燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻噴霧系統(tǒng)
時(shí)間：2023-03-09
畢竟，熱空氣的密度比冷空氣低。渦輪機(jī)輸送恒定體積的空氣，但產(chǎn)生的功率取決于流經(jīng)渦輪機(jī)的空氣質(zhì)量。因此，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)輸出下降。壓縮熱空氣也比壓縮冷空氣需要更多的工作。當(dāng)進(jìn)氣更熱時(shí)，更多的輸出用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而不是旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。雖然確切的影響因渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的不同而不同，但通常環(huán)境溫度升高1攝氏度會(huì)使輸出降低約0.5%至1%。航空衍生渦輪機(jī)往往對(duì)高溫最敏感，但即使是重型渦輪機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到35攝氏度（95華氏度）時(shí)，其額定容量也會(huì)損失10%以上。為了應(yīng)對(duì)這種溫度升高，霧化系統(tǒng)利用蒸發(fā)的自然冷卻效果來(lái)降低空氣溫度，從而允許更大的質(zhì)量流量，并減少壓縮所消耗的能量。
通過(guò)過(guò)度噴霧霧化或濕壓縮降低進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣溫度，可以實(shí)現(xiàn)額外的功率提升。這是通過(guò)在現(xiàn)有環(huán)境溫度和濕度條件下向空氣中添加比蒸發(fā)量更多的液態(tài)水來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種額外的噴霧被帶到壓縮機(jī)中，在壓縮機(jī)中，壓縮熱允許液滴蒸發(fā)并冷卻空氣，即使空氣正在被壓縮。這降低了壓縮機(jī)負(fù)荷，并進(jìn)一步增加了燃?xì)廨啓C(jī)的輸出。進(jìn)氣質(zhì)量1%的噴霧，可增加約5%的功率輸出。將蒸發(fā)冷卻和過(guò)度噴霧霧化相結(jié)合，可以使燃?xì)廨啓C(jī)的額定輸出功率提高20%至30%。
與任何技術(shù)一樣，進(jìn)氣冷卻必須正確實(shí)施以取得期望的效果，并且必須小心避免損壞燃?xì)廨啓C(jī)。進(jìn)氣管道中的大液滴或流動(dòng)水會(huì)因液體沖擊侵蝕而損壞壓縮機(jī)葉片。研究和經(jīng)驗(yàn)為解決這些問(wèn)題提供了補(bǔ)救措施和技術(shù)改進(jìn)。
水滴大小很重要
霧化噴嘴每秒產(chǎn)生數(shù)十億滴噴霧顆粒。由于蒸發(fā)僅發(fā)生在水/空氣接觸面，液滴蒸發(fā)的速率與比表面積成比例的。表面張力導(dǎo)致霧滴變成球形。球體的表面積隨直徑的平方成正比，但體積隨直徑的立方成正比。這意味著，將水分解成更小的水滴會(huì)使更多的水表面積暴露在空氣中，因此蒸發(fā)速度比更大的水滴更快。
例如，對(duì)于相同體積的噴霧，40微米噴霧顆粒組成霧群總表面積只有20微米噴霧顆粒組成霧群總表面積的1/4。因此，產(chǎn)生較小噴霧粒徑的噴霧系統(tǒng)更有可能在空氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前將空氣冷卻到目標(biāo)溫度（環(huán)境濕球溫度），從而確保用給定的水量得到最大的功率提升。研究和經(jīng)驗(yàn)表明，入口霧化液滴應(yīng)不大于20微米，以在其在入口氣流中停留的一到兩秒內(nèi)完全蒸發(fā)。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美泰噴霧公司的高精度霧化噴嘴是可以做到的。
避免壓縮機(jī)葉片腐蝕
對(duì)于較粗的噴霧顆粒，除了需要更多的時(shí)間蒸發(fā)外，這種較粗的霧滴也不太能夠跟隨氣流繞過(guò)汽輪機(jī)中的一些結(jié)構(gòu)件，如入口消音器面板和管道支撐結(jié)構(gòu)。40微米液滴的質(zhì)量是20微米液滴質(zhì)量的八倍，其下降速度要快得多。較大的噴霧液滴更有可能聚集在管道障礙物上或沉降到管道地板上。如果霧滴撞擊管道支撐支柱，則會(huì)發(fā)生積水。
這些積聚的水可以被高速氣流剝離，形成二次水滴，并且二次液粒的直徑可以是毫米級(jí)（1000微米）或更大。撞擊消音器面板或管道壁的水滴會(huì)在進(jìn)水管道壁或地板上產(chǎn)生流動(dòng)和積水。
如果大液滴或流動(dòng)或匯集的水被吸入壓縮機(jī)入口，則可能發(fā)生壓縮機(jī)葉片腐蝕。壓縮機(jī)入口附近的高空氣速度將導(dǎo)致大液滴分解成小液滴，但這些小液滴仍可能大到足以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)造成壓縮機(jī)葉片的侵蝕。因此，在將水吸入壓縮機(jī)之前，必須使用設(shè)計(jì)合理的排水系統(tǒng)將進(jìn)水管中的水排出。在許多情況下，可以使用簡(jiǎn)單的水分流將水引向排水點(diǎn)。排水點(diǎn)上方的假地板可使水流入排水管，而不會(huì)被吸入壓縮機(jī)。
霧化噴嘴排布位置
如果噴霧系統(tǒng)主要用于蒸發(fā)冷卻，或者如果噴霧系統(tǒng)安裝在對(duì)葉片侵蝕特別敏感的燃?xì)廨啓C(jī)上，則霧化噴嘴應(yīng)安裝在壓縮機(jī)入口上游，以便在進(jìn)入壓縮機(jī)之前實(shí)現(xiàn)最大蒸發(fā)。在大多數(shù)情況下，噴嘴的理想位置是在過(guò)濾室中，就在過(guò)濾壁的下游。該位置可以提供長(zhǎng)達(dá)兩秒的蒸發(fā)時(shí)間，這足以使具有20微米或更小液滴的霧霧幾乎完全蒸發(fā)。經(jīng)驗(yàn)表明，剩余的少量霧滴足夠小，即使是最敏感的壓縮機(jī)葉片也不會(huì)受到侵蝕。
當(dāng)噴霧系統(tǒng)用于過(guò)度噴霧或濕壓縮時(shí)，其目的是將大量霧滴引入壓縮機(jī)。對(duì)于此類安裝，通常最好將噴嘴安裝在壓縮機(jī)入口附近，以便噴霧不必通過(guò)入口消音器或其他障礙物到達(dá)壓縮機(jī)入口。
氣流中霧滴的合理分布
進(jìn)氣冷卻霧化系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是使極細(xì)的噴霧顆粒均勻分布在氣流中，以便它們能夠快速蒸發(fā)。在典型的進(jìn)氣管道中，空氣的混合很少，因此設(shè)計(jì)噴嘴陣列非常重要，以便噴霧盡可能覆蓋整個(gè)進(jìn)氣橫截面，并使噴嘴之間的間隙盡可能小。
具有小的噴霧霧炬或大流量的噴嘴可能會(huì)導(dǎo)致噴霧霧滴群體積中的水過(guò)多。在不存在霧的噴嘴之間也可能存在較大的間隙。噴霧霧群中最小的液滴很快蒸發(fā)。這會(huì)導(dǎo)致在較大的液滴蒸發(fā)之前，霧群中的相對(duì)濕度達(dá)到100%。與采用數(shù)量較少、流量較大的噴嘴的噴霧系統(tǒng)相比，具有較大數(shù)量的霧化噴嘴（每個(gè)噴嘴的流量較低）的噴霧系統(tǒng)將提供更好的蒸發(fā)冷卻。這樣的系統(tǒng)在入口管道中流動(dòng)或匯集的水也將較少。
還應(yīng)考慮氣流速度的差異，在氣流較高的管道橫截面區(qū)域放置較高濃度的霧化噴嘴，在氣流較低的區(qū)域放置較少的噴嘴。這確保了足夠的噴霧來(lái)冷卻高速區(qū)域的空氣，并避免過(guò)度霧化。
在低速區(qū)域。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析可用于模擬管道中的氣流，但實(shí)際測(cè)量的氣流速度將提供更可靠的結(jié)果。適當(dāng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的霧化系統(tǒng)將最大限度地減少但不完全消除管道中積水的可能性，因此安裝適當(dāng)設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)總是有益的。
污垢和鐵銹
在操作新安裝的霧化系統(tǒng)之前，應(yīng)徹底清潔進(jìn)氣管表面和消音板。積聚在管道表面和消音器面板上的污垢可能會(huì)被帶到壓縮機(jī)上，從而可能導(dǎo)致壓縮機(jī)快速結(jié)垢。如果確實(shí)發(fā)生污垢，這可能表明壓縮機(jī)正在從管道壁和地板吸入未霧化的水，因此排水系統(tǒng)可能設(shè)計(jì)不當(dāng)。還應(yīng)清潔生銹或涂層受損的區(qū)域在操作霧化系統(tǒng)之前重新噴涂。
泵的維護(hù)
噴霧系統(tǒng)需要使用除鹽水，以防止壓縮機(jī)葉片上的礦物質(zhì)堆積和未經(jīng)處理的水中礦物質(zhì)可能導(dǎo)致的熱氣通道腐蝕。然而，軟化水的潤(rùn)滑劑較差，縮短了泵密封的壽命。每年運(yùn)行超過(guò)500小時(shí)的噴霧系統(tǒng)應(yīng)配備密封沖洗泵。
沖洗泵具有特殊端口的入口歧管，可實(shí)現(xiàn)自來(lái)水內(nèi)部沖洗。自來(lái)水沖洗冷卻密封件，提供比軟化水更好的潤(rùn)滑。在需要更換密封件之前，正常的泵密封件可能只持續(xù)500小時(shí)，而密封件沖洗泵在需要更換之前可以運(yùn)行超過(guò)6000小時(shí)。
壓縮機(jī)喘振
壓縮機(jī)喘振通常不是蒸發(fā)冷卻或過(guò)度噴霧霧化的問(wèn)題。然而，如果提供大量蒸發(fā)冷卻的噴霧系統(tǒng)突然關(guān)閉，則突然引入更熱的空氣可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振。噴霧系統(tǒng)通常會(huì)隨著時(shí)間的推移而升降，以避免這種可能性。但是，由于缺乏進(jìn)水、電氣故障等原因，噴霧系統(tǒng)可能會(huì)突然關(guān)閉。通過(guò)在高壓水管線上安裝廉價(jià)的蓄壓器來(lái)避免這種情況的方法。如果噴霧系統(tǒng)突然發(fā)生故障，壓力容器允許霧霧在幾秒內(nèi)減少，從而避免壓縮機(jī)喘振的可能性。
總結(jié)
即使考慮到了所有可能的問(wèn)題，客戶對(duì)一開(kāi)始就使用進(jìn)氣冷卻噴霧系統(tǒng)還是有顧慮。不過(guò)使用進(jìn)氣冷卻霧化系統(tǒng)最大的原因是產(chǎn)量增加了30%，成本只占新燃?xì)廨啓C(jī)的一小部分。
另一個(gè)好處是熱耗率。噴霧系統(tǒng)可將簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱耗率提高5%；消耗的燃料更多地用于發(fā)電，而不是壓縮空氣。在環(huán)境方面，噴霧通過(guò)減少燃燒室中的熱點(diǎn)，將NOX排放量減少了30%。它降低了總排放量，因?yàn)樘岣咝室馕吨繂挝划a(chǎn)出燃燒更少的燃料。鑒于其低投入，低運(yùn)維成本，進(jìn)氣冷卻噴霧系統(tǒng)已經(jīng)在多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)上使用，從小型氣動(dòng)渦輪機(jī)到G級(jí)渦輪機(jī)。與冷卻器相比，霧化系統(tǒng)的運(yùn)行成本更低，而且與介質(zhì)型蒸發(fā)冷卻器不同，霧化系統(tǒng)不會(huì)在入口產(chǎn)生顯著的壓降。
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