微型燃气轮机发电机组的热效率，是指机组输出的有用功与所燃烧燃料产生热能的比值。这是衡量机组性能的一个重要技术指标，在一定程度上决定了燃气轮机的发展。一般不带回热器的微型燃气轮发电机组的发电效率只有14％～16％，安装回热器后的效率可以提高到28％～32％。美国政府预计未来成熟的微型燃气轮机发电机组的效率为40％。对于微型燃气轮机带有回热器的热电联供系统，热效率可以高达80％，热能利用率比较高。

1.微型燃气轮机发电机组的模型

图7-8为微型燃气轮机发电系统的模型框图。机组模型可以分解与实际物理部件相同的模块，分别为过滤器模块0、压缩机（压气机）模块1、回热器模块2、燃烧室模块3、涡轮机（透平）模块4及发电机模块5。由于机组在运行过程中，个别部件存在压力损失问题，为了让计算结果更能贴近实际，在该模型计算中分别考虑了压缩机压力损失、回热器压力损失及燃烧室压力损失。

图7-8 微型燃气轮机发电机组的模型框图

压缩机的热效率η_c、回热器的热效率η_r、燃烧室效率η_b、涡轮机效率η_t可以按照第3章介绍的方法予以求得。下面介绍求发电机效率。

发电机将驱动轴输入机械功的大部分转变为电力输出，其余部分则以热能的形式被消耗掉。如果发电机组的发电功率为P_g（kW），则发电机的发电效率η_g为

式中，P_t为涡轮机输出功率（kW）；P_c为压缩机输出功率（kW）。

微型燃气轮机发电机组稳定运转时，应满足下面的流量、压比和转速平衡关系式：流量G_t＝μG_c；压比π_t＝ϕπ_c；涡轮机转速与压缩机相等，即n_t＝n_c。

2.模型的计算和验证

以Capstone公司的C60型微型燃气轮发电机组为对象，应用所建立的数学模型，对其参数进行计算和分析，来验证模型的正确性。Capstone C60的参数见表7-3。

表7-3 60kW微型燃气轮机设计参数

计算步骤如下：

1）利用压缩机出口的压力和温度公式，计算出压缩机的出口压力和温度。根据进出口温度，用压缩机的比功公式，计算压缩机的比功。

2）根据空气和燃气在回热器、燃烧室和涡轮机的压力损失，计算回热器空气端出口的压力、燃烧室出口的压力及涡轮机出口压力。

3）根据涡轮机出口温度方程，计算涡轮机出口温度。

4）根据回热器回热度，计算回热器空气端出口温度。

5）根据化学燃烧理论，燃烧室燃烧前后的反应物和生成物的总焓相等，计算过量空气系数和油气比。

6）计算涡轮机比功和装置比功。

7）计算燃气质量流量、燃料质量流量和燃料发热量。

8）计算装置的效率。

9）根据回热器换热原理，计算回热器燃气出口温度。

根据有关文献可知C60微型燃气轮机的实际数据。表7-4列出C60微型燃气轮机模拟计算数据与实际数据的比较。

表7-4 C60微型燃气轮机模拟计算数据与实际数据的比较

将微型燃气轮机的实际数据和模拟计算数据进行比较可知，模拟计算结果与文献数据进行比较，数据误差在3％以内，说明采用上述方法建立的机组模型和求解方法是可行的。

3.效率参数及其影响因素(www.daowen.com)

（1）压缩机效率对机组效率的影响

图7-9和图7-10是压缩机效率对微型燃气轮机机组效率和耗气率的影响。从图7-9中可以看出，微型燃气轮机的效率随压缩机效率增加而增加，当压缩机的效率从70％提高到90％时，微型燃气轮机的总效率将从28％提高到34％，增长幅度达到21.4％。从图7-9中可以看出，微型燃气轮机的燃料消耗率随压缩机效率增加而减少，当压缩机效率从70％提高到90％时，比燃料消耗从0.264kg/（kW·h）下降到0.198kg/（kW·h），可节约燃料消耗25％。

图7-9 压缩机效率对机组效率的影响

图7-10 压缩机效率对机组气耗率的影响

图7-11 压比对机组效率的影响

（2）压缩机压比对机组效率的影响

在不同的加热比的情况下，压比对机组效率的影响见图7-11。从图中可以看出，随着压比的增加，效率逐渐增加，当达到一个最大值后，开始缓慢减少。当涡轮机入口温度一定时，随着压比的增加，涡轮机比功增加，在同样的输出功率情况下所需的燃料量减小，整机效率升高。当压比增加到一定程度后，燃料的能量更多的用于带到压缩机的工作，压缩机功耗增加，使得在同样输出功率的情况下，所需燃料量增加，整机效率下降。因此，在其他设计参数一定的情况下，随着压比的增加，整台机组的效率呈现先增后缓或者减小的趋势，存在一个最优的压比使得整个机组的效率最大。同时可以看出，随着涡轮机入口温度t₃的增加最优压比也是不断增加的。

（3）涡轮机效率对机组效率的影响

图7-12 涡轮机效率对机组效率的影响

图7-12示出涡轮机效率对机组效率的影响。和压缩机一样，随着涡轮机效率增加，微型燃气轮的效率升高，比燃料消耗下降，当涡轮机效率从70％提高到90％时，微型燃气轮机的效率从21.14％增加到35.91％，增加幅度高达69.8％。图7-13示出涡轮机效率对机组气耗率的影响。从图中可以看出，当涡轮机效率从70％提高到90％时，机组气消耗则从0.324kg/（kW·h）下降到0.192kg/（kW·h），节约燃料消耗高达40.7％。可见，提高涡轮机效率对机组的节能和效率有很大的影响。

（4）回热度对机组效率的影响 图7-14示出回热度对机组效率的影响。从图中可以看出随着回热度的升高，机组的发电效率也随着增加。因此，不带回热装置机组的耗油率较高，机组的经济性较差，现在先进的微型燃气轮机均采用了回热器。此外，随着回热度的增加，机组排气温度下降，回热器空气出口温度升高，使排气能量再利用量增加，提高了能源的利用率。

图7-13 涡轮机效率对机组气耗率的影响

（5）温比对机组的影响 温比就是涡轮机入口温度与机组进口温度的比值，所以用涡轮机入口温度来表示。图7-15示出在不同的压缩机压比下，涡轮机入口温度对机组效率的影响。从图中可以看出，当其他设计参数一定的情况下，装置的效率是随着涡轮机入口温度的升高而增加；而且随着涡轮机入口温度的增加，选择更大的压比会使机组效率的增加更有效。但是，涡轮机入口温度的提高受涡轮机材料的限制，使其不能过高。为了克服这一矛盾，世界上一些著名的研究机构，相继开展了采用陶瓷作为燃烧室、涡轮机、回热器等热端部件的材料。如果热端部件均采用陶瓷材料，可使使循环效率达到35％。

图7-14 回热度对机组效率的影响

图7-15 涡轮机入口温度对机组效率的影响

通过对微型燃气轮发电机组的效率及其影响因素分析，可以看出：

1）压缩机和涡轮机的效率对微型燃气轮机的循环效率影响很大，微型燃气轮机发电机组的效率随着压缩机和涡轮机的效率增加而单调增加。

2）在其他参数确定的情况下，微型燃气轮机发电机组存在一个最优的压比，使得整台机组的效率最高。

3）微型燃气轮发电机组的效率随着回热度的增加而增加，但必须考虑提高参数的成本问题。

4）在其他参数不变的情况下，机组的效率随着涡轮机入口温度的提高而增加。同时，提高涡轮机的入口温度要相应提高压比才更有效。