燃气轮机运行工况对热效率的影响分析

燃气轮机广泛用于发电领域、航空领域和机械驱动领域，燃气轮机的热效率是其经济性和环保性的核心决定性因素，在运营成本中，燃料费用占比约 60～80% ，因此可直接降低燃料成本，高效率机组在燃料价格波动时的抗风险能力更强，尤其在气价高企时期；高效率机组在电力市场中更易中标，特别是调峰市场，热电联供综合效率>80% ，大幅度提高项目经济性。本文针对燃气轮机不同运行工况下对热效率的影响进行分析，提出相应的优化对策。

1 燃气轮机不同运行工况对热效率的影响

1.1 环境运行工况对热效率的影响

环境条件是燃气轮机实际运行中偏离设计效率最显著、最普遍的外部因素，其影响远超负荷变化和短期参数波动，是运行优化和电厂经济性评估的关键考量。

1.1.1 环境温度的影响

作为对热效率的主要影响因素，环境温度的升高导致空气密度显著降低，是热效率影响的根源；压气机入口容量流量大致恒定，空气质量流量降低，表示进入燃气室的“共质”减少；而且压气机压缩过程接近绝热，导致压缩单位质量控制所需的功增加，为了维持设计压比，压气机需要做更多的功来压缩密度更低、热比容更低的空气。总结来说，压气机耗功增加，工质流量会减少。

燃气轮机出力随着环境温度的升高而显著、非线性下降，环境温度每升高 1^c ，出力下降 0.7～1.5% ，在 15^qC～40^qC 时，出力下降可达 20～30% 甚至更多，此为出力衰减。环境温度每升高 1^c ，热效率下降约 0.1～0.5% ，在 15～40ΦG 时，效率下降可达5～15% 甚至更多，效率下降率通常小于出力下降率，但绝对值影响非常大。面对极端的高温环境，出力会严重受限甚至低于最低稳燃负荷；而且高温造成压气机喘振裕度减少，运行稳定性风险明显提高。

1.1.2 环境压力的影响

环境压力下输入热量下降，与高温影响类似，净效应下降幅度通常大于输入热量的下降幅度，导致热效率下降；同时低气压下的燃烧效率会有所下降，相比高温环境下下降幅度较低。

根据研究可知：海拔每升高 1000m ，大气压下降约 11～12% ，出力下降约 10～12% 热效率随着海报的升高而下降，但幅度小于出力下降，海拔每升高 1000m ，热效率下降约 1～3% 。

1.1.3 环境湿度的影响

湿度增加表示空气中的水蒸气含量增加，替代了部分氧气与氮气，工质成分发生变化；水蒸气的定压比热容远高于干空 Ⅎ ，湿空气的混合比热容增加。水蒸气在燃烧室中吸收蒸发并且升温，降低了火焰温度起到稀释作用，有可能导致 TET 降低。环境湿度对热效率的影响较小，通常要结合具体的燃气轮机型号和空气湿度进行模拟计算，根据经验发现：极高湿度的环境下，热效率可能会有 0.5～1.8% 的轻微下降。

1.2 负荷运行工况对热效率的影响

燃气轮机负荷运行工况是导致热效率下降的主要原因，其作用机制比较复杂。

1.2.1 热力学循环层面-平均吸热温度降低

此为根本原因，热机效率上限为： 其中 T_max 表示循环最高温度， τ_min 表示循环最低温度。降低透平前温（TET），是最常用且对效率负面影响最大的手段，为了降低功率输出，直接减少燃烧量，使 TET 下降，从而降低循环的平均吸热温度。还可以降低压比 (r_-p) ，通过关小进口可转导叶（IGV）减少空气流量或降低转速，导致压比下降。TET 下降，循环的平均吸热温度随之下降，根据卡诺原理：理论最大效率上限下降，为效率下降的热力学基础。

1.2.2 部分效率层面-偏激设计点运行

首先，压气机效率下降，但关小 IGV 或降低转速来减低负荷时，压气机入口力量和转速会偏离设计值，导致气流攻角改变，可能进入非设计工矿区。压气机级间匹配变差，内部流动损失明显增加，压气机等熵效率下降，相同压比下需要消耗更多的压缩功导致净功下降，效率则明显降低。其次，涡轮效率下降。流量减少、膨胀比降低、燃气温度降低导致涡轮膨胀过程偏离设计点，涡轮叶片攻角发生变化，涡轮等熵效率降低，膨胀做功能力下降，净功也下降从而导致热效率的下降。

1.2.3 超负荷工况对热效率的影响

短时超过额定工作运行，以满足尖峰负荷需求或紧急备用的情况为超负荷运行工况。超负荷工况下 TET 增加，超过额定值从而满足燃气轮机超负荷运行状态。但超高TET 逼近或超过材料极限，需要大幅增加冷却空气量，这部分空气主要用于叶片及高温部件冷却，其参与膨胀做功能力有限，相比主燃气流产生的有效功明显减少，同时还会稀释燃气、降低膨胀做功能力，并增加压气机的功耗，从而使冷却损失显著提高。超负荷工况下虽然出力更多，但热效率通常低于额定负荷点，增加的输出功被更高的燃料消耗率、增加的冷却损失和潜在的寿命成本抵消。超负荷是经济性差、无法持续的运行方式，仅在特殊情况下短时间应用，热效率降低是其主要代价之一。

2 燃气轮机运行中保障热效率的优化对策

2.1 环境工况的优化

对于高温环境，要加大进气冷却，在燃气轮机进气系统中利用蒸发冷却装置，通过喷雾水在进气空气中蒸发吸热，从而降低进入压气机的空气温度。该方法设备结构相对简单、运行成本较低，可在一定程度上提高机组出力和热效率，但效果受湿球温度限制明显，且耗水量较大，一般不对机组本体或燃烧室进行直接降温。通常可降温5～15‰ ，提高出力 5～15% ，提高热效率 1～4%. 。再有就是机械制冷方法，利用制冷机组冷却空气，该方法的降温幅度大且不受湿度的限制，效率提高明显，但投资和运行成本较高，需要综合评估经济效益。

对于环境压力，高海拔地区安装燃气轮机时要直接选择功率和效率规格更高的机组，或者选择专门为高海拔设计的型号，技术上采取增压进气，但成本较高，需要综合考量经济成本。

环境湿度问题一般不需要专门进行优化，燃气轮机在高湿热环境下运行，需要密切注意进气滤网结露和堵塞的风险，蒸发冷却效果可能会受限。

2.2 负荷运行工况的优化

现代燃气轮机机组控制难度较大，通常结合 IGV 调节、燃料阀调节等，目标在满足负荷要求和排放以及机械约束的情况下，寻找效率最佳的操作点，即效率-负荷曲线上该负荷对应的最高点，见表 1

表1 曲线特点与数据点分析

可采用联合循环（CCPP），是最有效的解决办法，燃气轮机的排气热量被余热锅炉回收产生蒸汽驱动汽轮机做功，在部分负荷情况下，联合循环的效率衰减远低于简单循环燃气轮机。比如一台 50% 负荷的燃气轮机，简单循环效率仅有 32% ，但其驱动的联合循环效率可能达到 45% 以上。同时日常要做好燃气轮机部件的清洁，定期清洗并且更换，确保传感器和控制阀门的精准度，从而减少对热效率的影响。

3 结束语

燃气轮机作为高效、可靠、灵活的热力发动机，在现代工业中扮演着重要的角色，通过燃烧燃料产生高温高压燃气，推动涡轮旋转输出动力。热效率是燃气轮机技术竞争的“命门”，直接决定了能源转型中天然气是否能够成为低碳桥梁，也是氢能经济的最终可行性。

参考文献：

[1]刘锐,魏鹏鑫,许铁岩,霍金秋.燃气轮机最大出力运行模式控制算法[J].舰船科学技术,2025,47(8):82-86.

[2]李坤洋.燃气轮机运行可靠性的影响因素及解决方法分析[J].中国科技期刊数据库 工业 A,2025(3):202-205.