微型燃气轮机

微型燃汽轮机

1 引言

功率为数百kW及以下的燃气轮机在20世纪40~60年代就已存在，但由于其发电效率低，长期以来，几十至几百kW的小型发电机组市场一直由内燃发电机组占领。随着高效回热器由军用转入民用，微型燃气轮机的发电效率显著提高。20世纪90年代初出现了无齿轮箱的燃气轮机，有些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为紧凑，几乎不用维护。微型燃气轮机体积小、重量轻、适用燃料范围广，可靠近用户安装，显著提高了对用户供电的可靠性。这些优点使得微型燃气轮机在分散式供电、热电联供和车辆混合动力方面的应用得到了迅猛发展[1]。1998年末美国Capstone公司推出了第1台商业化的微型燃气轮机装置，现已有多家公司研制和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100~150亿USD[2]。

微型燃气轮机在生产电力的同时回收利用了燃烧后的废热，可同时提供供暖服务和空调制冷服务，这种热电联产的发电形式越来越受欢迎[3]。我国也在医院、机场、楼宇等领域有应用的实例，并取得了较好的效果[4]。

在充满竞争的电力零售市场上，微型燃气轮机凭藉其综合发电成本低的优势必将在未来的电力系统中占据越来越重要的位置[5]。2003年冬季，英国Powergen公司将开展微型电站装入居民家庭厨房的试点工程。这种燃气电站可取暖、供热水、发电，试验表明一年可节约能源费用249.6USD。微型燃气轮机在未来的电力系统中必将同大型集中式电站一起为用户提供清洁便宜的能源服务。

2 微型燃气轮机的结构

微型燃气轮机是热电联产发电机组，美国Capstone公司生产的微型燃气轮机的工作原理如图1所示，内部结构剖面如图2所示。

Capstone公司生产的微型燃气轮机的主要组成部分包括：发电机、离心式压缩机、透平、回热器、燃烧室、空气轴承、数字式电能控制器（将高频电能转换为并联电网频率50/60Hz，提供控制、保护和通讯）。这种微型燃气轮机的独特设计之处在于它的压缩机和发电机安装在一根转动轴上，该轴由空气轴承支撑，在一层很薄的空气膜上以96000 r/min转速旋转。这是整个装置中唯一的转动部分，它完全不需要齿轮箱、油泵、散热器和其他附属设备。这种微型燃气轮机已在全球销售了2000台，累计运行3×106h。这种微型燃气轮机采用的几项关键技术如下：

（1）空气轴承。空气轴承支撑着系统中唯一的转动轴。它不需要任何润滑，从而节约了维修成本，避免了由润滑不当产生的过热问题，提高了系统可靠性。它可使微型燃气轮机以最大输出功率每天24h全年连续运行。

（2）燃烧系统技术。已取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，不需进行燃烧后的污染控制。

（3）数字式电能控制器。将电力电子技术与高级数字控制相结合实现了多种功能，如调节发电机发电功率、实现多个燃气轮机成组控制、调节不同相之间的功率平衡、允许远程调试和调度、快速削减出力、切换并网运行模式和独立运行模式。数字式电能控制监视器可监视多达200个变量，它可控制发电机转速、燃烧温度、燃料流动速度等变量，所有操作可在一套界面友好的软件系统上进行。

3 微型燃气轮机的优点

微型燃气轮机与常规发电装置相比具有如下优点：

（1）环保。微型燃气轮机的废气排放少，使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx小于9×10-6；使用柴油或煤油燃料满负荷运行时，排放的体积分数NOx 小于35×10-6；采用油井气做测试，排放的体积分数NOx小于1×10-6。其他采用天然气作为燃料的往复式发电机产生的NOx比微型燃气轮机多10~100倍，柴油发电机产生的NOx 是微型燃气轮机的数百倍。

（2）维护少。微型燃气轮机采用独特的空气轴承技术，系统内部不需要任何润滑，节省了日常维护。每年的计划检修仅是在全年满负荷连续运行后更换空气过滤网。

（3）效率高。微型燃气轮机发电效率可达30%，联合发电和供热后整个系统能源利用率超过70%。

（4）运行灵活。微型燃气轮机可并联在电网上运行，也可独立运行，并可在两种模式间自动切换运行。由软件系统控制两种运行模式之间的自动切换。

（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。可根据实际需要灵活配置微型燃气轮机的数量，并能够进行多单元成组控制，其中一台检修时不影响整个系统的运行。

（7）安全可靠。微型燃气轮机是同类型产品中符合美国保险商实验所（Underwriters' Laboratories，UL）严格标准UL2000的唯一产品，它同时符合IEEE519、NFPA规范、ANSI C84.1和其他规范，保证了与电网互联的安全性。

4 微型燃气轮机的技术指标

Capstone公司的C30微型燃气轮机在环境温度15℃、相对湿度60%、海拔0m条件下的产品技术指标见表1[6]。美国几个主要的微型燃气轮机生产商的产品性能见表2[7]。微型燃气轮机、水电和火电发电成本的对比见表3。目前，我国许多地区高峰时段商业用电价接近1元/kWh，由表3可见，虽然微型燃气轮机单位kW造价较高，但由于其安装和维护费用极低，发电成本又远低于高峰时段电价，因此对小型工商业用户具有极大的吸引力。

5 微型燃气轮机的应用前景

微型燃气轮机的主要应用场所包括：①废气燃烧地点；②需要提供临时和长期电力的地点；③在经常停电的地点提高电能质量和供电可靠性；④电费较高的地点；⑤无电网的偏僻地点；⑥可用峰荷电价向电力交易中心卖电；⑦要求联合提供热电冷服务的地点。如可应用于以下方面：

（1）油田

油田一般位于偏僻的地区，很难架设电网或架设永久的输电线路投资很大。在油田开采初期需临时供应电力。微型燃气轮机利用油井废气发电，不仅可解决油田开采设备和生活基地的电力供应，还为生活基地提供采暖和空调服务。

（2）垃圾掩埋场和偏僻农村

城市垃圾一般采用掩埋方法处理，掩埋的垃圾产生了许多低热值的生物可燃气。微型燃气轮机利用垃圾沼气发电，不仅保护环境，并可向当地的居民或电网送电。

在电网无法到达的偏僻农村和山区，可充分利用农村的生物物质。将生物物质气化和微型燃气轮机相结合构成简单、可靠、低维护、高效率、低污染的新型分散式发电系统，有可能成为偏僻农村和山区能源供应和提高生活质量的最佳方案。