o 引言
小型(小功率)燃气轮机(以下简称燃机)的范围现在是指功率在2000 kw，以下的燃机[1]。根据其结构特点，又可分为200 kw以下，200～500 kw和500kw以上三档。本文讨论的是200 kw以下的小型燃机。这种燃机结构简单，一般为单轴型，带单级离心压气机，回流式燃烧室和单级向心涡轮，重量轻、用途广，可作为动力站、油田、医院、农林厂矿、山岛边区、海空港口、流动队伍、地下建筑等处的辅助发电、泵水、备用、起动的动力之用，还可进行热电联供或供应压缩空气等。其安装运输使用、维修都很方便，对不同燃料的适应性强，不需水、不畏寒，因此，它们在国外已获得广泛应用，国内也已开始重视其研制和应用了，如中科院工程热物理研究所已在研制60 kw小功率发电燃机。
小功率燃机的热力循环也有简单循环和回热循环，带有回热器的燃机为回热循环。回热器是一种气一气型换热器，它利用燃机的排气余热，将来自压气机的空气加热，然后进入燃烧室，这样，吸收的余热就可代替部分燃料，达到提高燃机热效率，节省燃料消耗，改善经济性的目的。回热循环示意图如图1。
图1理想回热循环原理图
对燃机回热循环的研究指出，在一定的燃气初温下，低压比的燃机最适宜于应用回热器[1][2]，因为此时燃气与空气的温差大，回热效率高，同时结构上最好是具有离心式压气机和回流式燃烧室，以便于与回热器相匹配。而小功率燃机的性能参数和结构，正好符合上述条件，因此，只要尺寸、重量没有太多的限制(如用在固定场合)，其应用回热器是非常合适和有效的。本文就小功率发电燃机如何应用回热器及应用后给燃机带来的益处作一简要的讨论分析。
l 小型发电燃机的特性
1．1 参数特点
如上所述，本文所指的小型燃机其功率在200kw以下，而目前在广泛使用的这档燃机的功率大多为30-100kw左右，如表1所列。从表1中可看出它们的参数有如下特点：
(1)空气流量ga小，约0．3～1．5kg／s 。
(2)转速n高，约40000-100o00 r／min，这是为了在级数少的情况下维持效率之故，并宜驱动高频发电机。
(3)压比π低，约3～6。
(4)涡轮前温度t3*较高，为800～looo℃。
(5)排气温度t4*较高，约500～680 ℃。
(6)简单循环者其耗油率高，从o．5～1．4kg／kw．h。
表1 小功率燃机参数和结构
| 型号 | is/60 | tg60 | gevaudan | cэc.75 | 3k42 | t009 | gtp50-1 | t-20g-10c | t-100 | ep60 |
| 研制单位 | npt | 东洋机械 | microturbo | khd | allide-signal | turbomach | turbomach | 中科院 |
| 国别 | 英国 | 日本 | 法国 | 俄罗斯 | 前苏联 | 德国 | 美国 | 美国 | 美国 | 中国 |
| 功率(kw) | 45 | 55 | 50 | 125 | 50 | 31.2 | 37 | 20.6 | 37 | 60 |
| 循环 | 简单 | 简单 | 回热 | 简单 | 简单 | 简单 | 简单 | 简单 | 简单 | 简单 | 简单 |
| 轴数 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 | 单轴 |
| 耗油率(kg/kwh) | 0.895 | 0.640 | 0.380 | 0.660 | 1.428 | 0.698 | 0.443 | 0.860 | 0.506 | 0.950 |
| 发动机转速(r/min) | 46000 | 105000 | 59200 | 41186 | 27600 | 96000 | 114915 | 106588 | 58000 |
| 输出转速(r/min) | 8000 | 12000 | 8000 | 6000 | 3600 | 12000 | 12000 | 12000 | 6000 |
| 空气流量（kg/s) | 0.612 | 0.53 | 1.700 | 1.500 | 0.310 | 0.239 | 0.354 | 0.840 |
| 涡轮进气温度(℃) | 877 | 982 | 810 | 850 |
| 排气温度(℃) | 600 | 680 | 480 | 716 | 654 |
| 压比 | 2.60 | 3.80 | 5.50 | 6.34 | 3.2 |
| 压气机 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 | 单级离心 |
| 涡轮 | 单级轴流 | 单级向心 | 单级向心 | 双级轴流 | 单级向心 | 单级向心 | 单级向心 | 单级向心 | 单级向心 | 单级向心 |
| 燃烧室 | 单管逆流 | 环形逆流 | 环形逆流 | 单管逆流 | 单管逆流 | 单管逆流 | 单管逆流 | 环形逆流 | 环形逆流 | 单管逆流 |
| 重量(kg) | 63.5 | 76.0 | 650* | 130.0 | 32.0 | 37.0 | 29.1 | 95.0 |
1．2 结构特点
小型燃机的结构，主要是根据其小功率、小流量下具有一定效率来确定的，归纳起来有如下特点：
(1)采用单级离心压气机。小流量离心压气机比轴流式压气机效率高，而且级压比高，结构简单，尺寸重量小，制造成本低。
(2)多采用单级向心涡轮。小流量，小功率的单级向心涡轮的效率高于单级轴流涡轮，且燃气温度与叶片温度之差大，可以适当提高燃气温度来提高燃机的热效率。
(3)采用回流式单管或环形燃烧室。回流式燃烧室使燃机结构紧凑，而回流式单管燃烧室结构简单，维修方便，适合于地面使用。
(4)单轴结构。单级离心压气机和单级向心涡轮的采用，决定了小型燃机为单轴结构，这种结构调速性能好，能适应负荷的迅速变化，很适合作为带动发电机的发电燃机。
这种小型燃机的结构图如图2所示。
综上所述，小型燃机的热力参数和结构具有一系列的特点，但简单循环小型燃机的缺点是热效率低，燃料消耗率高。弥补的办法有两个，一是提高燃气温度t3*，但它受到涡轮叶片材料的限制，差不多已为最高值；二是采用回热循环，应用回热器，这是最有效的办法，如[1]‘指出回热小型燃机的效率已达17％～40％。
2 回热器的结构型式及作用
2．1 回热器的结构型式
回热器基本上可分表面式和再生式两类，而表面式回热器中又有管壳式、钣式、钣翅式和原表面式(新型板式)几种不同的结构[3]，可以用放小型燃机的有回转再生式回热器、钣翅式回热器和原表面式回热器三种结构。
图2小功率燃机典型结构 | 2．1．1 回转再生式回热器
这种回热器的换热原理是由蓄热元件组成的回热器转子的低速旋转而交替地通过固定的燃气和空气流道，燃气通过时将热量储于蓄热元件，空气通过时则自元件中吸热，完成热的传递，如图3所示。其蓄热元件由多孔型或纱网型、波纹型金属材料组成，单位体积传热面积大，紧凑度高、重量轻、回热度高。它的缺点是结构复杂，漏气量大(一般要达12％～20％)，气流脉动较剧烈，进出口处压力损失较大。另外，还需增加换流用的转动机构或阀门，加大了复杂性。 |
图3旋转再生式回热器示意图 | 
图4钣翅式回热器芯体示意图 |
2．1．2钣翅式回热器
这种回热器是用一次传热表面的钣作隔壁，另以二次传热表面的弓形或齿形翅片与钣形成流道的回热器。它由隔钣(厚约0．5mm)、翅片(厚为o．1～o．2mm)和封条三种元件组成，燃气流道与空气流道一般相间积迭成单元体，燃气的热通过隔钣和翅片传给空气见图4，其优点是传热系数高，结构紧凑，单位体积传热面积大，可达1500～2500m2／m3，相当于管壳式的十几倍[3]。同时重量轻、强度高，工作温度和压力的范围大，特别适合气一气换热。其缺点是结构较复杂，要求加工工艺和单元体组焊技术高，流道小、压损较大。但近年来由于设计和工艺水平的不断提高，它的应用最为广泛，国内也已基本具备了研制条件[4]。
2．1．3 原表面式回热器(primary，surface regenerator)
这是80年代刚发展起来的一种新型的具有空间传热曲面的紧凑高效回热器。与钣翅式回热器相比，主要区别在于它只通过一次传热表面进行传热，结构上好似没有隔钣，仅靠翅片积迭而成的钣翅式的回热器(见图5)。它又称新型钣式回热器，具有高效传热表面，单位体积的传热面积更大，约达3000m2／m3[3]，重量轻、体积小、维修便利、回热度高，可达90％以上，工作压力o．6mpa，工作温度620℃。其缺点是由于高回热度要求流道水力直径小(如美国solar公司研制的配空气流量6．3kg／s燃机的回热度92．8％的这种回热器，流道水力直径只有1．8mm)，要求母材很薄，小于o．1mm，生产难度大，价格贵，钣型母线呈空间曲线，冲制难度也大，压损大，更易堵塞，同时流道进出口接口段设计加工较困难。这种回热器国外只有solar公司一家生产，国内尚在进行探索。
 |  |
| 图5 原表面式回热器传热面剖面图 |
2．2 回热器的作用及性能
2．2．1 回热器的作用
从能源有效利用和经济性的角度来评价燃机的性能，其缺点是排气温度高，一般在500～650℃甚至更高，有很大一部分热能白白浪费了，致使其循环热效率低，燃料消耗率高，经济性差。回热器就是为回收排气中的一部分热量给空气以减少燃料消耗而应用的。对小型发电燃机来说，很少在低工况下运行，一般也不燃用重油，对环境污染少[1]，因此，回热器的作用，主要是提高燃机热效率，降低燃料消耗。
如图1、4，燃气在排往大气之前先通过回热器的燃气流道，回热器吸收其热量并传给来自压气机的空气，提高了温度的压缩空气再进入燃烧室。这样，与不加回热器的燃机相比，在相同的燃气初温(涡轮进口进口温度)下，就可以少加燃料而热效率得到提高。从比较理想回热循环和理想简单循环热效率的公式[1]，可以得到更为清晰的概念。
理想回热循环热效率：
(1)
(2)
式中wn为燃机比功，t3*为燃气初温，t2*为压气机出口空气温度,t2a*为回热器出口(燃烧室进口)空气温度，π为压气机增压比，τ为温度比t3／t1*(压气机进口空气温度)，cp为定压比热，k为比热比。
比较(1)(2)式，由于t2a*>;t2*，在其他参数基本不变阶情况下，就使ηlr>;ηt。且τ(t3*)愈高，τk愈低，ηtr愈高，如图6所示[1]。
图6 理想回热循环效率
--回热循环 --理想简单循环
2．2．2 回热器阶性能
标志回热器性能的指标有二个，即回热度e和压力损失率ε，它们之间存在着矛盾的关系，设计回热器时必须很好协调。
(1)回热度
回热度定义为回热器实际回收的热量与理论回收热量之比[1]。
即：
(3)
式中t4*为燃机排气温度，cpa、ga和cpg、gg分别为空气和燃气的比热与流量。
(2)压力损失率由三部分组成[1]，即：
(4)
其中εb为高压(空气)管道和燃烧室内的压损率，εra和εrg分别为回热器空气侧和燃气侧的压损率。
回热燃机要求有尽量高的e和尽量小的ε，以获得尽可能高的ηtr，如图7所示。但e高须增大传热面积而使δp(ε)增大，δp大因损失比功wn又使ηtr下降。因此在设计选用回热器时，需综合考虑这两个参数的要求，使其既有较高的回热度，又有较合理的压力损失。考虑了压损的热效率理论计算式[5]为：
(5)
图7 回热度对循环效率的影响
t3*=1000k t1*=288k
式中ηt、ηc为涡轮和压气机效率，m为指数。
从式(5)可见彻随6的增加和ε的减小而增加。
3 小型发电燃机应用回热器的考虑
3．1 对燃机与回热器的要求
3．1．1 对燃机的要求
因为燃机加回热器的主要目的是提高热效率，而燃机本身的热力参数t3*和π对热效率的影响很大，这就产生了具有什么样的热力参数的燃机装用回热器最有效的问题。
t3*增加总是使效率提高，而π却存在使热效率达到最高的最佳值πop(见图8)。回热燃机在一定t3*下的π应在πop附近。至于πop的值可根据
ηt/
π＝0求得[6]。在当前世界回热燃机的t3*水平825～1100℃，πop范因为4～10[3]。小型燃机的t3*稍偏低(800～1000℃)，且涡轮和压气机的效率也偏低，因此πop的范围随之降低，其π＝3～6基本处在πop范围内。
图8 循环效率随t3和π的变化
--实际回热循环 e=0.75 t1*=288k
┄┄实际简单循环
对燃机参数的另一要求是排气温度t4*不能太低，也就是温差δt＝t4*-t2*不能太小，太小则可利用的热量不多，回热效果差。
另外，对回热燃机的结构，为了实现将压气机后的空气引入回热器，再从回热器引入燃烧室，理想的结构是具有离心式压气机和回流式燃烧室。本文所指小型燃机大多具有这种结构。
3．1．2 对回热器的要求
回热燃机对回热器的性能要求，已如前述应有尽量高的回热度e和尽量小的压损率ε。但较高的e将使传热面积严过大，除了压损相应增加外，还会引起回热器体积重量大幅增加，致使热惯性及投资费用过大。以钣翅式传统结构的回热器为例，当e＞72％时，传热面积也即回热器尺寸增加尤为迅速，如图9所示。也就是说，若采用这种回热器，最
好选e＝72％左右，这样既能提高燃机热效率，回热器又不致太大大重。
回热器的压力损失，以空气侧和燃气侧中心流道内的磨擦阻力损失δpcor，为主。尽管空气侧压损δpra较大，但燃气侧压损率δprg／p1比空气侧要大得多，因此它对燃机热效率的影响是主要的[3]。应从流道设计，翅片选择等方面着重降低其数值。相应于上述回热度的压损范围目前一般为δp／p＝3．5％～5%[3]。因此回热器的压损率最好不超过5%。
a=f/fe=0.72,b=f/ga
 | 应紧凑轻巧、安装维修方便。当然，还应考虑材料、工艺、制造的条件和价格的高低。
3．2对回热器的选型
回热燃机有二种设计方法：一种是设计燃机时就考虑带回热器，按回热循环设计；另一种是在原简单循环的燃机上加装回热器，由简单循环改为回热循环。二种方法对回热器的选择原则是一样的。 |
前已介绍回转再生式回热器，钣翅式回热器和原表面式回热器适合小型燃机。三者之中回转再生式回热器因结构过于复杂、制造困难、漏气大、压损高而少见应用。钣翅式回热器既紧凑高效，材料、工艺和制造较成熟，性能又能满足燃机要求，目前应作为首选型式。如日本东洋机械公司的tg60小型热电联供回热燃机用的就是钣翅式回热器(见图10)。原表面式回热器更轻巧高效，对小型燃机应很合适，但制造条件尚不成熟，可作为将来的应用方向考虑。
3．3 应用回热器的效果
燃机应用回热器后，热效率明显提高，燃料消耗明显降低。根据统计，在目前燃机和回热器性能范围内，热效率一般可提高20％～30％，燃料消耗下降20％～30%。小功率燃机因压比低，排气温度温度高而效果更显著。如中科院工物所介绍法国的gevaudan 9型燃机，回热燃料消耗率fb，为简单循环的64％，即下降了36％；日本的tg60燃机回热后fb从不回热时的0．64kg／kw．h降低到0．38kg／kw．h，下降了40％(见表1)。tg60是热电联供燃机，经回热器后的燃气进入热水锅炉，进一步利用排气余热将水加热，供热水给用户，因此它的经济性更好。
3．4投资回收期
回热燃机的投资回收期是衡量经济性的标志。对加装回热器的燃机，投资包括回热器的价格和燃机的改装费用两部分，对同时设计的回热燃机，其投资为回热燃机与简单循环燃机价格之差，一般前者的投资要大于后者。而收益为所节省的燃料费用。
回收期计算式(以改装者为例)为：
(年）
从上式可见，回收期与投资大小，节省的小时燃料量与燃料价格，以及燃机每年运行时间有关。一台改装好的回热燃机，投资和所节省的小时燃料量已确定，若年运行时间也已预定，则回收期只决定于燃料价格，价格愈贵，回收期愈短，[7]将回收期作为
燃料价格的函数画成了曲线，如图11。[3]在分析
有关资料后得出回收期一般在2年以内。
图11 回热器投资回收期与燃料价格关系曲线
现以日本tg60为例来看一下小功率回热燃机的大致回收期。该机的改装费和所用的钣翅式回热器按国内价格并参考[6]对改装回热燃机的估价为15万元，其节省的小时燃料量技柴油计约为14．3升／小时[8]，目前0#国产柴油零售价已从去年的2．2元／升涨至2．8元／升，则：
若燃机年运行时间接8000[6]、4000和2000小时计，其回收期分别为半年、一年和二年，即年运行时间愈长，回收期愈短。
4 结论
(1)功率200 kw以下的小型燃机的性能和结构，都很适合应用回热器，其型式目前以选择钣翅式回热器较适宜，但原表面式回热器应作为进一步的选用方向。
(2)小型发电燃机回热器的作用主要是提高热效率，降低燃料消耗。回热度愈大，效果愈好，但尺寸重量增加太多，因此回热度e宜选在0．7以下，空气和燃气的压力损失率之和δp／p应控制在3％～5％以内。
(3)在当前小功率燃机热力参数范围内，以上性能的回热器可将燃机热效率提高30％～40％，燃料消耗降低30％～40％，对节约能源，提高经济性，效果均很明显，热电联供回热燃机的效果则更好。
(4)燃机应用回热器的效果集中体现在经济性，而经济性又以投资回收期来衡量。燃料价格愈贵、燃机年工作时间愈长，回收期愈短。技现行燃料价格，燃机年工作4000～2000小时，回收期大致为1～2年。
(5)由上，只有较长时间工作的小型发电燃机宜应用回热器，而对短时运行(如应急)的燃机则不宜采用回热器。
参考文献
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2 regenerated marine gas tubine
part i：cycle selection and performance estimation，asme，82
-gt-306
part ii：regenerator technology and heaf exchanger sizing
asme．82-gt一314
3 朱旭津、姚文江、胡志清，国产轻型燃机配套回热器，轻型燃机成套设备调研分析文 集(一)，614所，1988
4 姚文江、朱晓红，燃机板翅式回热器的研制试验，江苏航空航天学会动力专业学术年会论文集，1994．10
5 (日)佐藤豪，燃气轮机循环理论，机械工业出版社，1983
6 孔凡荣，回热式涡轴六改型燃机方案研究，轻型燃气轮机文集(第五集)中国轻型燃气轮机开发中心
7 disel＆gas turbine worldwide，dec，1980
8 tg60 coacemation system performance，东洋机械株式会社，2000．3
作者简介
茅文悼 研究员 换热器室主任兼热能工程公司经理
姚文江研究员
陈建良 高级工程师
