微型燃气轮机发电机组的运行特性主要包括响应特性和效率特性。

1.响应特性

对于变转速机组，当负荷增加或降低时，转速发生相应的响应，直至趋于新的平衡值。转速的稳态值相应的增加或降低，即为机组的加速过程、减速过程，以及急停车过程等情况。因此，对负荷发生－20％、－50％、－100％阶跃变化时，可以分析得出定转速和变转速两种情况下的转速、燃料量和燃烧室出口温度的响应特性。

图7-1示出不同负荷阶跃变化的过渡过程比较。从图7-1a和b中可以看出，对于定转速系统，当负荷发生负阶跃变化时，机组输出功率大于设定负荷，轴系力矩不平衡。根据转子方程，机组转速上升，转速偏差大于零，引起转速调节系统动作，调节燃料消耗量下降，使机组发电功率降低；输出功率与设定负荷的差值减小，这时转速继续上升，当输出功率等于设定负荷时，转速上升到最高点；输出功率继续下降，小于设定负荷后，根据转子方程，转速开始下降，经过幅度较小的衰减振荡过程，最终转速回到原值，燃料量趋于一稳定值。转速的过渡过程与回热器时间常数和转速控制时间常数的取值有关。当负荷阶跃量增加时，转速、燃料量和燃烧室出口温度的最大超调量增加，但过渡时间基本相同。

图7-1c和d表明对变转速系统，三条响应曲线的变化趋势与定转速系统相似。图7-1还说明了燃烧室出口温度对负荷阶跃变化的响应曲线趋势与燃料量基本相同，但在时间上超前于燃料消耗量的响应。根据热平衡方程，燃烧室出口温度主要由燃料流量和压缩机空气流量决定。当负荷阶跃变化时，转速上升，燃料量下降，燃烧室出口温度下降。由于存在燃料输送滞后时间常数及惯性环节的时间常数，更主要的是受到回热器热惯性的影响，燃烧室出口温度对负荷阶跃变化的响应滞后于燃料量。但是转速上升，压缩机流量也上升，使得燃烧室出口温度下降，并且压缩机流量的上升比燃料量的改变更早、更快，所以燃烧室出口温度比燃料消耗量降低得要快。

图7-1 不同负荷阶跃变化的过渡过程比较

a）定转速负荷阶跃变化－20％ b）定转速负荷阶跃变化－100％ c）变转速负荷阶跃变化－20％ d）定转速负荷阶跃变化－100％

n—转速G—燃料流量T_out—燃烧室出口温度

图7-2示出定转速和变转速响应曲线比较。图7-2a和b分别示出了定转速和变转速时，不同负荷阶跃的转速响应曲线，负荷阶跃越大，超调量越大。当控制时间常数保持不变时，上升时间和过渡时间均相同。图7-2c示出了负荷阶跃变化－20％时，定转速与变转速的转速响应曲线比较。图中虚线表示的变转速系统的转速响应曲线比实线表示的定转速系统超调量大，下降段的斜率大。这是因为与定转速系统相比，变转速系统当负荷发生负阶跃变化时，由于转速可变，设定转速降低，使实际转速与设定转速的偏差增大，增大了转速的最大超调量，转速调节作用增强，使转速快速回落，下降斜率更大。

与常规燃气轮机相比，微型燃气轮机动态特性受回热器的大惯性环节的影响较大。涡轮机排气温度升高，回热器回热度增加，回热器壁开始蓄能，壁温增加，使得燃烧室进出口及涡轮机进出口参数都随之有一个动态滞后变化的过程，滞后的涡轮机出口排气参数再反过来作用于回热器，形成一个作用环路。

图7-2 定转速和变转速系统转速响应曲线比较(www.daowen.com)

a）定转速时不同阶跃的比较 b）变转速时不同阶跃的比较 c）负荷阶跃变化－20％时定转速与变转速的比较

2.效率特性

效率特性是指微型燃气轮机发电机组转速、压比、流量等随燃料量变化的特性。假设换热系数在全工况范围保持不变，换热系数及换热面积根据设计工况的换热温差及换热量反推得到。其计算公式如下：

Q_in＝Q_outQ in＝h1 ^A1（T_in^－TW）Q_out＝h₂A₂（T_W－T_out）

T_in＝（T₈＋T₉）/2 T_out＝（T₄＋T₅）/2

c_pT₈＝c_pT₉＋Q_outc_pT₄＋Q_in＝c_pT₅式中，Q_in为回热器冷端吸热量（W）；Q_out为回热器冷端放热量（W）；h₁为热侧表面传热系数［W/（m²·K）］，假设其在各工况下不变；h₂为冷侧表面传热系数［W/（m²·K）］，假设其在各工况下不变；A₁为吸热侧换热面积（m²）；A₂为放热侧换热面积（m²）；T_in为吸气温度（℃）；T_out为放气温度（℃）；T_W为金属壁面温度（℃）；T₄、T₅、T₈、T₉为气体温度（℃）；c_p为比定压热容［J/（kg·K）］。

在图7-3中，每条曲线都是一条等功率线，并且每个图中曲线的功率相同。从图中可以看出，在某一功率下，燃料量减小，压比、转速、压缩机流量减小，而涡轮机的排气温度却在增加。燃料量减小就意味效率在增加。当燃料量减小到一定值时，涡轮机排气温度就会超过最高允许的温度值，意味着涡轮机进气温度超过了允许值。进一步分析原因可以解释如下：对于某一工况，当转速较低时，涡轮机进气温度相对于较高转速情况会有所升高，而流量相对要小一些。涡轮机进气温度高，效率高，但流量小，会使冲角大，从而涡轮机的效率降低，两者折中的结果就是存在等燃料线上的功率最大值的原因。对于有回热器的系统，涡轮机进气温度高，涡轮机出口温度也会适当提高，使回热器的传热温差增大，回热器回收的热量增加，减缓了转速下降，效率下降的作用。

图7-3 转速、涡轮机排气温度、压缩机出口压力及流量随燃料量的变化

随着转速下降，直到涡轮机初温超过允许值，等燃料线上的功率最大值点也没有出现。因此采用回热器时，最佳转速运行线由于受到涡轮机初温的限制是不可能达到的。随着转速降低，流量减小，涡轮机进口温度增加，压比下降，涡轮机出口温度增加，这种趋势单调变化，直到涡轮机进口温度的上限。因此若采用回热器，由于涡轮机进气温度的限制，变工况运行时保持涡轮机进气温度上限值不变是变工况的最佳运行方式。由于涡轮机出口温度便于测量，有时采取涡轮机出口温度保持与额定工况相同的运行方式。有回热器时的最佳转速取涡轮机出口温度保持与额定值相同所对应的转速。图7-4示出带回热器系统的转速与功率之间的关系。

图7-4 有回热器系统的转速与功率之间的关系