【干货】小型燃气轮机原理及在分布式能源领域中的应用

  燃气轮机是以气体作为工质，将燃料燃烧时释放开来的热量转变为有用功的、高速回转的叶轮式动力机械。与目前其他普遍应用的动力装置相比，燃气轮机的主要优点是重量轻和体积小，此外还具有设备简单、可不用水和起动加速快的优点。由于燃气轮机所具有的显著优点以及较大的发展的潜在能力，随技术的持续不断的发展，性能的一直在改进，具有广阔的发展前景。

  从容量上看，目前大中型燃气轮机占市场主要份额，小型燃气轮机以备用为主。跟着社会对电力供给的依赖日益加剧，对电网安全性的要求慢慢的升高，分布式能源作为电网的补充，能大大的提升用户用电的可靠性，因此开始引起广泛的关注【1-3】。分布式能源是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50 MW 的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近。当今的分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的微型/小型燃气轮机、内燃机、各种工程用的燃料电池以及可再次生产的能源。

  虽然可再次生产的能源是取之无尽的洁净能源，但是相对于化石能源而言，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差;而化石能源的发电技术不仅更成熟，而且效率更加高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源是主要方向。小型/微型燃气轮机由于环保、高效，而且便于能源的综合利用，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到愈来愈普遍的应用。

  燃气轮机根据负荷容量分为大中型燃气轮机、小型燃气轮机和微型燃气轮机：大于20000kW 的属于大中型燃气轮机;而1000～20000kW 的被称为小型燃气轮机;小于1000kW的则是微型燃气轮机。小型和微型燃气轮机与分布式能源紧密关联，本文主要介绍这两种形式的机组。

  微型燃气轮机尚处于发展的初期，虽然有很多企业来提供了产品，但目前的价格仍然比较昂贵，为800～1200$/kW。为满足低成本的要求，设计中均采用了尽可能简单的布置形式：离心压气机、向心透平、直接驱动的高速空冷发电机、适用于多种燃料的燃烧室(传统的或催化的)、紧凑高效的回热器以及简单的控制管理系统【4】。此外，为了支撑高速的电动机，空气轴承被采用，从而消除了润滑油泄漏的可能。

  与大中型燃气轮机的轴流式压气机和轴流式透平不同，微型燃气轮机采用的离心压气机以及向心透平在比较小的尺寸时仍有相当高的空气动力学效率，这是较小的叶片高度、雷诺数、较小的叶片顶部间隙等综合作用的结果。由于微型燃气轮机尺寸较小，叶片的冷却十分困难，因此透平进口温度完全取决于材料技术的发展。

  由于透平进口温度受到了很大的限制，目前对于简单循环布置的微型燃气轮机发电效率很难达到20%。为了改善微型燃气轮机的性能，回热器被采用，在这种情况下，发电效率可达30%甚至更高。预计到2010 年，随着陶瓷技术的发展，陶瓷可以在微型燃气轮机的高温部件上得到大量应用，微型燃气轮机的发电效率可达50%。

  微型燃气轮机的转速可达每分钟几万转甚至10 多万转，远高于大中型燃气轮机。为了尽最大可能避免采用沉重、昂贵的减速箱，微型燃气轮机采用了直接驱动的发电机，通过变频装置获得所需的电流。大中型燃气轮机的变工况一般会用定转速调节的形式;而微型燃气轮机可优先考虑采用变转速的形式，通过变频装置稳定电力频率的输出【5】。

  从上表中可看到，目前的微型燃气轮机的压比在4.0 左右，因此采用单级离心压气机即可。由于没叶片冷却，透平进口温度均在1000℃以下，明显低于大中型燃气轮机的温度。由于压比较低，透平的出口烟温达到650℃。在布置了回热器后，回热器出口烟温降到320℃以下。由于燃烧室的燃烧温度较低，NOx 排放很低。

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