王慶生
(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱 150046)
與海運(yùn)發(fā)動機(jī)不同,船用汽輪機(jī)中蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位,而每個蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)由大量部件組成才能安全可靠運(yùn)行。在這種蒸汽推進(jìn)系統(tǒng)中,壓力給水泵是一個重要的部件,它會返回從除氧器到蒸汽發(fā)生器的水壓力(通常通過一個或多個高壓進(jìn)料熱水器),大多數(shù)情況下主高壓給水泵由低功率汽輪機(jī)驅(qū)動。在本文中主給水泵汽輪機(jī)(MFPT)根據(jù)能源效率和能源損耗方面渦輪機(jī)開發(fā)功率的變化。MFPT 是一種低功率汽輪機(jī),MFPT 分析的主要目標(biāo)是汽輪機(jī)能效和能量的變化渦輪機(jī)開發(fā)功率變化期間的功率損失。測量其蒸汽運(yùn)行參數(shù)與水通過主給水泵(Main Feed Pump,MFP)的體積流量,是渦輪數(shù)值分析所必需的。在常規(guī)LNG 運(yùn)輸船上進(jìn)行多個MFPT 負(fù)載,主要特征和液化天然氣運(yùn)輸船的規(guī)格安裝推進(jìn)系統(tǒng)并分析MFPT。
在每個呈現(xiàn)的渦輪機(jī)操作點(diǎn),渦輪機(jī)開發(fā)功率從最低的50 kW 以20 kW 的步長變化至最大功率570 kW,期間計算能量功率損失。隨機(jī)選擇3 個渦輪機(jī)進(jìn)行操作要點(diǎn)分析,但所得出的結(jié)論對于所有其他操作點(diǎn)也是有效的。在每個操作點(diǎn)汽輪機(jī)開發(fā)的功率變化允許檢測具有最高能效的最佳渦輪機(jī)負(fù)載。渦輪機(jī)能效和能量損失與實(shí)際開發(fā)情況進(jìn)行比較。MFPT 負(fù)荷取決于當(dāng)前水質(zhì)量流量通過高壓給水泵;在能源效率方面,該渦輪機(jī)的最佳選擇是在每臺機(jī)組中始終以最高負(fù)載(570 kW)運(yùn)行觀察到的操作點(diǎn)。渦輪機(jī)能量功率損失而不是在最高渦輪負(fù)荷時最低;最低能量功率損失是在最大渦輪機(jī)功率的37%時獲得的(210 kW 時)。
任何蒸汽系統(tǒng)部件的能量分析由熱力學(xué)第一定律定義與能量守恒有關(guān)。質(zhì)量和能量平衡,用于穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)體積忽略勢能和動能,能源效率可能不同形式取決于系統(tǒng)(或系統(tǒng))的類型如果能量分析僅針對一個組件)。
主給水泵汽輪機(jī)(MFPT)直接連接到使用的主給水泵,用于增加水壓并使其返回蒸汽發(fā)電機(jī)。泵的最大容量175 m3/h,輸送高度為818 m,汽輪機(jī)最大功率為570 kW。通過MFPT 的蒸汽質(zhì)量流量,是與蒸汽比焓和蒸汽一起呈現(xiàn)渦輪入口和出口處的比熵。一個重要的和主給水的測量運(yùn)行參數(shù)泵,用于計算MFPT開發(fā)功率,即泵水體積流量。
參數(shù)h1是特定于蒸汽的汽輪機(jī)入口處的焓,h2為在真實(shí)(多變)膨脹后的渦輪機(jī)出口處的蒸汽比焓,以及蒸汽渦輪入口處的比熵s1,是由汽輪機(jī)測得的蒸汽壓力和溫度,小灣汽輪機(jī)出口處的蒸汽比焓(h2)計算所得,MFPT 開發(fā)功率和通過汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量。渦輪機(jī)出口處的蒸汽比熵s2為根據(jù)汽輪機(jī)出口處的蒸汽比焓h2和渦輪機(jī)出口處的測量壓力p2計算所得。等熵蒸汽膨脹后的比焓根據(jù)渦輪機(jī)出口p2和已知蒸汽比熵在渦輪機(jī)入口s1處計算。理想等熵膨脹假設(shè)蒸汽比熵?zé)o變化。
本文中給出的完整渦輪機(jī)能量分析基于真實(shí)(多變)蒸汽的比較膨脹和理想(等熵)蒸汽膨脹。汽輪機(jī)入口處的蒸汽比焓h1,蒸汽渦輪等熵膨脹結(jié)束時的比焓和兩個蒸汽比熵(在渦輪機(jī)入口s1和出口s2)通過使用NIST REFPROP 8.0 計算軟件來計算。
可使用3 種不同的方法改變開發(fā)功率(如果蒸汽入口壓力和溫度相同假設(shè)每個汽輪機(jī)的蒸汽出口壓力相同操作點(diǎn)):①通過MFPT 的蒸汽質(zhì)量流量變化;②蒸汽比焓值的變化汽輪機(jī)出口h2;③方法1 和方法2 的組合。在本文中,組合方法(方法3)為每個操作點(diǎn)選擇,以顯示MFPT 能效和能量功率損失。渦輪機(jī)開發(fā)功率從50 kW 上升至最大值570 kW,步長為20 kW。功率需要改變通過渦輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量。在每個操作點(diǎn),汽輪機(jī)入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪機(jī)出口處的壓力保持與測量值相同,計算了汽輪機(jī)出口處的蒸汽焓h2對于每個渦輪機(jī)功率和質(zhì)量流量。汽輪機(jī)出口處蒸汽焓的變化h2以及蒸汽質(zhì)量流量的變化,會導(dǎo)致MFPT 的變化能量效率和能量功率損失。
上述分析MFPT 測量結(jié)果,均來自現(xiàn)有安裝在MFPT 入口和出口上的測量設(shè)備以及主給水泵入口所用測量設(shè)備。所需操作的測量結(jié)果有MFPT 入口和出口的參數(shù)以及水量主給水泵入口的流量,操作點(diǎn)表示LNG 運(yùn)輸船蒸汽系統(tǒng)負(fù)載,MFPT 負(fù)載直接與蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷成比例;高壓蒸汽系統(tǒng)負(fù)載表示較高的MFPT負(fù)載,反之亦然。
比較在MFPT 開發(fā)的功率變化期間,MFPT 能源效率和能源的變化渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率變化期間的功率損失,完整分析得出的結(jié)論是渦輪機(jī)開發(fā)功率的降低導(dǎo)致每個操作點(diǎn)的趨勢相同。唯一的區(qū)別是操作點(diǎn)之間的渦輪機(jī)能量效率和損失的值。因此,無需在MFPT 能源效率和每個觀察到的損失操作點(diǎn),但重要的是在至少幾個渦輪機(jī)負(fù)載顯示。
運(yùn)行點(diǎn)MFPT 的能效變化:
在開發(fā)的功率變化過程中,觀察渦輪機(jī)負(fù)載,渦輪機(jī)開發(fā)功率的增加導(dǎo)致能源效率從最低提高到最高,MFPT 能量持續(xù)增加。汽輪機(jī)出口處蒸汽比焓的降低h2在從50 kW 至570 kW的功率變化期間:最低時在該操作點(diǎn)觀察到50 kW 的渦輪機(jī)功率,能源效率僅為10.63%;在最高渦輪機(jī)處獲得渦輪機(jī)能量效率開發(fā)功率為570 kW,達(dá)到60.30%。能效變化為僅受蒸汽比焓變化的影響汽輪機(jī)產(chǎn)生功率原因的變化。
通過汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量的變化計算,其中渦輪機(jī)功率為蒸汽質(zhì)量流量的未知變量。多變膨脹后的蒸汽比焓h2在整個觀察到的渦輪機(jī)功率范圍內(nèi)降低,因?yàn)闇u輪功率的增加強(qiáng)度與通過渦輪MFPT 負(fù)荷與船舶蒸汽成正比系統(tǒng)負(fù)載。MFPT 能效在液化天然氣運(yùn)輸船開采期間最大值僅占47.74%,這比可能的能效低12.56%。
MFPT 能效的變化也表明,汽輪機(jī)與大多數(shù)其他蒸汽系統(tǒng)一樣,平衡組件將獲得最高能效,在最高汽輪機(jī)(蒸汽系統(tǒng))負(fù)荷下預(yù)計液化天然氣運(yùn)輸船的大部分運(yùn)營。對于每個觀察到的操作點(diǎn)計算MFPT 能量功率損失。渦輪機(jī)能量功率損失受通過汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量以及實(shí)際多變后的蒸汽比焓膨脹h2影響最大。對于每個工作點(diǎn),等熵后蒸汽比焓蒸汽膨脹保持不變,因?yàn)楹愣ㄆ啓C(jī)入口的蒸汽壓力和溫度以及蒸汽渦輪出口處的壓力。MFPT 功率從50 kW 升至570 kW,連續(xù)通過汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量從2241.33 kg/h(50 kW 時)增加到4502.45 kg/h(570 kW),而在相同的汽輪機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi),蒸汽比連續(xù)實(shí)際多方膨脹后的焓(h2)從3335.89 kJ/kg(50 kW 時)降至2960.45 kJ/kg(570 kW 時)。這兩個變量的變化強(qiáng)度,定義了在每個觀察到的渦輪機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的功率變化。MFPT 能量功率損失的變化在渦輪機(jī)功率變化期間最低渦輪處功率為50 kW,能量功率損失最高達(dá)到420.55 kW。渦輪機(jī)功率50 kW 和210 kW,能量功率損失減少,因此在該渦輪機(jī)中蒸汽比焓降低多方膨脹h2對能量功率損失的影響大于渦輪。
MFPT 功率范圍為210~490 kW 能量功率損失增加,因此在該渦輪機(jī)運(yùn)行時通過汽輪機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量增加對能量功率損失的影響大于多方膨脹后的蒸汽比焓h2。從490 kW 的渦輪機(jī)功率到最大值汽輪機(jī)功率570 kW,在50~210 kW 的渦輪機(jī)功率范圍內(nèi),蒸汽質(zhì)量流量的影響通過汽輪機(jī)和蒸汽比焓能量損失的多方膨脹h2是相同的。因此在該功率范圍內(nèi),渦輪能量功率損失減小。LNG 運(yùn)輸船開采期間,MFPT 能量功率損失達(dá)350.35 kW,而在該運(yùn)行點(diǎn)的渦輪機(jī)最大能量效率比汽輪機(jī)(最大開發(fā)功率為570 kW)能量功率損失達(dá)375.27 kW。MFPT 能量功率損失與渦輪機(jī)能效或LNG 運(yùn)輸船蒸汽系統(tǒng)負(fù)載,僅從MFPT 能量功率損失的觀點(diǎn)來看,渦輪機(jī)部分負(fù)載運(yùn)行將是最佳的。另一方面,在該運(yùn)行點(diǎn)的渦輪機(jī)能量功率損失最小值實(shí)現(xiàn)的渦輪機(jī)能效將低于開采率僅為38.97%。對所有MFPT 操作點(diǎn)有效的結(jié)論是:應(yīng)決定渦輪機(jī)運(yùn)行在最小能量功率損失或最大能源效率,因?yàn)檫@兩個目標(biāo)都無法在同時用于該低功率渦輪機(jī)。大多數(shù)LNG 運(yùn)輸船在最大蒸汽系統(tǒng)下運(yùn)行,因此MFPT 生產(chǎn)商的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大能效。
本文對MFPT 能量的持續(xù)增加效率是由蒸汽的持續(xù)減少引起的發(fā)電期間渦輪機(jī)出口的比焓(h2)進(jìn)行分析,事實(shí)上最高的能源效率將是在最高(最大)渦輪負(fù)荷下獲得的數(shù)據(jù)。對所有觀察到的渦輪機(jī)PT 能量進(jìn)行了數(shù)值分析,渦輪機(jī)開發(fā)功率的變化測量值在9 個不同的汽輪機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行點(diǎn)和數(shù)值分析,分為3 部分隨機(jī)選擇的操作點(diǎn)。盡管如此,結(jié)論適用于整個渦輪機(jī)工作范圍。渦輪機(jī)開發(fā)功率從50 kW 增加至570 kW,步長為20 kW,渦輪機(jī)能效從最低到最高獲得的操作點(diǎn)。在渦輪機(jī)開發(fā)期間,獲得的能源效率顯著提高。MFPT 能量功率損失通過汽輪機(jī)和蒸汽比焓的質(zhì)量流量在多方膨脹h2之后受蒸汽影響最大。兩個變量定義了渦輪機(jī)能量損失的區(qū)域增加和減少。能源損失趨勢的變化發(fā)生在210 kW 和490 kW 的渦輪機(jī)開發(fā)功率下。在開發(fā)時檢測到最小渦輪機(jī)能量功率損失功率210 kW,同時最大渦輪機(jī)能量功率損失在最低渦輪機(jī)負(fù)載(50 kW)下獲得,這對于整個蒸汽輪機(jī)操作范圍是有效的。通過對MFPT 的分析得出以下結(jié)論:作為其他蒸汽系統(tǒng)部件,低功率汽輪機(jī)的設(shè)計不能在能量功率損失最低,但設(shè)計為在最大能量效率(在渦輪機(jī)最大負(fù)荷)。由于大多數(shù)液化天然氣運(yùn)輸船的運(yùn)行預(yù)期在最高負(fù)載下,所有LNG 船蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)組件是以最高的速度獲得最高的效率。