DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0822 文章編號：0254-0096（2023）01-0101-08

摘 要：為研究混合太陽能燃氣輪機系統(tǒng)的現(xiàn)實應用需構建實驗系統(tǒng)，通常的思路是采用目前性能較好的型號燃氣輪機與太陽能集熱加熱組件耦合，但耦合后的系統(tǒng)性能指標相對型號燃氣輪機受到限制。對此限制的原因進行熱力學性能原理分析，并利用EBSILON軟件建立型號燃氣輪機仿真模型和混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)計算模型，通過計算驗證熱力學性能原理分析結果，發(fā)現(xiàn)燃燒室通流能力是系統(tǒng)性能指標的主要限制因素，并提出增加壓氣機壓比和提高燃燒室通流能力、更好地組織燃燒可作為系統(tǒng)優(yōu)化方向。

關鍵詞：性能指標；優(yōu)化；混合太陽能燃氣輪機；限制因素；壓力保持系數(shù)

中圖分類號：TK513.5 " "文獻標志碼：A

0 引 言

作為一種利用太陽能的方法，由太陽能集熱裝置與燃氣輪機耦合得到的混合太陽能微型燃氣輪機具有一定研究價值，受各國學者廣泛關注。Buck等［1］指出混合太陽能微型燃氣輪機的太陽能組件會提高系統(tǒng)壓損，降低系統(tǒng)效率；Cameretti等［2］和Abagnale等［3］借助Thermoflex軟件建模分析混合太陽能微型燃氣輪機系統(tǒng)。Semprini等［4］則研究了蝶式太陽能聚光器微型燃氣輪機系統(tǒng)。在國內，黃德中等［5-6］以熱力學方法分析了塔式太陽能燃氣輪機性能；王誠［7］借助Aspen Plus軟件模擬分析了太陽能-微型燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)性能。但上述研究側重建模仿真和性能分析，采用的燃氣輪機默認其工作特性已與太陽能組件匹配，并未研究實際情況中采用型號燃氣輪機和太陽能組件構建實驗系統(tǒng)時各部件工作特性互不匹配的情況。

本文以由意大利Ansaldo Energia公司AE-T100NG微型燃氣輪機與太陽能集熱加熱組件耦合構建的混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)為研究對象，對其性能指標限制因素做熱力學性能原理分析，使用EBSILON軟件建模計算驗證分析結果，研究燃氣輪機和太陽能組件工作特性匹配問題。燃燒室通流能力是限制系統(tǒng)性能的主要因素，增加壓氣機壓比和提高燃燒室通流能力可更好地組織燃燒能優(yōu)化系統(tǒng)性能，可為完善混合太陽能微型燃氣輪機系統(tǒng)提供參考。

1 性能指標限制因素的熱力學性能原理分析

根據(jù)相關文獻［8-10］，混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)構建的思路通常是：采用目前性能較好的商用微型燃氣輪機（稱之為“型號燃氣輪機”）與太陽能集熱加熱組件耦合，得到混合太陽能微型燃氣輪機。直接采用型號燃氣輪機而非專門研制新的與太陽能集熱加熱組件性能、參數(shù)匹配的燃氣輪機，不但可降低實驗系統(tǒng)構建的成本，還能節(jié)約研制新燃氣輪機的時間。

在采用的型號燃氣輪機中，壓氣機、燃燒室、燃氣透平等關鍵部件的工作特性參數(shù)之間存在按照單循環(huán)工作方式精心設計的匹配關系，可使性能指標最佳。以此型號燃氣輪機與太陽能集熱加熱組件耦合構建混合太陽能的微型燃氣輪機發(fā)電實驗系統(tǒng)后，由于工質空氣在太陽能集熱加熱組件中吸熱，溫度大幅上升，經過太陽能組件又會產生額外的壓力損失，這兩個因素使燃燒室入口空氣體積流量大大增加，與原型號燃氣輪機中燃燒室前空氣的狀態(tài)參數(shù)大不相同，偏離了原型號燃氣輪機系統(tǒng)運行參數(shù)匹配的狀態(tài)，各部件的通流能力、參數(shù)之間不匹配等使得系統(tǒng)無法在設計的最佳條件下運行，導致輸出功率和熱效率降低，性能受到限制，達不到預期。

在現(xiàn)有文獻中，鮮少提及或涉及燃氣輪機部件究竟是采用全新設計并與太陽能組件工作特性參數(shù)相互匹配，還是直接采用已有型號燃氣輪機這個問題。實際上大部分文獻默認燃氣輪機已與太陽能組件性能和參數(shù)呈相互匹配的狀態(tài)，并在此基礎上進行研究。在實際情況中，往往采取把型號燃氣輪機與太陽能集熱加熱組件耦合的方式構建混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)。但此時系統(tǒng)各部件之間性能和參數(shù)不匹配，導致系統(tǒng)性能受限制。而若想定量描述系統(tǒng)性能受限制程度，從而提出改善系統(tǒng)部件匹配關系、提高性能的優(yōu)化方向就需要首先對采用型號燃氣輪機方式構建的混合太陽能微型燃氣輪機的性能指標進行計算，并對性能及相關指標限制因素進行熱力學性能原理分析。

1.1 系統(tǒng)性能指標計算

如前文所述，在型號燃氣輪機系統(tǒng)的基礎上耦合太陽能集熱加熱組件可得混合太陽能微型燃氣輪機發(fā)電實驗系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構及后續(xù)計算涉及的部分參數(shù)如圖1所示。

1.1.1 系統(tǒng)壓力損失的計算

根據(jù)文獻［11-12］，對于混合太陽能微型燃氣輪機系統(tǒng)，與型號微型燃氣輪機系統(tǒng)相比，其額外壓力損失的主要來源是燃燒室。燃燒室的絕對壓力損失可借助流阻系數(shù)定義和理想氣體狀態(tài)方程推導得出，其表達式為：

式中：[ΔpB]——燃燒室絕對壓力損失，Pa；[p3]——燃燒室入口空氣壓力，Pa；[p4]——燃燒室出口燃氣壓力，Pa；[φb]——流阻系數(shù)，與燃燒室結構有關的參數(shù)，結構不變時可近似為定值，（Pa·s2·m）/kg；[ρ3]——燃燒室入口空氣密度，kg/m3；[c]——燃燒室空氣參考流速，反映燃燒室內空氣流動特性的參數(shù)，m/s；[Qν]——燃燒室入口空氣體積流量，m3/s；[Qm]——壓氣機入口空氣（即流經系統(tǒng)工質空氣）的質量流量，kg/s；[A]——燃燒室參考截面積，m2。

引入無量綱的燃燒室壓損率εB，其定義為燃燒室中絕對壓力損失與燃燒室入口空氣壓力的比值。

式中：[εB]——燃燒室壓損率，%；[Rg]——氣體常數(shù)，J/（kg·K）；[T3]——燃燒室入口空氣溫度，K。

引入無量綱的總壓保持系數(shù)[σ]，即燃氣透平入口壓力與壓氣機出口壓力之比，其表達式為：

式中：[σ]——總壓保持系數(shù)；[φ]——壓氣機壓縮比；[p0]——壓氣機入口空氣壓力，Pa；[p1]——壓氣機出口空氣壓力，Pa；[p2]——空氣預熱器出口空氣壓力，Pa；[σ12]——空氣預熱器壓力保持系數(shù)，即空氣預熱器出口壓力與壓氣機出口壓力的比值；[σ23]——太陽能集熱加熱組件壓力保持系數(shù)，即燃燒室入口壓力與空氣預熱器出口壓力的比值，對無該組件的型號燃氣輪機而言，[σ23=1]。

1.1.2 系統(tǒng)輸出比功、輸出功率計算

結合有關文獻［13］可計算系統(tǒng)額外壓損對混合太陽能微型燃氣輪機系統(tǒng)輸出功和熱效率的影響。在考慮壓損時，壓氣機消耗比功和燃氣透平輸出比功的表達式為：

式中：[WC]——壓氣機消耗比功，kW/kg；[T0]——壓氣機進口空氣溫度，K；[m]——與燃氣輪機壓縮和膨脹平均絕熱指數(shù)有關的系數(shù)，此處為定值；[ηC]——壓氣機等熵效率，%；[WT]——燃氣透平輸出比功，kW/kg；[τ]——燃氣輪機系統(tǒng)溫度比，即燃氣透平進口燃氣溫度和壓氣機進口空氣溫度的比值；[ηT]——燃氣透平等熵效率，%。

故考慮壓損時系統(tǒng)輸出比功，即燃氣透平輸出比功減去壓氣機消耗比功的表達式為：

式中：[WS]——系統(tǒng)輸出比功，kW/kg。

考慮壓損時系統(tǒng)的輸出功率可由系統(tǒng)輸出比功與流經系統(tǒng)工質空氣質量流量相乘得到，具體表達式為：

式中：[PS]——系統(tǒng)輸出功率，kW。

1.1.3 系統(tǒng)熱效率計算

考慮壓損時系統(tǒng)熱效率表達式為：

式中：[ηS]——系統(tǒng)熱效率，%；[ηB]——燃燒室熱效率，%；[θ]——系統(tǒng)增溫比，即燃燒室入口溫度與壓氣機出口溫度之間的比值。

在壓氣機和燃燒室之間，型號燃氣輪機的工質空氣需要經過空氣預熱器加熱，而混合太陽能微型燃氣輪機在此基礎上還經過太陽能集熱加熱組件，所以二者增溫比[θgt;1]，且后者增溫比更大。

1.2 性能及相關指標限制因素的熱力學性能原理分析

分析混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)熱力學性能原理發(fā)現(xiàn)，為構建合適的實驗系統(tǒng)應使其達到型號燃氣輪機的輸出功率，而后者與流經系統(tǒng)工質空氣的質量流量[Qm]關系密切。同時，加入的太陽能集熱加熱組件會改變燃燒室入口空氣狀態(tài)參數(shù)，與[Qm]共同作用，使燃燒室入口空氣體積流量[Qv]提高，超過燃燒室機械定容系統(tǒng)按照型號燃氣輪機單循環(huán)運行方式（此處稱為“型號”）設計的通流能力，使燃燒室偏離最佳運行狀態(tài)，限制系統(tǒng)性能?？烧J為，[Qv]與燃燒室通流能力的匹配情況直接影響系統(tǒng)性能；[Qm]與燃燒室入口空氣狀態(tài)參數(shù)共同作用，借助[Qv]間接影響系統(tǒng)性能，且燃燒室通流能力是系統(tǒng)性能主要限制因素?？紤]到太陽能組件對燃燒室入口空氣狀態(tài)參數(shù)的影響，為分析系統(tǒng)性能限制因素，需以控制變量法分析[Qm]和[Qv]對其影響。

為方便分析，把控制[Qm]相對“型號”情況不變的運行方式稱為“定M混”情況，此時[Qv]隨[ρ3]的降低而提高；把控制[Qv]相對“型號”情況不變的運行方式稱為“定V混”情況，此時[Qm]隨ρ3的降低而降低。相比于“型號”情況，“定M混”和“定V混”情況只改變對[Qm]和[Qv]的控制，其他硬件設備（包括燃燒室）均保持原有狀態(tài)，結構不變。對“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況下系統(tǒng)性能及相關指標進行比較，便能從系統(tǒng)熱力學性能原理角度分析限制系統(tǒng)性能指標的因素。

1.2.1 對壓力損失的影響

相比“型號”情況，“定M混”情況[Qm]不變，分析式（2）發(fā)現(xiàn)：因燃燒室入口溫度[T3]升高，入口壓力[p3]降低，“定M混”情況燃燒室壓損率[εB]高于“型號”情況。相比“型號”情況，“定V混”情況[Qv]大小不變，分析式（3）可知因燃燒室入口溫度T3提高，“定V混”情況[εB]低于“型號”情況。

為比較“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況下總壓保持系數(shù)[σ]大小關系，需結合式（4）比較并得到各項參數(shù)之間的大小關系：

1）對[εB]，根據(jù)前文分析可得關系：“定M混”＞“型號”＞“定V混”；

2）對[σ12]，可認為“型號”和“定M混”情況相比，二者空氣預熱器運行情況不變，[σ12]不變；相對于“定M混”情況，“定V混”情況下空氣預熱器入口空氣壓力不變，通過質量流量降低，使該部件壓損減少，[σ12]降低；最終可得關系：“定V混”＞“定M混”=“型號”；

3）對[σ23]，相比“型號”情況，加入太陽能集熱加熱組件后產生的額外壓損使[σ23lt;1]；而“定M混”與“定V混”比較與[σ12]同理，可得關系：“型號”=1＞“定V混”＞“定M混”。

綜上，認為對總壓保持系數(shù)[σ]有關系：“型號”＞“定M混”；“定V混”＞“定M混”，其中“定V混”和“型號”之間無法直接比較[σ]，需后續(xù)研究。

1.2.2 對輸出比功、輸出功率的影響

相比“型號”情況，“定M混”情況[Qm]大小不變，分析式（7）和式（8）發(fā)現(xiàn)[σ]與[WS]和[PS]均有正相關關系，所以“型號”情況系統(tǒng)輸出比功[WS]、系統(tǒng)輸出功率[PS]均高于“定M混”情況。

1）比較“定M混”和“定V混”情況的[WS]：根據(jù)式（7），因“定V混”情況[σ]高于“定M混”情況，可知“定V混”情況WS也高于“定M混”情況，此時“定V混”和“型號”之間[WS]大小無法直接比較。

2）比較“定M混”和“定V混”情況的[PS]，因二者[Qm]不一致，無法直接比較，需另外分析。對式（9）做變換，其結果如式（11）所示：

將式（11）中的參數(shù)[1T3σm]與式（4）和式（3）聯(lián)立，得到：

考慮到[εB]、[1-σ12]、[1-σ23]均遠小于1，此時可近似認為其不小于二次的冪為0。所以通過麥克勞林公式展開[εBσ12mσ23m1-εBm]后，可略去其高次項實現(xiàn)化簡，可得：

將式（11）～式（14）聯(lián)立，得到：

可定義[X=T0mτηT-φm-1ηC]而[Y=T0τηTmφm]，因[X]和[Y]在“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況下大小相同，可得：

相比“定M混”情況，“定V混”情況[σ12]和σ23提高，[Qm]降低，分析式（16）可得：[PS]的變化情況取決于[Qm]和[σ12]、[σ23]兩方面對[PS]的綜合作用，其影響相反。究竟[Qm]降低的影響大，還是[σ12]和[σ23]提高（即系統(tǒng)壓損減少）的影響大，取決于[X、Y]等參數(shù)的實際取值，需利用建模仿真進行后續(xù)分析。

1.2.3 對熱效率的影響

相比“型號”情況，“定M混”和“定V混”情況因增設太陽能集熱加熱組件，燃燒室入口溫度[T3]提高，同時壓氣機入口空氣邊界條件和壓比不變，其運行情況和出口空氣溫度均不變，所以“定M混”和“定V混”情況系統(tǒng)增溫比[θ]均高于“型號”情況。

1） 對“型號”和“定M混”情況，無法借助式（10）直接比較其系統(tǒng)熱效率[ηS]，需后續(xù)研究。

2） 對“型號”和“定V混”情況同理，無法借助公式比較。但考慮到“定V混”情況[Qm]偏離了“型號”情況的設計值，系統(tǒng)熱效率降低，可定性認為“定V混”情況[ηS]低于“型號”情況。

3） 對“定V混”和“定M混”情況，二者[θ]相同?；谑剑?0）分析發(fā)現(xiàn)[σ]與[ηS]有正相關關系。因“定V混”情況[σ]高于“定M混”情況，所以“定V混”情況[ηS]高于“定M混”情況。

1.3 熱力學性能原理分析結果歸納

經過分析，可將“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況系統(tǒng)性能及相關指標之間的比較結果歸納，結果如表1所示。

可發(fā)現(xiàn)，無論“定M混”還是“定V混”情況，其系統(tǒng)輸出功率[PS]和系統(tǒng)熱效率[ηS]均受限制，并低于“型號”情況，且“定M混”情況[ηS]受限制程度更高，而“定V混”情況[PS]受限制程度取決于系統(tǒng)參數(shù)實際取值，無法直接比較，需后續(xù)分析。

2 性能指標限制建模計算分析

為比較型號燃氣輪機和混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)的運行特性，分析加入太陽能組件后機組不同運行方式對其性能指標的影響，需要采用EBSILON軟件建立“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況的模型，分析性能指標限制因素，從而驗證系統(tǒng)熱力學性能原理分析結果。

2.1 型號燃氣輪機模型

根據(jù)意大利Ansaldo Energia公司提供的AE-T100NG微型燃氣輪機機組技術描述和性能報告等隨機文件，型號燃氣輪機在環(huán)境溫度12.9 ℃、環(huán)境壓力101.79 kPa、環(huán)境濕度90.3%時輸出功率為106.3 kW，熱效率為28.5%，系統(tǒng)參數(shù)之間處于相互匹配的狀態(tài)，壓比為設計最佳壓比，而燃燒室通流能力亦是依據(jù)系統(tǒng)滿負荷輸出時燃燒室入口空氣體積流量情況設計的。可根據(jù)型號燃氣輪機隨機文件，結合有關文獻［12，14-16］得到型號燃氣輪機核心參數(shù)表，并進行EBSILON建模。建模過程包括：

1）通過“空氣入口邊界條件”、“空氣濕度設置”設置壓氣機入口空氣溫度、壓力、濕度；通過“燃料入口邊界條件”設置燃料溫度、質量流量，通過改變燃料成分構成設置其低位熱值；

2）通過“燃氣透平出口壓力設置”、“燃氣透平出口溫度設置”，確定此處燃氣物性，通過“燃燒室出口壓力設置”維持核心參數(shù)表中的燃燒室總壓保持系數(shù)；

3）直接在發(fā)電機組件中設置發(fā)電機頻率，在“空氣入口邊界條件”中選取合適的壓氣機入口空氣質量流量，使系統(tǒng)輸出功率和熱效率相對隨機文件設計值的差異盡可能小，得到最終模型。

建模后，模型的輸出功率和熱效率相對隨機文件中設計值的偏離幅度分別為1.693‰與0.281‰，可認為“型號”情況模型滿足準確性要求，可得各部件特性準確的型號燃氣輪機模型。所得模型及其核心參數(shù)分別如圖2和表2所示。

2.2 混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)模型

選擇典型的太陽能集熱加熱組件，參考相關文獻［17-18］確定其核心參數(shù)，將其與已有的型號燃氣輪機模型耦合，可得混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)模型。為保證模型準確性，在加入太陽能集熱加熱組件的同時，要確保燃氣輪機其他硬件設備的結構和固有特性（如空氣預熱器換熱面積、發(fā)電機頻率等）不變，并通過EBSILON測點和部件設置模擬其運行狀態(tài)的變化。

建模過程包括：

1）通過“燃氣透平入口溫度控制器”改變燃燒室入口燃料量，使燃氣透平入口燃氣溫度與型號燃氣輪機的數(shù)值相同；

2）通過“燃燒室出口壓力設置”，模擬燃燒室絕對壓損的變化特性。其數(shù)值可根據(jù)型號燃氣輪機燃燒室總壓保持系數(shù)結合式（1）計算得到；

3）通過“燃氣透平出口溫度設置”模擬燃氣透平溫度比隨壓比變化的運行特性，根據(jù)參考文獻［13］，其數(shù)值可由“型號”情況模型中燃氣透平運行壓比和溫度比按照一定比例換算得到；

4）通過“太陽能組件控制器”改變太陽能組件給工質提供的能量，結合相關文獻［19］，使“定M混”、“定V混”情況下太陽能能量占比均為54.800%；

5）通過“燃燒室入口空氣體積流量控制器”改變壓氣機入口空氣質量流量，此組件在“定M混”情況模型中關閉，在“定V混”情況模型中開啟，以保證特定的燃燒室入口空氣體積流量。

根據(jù)上述描述，最終模型結構如圖3所示，太陽能組件有關的核心參數(shù)為：太陽直接輻照度為850 W/m2，接收器等效溫度為350 ℃，太陽能能量占比為54.8%。

2.3 性能指標限制分析與熱力學性能原理分析結果驗證

建模后可比較“型號”、“定M混”、“定V混”3種情況下系統(tǒng)運行差異，以探究限制系統(tǒng)性能指標的因素。不同情況下系統(tǒng)性能及相關指標如表3所示。

如果把“型號”指標作為基準值，可分別計算“定M混”和“定V混”各指標偏離基準值的相對變化幅度，結果如表4所示。相比“型號”情況，“定M混”情況[Qv、][εB]提高，“定V混”情況[Qm、][εB]降低，且二者[σ]、[WS]、[PS]、[ηS]均降低，符合熱力學性能原理分析，均需要優(yōu)化。相比“定M混”情況，“定V混”情況[εB]更低，[σ、WS、ηS]更高，符合熱力學性能原理分析，系統(tǒng)部分性能指標有改善。結合式（16）可認為：“定V混”情況[PS]比“定M混”情況低，意味著輸出功率受[Qm]影響大于其受總壓保持系數(shù)影響。所以若想讓實驗系統(tǒng)輸出功率達到“型號”水平，盡可能使[Qm]與“型號”情況基本相當更重要。

結合表4分析“定V混”情況部分性能改善原因如下：一方面，相比于“定M混”情況，“定V混”情況[σ]更高，[p4]更高，降低了燃氣透平脫離最佳運行狀態(tài)的程度。從[σ]定義出發(fā)變換式（4），結果如式（17）所示，分析式（17）發(fā)現(xiàn)，壓氣機壓比[φ]和系統(tǒng)壓力損失會影響燃氣透平工況，是限制系統(tǒng)性能的因素。另一方面，相比于[Qv]高于燃燒室設計通流能力的“定M混”情況，在[Qv]不偏離的“定V混”情況下，部分系統(tǒng)性能改善，說明[Qv]過大和燃燒室通流能力不匹配會導致燃燒室阻力增加，使系統(tǒng)性能劣化，燃燒室通流能力也是限制系統(tǒng)性能的因素。

此外，由表4發(fā)現(xiàn)，在排除[Qm]對輸出功率影響的“定M混”下，其[Qv]相對設計通流能力的偏離幅度高于[σ]偏離幅度，說明當性能受到限制時，燃燒室偏離最佳運行狀態(tài)的程度更高，對輸出功率的負面影響更大，燃燒室通流能力是系統(tǒng)性能指標的主要限制因素，符合熱力學性能原理分析結論。

3 系統(tǒng)性能優(yōu)化方向

參考前文經模型計算驗證的熱力學性能原理分析結果，集成太陽能集熱加熱組件后，混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)性能受限的實質是：型號燃氣輪機原來精心設計的各部件工作情況相互匹配、工作參數(shù)優(yōu)化的關系由于加入太陽能集熱加熱組件被打破。為了使構建的混合太陽能微型燃氣輪機實驗系統(tǒng)獲得好的性能指標（[PS]、[ηS]），需進行系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)在加入太陽能集熱加熱組件后，各部件也處在工作情況相互匹配、工作參數(shù)優(yōu)化的狀態(tài)。

結合熱力學性能原理分析，加入太陽能組件的影響包括：1）組件本身增加了工質的流動阻力；2）工質吸收太陽能升溫，燃燒室入口空氣狀態(tài)參數(shù)變化，[T3]提高，[ρ3]減小，燃燒室偏離最佳工作狀態(tài)，產生額外的流動阻力，燃氣透平入口燃氣壓力[p4]降低，系統(tǒng)輸出功率[PS]降低。由此可從以下兩條思路出發(fā)探究優(yōu)化方向。

1） 適應阻力增加提高壓比改善性能

加入太陽能組件后，由于太陽能組件的本身的阻力和數(shù)值更大的燃燒室流動阻力的增加，系統(tǒng)中工質流動阻力增加，總壓保持系數(shù)降低，使[p4]降低，系統(tǒng)輸出功率降低，其本質上說明壓氣機的壓比不適應阻力增加后的工作情況。

綜上可得一個優(yōu)化方向為：改造壓氣機，使其壓縮比[φ]高于“型號”的情況，以適應阻力增加的工作情況，即系統(tǒng)工作時，盡管因加入太陽能組件產生額外壓損，仍能保持[p4]和[PS]相對“型號”情況基本不變，改善系統(tǒng)性能，但其具體提高幅度需綜合系統(tǒng)其他部件的工作特性、參數(shù)進行匹配。

2） 降低阻力增加對性能影響及更好地組織燃燒

由前文知，[T3]提高且[ρ3]減小時，如保持[Qm]與“型號”情況基本相當，系統(tǒng)[Qv]會增加。若不改造燃燒室的結構，則燃燒室流通能力與[Qv]不再匹配，燃燒室流動阻力增加，會限制系統(tǒng)性能。

考慮到燃燒室通流能力是系統(tǒng)性能指標主要限制因素，如燃燒室流通能力與[Qv]不匹配，會額外增加燃燒室流動阻力，使系統(tǒng)性能明顯降低。因此必須對型號燃氣輪機的燃燒室進行結構改造，提高燃燒室通流能力，使[Qv]增大時與燃燒室通流能力仍相互匹配，此優(yōu)化方向對構建實驗系統(tǒng)指導意義更大。此外，除了流動阻力，加入太陽能組件也會改變燃燒室的空燃比，并降低燃燒室入口燃料量，所以為了使燃燒效率相對“型號”情況不降低，也需要改造燃燒室的結構以適應新的空燃比情況下的流場組織，避免燃燒效率劣化。

綜上可得另一個優(yōu)化方向為：通過結構改造，提高燃燒室通流能力，更好地組織燃燒，避免因燃燒室脫離最佳運行狀態(tài)對系統(tǒng)性能的限制。

4 結 論

本文對基于AE-T100NG型號燃氣輪機集成太陽能集熱加熱裝置得到的混合太陽能微型燃氣輪機系統(tǒng)進行研究，通過熱力學性能原理分析和建模計算，探究不同運行方式下，加入太陽能集熱加熱部件對性能指標的影響和限制，進而探究可行的性能優(yōu)化方向。

1）研究發(fā)現(xiàn)：相較于型號燃氣輪機，加入太陽能集熱加熱組件后，無論控制壓氣機進口空氣質量流量還是燃燒室入口空氣體積流量不變，系統(tǒng)的總壓保持系數(shù)、輸出比功、輸出功率、熱效率均下降，系統(tǒng)性能指標劣化，需進行設備改造和參數(shù)優(yōu)化。產生此情況的原因：在加入太陽能集熱加熱組件后，如不改造型號燃氣輪機各部件硬件設備的結構，太陽能組件的加入會打破原來精心設計的各部件相互匹配、工作參數(shù)優(yōu)化的關系，使系統(tǒng)脫離最佳運行狀態(tài)，限制系統(tǒng)性能，而燃燒室通流能力則是限制系統(tǒng)性能的主要因素。

2）從構建性能優(yōu)良的實驗系統(tǒng)角度出發(fā)，結合熱力學性能原理分析，提出系統(tǒng)性能優(yōu)化方向為：改造壓氣機，提高壓氣機壓比；通過結構改造的方式提高燃燒室的通流能力，更好地組織燃燒，這樣可實現(xiàn)各部件、參數(shù)的優(yōu)化匹配，且后者的意義更大。

但是，考慮到以減少系統(tǒng)性能所受限制為目標的優(yōu)化改造，本質上是一個對混合太陽能微型燃氣輪機各部件參數(shù)進行優(yōu)化匹配的系統(tǒng)工程問題，涉及的影響因素較多，包括太陽能份額、太陽能集熱加熱組件特性、燃燒室部件特性等，具體的參數(shù)優(yōu)化方法較為復雜，有待后續(xù)深入研究。

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PERFORMANCE LIMITATION ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF

SOLAR-HYBRID MICRO GAS TURBINE SYSTEM

Chen Jianhong，Zhang Jinzhuo，Li Wei，Wang Guangzhu

（Institute of Thermal Science and Power System， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract：In order to study the practical utilization of the solar-hybrid gas turbine system， constructing an experimental system is necessary. The usual idea to do so is to couple the current well-performed model gas turbine with the solar collection and heating component. However， the performance indicators of the coupled system are limited compared to those of the model gas turbine. In this paper， the thermodynamic performance principle analysis for the reasons of performance limitation is carried out. The EBSILON software is used to establish the simulation model of the model gas turbine and the calculation model of the solar-hybrid micro gas turbine experimental system. The thermodynamic performance principle analysis result is verified by calculation. The flow capacity of the combustion chamber is found to be the main factor limiting the system performance. Increasing the compression ratio of the compressor and the flowing capacity of the combustion chamber， organizing better combustion are given as system optimization directions.

Keywords：performance indicators； optimization； solar hybrid gas turbine； limiting factors； pressure maintenance factors