[科普中国]-微型燃气轮机

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发电机，其单机功率范围为25～300 kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。据认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“ 电源小型分散化”的技术革新热潮，从而成为21世纪能源技术的主流。

特征先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。

中国100千瓦微型燃机满负荷运行

继首次热启动成功后，日前，国内首台100千瓦微型燃气轮机在中航工业东安成功加载至100千瓦，达到额定发电功率状态，运行稳定，标志着100千瓦级微型燃气轮机及其供能系统课题研究又迈出了具有决定意义的一步。

100千瓦级微型燃气轮机及其供能系统是以东安为主体实施单位，联合中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学、中航工业动研所共同承担的“十一五”国家“863计划”微型燃气轮机重点项目课题。课题组先后完成了高效叶轮机械、低污染低排放燃烧室、紧凑式原表面回热器、高速永磁电机、燃机控制器和变频系统以及微型燃气轮机整机的设计研制，取得了丰硕的科研成果，已申请并获得国家专利30余项。试验中，参研单位采用了国际先进的数据采集系统，更新了润滑油循环系统，改造了安装平台、燃气轮机支撑台架和排气系统，为试车创造了条件。

100千瓦微型燃气轮机研制取得决定性突破将有助于提高我国微型燃气轮机及其相关产品的研发能力，形成我国微型燃气轮机较完整的自主知识产权体系和制造能力，为开拓以微型燃气轮机为核心的分布式供能产业提供支撑。同时，将缩短我国微型燃气轮机研制水平与世界先进水平的差距。下一步参研单位将进行回热循环试验和工程示范，力争早日完成课题任务，实现微型燃气轮机由基础研究到工程应用的跨越。

现状目前美国和日本都有多家企业在积极开发制造相应的设备。在美国, 卡普斯顿公司已经制造出65千瓦级微型燃气轮机发电装置,发电效率达到26%，年产量1万台；霍尼威尔公司开发成功了75千瓦级的发电设备,发电效率为28.5%。 日本的多家企业,如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。为促进该技术的发展，日本通产省已计划在明年春减小对小型自用发电业的限制。

目前，美英等函方发达国家的电力市场已从集中垄断式发电转向分布式竞争型供电，小型发电厂在分布式电网中的应用已成为一种可行选择和发展趋势。微型燃气轮机作为目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备．正受到越来越多的关注。这种发电方式既能增加电网机动性．降低送电损失和成本，改善电力质量．同时也能进一步确保供电系统的安全可靠性。1

鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。目前，在中科学技术部“863”项目支持下，由中国科学院工程热物理研究所、哈尔滨东安集团、西安交通大学三家单位组成的产学研联合体已经完成100KW级微型燃气轮机的样机设计，并通过了验收，预计在不久的将来推出市场。

重要性分布式供电的发展为微型燃气轮机技术的发展和市场扩展提供了极好的平台。微型燃气轮机单纯发电效率并不算很高，但以其为核心的热电联产系统的能量利用率甚至超过大型机组。目前，30～350 kW的微型燃气轮机是现阶段商业应用的典型机型，主要用于分布式冷热电联产系统中，一般选择天然气作为燃料，综合效率可达到80%以上。它是一种有前途的节能环保型电源，适合在城市、乡村、边远地区推广应用，且前景广阔。但目前我国还不具备开发生产微型燃气轮机的能力。

在热电联产应用领域，微型燃气轮机将直接与活塞式内燃机进行竞争。与活塞式内燃机发电相比，微型燃气轮机更小，转动部件更少，运行和维护成本更低．在发电上优势明显，污染排放也低于柴油机。有利于环境保护。随着微型燃气轮机技术的进一步发展。其优势将更加显著。当然，在相同条件下，微型燃气轮机若要与大型汽轮机在发电成本方面具有竞争力，必须采用更低成本的材料和更高效率的发电方法，并减少系统的组成部件。1

工作原理和结构微型燃气轮机是一种以燃料(燃气或燃油)和空气为介质的旋转式热力发动机。驱动发电机的燃气涡轮机由高温高压燃气推动做功，正常运行情况下。微型燃气轮机发电机组所采用的永磁发电机为高转速发电机，输出的交流电的频率很高。

微型燃气轮机系统内部，永磁发电机、燃气涡轮机、进气压缩机三个关键部件同轴连接，具有相同的转速。为了能够将吸入的空气压缩到所要求的压力范围，进气压缩机的正常工作要求整个转轴按额定转速旋转。由于这个条件在系统起动阶段无法自行满足，微型燃气轮机是不能自起动的。而进气压缩机的非正常工作状态会直接导致后续的燃料燃烧和膨胀做功也不正常。因此，整个微型燃气轮机发电系统的起动，先要使永磁发电机工作在电动机模式，等到进气压缩机以及后续的燃烧膨胀做功达到正常状态后再切换到发电机模式。

由于进入微型燃气轮机系统的燃料和空气都是精确可控的，当微型燃气轮机成功启动并达到稳定工作状态之后，其输出的电功率是稳定的，并网运行时不会对电网造成功率冲击。

微型燃气轮机起动完成以后，永磁发电机的转速可以维持恒定，因而输出电压的频率也是恒定不变的，只是机端电压的频率远远高于电网电压的工频，而这个可以通过变频装置进行处理。

因此，微型燃气轮机的输出特性良好，在各种分布式电源中对电网的影响较小。2

并网方式正常运行情况下，微型燃气轮机发电系统中永磁发电机输出的高频电能，必须经过电力电子装置实现频率变换才能送入工频电网。也就是说，并网运行的微型燃气轮机发电系统的永磁发电机与工频交流电网之间需要有用于实现频率变换的变流器(也叫变频器)。一般采用AC—DC—AC变换的方式。 在起动阶段，永磁发电机工作在电动机模式时，必须为该高速电机提供高频的交流电源。也就是说，在工频电网为微型燃气轮机发电系统中的高速电机供电(永磁发电机运行在电动机模式)时，也需要变频转换。

由于在永磁发电机和工频电网之间，电能可能从永磁发电机流向电网(正常运行时的发电模式)，也可能是从电网流向永磁发电机(起动阶段的电动机模式)，这就要求变频装置可以灵活控制，而且变流器中的电力电子开关器件必须是全控型的。

如果是离网运行的话，起动阶段还必须提供容量足够的储能装置。2

发展过程与现状功率为几百千瓦的燃气轮机在20世纪40～60年代就已经发展和应用了，但是称为小型燃气轮机，用于发电和驱动。机组的特点是每分钟数万转，用减速齿轮减速后驱动负载；压气机用离心式；透平多用轴流式，也有用向心式的；回热器多用回转式，也有用板式回热器；转子用滚动轴承支撑。美国国家航空与宇航管理局20世纪60年代在涡轮增压器的基础上发展了一种微型燃气轮机发电装置，随后在20世纪70年代开展了在航天飞机上作为辅机电站应用的微型燃气轮机的研究。微燃机发电技术在此以后得到了迅速的发展。但是长期以来这种燃气轮机并没有广泛应用，原因是小功率燃气轮机简单循环的效率比较低，无法与内燃机相比。而且，小功率燃气轮机转速高，通常需要采用齿轮减速器降速后与发电机相连，笨重的减速器和低速发电机把燃气轮机结构轻巧的特点给抵消了。虽然人们认识到可以采用回热循环来提高效率，但是常规回热器的体积与重量比燃气轮机本身还要大，而紧凑式的回热器制造成本很高，所以除个别燃气轮机有带回热器的衍生型外，回热循环的地面应用始终打不开局面。

高速永磁发电机的出现使发电机与压气机之间的连接不再需要减速机构，这使整个机组的重量大大减轻，尺寸大大减小，成本也降低很多。与此同时，采用空气轴承代替滚动轴承，由于空气轴承不需要润滑系统，导致机组零件大幅度地减少，制造成本也进一步降低。为了提高机组的热效率，普遍采用高效紧凑型回热器，其回热效率高达90%，这样可使微型燃气轮机发电机组循环效率达到30%左右。为了进一步提高循环效率，一个行之有效的办法是提高燃烧室出口温度，也就是提高透平入口温度，但是透平人口温度的提高受涡轮材料的限制，使其不能过高。但科学技术的进步已使微型燃气轮机的经济性、污染物排放、可靠性以及使用寿命等指标都大大提高，可以与大型火电机组相比较。目前的先进微型燃气轮机具有尺寸小、重量轻、燃料适应性强、低燃料消耗率、噪声低、振动小、污染排放低、维护费用低廉、不需用水冷却等一系列先进技术特征，可以广泛应用于小型分布式发电系统中。3

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学