微型燃气轮机

1 简介

数百千瓦及以下功率的燃气轮机存在于 1940 年代至 60 年代。 但由于发电效率低，数十至数百千瓦的小型发电机市场长期被内燃机占据。 随着高效蓄热器由军用向民用的转移，微型燃气轮机的发电效率显着提高。 20世纪90年代初期，出现了没有齿轮箱的燃气轮机，部分机组采用了不需要润滑系统的空气轴承，使得微型燃气轮机的结构更加紧凑，几乎免维护。 微型燃气轮机体积小、重量轻、适用燃料范围广。 它们可以靠近用户安装，显着提高了用户供电的可靠性。 这些优势使得微型燃气轮机在分布式电源、热电联产和车用混合动力等领域的应用得到迅速发展[1]。 1998年底，美国Capstone公司推出了第一台商用微型燃气轮机装置。 现在已经有很多公司研发生产这种微型燃气轮机，主要集中在北美、瑞典和英国。 美国AlliedSignal公司估计，到2010年微型燃气轮机发电机组的销售额将达到10-150亿美元[2]。

微型燃气轮机在发电的同时回收燃烧后的余热，可同时提供供暖服务和空调制冷服务。 这种热电联产形式正变得越来越流行 [3]。 我国在医院、机场、楼宇等领域也有应用实例，并取得了较好的效果[4]。

在竞争激烈的售电市场中，微型燃气轮机以其较低的综合发电成本，将在未来电力系统中占据越来越重要的地位[5]。 2003年冬，英国Powergen公司将开展在居民家庭厨房安装微型发电站的试点项目。 这个燃气发电站可以提供供暖、热水供应和发电。 测试表明，它每年可节省能源成本249.6美元。 在未来的电力系统中，微型燃气轮机必将与大型集中式电站一起为用户提供清洁廉价的能源服务。

2 微型燃气轮机结构

微型燃气轮机是一种热电联产机组。 美国Capstone公司生产的微型燃气轮机工作原理如图1所示，内部结构剖面图如图2所示。

Capstone生产的微型燃气轮机主要部件包括：发电机、离心压缩机、涡轮、蓄热室、燃烧室、空气轴承、数字功率控制器（将高频电能转换成并联电网频率50/60Hz，提供控制、保护和沟通）。 这种微型燃气轮机的独特设计是它的压缩机和发电机安装在一个由空气轴承支撑的旋转轴上，旋转轴在一层薄薄的空气膜上以 96000 r/min 的速度旋转。 这是整个机组中唯一的运动部件，完全省去了变速箱、油泵、散热器等附属设备。 这种微型燃气轮机在全球已售出2000台，累计运行3×106h。 该微型燃气轮机采用的几项关键技术如下：

(1) 空气轴承。 空气轴承支撑系统中唯一的旋转轴。 无需任何润滑，节省维护成本，避免因润滑不当引起的过热问题，提高系统可靠性。 可使微型燃气轮机24小时、全年不间断地以最大输出功率运行。

(2)燃烧系统技术。 获得专利的燃烧系统设计使其成为最清洁的化石燃料燃烧系统，无需进行燃烧后污染控制。

(3) 数字电源控制器。 将电力电子技术与先进的数字控制相结合，实现了调节发电机发电量、实现多台燃气轮机群控、调节各相间功率平衡、远程调试调度、快速降低出力、并网运行切换等多种功能模式和独立运行模式。 数字功率控制监控器最多可监控200个变量，可控制发电机转速、燃烧温度、燃料流量等变量，所有操作均可在一套用户友好的软件系统上进行。

3 微型燃气轮机的优点

与传统发电装置相比，微型燃气轮机具有以下优点：

（一）环境保护。 微型燃气轮机的废气排放量较少。 使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时，排放的NOx体积分数小于9×10-6； 使用柴油或煤油燃料满负荷运行时，排放的NOx体积分数小于35×10-6； 试验采用油井气燃气轮机发电挖比特币，排放的NOx体积分数小于1×10-6。 其他使用天然气作为燃料的往复式发电机产生的氮氧化物比微型涡轮机多 10 到 100 倍，而柴油发电机产生的氮氧化物比微型涡轮机多数百倍。

(2) 维护少。 微型燃气轮机采用独特的空气轴承技术，系统内部无需任何润滑，节省了日常维护。 年度计划检修仅在全年连续满负荷运行后更换空气滤清器。

(3) 效率高。 微型燃气轮机的发电效率可达30%，发电供热联合后整个系统的能源利用率超过70%。

(4)操作灵活。 微型燃气轮机可并网运行，也可独立运行，两种模式可自动切换。 两种工作模式的自动切换由软件系统控制。

(5) 适用于多种燃料。 微型燃气轮机适用于多种气体燃料和多种液体燃料，包括天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等。

(6)系统配置灵活。 微型燃气轮机的台数可根据实际需要灵活配置，可进行多机组群控，维护其中一台不影响整个系统运行。

(7) 安全可靠。 微型燃气轮机是同类产品中唯一符合美国保险商实验室（UL）严格标准UL2000的产品，同时也符合IEEE519、NFPA规范、ANSI C84.1等规范，确保互联安全同格性。

4 微型燃气轮机技术指标

凯普斯通C30微型燃气轮机在环境温度15℃、相对湿度60%、海拔0m时的产品技术指标如表1所示[6]。 美国几家主要微型燃气轮机制造商的产品性能如表2所示[7]。 微型燃气轮机与水力发电和火力发电的成本对比如表3所示。目前燃气轮机发电挖比特币，我国许多地区高峰时段的商业电价接近1元/千瓦时。 从表3可以看出，虽然微型燃气轮机的单位千瓦成本较高，但由于其极低的安装和维护成本，其发电成本远低于高峰时段的电价。 因此，对小型工商业用户极具吸引力。

5 微型燃气轮机应用前景

微型燃气轮机的主要应用场所包括：①废气燃烧场所； ②需要提供临时和长期电力的场所； ③ 提高停电频繁场所的电能质量和供电可靠性； ④电费高的地方； ⑤偏远无电网的地方； ⑥ 以高峰负荷电价向电力交易中心售电； ⑦ 需要供热、供电、制冷联供的场所。 比如可以应用到以下几个方面：

（一）油田

油田一般地处偏远地区，架设电网或架设永久性输电线路困难重重，需要大量投资。 油田开采初期需要临时供电。 微型燃气轮机利用油井废气发电，不仅可以解决油田开采设备和生活基地的电力供应，还可以为生活基地提供供暖和空调服务。

(2) 垃圾填埋场和偏远农村

城市垃圾一般采用填埋方式处理，掩埋垃圾产生大量低热值的生物可燃气体。 微型燃气轮机利用垃圾沼气发电，既保护了环境，又可为当地居民或电网送电。

在电网无法到达的偏远农村和山区，可以充分利用农村生物质能。 生物质气化与微型燃气轮机相结合，构成简单可靠、免维护、高效、低污染的新型分布式发电系统，或将成为偏远农村能源供应和改善生活质量的最佳解决方案和山区。

（三）需要连续生产的小型加工企业

突然停电会给连续生产的小型加工企业造成重大经济损失。 利用微型燃气轮机自行发电并与电网并联运行，将大大提高供电的可靠性。 在电价波动较大的地区和季节，自发电可有效规避电价风险。

(4) 发电备用

在电网用电紧张时期，微型燃气轮机可以向电网输送电力，并以较高的辅助服务电价结算，可以获得更大的利润。

(5) 热电冷联产

微型燃气轮机可提供电、热、空调综合服务，能效高达90%。 微型燃气轮机将广泛应用于医院、写字楼、超市、宾馆、游泳池等需要热电制冷的场所，以及服装等生产过程中需要供暖的生产企业。工厂和砖厂。 空间。

使用微型燃气轮机进行热电联产的最杰出的例子之一是在荷兰的 Putten。 一台30kW微型燃气轮机为总容量为1.6ML的公共游泳池提供全年供热和供电服务。 能源总利用效率达到96%。 供暖部分包括游泳池水加热和冬季室内供暖，供电部分包括循环水泵、照明服务等电气设备。 与以前的集中供暖和锅炉供暖相比，新解决方案的能源成本降低了 30%。

(6)移动电源和车载电源

微型燃气轮机体积小、重量轻、启动快，适合作为后备电源和移动电源使用。 微型燃气轮机的废气排放明显低于活塞式内燃机。 机动车尾气已成为城市空气污染的主要来源。 新型燃气轮机与蓄电池组成的机动车混合动力是解决城市机动车尾气污染的重要手段。

由上可见，微型燃气轮机虽然具有广阔的应用前景，但必须以当地有稳定的气体或液体燃料供应为前提。 如果当地气体燃料或液体燃料供应充足，微型燃气轮机发电的优势将非常明显。 尤其是在用电高峰期，不仅可以大大提高供电的可靠性，还可以节省大量的电费。

6结语

人类在利用可再生能源发电方面的研究取得了长足的进步。 风电、太阳能受地理位置和自然条件的限制，不能建在居民区； 太阳能光伏电池电源的能量转换效率仍然很低； 电池储能和燃料电池的成本仍然很高。 微型燃气轮机是目前唯一实现商业化运行的分布式发电装置。 可在居民区安装运行，靠近用户发电或与电网并联运行，将大大提高用户供电的可靠性。 可以预见，微型燃气轮机将在当今蓬勃发展的电力市场中得到快速发展。

参考

[1] 刁正刚． 微型燃气轮机走向商业化[J]. 燃气轮机技术, 2000, 13(4): 13-16.

[2] 赵世航（Zhao Shihang）． 新概念微型汽轮机的研制[J]． 燃气轮机技术, 2001, 14(2): 8-13.

[3] 强国芳（Qiang Guofang）． 国外热电冷联产的现状与展望——系列报告之四：国外冷热电联产的现状与未来[J]. 热能工程(热能与动力工程学报), 1995, 10(5): 259-264.

[4] 郑国耀（Zheng Guoyao）． 黄浦区医院冷热电联供工程设计与实践[J]. 动力工程, 1999, 19(3): 59-64.

[5] 朱成章（Zhu Chengzhang）． 从小型热电联产到冷热电联产[J]. 燃气轮机发电技术, 2000, 2(2): 5-9.

[6] 凯普斯通公司． 单个顶石微型涡轮机的技术规范和描述[EB/OL]。 ．

[7] 张浩志，李政，孙鑫，等（张浩志，李政，孙鑫等）。 新兴微型燃气轮机技术(The rising microturbine technology)[J]． 动力工程, 2001, 21(6): 1532-1538.