微型燃氣輪機

微型燃氣輪機是一類新近發展起來的小型熱力發電機，其單機功率範圍為25～300 kW，基本技術特徵是採用徑流式葉輪機械（向心式透平和離心式壓氣機）以及回熱循環。據認為，微型燃氣輪機發電技術有可能掀起“ 電源小型分散化”的技術革新熱潮，從而成為21世紀能源技術的主流。

基本介紹

• 中文名：微型燃氣輪機
• 外文名：Microturbine或Micro-turbines
• 單機功率範圍：25～300 kW
• 類型：小型熱力發電機
• 所屬領域：電力
• 特徵：採用徑流式葉輪機械

特徵

先進微型燃氣輪機具有多台集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特徵，除了分散式發電外，還可用於備用電站、熱電聯產、併網發電、尖峰負荷發電等，是提供清潔、可靠、高質量、多用途、小型分散式發電及熱電聯供的最佳方式，無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（混合動力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優勢，受到美、俄等軍事大國的關注，因此，從國家安全看發展微型燃氣輪機也是非常重要的。

中國100千瓦微型燃機滿負荷運行

繼首次熱啟動成功後，日前，國內首台100千瓦微型燃氣輪機在中航工業東安成功載入至100千瓦，達到額定發電功率狀態，運行穩定，標誌著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施單位，聯合中國科學院工程熱物理研究所、西安交通大學、中航工業動研所共同承擔的“十一五”國家“863計畫”微型燃氣輪機重點項目課題。課題組先後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製，取得了豐碩的科研成果，已申請並獲得國家專利30餘項。試驗中，參研單位採用了國際先進的數據採集系統，更新了潤滑油循環系統，改造了安裝平台、燃氣輪機支撐台架和排氣系統，為試車創造了條件。

100千瓦微型燃氣輪機研製取得決定性突破將有助於提高我國微型燃氣輪機及其相關產品的研發能力，形成我國微型燃氣輪機較完整的自主智慧財產權體系和製造能力，為開拓以微型燃氣輪機為核心的分散式供能產業提供支撐。同時，將縮短我國微型燃氣輪機研製水平與世界先進水平的差距。下一步參研單位將進行回熱循環試驗和工程示範，力爭早日完成課題任務，實現微型燃氣輪機由基礎研究到工程套用的跨越。

現狀

目前美國和日本都有多家企業在積極開發製造相應的設備。在美國, 卡普斯頓公司已經製造出65千瓦級微型燃氣輪機發電裝置,發電效率達到26%，年產量1萬台；霍尼威爾公司開發成功了75千瓦級的發電設備,發電效率為28.5%。 日本的多家企業,如東京電力、豐田汽車、三菱重工、出光興產、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開發熱電並用型系統。為促進該技術的發展，日本通產省已計畫在明年春減小對小型自用發電業的限制。

目前，美英等西方已開發國家的電力市場已從集中壟斷式發電轉向分散式競爭型供電，小型發電廠在分散式電網中的套用已成為一種可行選擇和發展趨勢。微型燃氣輪機作為目前最成熟、最有商業競爭力的分散式發電設備．正受到越來越多的關注。這種發電方式既能增加電網機動性．降低送電損失和成本，改善電力質量．同時也能進一步確保供電系統的安全可靠性。

鑒於我國目前的電力發展及其分布不很均衡以及微型燃氣輪機的技術特點及其優越性，微型燃氣輪機將在我國得到廣泛的重視與套用。目前，在中科學技術部“863”項目支持下，由中國科學院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團、西安交通大學三家單位組成的產學研聯合體已經完成100KW級微型燃氣輪機的樣機設計，並通過了驗收，預計在不久的將來推出市場。

重要性

分散式供電的發展為微型燃氣輪機技術的發展和市場擴展提供了極好的平台。微型燃氣輪機單純發電效率並不算很高，但以其為核心的熱電聯產系統的能量利用率甚至超過大型機組。目前，30～350 kW的微型燃氣輪機是現階段商業套用的典型機型，主要用於分散式冷熱電聯產系統中，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保型電源，適合在城市、鄉村、邊遠地區推廣套用，且前景廣闊。但目前我國還不具備開發生產微型燃氣輪機的能力。

在熱電聯產套用領域，微型燃氣輪機將直接與活塞式內燃機進行競爭。與活塞式內燃機發電相比，微型燃氣輪機更小，轉動部件更少，運行和維護成本更低．在發電上優勢明顯，污染排放也低於柴油機。有利於環境保護。隨著微型燃氣輪機技術的進一步發展。其優勢將更加顯著。當然，在相同條件下，微型燃氣輪機若要與大型汽輪機在發電成本方面具有競爭力，必須採用更低成本的材料和更高效率的發電方法，並減少系統的組成部件。

工作原理和結構

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

微型燃氣輪機系統內部，永磁發電機、燃氣渦輪機、進氣壓縮機三個關鍵部件同軸連線，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範圍，進氣壓縮機的正常工作要求整個轉軸按額定轉速旋轉。由於這個條件在系統起動階段無法自行滿足，微型燃氣輪機是不能自起動的。而進氣壓縮機的非正常工作狀態會直接導致後續的燃料燃燒和膨脹做功也不正常。因此，整個微型燃氣輪機發電系統的起動，先要使永磁發電機工作在電動機模式，等到進氣壓縮機以及後續的燃燒膨脹做功達到正常狀態後再切換到發電機模式。

由於進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並達到穩定工作狀態之後，其輸出的電功率是穩定的，併網運行時不會對電網造成功率衝擊。

微型燃氣輪機起動完成以後，永磁發電機的轉速可以維持恆定，因而輸出電壓的頻率也是恆定不變的，只是機端電壓的頻率遠遠高於電網電壓的工頻，而這個可以通過變頻裝置進行處理。

因此，微型燃氣輪機的輸出特性良好，在各種分散式電源中對電網的影響較小。

併網方式

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

由於在永磁發電機和工頻電網之間，電能可能從永磁發電機流向電網(正常運行時的發電模式)，也可能是從電網流向永磁發電機(起動階段的電動機模式)，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關器件必須是全控型的。

如果是離網運行的話，起動階段還必須提供容量足夠的儲能裝置。

發展過程與現狀

功率為幾百千瓦的燃氣輪機在20世紀40～60年代就已經發展和套用了，但是稱為小型燃氣輪機，用於發電和驅動。機組的特點是每分鐘數萬轉，用減速齒輪減速後驅動負載；壓氣機用離心式；透平多用軸流式，也有用向心式的；回熱器多用迴轉式，也有用板式回熱器；轉子用滾動軸承支撐。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展了一種微型燃氣輪機發電裝置，隨後在20世紀70年代開展了在太空梭上作為輔機電站套用的微型燃氣輪機的研究。微燃機發電技術在此以後得到了迅速的發展。但是長期以來這種燃氣輪機並沒有廣泛套用，原因是小功率燃氣輪機簡單循環的效率比較低，無法與內燃機相比。而且，小功率燃氣輪機轉速高，通常需要採用齒輪減速器降速後與發電機相連，笨重的減速器和低速發電機把燃氣輪機結構輕巧的特點給抵消了。雖然人們認識到可以採用回熱循環來提高效率，但是常規回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大，而緊湊式的回熱器製造成本很高，所以除個別燃氣輪機有帶回熱器的衍生型外，回熱循環的地面套用始終打不開局面。

高速永磁發電機的出現使發電機與壓氣機之間的連線不再需要減速機構，這使整個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，採用空氣軸承代替滾動軸承，由於空氣軸承不需要潤滑系統，導致機組零件大幅度地減少，製造成本也進一步降低。為了提高機組的熱效率，普遍採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電機組循環效率達到30%左右。為了進一步提高循環效率，一個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，使其不能過高。但科學技術的進步已使微型燃氣輪機的經濟性、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、振動小、污染排放低、維護費用低廉、不需用水冷卻等一系列先進技術特徵，可以廣泛套用於小型分散式發電系統中。