微型燃气轮机模型和仿真——（II）仿真

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1、微型燃气轮机的模型与仿真——（II）仿真郝小礼1,2*郝小礼（1973，12—），男，安徽安庆人，讲师，在读博士，湖南省自然科学基金项目资助（05JJ40071）张国强21湖南科技大学能源与安全工程学院，湘潭，湖南，4112012湖南大学土木工程学院，长沙，湖南，410082摘要：利用文章的第I部分中所提出的分析模型，分析了进风温度、压气机等熵效率、透平等熵效率、回热器的回热度、压缩比、透平进口温度等因素对微型燃气轮机的热效率及比燃料消耗的影响大小。降低进风温度，提高压气机、透平的等熵效率以及回热器的回热度，提高透平进口温度，将提高微型燃气轮机的性能。分析结果表明，随着技术的不断进步，采取综合

2、措施，微型燃气轮机的发电效率达到40%是可以实现的。关键词：微型燃气轮机；数学模型；数值仿真；性能分析1引言作为一种新型分布式发电装置[1]，微型燃气轮机在分布式发电领域中起到了越来越重要的作用。尤其是随着微型燃气轮机技术的不断进步、相应的高效回热器的出现[2~3]，以及微型联产概念的提出[4]，使得微型燃气轮机有着更广泛的应用。微型燃气轮机的输出功率范围在25kW到400kW的范围之间,有回热的微型燃气轮机简单循环热效率能够达到20%～30%，由微型燃气轮机和高温燃料电池组成的联合循环效率能够达到60%以上，而由微型燃气轮机组成的冷热电联产效率可以超过80%[5]。尽管如此，微型燃气轮机的性

3、能受很多因素的影响，主要包括环境温度、压气机等熵效率、透平等熵效率、回热器的回热度、压缩比、透平进口温度等[6]。与其它的分布式发电设备相比，目前，微型燃气轮机的发电效率还比较低。例如，内燃机的发电效率可以达到25%~40%，而燃料电池的发电效率则更高达40%~50%[7]。然而，微型燃气轮机的性能还有很大的提高空间，其远景目标是实现发电效率达到40%[2]。要实现这个目标，必须详细分析各种影响因素对微型燃气轮机性能影响的大小，寻找提高卫星燃气轮机效率的有效途径。同时，作为联产系统的重要设备，微型燃气轮机的性能对联产系统的总体效率有着重要的影响，分析影响微型燃气轮机性能的各种因素，对更好地理解

4、联产系统的运行特征，更好地设计、运行和管理联产系统，提高系统的总体效率，也是有帮助的。本文利用文[8]所提出的分析模型，分析环境温度、压气机等熵效率、透平等熵效率、回热器的回热度、压缩比、透平进口温度等因素对微型燃气轮机的热效率及比燃料消耗的影响大小。分析中所用的仿真条件见表1，在分析某一因素时，假定其它条件不发生变化。2影响因素分析2.1环境温度的影响199环境温度，也就是微型燃气轮进风温度，主要是影响压气机的比压缩功，随着温度升高，空气比容增大，所以单位质量气体的压缩功增加，使得微型燃气轮机的效率下降，图1也正反映着这一点，当环境温度从-20℃升高到40℃，微型燃气轮机的效率从25.1%下

5、降到了20.6%，效率降低了18%。所以，对微型燃气轮机进风进行冷却，有利于提高微型燃气轮机的热效率。表1微型燃气轮机的仿真条件透平入口温度（K）1116设计压缩比3.4压气机设计空气流量（kg/s）0.31设计净输出功率（kW）设计转速（转/min）96000热效率（高位热值HHV）控制器效率94%冷却风机耗功率（kW）0.122压气机等熵效率79%透平等熵效率80%回热器回热度80%燃烧室的燃烧效率98%燃料压缩机效率80%发电机效率96%回热器的绝热效率98%压气机机械效率100%透平机械效率100%燃料压缩机机械效率100%设计环境温度（K）288设计环境压力（Pa）101325图1环

6、境温度对微型燃气轮机效率和最大净输出功率的影响199除了对效率有影响外，环境温度对微型燃气轮机的最大净输出功率也有影响，如图1所示，当环境温度低于设计的环境温度时，微型燃气轮机可以达到设计的最大输出，但当温度超过了设计的环境温度时，随温度增加，输出能力下降，当环境温度升高到40℃，最大的净输出功率只有22.2kW，仅为设计值的79%。造成这种现象的原因主要是由于微型燃气轮机对透平入口燃气温度有限制，当透平入口燃气温度超过了这个温度时，控制系统会自动减少燃料的输入量，从而减少了系统的做功能力。这一点也可以从图2看出，随着环境温度升高，刚开始燃料消耗量是增加的，这是由于随着热效率的降低，产生同样的

7、输出，就需要消耗更多的燃料。随着温度的进一步升高，透平入口温度超过限制温度，控制系统只有降低燃料输入来维持这个温度，所以燃料消耗量下降。图2燃料消耗和比燃料消耗随环境温度变化情况尽管系统的燃料消耗量先增后减，但系统的比燃料消耗却始终是增加的，这是由于系统的总效率随环境温度升高而下降，所以，系统产生单位输出所需要的能量输入也随之增加，也就导致了系统的比燃料消耗随环境温度的升高而增加。2.2压气机设计