微型燃氣輪機（用于電力領(lǐng)域的設備）

特征

先進(jìn)微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動(dòng)、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無(wú)論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區均能適用。此外，微型燃氣輪機在民用交通運輸（混合動(dòng)力汽車(chē)）以及軍車(chē)以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢，受到美、俄等軍事大國的關(guān)注，因此，從國家安全看發(fā)展微型燃氣輪機也是非常重要的。

100千瓦燃機

繼首次熱啟動(dòng)成功后，日前，國內首臺100千瓦微型燃氣輪機在中航工業(yè)東安成功加載至100千瓦，達到額定發(fā)電功率狀態(tài)，運行穩定，標志著(zhù)100千瓦級微型燃氣輪機及其供能系統課題研究又邁出了具有決定意義的一步。

100千瓦級微型燃氣輪機及其供能系統是以東安為主體實(shí)施單位，聯(lián)合中國科學(xué)院工程熱物理研究所、西安交通大學(xué)、中航工業(yè)動(dòng)研所共同承擔的“十一五”國家“863計劃”微型燃氣輪機重點(diǎn)項目課題。課題組先后完成了高效葉輪機械、低污染低排放燃燒室、緊湊式原表面回熱器、高速永磁電機、燃機控制器和變頻系統以及微型燃氣輪機整機的設計研制，取得了豐碩的科研成果，已申請并獲得國家專(zhuān)利30余項。試驗中，參研單位采用了國際先進(jìn)的數據采集系統，更新了潤滑油循環(huán)系統，改造了安裝平臺、燃氣輪機支撐臺架和排氣系統，為試車(chē)創(chuàng )造了條件。

100千瓦微型燃氣輪機研制取得決定性突破將有助于提高我國微型燃氣輪機及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)能力，形成我國微型燃氣輪機較完整的自主知識產(chǎn)權體系和制造能力，為開(kāi)拓以微型燃氣輪機為核心的分布式供能產(chǎn)業(yè)提供支撐。同時(shí)，將縮短我國微型燃氣輪機研制水平與世界先進(jìn)水平的差距。下一步參研單位將進(jìn)行回熱循環(huán)試驗和工程示范，力爭早日完成課題任務(wù)，實(shí)現微型燃氣輪機由基礎研究到工程應用的跨越。

各國現狀

目前美國和日本都有多家企業(yè)在積極開(kāi)發(fā)制造相應的設備。在美國，卡普斯頓公司已經(jīng)制造出65千瓦級微型燃氣輪機發(fā)電裝置，發(fā)電效率達到26%，年產(chǎn)量1萬(wàn)臺；霍尼威爾公司開(kāi)發(fā)成功了75千瓦級的發(fā)電設備，發(fā)電效率為28.5%。日本的多家企業(yè)，如東京電力、豐田汽車(chē)、三菱重工、出光興產(chǎn)、東京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美國卡普斯頓公司的技術(shù)開(kāi)發(fā)熱電并用型系統。為促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，日本通產(chǎn)省已計劃在明年春減小對小型自用發(fā)電業(yè)的限制。

目前，美英等函方發(fā)達國家的電力市場(chǎng)已從集中壟斷式發(fā)電轉向分布式競爭型供電，小型發(fā)電廠(chǎng)在分布式電網(wǎng)中的應用已成為一種可行選擇和發(fā)展趨勢。微型燃氣輪機作為目前最成熟、最有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電設備．正受到越來(lái)越多的關(guān)注。這種發(fā)電方式既能增加電網(wǎng)機動(dòng)性．降低送電損失和成本，改善電力質(zhì)量．同時(shí)也能進(jìn)一步確保供電系統的安全可靠性。

鑒于我國目前的電力發(fā)展及其分布不很均衡以及微型燃氣輪機的技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)越性，微型燃氣輪機將在我國得到廣泛的重視與應用。目前，在中科學(xué)技術(shù)部“863”項目支持下，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團、西安交通大學(xué)三家單位組成的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體已經(jīng)完成100KW級微型燃氣輪機的樣機設計，并通過(guò)了驗收，預計在不久的將來(lái)推出市場(chǎng)。

重要性

分布式供電的發(fā)展為微型燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)擴展提供了極好的平臺。微型燃氣輪機單純發(fā)電效率并不算很高，但以其為核心的熱電聯(lián)產(chǎn)系統的能量利用率甚至超過(guò)大型機組。目前，30～350kW的微型燃氣輪機是現階段商業(yè)應用的典型機型，主要用于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統中，一般選擇天然氣作為燃料，綜合效率可達到80%以上。它是一種有前途的節能環(huán)保型電源，適合在城市、鄉村、邊遠地區推廣應用，且前景廣闊。但目前我國還不具備開(kāi)發(fā)生產(chǎn)微型燃氣輪機的能力。

在熱電聯(lián)產(chǎn)應用領(lǐng)域，微型燃氣輪機將直接與活塞式內燃機進(jìn)行競爭。與活塞式內燃機發(fā)電相比，微型燃氣輪機更小，轉動(dòng)部件更少，運行和維護成本更低．在發(fā)電上優(yōu)勢明顯，污染排放也低于柴油機。有利于環(huán)境保護。隨著(zhù)微型燃氣輪機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。其優(yōu)勢將更加顯著(zhù)。當然，在相同條件下，微型燃氣輪機若要與大型汽輪機在發(fā)電成本方面具有競爭力，必須采用更低成本的材料和更高效率的發(fā)電方法，并減少系統的組成部件。

工作原理結構

微型燃氣輪機是一種以燃料(燃氣或燃油)和空氣為介質(zhì)的旋轉式熱力發(fā)動(dòng)機。驅動(dòng)發(fā)電機的燃氣渦輪機由高溫高壓燃氣推動(dòng)做功，正常運行情況下。微型燃氣輪機發(fā)電機組所采用的永磁發(fā)電機為高轉速發(fā)電機，輸出的交流電的頻率很高。

微型燃氣輪機系統內部，永磁發(fā)電機、燃氣渦輪機、進(jìn)氣壓縮機三個(gè)關(guān)鍵部件同軸連接，具有相同的轉速。為了能夠將吸入的空氣壓縮到所要求的壓力范圍，進(jìn)氣壓縮機的正常工作要求整個(gè)轉軸按額定轉速旋轉。由于這個(gè)條件在系統起動(dòng)階段無(wú)法自行滿(mǎn)足，微型燃氣輪機是不能自起動(dòng)的。而進(jìn)氣壓縮機的非正常工作狀態(tài)會(huì )直接導致后續的燃料燃燒和膨脹做功也不正常。因此，整個(gè)微型燃氣輪機發(fā)電系統的起動(dòng)，先要使永磁發(fā)電機工作在電動(dòng)機模式，等到進(jìn)氣壓縮機以及后續的燃燒膨脹做功達到正常狀態(tài)后再切換到發(fā)電機模式。

由于進(jìn)入微型燃氣輪機系統的燃料和空氣都是精確可控的，當微型燃氣輪機成功啟動(dòng)并達到穩定工作狀態(tài)之后，其輸出的電功率是穩定的，并網(wǎng)運行時(shí)不會(huì )對電網(wǎng)造成功率沖擊。

微型燃氣輪機起動(dòng)完成以后，永磁發(fā)電機的轉速可以維持恒定，因而輸出電壓的頻率也是恒定不變的，只是機端電壓的頻率遠遠高于電網(wǎng)電壓的工頻，而這個(gè)可以通過(guò)變頻裝置進(jìn)行處理。

因此，微型燃氣輪機的輸出特性良好，在各種分布式電源中對電網(wǎng)的影響較小。

并網(wǎng)方式

正常運行情況下，微型燃氣輪機發(fā)電系統中永磁發(fā)電機輸出的高頻電能，必須經(jīng)過(guò)電力電子裝置實(shí)現頻率變換才能送入工頻電網(wǎng)。也就是說(shuō)，并網(wǎng)運行的微型燃氣輪機發(fā)電系統的永磁發(fā)電機與工頻交流電網(wǎng)之間需要有用于實(shí)現頻率變換的變流器(也叫變頻器)。一般采用AC—DC—AC變換的方式。在起動(dòng)階段，永磁發(fā)電機工作在電動(dòng)機模式時(shí)，必須為該高速電機提供高頻的交流電源。也就是說(shuō)，在工頻電網(wǎng)為微型燃氣輪機發(fā)電系統中的高速電機供電(永磁發(fā)電機運行在電動(dòng)機模式)時(shí)，也需要變頻轉換。

由于在永磁發(fā)電機和工頻電網(wǎng)之間，電能可能從永磁發(fā)電機流向電網(wǎng)(正常運行時(shí)的發(fā)電模式)，也可能是從電網(wǎng)流向永磁發(fā)電機(起動(dòng)階段的電動(dòng)機模式)，這就要求變頻裝置可以靈活控制，而且變流器中的電力電子開(kāi)關(guān)器件必須是全控型的。

如果是離網(wǎng)運行的話(huà)，起動(dòng)階段還必須提供容量足夠的儲能裝置。

發(fā)展與現狀

功率為幾百千瓦的燃氣輪機在20世紀40～60年代就已經(jīng)發(fā)展和應用了，但是稱(chēng)為小型燃氣輪機，用于發(fā)電和驅動(dòng)。機組的特點(diǎn)是每分鐘數萬(wàn)轉，用減速齒輪減速后驅動(dòng)負載；壓氣機用離心式；透平多用軸流式，也有用向心式的；回熱器多用回轉式，也有用板式回熱器；轉子用滾動(dòng)軸承支撐。美國國家航空與宇航管理局20世紀60年代在渦輪增壓器的基礎上發(fā)展了一種微型燃氣輪機發(fā)電裝置，隨后在20世紀70年代開(kāi)展了在航天飛機上作為輔機電站應用的微型燃氣輪機的研究。微燃機發(fā)電技術(shù)在此以后得到了迅速的發(fā)展。但是長(cháng)期以來(lái)這種燃氣輪機并沒(méi)有廣泛應用，原因是小功率燃氣輪機簡(jiǎn)單循環(huán)的效率比較低，無(wú)法與內燃機相比。而且，小功率燃氣輪機轉速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機相連，笨重的減速器和低速發(fā)電機把燃氣輪機結構輕巧的特點(diǎn)給抵消了。雖然人們認識到可以采用回熱循環(huán)來(lái)提高效率，但是常規回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大，而緊湊式的回熱器制造成本很高，所以除個(gè)別燃氣輪機有帶回熱器的衍生型外，回熱循環(huán)的地面應用始終打不開(kāi)局面。

高速永磁發(fā)電機的出現使發(fā)電機與壓氣機之間的連接不再需要減速機構，這使整個(gè)機組的重量大大減輕，尺寸大大減小，成本也降低很多。與此同時(shí)，采用空氣軸承代替滾動(dòng)軸承，由于空氣軸承不需要潤滑系統，導致機組零件大幅度地減少，制造成本也進(jìn)一步降低。為了提高機組的熱效率，普遍采用高效緊湊型回熱器，其回熱效率高達90%，這樣可使微型燃氣輪機發(fā)電機組循環(huán)效率達到30%左右。為了進(jìn)一步提高循環(huán)效率，一個(gè)行之有效的辦法是提高燃燒室出口溫度，也就是提高透平入口溫度，但是透平人口溫度的提高受渦輪材料的限制，使其不能過(guò)高。但科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步已使微型燃氣輪機的經(jīng)濟性、污染物排放、可靠性以及使用壽命等指標都大大提高，可以與大型火電機組相比較。目前的先進(jìn)微型燃氣輪機具有尺寸小、重量輕、燃料適應性強、低燃料消耗率、噪聲低、振動(dòng)小、污染排放低、維護費用低廉、不需用水冷卻等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，可以廣泛應用于小型分布式發(fā)電系統中。