摘 要：在世界能源危機的大背景下，節(jié)能減排是所有燃燒化石燃料的熱力機械必須重視和解決的問題?；責嵫h(huán)燃氣輪機因其熱力循環(huán)的特性，在輸出功率時可一定程度上降低燃油的消耗量?，F(xiàn)基于Gasturb仿真軟件，構(gòu)建了回熱循環(huán)燃氣輪機性能計算模型；根據(jù)構(gòu)建的模型進行熱力循環(huán)過程的計算，分別得出了普通循環(huán)與回熱循環(huán)的循環(huán)過程焓熵圖；對構(gòu)建的模型劃分出不同工況，分別對比了模型采用普通循環(huán)與回熱循環(huán)相同工況下的功率、耗油率情況及變化趨勢，發(fā)現(xiàn)同功率下，模型使用回熱循環(huán)比普通循環(huán)耗油率節(jié)省13%左右；另外，評估了在大氣條件-40～40 ℃、0～4 000 m的環(huán)境中，模型使用回熱循環(huán)的高度特性與溫度特性，對比了不同工況下模型的功率、耗油率變化及趨勢。

關(guān)鍵詞：能源危機；回熱循環(huán)；節(jié)能減排；溫度特性；高度特性

中圖分類號：TK262" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0039-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.010

0" " 引言

在21世紀的今天，能源危機已成為全球矚目的焦點，深刻影響著世界各國的經(jīng)濟、社會與環(huán)境。隨著工業(yè)化與城市化進程的加速，人類對能源的需求呈指數(shù)級增長，而傳統(tǒng)能源的有限性和不可持續(xù)性逐漸暴露，引發(fā)了一系列嚴峻的問題。

傳統(tǒng)化石能源，如石油、煤炭和天然氣，長期占據(jù)全球能源消費的主導地位。然而，這些能源儲量有限，且分布極為不均。石油輸出國組織（OPEC）的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，按照當前的開采速度，全球已探明的石油儲量僅能維持數(shù)十年。與此同時，煤炭和天然氣的情況也不容樂觀。并且，化石能源的大量消耗帶來了嚴重的環(huán)境問題，二氧化碳等溫室氣體的排放導致全球氣候變暖、海平面上升、極端天氣頻發(fā)，嚴重威脅著地球的生態(tài)平衡和人類的生存環(huán)境。

能源危機還引發(fā)了廣泛的經(jīng)濟與社會問題。國際能源署（IEA）指出，石油價格的大幅波動會對全球經(jīng)濟產(chǎn)生深遠影響。在過去幾十年里，多次石油危機導致了全球性的經(jīng)濟衰退，物價上漲、失業(yè)率上升、企業(yè)倒閉等現(xiàn)象屢見不鮮。對于發(fā)展中國家而言，能源短缺更是制約其經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的瓶頸，許多地區(qū)無法獲得穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，嚴重影響了當?shù)氐墓I(yè)生產(chǎn)、教育醫(yī)療和居民生活質(zhì)量。

在節(jié)能減排的大背景下，首當其沖的就是消耗化石燃料做功的熱力機械?？梢哉f，在現(xiàn)代社會的運行和發(fā)展中各類熱力機械有著舉足輕重的地位。而在這些熱力機械中，燃氣輪機在能源、國防、運輸?shù)戎T多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，得到世界各國的高度重視。發(fā)展燃氣輪機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，有助于促進我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)持續(xù)性、長遠性、高質(zhì)量發(fā)展[1-2]。

如在領(lǐng)域航空，航空燃氣輪機（或航空發(fā)動機）是現(xiàn)代飛機的主要動力來源，具有高功率重量比、高可靠性和良好的燃油經(jīng)濟性等優(yōu)點，能夠滿足飛機在不同飛行階段的動力需求，為飛機提供強大的推力，使其能夠快速起飛、巡航和降落；而在地面能源供給中，燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)熱電廠結(jié)合了燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機和發(fā)電機，可實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源利用效率，在滿足電力需求的同時，還能為醫(yī)院、學校、酒店等大型設(shè)施以及地區(qū)能源系統(tǒng)、工廠和公用事業(yè)提供穩(wěn)定可靠的熱量。

傳統(tǒng)的一般循環(huán)燃氣輪機雖然有著結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，便于安裝與運輸，適用于多種場所，啟動迅速，運行平穩(wěn)，振動和噪聲相對較低，多燃料適用性強等優(yōu)點，但是，其熱效率相較于一些大型蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)仍有差距，能源浪費相對較多，在部分工況下，如低負荷運行時，效率會大幅下降。于是，不同循環(huán)形式的燃氣輪機就成為研究熱點——例如回熱循環(huán)燃氣輪機。

在航空發(fā)動機領(lǐng)域，王占學等人[3]對間冷回熱航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢進行分析并提出間冷回熱航空發(fā)動機因具有低油耗優(yōu)勢，有望成為未來“環(huán)境友好”型民用航空發(fā)動機概念之一，開展相關(guān)研究對我國航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展意義重大。民用航空領(lǐng)域面臨運輸量增長、燃油價格上漲及環(huán)保要求嚴格等問題，迫切需要降低發(fā)動機油耗、減少排放。間冷回熱航空發(fā)動機熱力循環(huán)增加間冷和回熱過程，工作時內(nèi)涵空氣經(jīng)多次壓縮、換熱、膨脹等過程產(chǎn)生推力，同時間冷回熱技術(shù)雖各有優(yōu)勢，但也帶來一些問題，不過二者結(jié)合可降低耗油率、減少排放等。郭鵬超等人[4]以CFM56-3發(fā)動機為基準，在其核心機基礎(chǔ)上派生間冷回熱渦扇發(fā)動機，開展熱力循環(huán)參數(shù)匹配研究。研究發(fā)現(xiàn)，風扇外涵壓比和涵道比影響發(fā)動機性能，最優(yōu)風扇外涵壓比隨涵道比增大而減小，間冷度和回熱度對其影響較小。增壓級壓比存在最優(yōu)值，選擇時需注意高壓壓氣機與低壓渦輪出口總溫匹配。間冷度和回熱度的配合關(guān)系影響發(fā)動機性能，IRA應(yīng)控制其與總壓損失匹配。外涵道間冷用氣量比例對發(fā)動機性能有影響，存在最佳值使推力和耗油率最優(yōu)。最終確定派生IRA發(fā)動機的熱力循環(huán)參數(shù)，其性能較基準發(fā)動機顯著提升，研究結(jié)果可為相關(guān)工程實踐提供參考。

在地面能源供給系統(tǒng)中，分布式能源系統(tǒng)得到越來越多國家和地區(qū)的關(guān)注[5]。燃氣輪機分布式發(fā)電系統(tǒng)的組成如圖1所示。

分布式能源系統(tǒng)具有多方面顯著特點。它位于或臨近負荷中心，可減少能量傳輸損耗，快速響應(yīng)負荷變化，提高供電可靠性，像校園、醫(yī)院等場所能就近獲取能源；該系統(tǒng)順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，滿足環(huán)保要求，注重能源清潔利用，減少環(huán)境污染；能依據(jù)用戶地能源資源和需求特點定制，利用多種能源滿足多樣化需求，還實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)、多能聯(lián)產(chǎn)，達成能量梯級利用，提高了能源利用率，減少了浪費與污染；其作為分散型系統(tǒng)，可作重要部門備用電源，增強能源供應(yīng)安全性，避免傳統(tǒng)集中供電系統(tǒng)崩潰問題；此外，它還能緩解經(jīng)濟發(fā)展給大電網(wǎng)帶來的壓力，利于大電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，與大電網(wǎng)互補，優(yōu)化能源供應(yīng)格局。因此，使用高效率的回熱循環(huán)燃氣輪機已經(jīng)是一種趨勢。

本文基于成熟的Gasturb軟件構(gòu)建采用回熱循環(huán)的燃氣輪機性能計算模型，從循環(huán)過程、高度特性與溫度特性等方面對回熱循環(huán)的功率與油耗特性進行分析。

1" " 回熱循環(huán)分析

回熱循環(huán)相比一般熱力循環(huán)多了壓氣機出口空氣與渦輪出口燃氣在回熱器中換熱的過程。以Gasturb構(gòu)建圖2所示回熱循環(huán)燃氣輪機模型，該模型是單轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器加動力渦輪的燃氣輪機，壓氣機出口和燃燒室入口分別接入回熱器。帶圈數(shù)字為燃氣輪機的各個截面，空氣系統(tǒng)的設(shè)置如下，低壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻引氣量（LPT cooling）為1%，高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻引氣量（HPT）為5%，考慮壓氣機漏氣損失量為0.5%，其余漏氣損失及冷卻引氣均設(shè)置為0。

經(jīng)壓氣機增壓的高壓空氣先流入回熱器與燃氣換熱，使得進入燃燒室的空氣總溫升高，在渦輪進口紅線溫度不變的前提下，燃燒室的溫升降低，使得需要消耗的燃油量減少；而經(jīng)渦輪膨脹做功的高溫燃氣，在進入回熱器與空氣進一步換熱后排出，使排氣溫度進一步降低，提升了燃氣輪機整體的熱效率?；責崞鞯墓ぷ魇疽鈭D如圖3所示。

表征回熱器換熱能力的熱力參數(shù)是回熱度，其可表達為進入回熱器的空氣溫差與流過回熱器的燃氣溫差之比[6]：

而回熱器空氣側(cè)的總壓損失、燃氣側(cè)的進口溫度、燃氣輪機的進口換算流量等都會影響回熱器的回熱度。

在模型中設(shè)置回熱效率為80%，回熱器進口總壓損失為2%，出口總壓損失為8%進行計算，可得到普通循環(huán)與回熱循環(huán)的循環(huán)焓熵圖如圖4、圖5所示，其中，橫坐標為循環(huán)過程中的熵值，縱坐標為焓值，虛線為等壓力線。

由圖可知，在回熱器作用下，相比普通循環(huán)，進入燃燒室的氣體焓值由3截面提升至35截面，在相同的燃燒室溫度限制下，需要加入的熱量減少，即消耗的燃油量減少；而排氣段的排氣焓值由6截面降低到8截面，放熱更徹底，提升了燃氣輪機的熱效率。

對于同一臺燃氣輪機，在不改變其流道尺寸以及空氣系統(tǒng)和部件性能的情況下，采用普通循環(huán)與回熱循環(huán)的性能有所不同。本文構(gòu)建的模型分別采用普通循環(huán)與回熱循環(huán)進行計算，對比在同動力渦輪前溫度下的功率、耗油率。本文選取動力渦輪前溫度分別為960、1 000、1 040、1 080 K的工況進行計算分析，整理后的結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。本文所有涉及的功率與耗油率參數(shù)都做了歸一化處理。

由于燃燒室中對工質(zhì)的加熱量減少，雖然節(jié)省了燃油消耗量，但會使得燃氣輪機整體的輸出功率下降，當動力渦輪前溫度同為960 K時，普通循環(huán)燃氣輪機比回熱循環(huán)燃氣輪機的輸出功率高約9個百分點，而當動力渦輪前溫度同為1 080 K時，普通循環(huán)燃氣輪機比回熱循環(huán)燃氣輪機的輸出功率高約9.5個百分點，隨著動力渦輪前溫度的升高，兩者相差增大。

對于耗油率，在相同的動力渦輪前溫度下，回熱循環(huán)的耗油率更小，但隨著動力渦輪前溫度的升高，普通循環(huán)與回熱循環(huán)的耗油率差距逐漸縮小。同時可以看出，在輸出相同功率時，回熱循環(huán)比普通循環(huán)可節(jié)省13%左右的燃油。

2" " 大氣環(huán)境的影響

根據(jù)部署的地理位置和環(huán)境，還需要考慮評估不同的進氣條件對回熱循環(huán)燃機的影響。結(jié)合前文，針對動力渦輪前溫度分別為1 080、1 040、1 000、960 K的4個工況，結(jié)合大氣條件溫度-40～40 ℃，海拔0～4 000 m，研究回熱循環(huán)的溫度特性和高度特性。溫度特性如圖9、圖10所示，高度特性如圖11、圖12所示。

在進氣溫度-40～40 ℃的范圍內(nèi)，回熱循環(huán)燃機的功率隨進氣溫度的升高而降低，耗油率隨進氣溫度的升高而增加。并且燃機的工況越低（動力渦輪前溫度越低），其耗油率隨大氣溫度的增加而增加的幅度越大，影響越明顯；燃機的工況越低，其功率隨大氣溫度的增加而減少的幅度也越大。

在海拔高度0～4 000 m的范圍內(nèi)，回熱循環(huán)燃機的功率隨海拔高度的升高而降低，耗油率隨海拔高度的升高也呈現(xiàn)降低的趨勢。并且燃機的工況越低（動力渦輪前溫度越低），其耗油率隨海拔高度的增加而減少的幅度越大；但燃機的工況越高，其功率隨海拔高度的增加而減少的幅度越大。

3" " 結(jié)論

1）基于Gasturb軟件構(gòu)建了回熱循環(huán)單轉(zhuǎn)子燃氣發(fā)生器動力渦輪式燃氣輪機的模型，并根據(jù)得到的模型計算得出回熱循環(huán)過程的焓熵圖，與普通循環(huán)相比回熱循環(huán)多了3截面到35截面與8截面到6截面的換熱過程。

2）根據(jù)模型分別對比評估了同動力渦輪前溫度下普通循環(huán)與回熱循環(huán)的功率、耗油率變化。回熱循環(huán)相比普通循環(huán)，雖然更加省油，但輸出功率會有所降低，在同輸出功率下，回熱循環(huán)相比普通循環(huán)的耗油率少13%左右。

3）將本文的燃機模型劃分為4個工況，并設(shè)置不同的大氣條件，針對這4個工況分別評估回熱循環(huán)燃機的溫度特性與高度特性?；責嵫h(huán)燃機其工況越低，受進氣溫度升高的影響越大；而對于高度特性，工況越高功率隨高度的升高變化越大，但耗油率的變化越小。

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收稿日期：2024-12-30

作者簡介：聞良煜（1997—），男，江西九江人，助理工程師，研究方向：航空發(fā)動機熱力氣動性能。