0 引　言

燃气轮机具有紧凑的结构布局、良好的燃油经济指标、较高的热效率、良好的可靠度与长久的使用寿命等优势，被广泛应用于海上石油平台、船舶动力，在国民经济领域得到长足发展^[1]。

在海洋环境使用中，发现了很多问题，其中有海洋环境下的腐蚀^[2−3]、盐雾沉积致使压气机叶片结垢，使得压气机的流量和效率发生变化，导致燃气轮机的性能发生退化^[4−5]。基于GEJ85-13发动机，Syverud等^[6]采用入口喷射浓盐水的实验方法，对压气机叶片进行加速结垢试验研究。Igie等^[7]研究了多台燃气轮机离线清洗与在线清洗对退化的影响，表明在线清洗相比离线清洗每小时燃机平均退化率会降低一半。房友龙等^[8]基于三轴燃气轮机历时2 000 h的结垢性能退化试验，提出的热损失指标反映了燃气轮机性能退化趋势，并提出清洗策略和寿命预测方法。Caguiat^[9]通过实验注入20 g的盐，燃料消耗量会增加3%，压气机的输出压力就会降低7%。

从上述文献可看出，对海洋环境工作的燃气轮机盐雾沉积方面研究较少。针对燃气轮机通流部分清洗，目前燃气轮机清洗时机主要以燃气轮机效率或者累计运行时间为依据，然而热效率的测取受到水力测功器等功率测量、燃油低热值化验、燃油流量测量准确性的影响，同时海上石油平台、船舶动力用燃气轮机，由于使用环境特殊，测量热效率存在一定的条件限制。燃气轮机使用过程中，功率输出根据实时使用需求变化，没有显著的规律性，以固定的间隔累计运行时间进行通流清洗是不科学的。

为研究盐雾沉降及清洗时机的确定，本文通过燃气轮机试验台配置盐雾系统，通过试验测试得出3轴燃气轮机（压气机由低压压气机、高压压气机组成）的盐雾沉积率；同时燃气轮机数千小时全程投盐雾运行，通过计算及分析，得出折合低压压气机转子转速、折合高压压气机后空气压力的变化，可表明压气机污染的情况，进而可确定清洗时机。

1 试验台盐雾系统

试验台进行盐雾试验时，盐雾系统应满足燃气轮机进气含盐量的要求，同时满足燃气轮机不同工况时的盐分等需求。根据《船用燃气轮机通用规范》（GJB730B-2017）规定，燃气轮机陆上试验时，配置盐溶液应按照表1组分进行配置，即41.2 mg/mL，同时为模拟海上大气环境，需要燃气轮机进气含盐量浓度为0.01 mg盐/kg空气。

燃气轮机不同工况每秒需要盐雾质量：

${M}_{{{\mathrm{salt}}工况}}{=}{M}_{{{\mathrm{air}}工况}} \mathrm{\times 0.01\times 1\;000}。$

(1)

式中：M_air工况为不同工况对应的空气流量，kg/s；M_salt工况为不同工况对应的盐雾质量，g。

燃气轮机不同工况每秒需要盐雾体积流量：

$Q_{{\mathrm{salt}}}= \frac{{M_{ {\mathrm{salt}}}}_{\mathrm{工}\mathrm{况}}}{41.2}。$

(2)

式中：Q_salt为不同工况每秒需要盐雾体积流量，L/s。

为保证不同工况对盐雾的需求，试验台采用与燃气轮机工况对应的4～20 mA标准信号，远程控制智能流量型蠕动泵来输送不同工况下所需要的盐溶液，通过盐溶液输送管输送至雾化器，雾化后的盐溶液因燃气轮机进口负压被吸入，经过盐雾喷射总管、盐雾分支喷射管进入进气道，与压气机吸入的空气充分混合后，进入压气机。试验台盐雾装置系统总图和盐雾喷射管如图1和图2所示。

2 压气机盐雾沉积测试

燃气轮机压气机由低压压气机及高压压气机组成，其中低压压气机有9级。在低压压气机进口管道、第3级、第6级、第9级壳体上用采样系统对含盐空气进行采样。进气管道由采样探头采取空气样品，压气机第3级、6级、9级由引气调节系统将含盐空气引出进入采样系统。进气管道采样系统为负压采样系统、第3级、6级、9级采样系统为正压采样系统。盐雾沉积试验主要由盐雾采样、含盐量分析，及相关配试仪器组成，试验台布置示意图如图3所示。

采样系统将空气样品中的盐雾溶解在样品吸收瓶内的纯水中，采用化学分析方法，利用离子色谱仪测定前后各采用水样中氯离子的浓度，根据公式计算出各位置气流中的含盐浓度，最后算出盐份沉积率。为测试不同工况下的压气机各级的盐雾沉积，在燃气轮机20%、50%、80%、100%功率下分别进行测试。试验台盐雾系统在燃气轮机工作时持续提供进气含盐量浓度为0.01 mg盐/kg空气，为保证测量的精度，各工况采样时间维持在40 min以上。

如燃气轮机20%功率下采样40 min，采样系统将进气管道、第3级、第6级、第9级采样含盐雾的空气，溶解于收集装置的纯水中，利用离子色谱仪测定测量收集装置溶液里的Cl离子浓度（mg/L），从而得出溶液中Cl离子质量（kg），进而计算出溶液中折合盐质量（kg）及空气中盐浓度（mg盐/kg空气）含盐浓度如表2所示。

燃气轮机在50%、80%、100%功率下稳定运行40 min继续上述试验，通过计算得出典型工况下的压气机进口、3级、6级、9级含盐浓度及沉积率，如表3所示。

3 燃气轮机压气机转速变化研究

由上述低压压气机进口含盐量测试可知，空气中的盐雾在进入低压压气机后，逐步沉积，进入高压压气机后空气基本已无盐分，因此在海洋大气环境下，低压压气机较高压压气机易受盐雾的污染，进而随着燃气轮机运行时数的增加，进一步研究高压压气机转子与低压压气机转子转速差的变化。

3.1 参数修正

随着燃气轮机的持续运行，为研究压气机转子转速的变化，按规定参考大气条件（大气压101325 Pa、大气温度27 ℃）、进气总压损失和排气静压损失等条件，将上述参数修正到同一标准，修正方法按照中华人民共和国船舶行业标准《舰船燃气轮机热力性能试验数据处理方法》（CB20429-2018），修正公式如下：

${n}_{T}=n\times \sqrt{\frac{300.15}{{T}_{1}}} ，$

(3)

${n}_{z}={n}_{T}\times (1+{D}_{i}^{{'}}+{D}_{i}^{{'}{'}})。$

(4)

式中：$n$、${n}_{T}$、${n}_{z}$分别为实测转子转速、修正到规定参考大气条件下转子转速、按进排气损失偏差修正后转速，r/min；${T}_{1}$为实测大气温度，K；${D}_{i}^{{'}}$、${D}_{i}^{{'}{'}}$分别为进气损失、排气损失偏差修正系数。

根据燃气轮机的运行参数，按照上述参数修正方法，修正得出出厂运行及运行600 h后的修正高压压气机转速、修正低压压气机转速，如图4所示。

可见，在接近额定工况，修正高压压气机转速在0.944～0.968区间，燃气轮机出厂时与运行600 h后，修正低压压气机转速及修正高压压气机转速具有较好的线性关系，在该区间，在同一修正高压压气机转速下，修正低压压气机转速出厂时与运行600 h后，存在Δ_n1的转速差。

燃气轮机运行600 h后，进行了通流清洗。清洗后的修正高压压气机转速、修正低压压气机转速如图5所示。可见，在同样的修正高压压气机转速下，清洗后的修正低压压气机转速恢复到出厂值。

3.2 压气机污染表征量的提出

根据3.1节分析，在接近额定工况，修正低压压气机转速及修正高压压气机转速具有较好的线性关系，在该区间，在同一修正高压压气机转速下，修正低压压气机转速出厂时与运行后，存在Δ_n1的转速差。将该Δ_n1定义为表征压气机污染的变量。

该燃气轮机在盐雾系统投用下连续运行2500 h，机组分别在运行600、1200、1800、2500 h后各进行了燃气轮机通流部分的清洗。对该燃气轮机每约100 h运行、水清洗前后的全工况过程（空载到额定工况）下的低压压气机转速、高压压气机转速，按照3.1进行修正，得到对应的修正低压压气机转速、修正高压压气机转速，根据修正低压压气机转速与修正高压压气机转速的拟合关系，当修正高压压气机转速值选择为0.944～0.968区间的0.959时，对应的修正低压压气机转速如表4所示，变化趋势如图6所示。

通过表4及图6，随着燃气轮机的运行，转速差Δ_n1逐渐增大，前600 h每运行100 h，折合低压压气机转速当量值下降0.001；第600～2500 h运行，每运行100 h低压压气机转速当量值下降在区间0.0007～0.0015。运行600、1200、1800、2500 h水清洗后较水清洗前折合低压压气机转速当量值上升0.0061、0.0043、0.0075、0.0080。

通过上述分析，该变量Δ_n1可表征压气机污染的情况，Δ_n1越大，表明压气机污染越严重。燃气轮机通流清洗后较清洗前Δ_n1会显著减小。

3.3 燃气轮机清洗时机的确定

通过上文的盐雾沉积测试结果，及燃气轮机实际在盐雾环境下长时间的工作及水清洗前后的分析，转速差Δ_n1可表征压气机污染的情况，随着燃气轮机的运行，根据转速差Δ_n1的数值可确定通流部分的清洗时机。600 h热效率较出厂下降0.25%，Δ_n1下降0.00811；600 h清洗后较清洗前热效率升高0.17%，Δ_n1上升0.0061。根据热效率与Δ_n1的线性关系，根据运行规范，热效率下降0.2%应进行通流部分清洗，通过换算Δ_n1下降0.00685时，应进行通流清洗。

根据燃气轮机海洋环境盐雾沉降测试及上述研究可知，该清洗时机是依据在同一修正高压压气机转速下，修正低压压气机转速出厂时与运行后，存在Δ_n1的转速差，该Δ_n1定义为表征压气机污染的变量。因此该方法适用工作于海洋环境下的双转子压气机的燃气轮机，目前船用燃气轮机及海上石油平台发电用燃气轮机主要为三转子型，压气机为双转子型，具有较好的适用性。该方法优化了运行规范中关于“固定的间隔运行时间进行通流清洗”的规定，重新对在海洋环境工作下，燃气轮机（含双转子压气机）的通流污染及清洗时机进行了规定。该方法已写入燃气轮机运行规范并广泛应用，对燃气轮机运行维护具有重要意义。

4 结　语

1）通过试验台盐雾试验，在低压压气机进口管道、第3级、第6级、第9级壳体上，用采样系统对含盐空气进行采样，得出空气中盐雾在低压压气机逐渐下降，低压压气机出口已基本全程沉积，因此低压压气机较高压压气机更易污染。

2）基于燃气轮机2500 h全程投盐雾运行及清洗情况，通过计算及分析，在接近额定功率时，修正低压压气机转速及修正高压压气机转速具有有较好的线性关系，在该区间，在同一修正高压压气机转速下，修正低压压气机转速出厂时与运行后，存在Δ_n1的转速差。该转速差Δ_n1越大表明压气机污染越严重。燃气轮机通流清洗后较清洗前Δ_n1会显著减小。

3）根据运行规范，热效率下降0.2%应进行通流部分清洗，通过换算Δ_n1下降约0.00685时，应进行通流清洗。

4）该清洗时机的确定方法，对在海洋环境工作下，由双转子压气机组成的燃气轮机，具有较好的适用性。