性能、可靠性和寿命有严重的影响。在舰船进气系统中设置进气滤清器可以有效地滤除盐分,使进入发动机空气中的含盐量降低到容许值。因而如何有效地滤除进入燃气轮机空气中的盐分,研制高效、低阻进气滤清器一直是国内外船用燃气轮机界和沿海以燃气轮机为动力的工业界 （如海上钻井平台,移动式动力站等）十分关注的重要课题之一10。5 滤清系统简介湿度在海盐的存在状态已经悬浮颗粒的大小中扮演着一个重要的角色。通常盐存在的干的状态环境中可接受湿度范围最低为40%，最高为70%。在这两个范围之间的任何地方，盐将会是一个过渡

13、状态。当相对湿度降到70%以下，盐分粒子自然变得粘或具有粘滞性直到达到40%，此时它们变成干盐粒子。然而，当相对湿度超过40%时，盐颗粒将保持干颗粒状态直到达到相对湿度70%，在这时它们被目前潮湿的空气快速的吸收。当相对湿度改变时，空气中盐分的集结不会改变，存在仅有的相当数量的湿气。当湿度下降，悬浮颗粒的大小将明显的收缩直到相对湿度接近40%，这时干盐粒子开始存在。安装燃气轮机的位置主要被分为两个主要的区域：沿海、海洋、近海或者路基应用。这些地方最主要的不同是这些地方大气中的盐分的集中的不同，在沿海、海洋、近海含盐量很高。在船只上使用的最常见滤清系统目前是叶片分离器，聚结器，叶片分离器三阶段系

14、统。这些都是高速系统，在捕获水颗粒和水粒子中溶解的盐粒子方面有很高的效率（盐气溶胶）。第一个分离器的作用是去除大量的水雾，从舰船的尾流和波浪，雨或潮湿的雪。这个分离器可以防止联合系统过载。聚集器收集第一阶段叶片分离器不能捕获的更小的水滴并将它们聚集成大水滴或者流走或者重新进入气流中。聚集器有时也扮演去除粒子的角色，并且能够捕获大的粉尘粒子。这种滤清器一般是由非编织的聚酯或更小的材料制成。这对于靠近海岸线的燃气轮机的运行也是有用的。任何大水滴被空气带走的会被第二个叶片分离器捕获。滤清系统配备排水系统以及水、盐去除系统，因此水汽和盐能够恰当的直接从燃气轮机去除。路基燃气轮机的应用受到许多不同环境的

15、限制。这些环境从寒冷的北极环境在这雪和冰是主要考虑的因素，到热带环境中在这大量的雨和昆虫将被去除。每一个环境都有他独特的污染物和季节多样性。6 滤清器更换、清洁和检查有四种被应用于燃机滤清器性能的标准。这些标准是为了采暖通风与空调应用而制定的，但它们仍然可以应用于燃气轮机。美国应用的标准是ASHRAE52.2:2007。欧洲标准是EN779:2002和EN1822:2009。每一测试标准在测试设备和性能结果上都是不同的。滤清器一般在它达到压力损失的额定值和全负荷后被更换。水清洗是一种在大修期中间清洗燃机的方法，水清洗可以恢复由于没有被滤清系统滤除的污染物造成的部分性能下降。有两种水清洗方案：脱

16、机（也包括联合）或联机。联机清洗是最方便的因为它可以再燃机运行情况下进行11。然而，脱机清洗提供了更严密的清洁和去除一些联机清洗不能去除的污垢的方法。脱机清洗是一个比联机清洗更细致的过程。洗涤剂被用来代替蒸馏水来去除污染物。在这种类型的清洗中，改变速度、液滴尺寸、进口导叶设置和水管内水压是确保洗涤剂被送到压气机最远级来最大限度的去除污垢的重要方法。当燃机被洗涤剂清洗完毕，用蒸馏水全面的清洗压气机是很重要的一点。检查测试应该包括测试滤清器的强度，监测滤清器的水抑制性能，测量滤清器上污染物的种类和数量和估计滤清器的老化程度。测试将为滤清工程师评估滤清器在滤清系统中工作状况提供依据。测试结果可以被用

17、来确定不同得滤清器是否应该被安装或什么时候应该更换滤清器。这类性能测试可以帮助确保由于空气质量导致的燃机磨损降到最低水平。在滤清系统中有几项检查应该被进行以便确认滤清系统处于良好的状态。排水弯管内水位和排水系统柔性连接处应该每周检查。弯管连接处的密封应该每月检查。这些检查中发现的任何瑕疵应该被及时的修复。此外，只要可能对滤清器本身就应该进行肉眼检查。在肉眼检查中，全负荷或损坏的滤清器可以被发现。这些滤清器应该被更换。参考文献1 牛利民，李淑英.船舶燃气轮机结构M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.2 催佃飞.船用燃气轮机进气流场研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.3 石宝龙.船用燃

18、气轮机进气流场研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.4 张继勇丝网除雾实验研究与参数优化上海交通大学硕士学位论文，1991：16195 Valceres VRSilva,W犯l Khatib，Peter JFlemingPerformance optimization ofgas turbine engineEngineeringApplication ofArtificial Intelligence2005，18：71736 虞晴大功率舰船燃气轮机进气气水分离试验研究上海：上海交通大学，1989：19217 王小华，孙海鸥，何钟怡船用气水分离器惯性级流场分析及阻力特性研究应用力学学报，20038 张国权.气溶胶力学除尘净化理论基础M北京：中国环境科学出版社9 John D. Anderson,JR. Computational Fluid Dynamics The Basics with ApplicationsM.北京：清华大学出版社，2002.10 姚明.船用燃气轮机组合式三级进气滤清器的研制.304-1科研组.11 焦保良.小型艇进气系统性能数值预测及优化M.哈尔滨：哈尔滨工程大学，200912 王小玲船用发动机进气滤清装置的设计探讨船舶，1997，23(2)：374113 Raine