微小型HAT 循环试验台建设

祖成龙

（江苏中科能源动力研究中心，江苏 连云港 222000）

引言

21 世纪初在“西气东输”的背景下，通过以市场换技术的手段，上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂分别于西门子、三菱、GE 合作制造燃机轮机，使得中大型燃气轮机在国内迅速发展，其应用前景非常广阔。但微小型燃气轮机受工艺、材料和技术限制，存在着发电效率低、能源利用率低、适用性差等问题，制约其进一步发展。因此如何改善微小型燃气轮机的循环方式是目前重点突破方向，其中湿蒸汽透平循环（Humid Air Turbine，HAT）得到较高关注。

HAT 循环通过喷水提高空气湿度，增加进气质量，利用后冷器、湿化器、回热器、省煤器等换热设备，回收低品位热能，从而提高发电功率和效率。目前国外如日立公司MW 级别的HAT 循环试验台的研发得到工业界和学术界的认可，但国内相关研究较少，实验数据十分有限。因此搭建百千瓦HAT 循环试验台建设，对验证循环系统技术，研究HAT 循环热力性能及排放等问题有重大帮助。

1 HAT 循环试验台原理

HAT 循环试验台主要由新奥动力的E150R 微型燃气轮机、后冷器、湿化器、省煤器、燃气系统、冷却水系统组成，其中微型燃气轮机出厂配备回热器。

天然气采用市政管道气，经过滤、调压后进入燃烧室内燃烧。

如图1 所示，空气先吸入压气机进行压缩，然后进入后冷器降温后再进入湿化器进一步加湿，最后在回热器与高温烟气充分换热后进入燃烧室燃烧。燃烧后的烟气先通过透平做功，然后依次通过回热器、省煤器回收热量，最后排入大气。压气机设计一路放散管道，防止燃气轮机在实验过程中，因增加含湿量提高进气质量导致压气机喘振等问题。

图1 HAT 循环示意图

湿化器底部出水分为两路，一路进入省煤器与烟气换热，一路进入后冷器与空气换热，最后汇总后进入湿化器加湿空气。同时湿化器底部增加一路补水装置，补充加湿后减少的循环水量。

2 HAT 循环台主要构成及作用

2.1 燃气轮机

百千瓦HAT 循环试验台（见下页图2）搭配新奥动力E150R 微型燃气轮机，进气流量1 kg/s，压比4.0，额定发电功率118 kW，发电效率25%，NOx 排放50 ppm@15%O2。

图2 百千瓦HAT 循环试验台

E150R 与常规微小型燃气轮机发电模式稍有不同，常规机型是启动升速阶段通过启动电机和燃料燃烧做功共同驱动，启动电机通过离合器与齿轮箱连接，通过齿轮箱变速后拖动微燃机升速。燃机转速达到怠速后，切断启动电机电源，由于离合器的作用，电机停止转动，燃机过怠速后的升速由燃料燃烧驱动。微燃机达到空载转速时，经过齿轮箱减速，拖动发电机转速到1 500 r/min 或3 000 r/min，经并网控制器检测发电机电压、频率、相位与市电电网相同，随机合闸并网开始发电。而E150R 微燃机搭配启发一体高速电机，在启动升速阶段作为电动机，和燃烧后的天然气一起做功驱动核心机加速。在达到额定转速时，通过变频器的驱动器控制微燃机转速，从而保证恒转速发电。启发一体电机不仅节省了启动电机和齿轮箱等旋转部件，降低微燃机故障率，还大大节省了空间，提高集成度。在启动阶段，启发一体电机通过AFE 将市电整流成直流电，然后进入电机侧变频器的直流母线，逆变成交流电驱动电机旋转，升速阶段由于转子旋转频率小于定子旋转频率，所以为电动机状态。在达到额定转速后，电机侧变频器直流母排电压升高，大于AFE 侧直流母排电压，故处于发电状态，将电机能量反馈到电网，实现发电功能。但由于电机电压除了和转速有关，还和磁通量的变化有关，所以在升速和降速阶段，均会存在电机发电情况[1-2]。

2.2 回热器

微燃机主用应用场景为分布式能源，常搭配锅炉或者溴冷机，实现热电两联产或热电冷三联产，从而提高热效率。但由于百千瓦HAT 循环试验台为研发性质，所以搭配回热器进一步提高发电效率。回热器空气进气温度约200 ℃，出口温度约590 ℃，将E150R 微燃机发电效率从16%提高到24%。但回热器也存在一定的热惯性，由于回热器的热容比较大，在减速停机进行冷盘时，简单循环需要10 min，而回热循环需要60 min 以上。热启动时，也会因为回热器的热容而导致升速超温，对微燃机的自动控制程序要求较高。

2.3 湿化器

湿蒸汽透平循环最重要的部件即为湿化器，经压气机加压后的高温高压空气和循环除盐水在湿化器内部逆流接触换热蒸发。作为布雷顿循环中新加的设备，与常规化工系统要求也大不相同。湿化器除了应具备换热效率高、出口湿蒸汽蒸发效果好、前后压损小等要求外，还要结构简单稳定，容积小，因为湿化器作为一个压力容器，会在运行过程中储存一定的高压空气，具备很大的热惯性和容积惯性，影响调节响应时间，降低微燃机的灵活性。

2.4 省煤器

经回热器换热后的排气温度为330 ℃左右，为了进一步提高循环试验台热效率，在后端增加一台省煤器，通过循环除盐水换热器，排气温度降低到100 ℃以下，充分利用低品位热能，提供HAT 循环试验台热效率。

3 HAT 循环试验台主要难点

3.1 系统的安全性

为了保证压气机出口高温高压空气完全湿化，需要预留一定的换热空间，这必然会导致湿化器的具有一定的容积。若外部因素或微燃机本身运行出现故障导致急停，湿化器内部的压缩空气又无法瞬间排出，既可能会反串到压气机气路，导致压气机喘振，也可能进入涡轮做功，导致微燃机喘振。

中科院工程热物理研究所研究表明[3]，在不改变省煤器和微燃机运行条件的前提下，优化不带后冷器的HAT 循环，使得HAT 循环效率保持不变。有无后冷器的HAT 循环热效率和输出功一致，但不设置后冷器的湿化器要比设置后冷器的湿化器高度增加一倍左右。所以为了尽可能减小湿化器容积，HAT循环试验台在进湿化器前增加一台后冷器，循环水在后冷器内部提前与压气机出口压缩空气换热，在进入湿化器内部加湿[4-5]。

为了防止湿化器内部高压空气反串到压气机中，导致压气机喘振，HAT 循环试验台在压气机出口管路设置单向阀。由于HAT 循环试验台采用的E150R 启发一体电机，电机转速由变频器的驱动器控制，可防止微燃机超速运行。

3.2 长期运行稳定性

为了保证HAT 循环试验台长期稳定运行，一般采用除盐水作为高温高压空气的湿化介质。尽管是除盐水，由于加湿系统是循环使用，长时间运行后，湿化器内容除盐水的盐离子浓度会越来越高，对燃烧室和透平产生不可逆的损伤，严重可造成燃烧室部分脱落，透平剐蹭断裂[6-7]。

HAT 循环试验台在湿化器底部设置排污孔，定期检测盐离子浓度，在不影响运行的情况下，可定期排放更换循环除盐水，从而保证系统长期安全稳定运行。