微型燃氣輪機發電技術研究

靳普

摘 ?要：隨著我國經濟水平的提高，對能源的需求也日益增加，從環境保護的角度來看，微型燃氣輪機的應用受到社會各界的廣泛重視。該文介紹了微型燃氣輪機發電機組的基本結構、性能指標和技術進展，對比分析了微型燃氣輪機發電機組技術特點，提出了相應的發展建議。對于微型燃氣輪機的研究開發工作，希望通過該技術的發展和應用，開展探索，起到積極的參考作用。

關鍵詞：微型燃氣輪機 ?發電技術開發 ?應用 ?研究分析

中圖分類號：TK47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（c）-0065-04

Research on Micro Gas Turbine Power Generation Technology

JIN Pu

（TxEGT Automotive Powertrain Technology Co.， Ltd.， Beijing， 100176 ?China）

Abstract： With the improvement of China's economic level and the increasing demand for energy， the application of micro gas turbine has attracted wide attention from all walks of life from the perspective of environmental protection. It introduces the basic structure， performance index and technical progress of micro gas turbine generator set， analyzes the technical characteristics of micro gas turbine generator set， and puts forward the corresponding development suggestions. For the research and development of micro gas turbine， we hope to play a positive reference role through the development and application of this technology.

Key Words： Micro gas turbine; Development of power generation technology; Application; Research and analysis

微型燃氣輪機在我國現代電力企業內部生產經營中的技術應用非常廣泛，經濟社會發展過程中的電力需要能源合理化的輸送和有效分配，在現代國防軍事領域也是非常重要的一種應用電力設備，總之，在當前和未來的整個社會經濟運行中，微型燃氣輪機都可以起著一個不可替代的重要主導作用。與國際微型燃氣輪機水平相比，我國還有一定的差距，甚至沒有形成嚴格意義上的微型燃氣輪機產業，缺乏自主開發和制造能力。因此，要進一步推動我國微燃氣輪機技術的發展，相關人士應結合實際情況，從根本內容入手，盡可能完善技術的應用。為提高能源利用綜合效果，很多微型燃氣輪機進入聯產模式，即對周邊的學校、辦公樓、醫院、居民樓、企業等進行集中供電，將微型燃氣輪機的發電產能進行集中。為推動微型燃氣輪機的聯產模式運行，需要提供1～5 kW的微型燃氣輪機，以滿足市場需求。

1 ?微型燃氣輪機概念及特點

微型燃氣輪機是小型熱機技術，獨立機器的功率保持在300 kW范圍內，基本特點是利用流出式葉輪機器。在技術研究中，微型燃氣輪機可以采用高級發電方法，即燃料電池和聯合發電工作，這種聯合裝置的效率可以達到65%以上，而且產生的污染較低，因此，這些技術廣泛應用于混合汽車制造。據新聞報道，30 kW微型燃氣輪機燃燒天然氣時，排放量僅為重型設備最低排放量的80%。

氣體流動壓縮是以一種氣體為流動介質，氣體通過燃氣輪機壓縮機向它的燃燒室和進入燃料室的噴嘴內部噴射的兩種氣體直接混合在一起，形成一種高溫和低熱高壓的混合氣體。通過一個燃氣輪機驅動噴嘴和一個動葉燃氣輪機膨脹器來推進風力燃氣輪機的轉子，將風力壓縮機和風力發電機燃氣輪機轉子一起進行高速旋轉，將作為氣體燃料的大量化學機械能轉換成熱的機械能加工，輸出大量的電力。工作后，微型燃氣輪機排氣可以引進余熱鍋爐，余熱鍋爐產生的蒸汽可以帶動蒸汽和發電機供暖，實現能源的效率和綜合利用[1]。

微型燃氣輪機發電機可用作常規或應急備用裝置，與柴油機發電機相比，其主要技術特點有以下幾點：（1）壽命特長。達到45 000 h，同功率等級的柴油機只有4 000 h，低于燃氣輪機的性能。（2）移動性好。一臺30 kW微型燃氣輪機發電機一臺重量不到3 kW的柴油發電機。（3）可靠性。只有一個活動部件，故障率最低，內置保護和診斷監控系統，提供主動故障診斷手段，簡化在線維護。在使用空氣軸承和空氣冷卻時，無需更換機油和冷卻介質。發電機組的第一次維修時間是8000 h以后，維修成本低。（4）噪音小，排氣溫度低，紅外輻射少。（5）具有完全集成功能，可運營2～10個組配置系統。（6）燃料可變性。可以使用多種燃料（液體、天然氣、生物燃料、煤油、柴油等），含硫率達7%的酸性氣體。（7）遠程控制和通信。通過顯示板或Modern連接執行控制操作時，系統充當通信和控制角色。（8）保護。具有多種自動超限保護和停機保護功能。因此，微型燃氣體輪機特別適用于移動電源、城市電站和汽車動力。（9）超低排放。排放量比柴油機低得多，有利于環境保護。

微型布式能源系統受負荷率約束及負荷第一次和第二次的影響，測試人員在進行負荷輸出限制測試和分析時，通過實際調查可以發現，由于系統不工作的方式，費用非常低。因此，系統也可以選擇運營，減少成本浪費[2]。

2 ?微型燃氣輪機技術的發展與分析

目前，解決能源危機和能源環境污染問題、開發清潔高效的現代能源管理系統，已經成為人類社會的普遍共識。微型燃氣輪機的各種動力裝置、發電設備在實際表現能突出比較優異的使用性能的同時，也同樣具有較強的市場發展潛力，因此提高微型氣燃氣輪機的技術先進性已成為各國發展微型燃氣輪機的最重要目標。

2.1 高溫燃氣輪機技術

微型燃氣輪機的工作效率主要由燃氣的高溫決定。相關計算數據顯示，如果燃氣初溫提高100 ℃，燃燒室的工作效率可能會提高3%左右，因此提高燃氣初溫是今后微型燃氣輪機發展的核心內容。具體研究首先要掌握高溫材料技術，將定向結晶和單晶高溫合金材料應用于微型燃氣輪機。尤其是C/C類型材料具有很強的市場發展潛力，總量僅為傳統高溫金屬合金的1/4。分析使用蒸汽機和冷卻器的技術，與空氣冷卻機的方法系統相比，蒸汽空氣冷卻方法可以大大減少柴油壓縮機機作業的廢氣消耗排放問題，提高柴油燃氣輪機輪機進口時的溫度，有效減少污染氣體排放。熱涂層技術的應用目的是提高燃氣輪機進口的溫度，在葉片表面進行熱涂層時，可以選擇等離子噴涂和電子束物理蒸汽沉積技術。

2.2 環境保護燃燒

在微型燃氣輪機的發展中，加強自身的環境性也是未來發展的關鍵。等級石油燃燒室燃料技術、直噴等級燃燒室燃料技術、富油等級燃燒、貧油等級燃燒室燃料技術等新型下一代高效低污染石油燃燒燃料技術的重要發展研究方向。為了解決高效率和低排放之間的工作矛盾，超低燃燒室技術開發使用貧油燃燒燃料空氣混合與可變形狀燃燒技術相結合。當然，在實際調查中發現，在開發綠色燃燒技術的過程中，對于低排放和高效率之間存在的矛盾問題，目前還沒有非常好的解決方案，但根據這些技術的特點，相關工作人員也取得了比較好的突破[3]。

2.3 燃氣-蒸汽聯合循環

燃氣-蒸汽聯合循環技術可以在電力生產中發揮更好的性能。在具體的發展過程中，主要有以下幾個方面：（1）煤氣化聯合循環技術的集成。開發和研究集成技術，提高獨立機器的循環功率。（2）與多燃料技術開發化學工程開發共同開發技術內容，建立IGCU動力中心，將熱能、電力等與化工過程相結合，降低污染排放問題。（3）以煤炭富氧氣體為主要氣化抑制劑，對煤炭排出的富氧氣體可以進行氣化再循環，在我國煤炭工業氣化生產過程中可以去除富氧硫化物，從而在理論技術層面可以實現大氣污染物的整體零排放。

2.4 燃料電池-微型燃氣燃氣輪機循環

燃料離子電池主要功能是將原子燃料的主要化學離子能量被轉化成作為離子電能。與國內現有火力發電配套技術設備相比，發電率明顯提高，化學能和電力的轉換效率可以維持在60%以上，在高溫和加壓環境下保持良好的工作效果，因此，燃料電池-微型燃氣燃氣輪機聯合循環技術是可以突破的技術內容。目前，實驗中將正在研究的離子燃料和鋰電池劃分類型包括液體堿性離子燃料和鋰電池、固體和氫氧化物離子燃料和鋰電池、熔融后的碳酸鹽離子燃料和鋰電池，由于電池的電解質存在一些差異，所以電池的性能就存在差異。

3 ?微型燃氣輪機的應用

在應用中，微型燃氣輪機主要在電力工業中起作用。首先，在煤炭資源豐富的部分地區，安裝微型燃氣輪機可以獲得更明顯的應用優勢，石油、天然氣等能源也可以為微型燃氣輪機提供更多的運營能源。對于各地區的供電任務，微型燃氣輪機裝置可以與發電機組一起負擔，從而改善部分地區發電機組的環境不利，同時進一步提高發電供應的效率。其次，在煤氣、松油等工程中，微型燃氣輪機可以起到加壓設備的作用。我國西部地區擁有豐富的自然資源，可以利用風能、太陽能、常規化石燃料構建更高效的能源動力系統。

4 ?微型燃氣輪機的分析

4.1 獨立性能增強

由于目前高溫導熱材料和氣體冷卻系統技術的應用持續快速發展，相應的溫度持續上升，單機進口效率大幅提高，初始燃氣溫度提高為600 ℃～700 ℃，現已將溫度提高到1 100 ℃級、1 288 ℃級、1 430 ℃級，甚至1 700 ℃級。因此，簡單的熱循環的鍋爐熱效率從最初的10%以下逐漸增加到現在的36%～40%，甚至50%以上。

4.2 熱循環開發

開發了多種燃氣-蒸汽輪機聯合燃氣循環加熱技術及配套動力裝置，部分動力裝置的燃氣熱效率已初步達到50%～60%。開發了用于煤油氣燃燒機和發動機的各種聯合節能循環利用技術，如新的igcc和新的pfbc-cc循環技術，目前采用pf-bc-cc技術系統的循環效率已經接近45%，igcc的系統效率可以達到40%～45%。

由于燃氣輪機具有諸多工作優勢，因此燃氣輪機在市場的應用領域非常廣，如交通、化工、航空、船舶、輸送等[4]。比如：西氣東輸管網建設時，由于地區跨度非常大，為保證天然氣輸送安全，需在不同地段設置增壓站，利用燃氣輪機增加天然氣輸送壓力，確保整體工程運行可靠性。通過對西氣東輸中的燃氣輪機分析可知，該工程中的燃氣輪機功率級別與壓力都為我國燃氣輪機的最高等級，體現出我國燃氣輪機生產加工的綜合實力。目前世界重型燃氣輪機的市場已經逐步形成商業壟斷局面，組成微型燃氣輪機商業聯盟，對相關研發與加工技術進行封鎖，以保證市場的經濟利益。

隨著微型燃氣輪機分布式能源系統的預測時間增加，求解計算時間也會受到很大的影響。因此，工作人員在實際操作過程中應當選取合理的預測時間長度，以此促進企業經濟收益達到最大化。

在未來的微型燃氣輪機研發應用中，可以先由公司員工自主組織聯合相關企業科技研發力量，持續研究開發一款具有國家自主研發知識產權的微型燃氣輪機，利用新的研發設計工藝方法不斷改善對微型燃氣輪機的設計結構、材料、工藝，降低對微型燃氣輪機的研發生產成本，縮短產品研發生產周期，確保更安全的技術內容，為后續生產工作奠定基礎。其次，在今后的應用過程中，清潔能源的發展將變得越來越重要，可以利用微型燃氣輪機技術和煤炭技術相結合，建設微型燃氣輪機循環電站，降低傳統發展帶來的污染性[5]。

應當與國內外企業緊密合作開發生產成熟的試驗儀器，提高其在我國的微型燃氣輪機設計制造研發能力。在國際合作中，要注意不斷擴大中外合作企業生產的各種機型和相關零部件產品種類，逐步深化學習吸收外國的先進生產技術、制造和經營管理合作經驗。我國未來的新型電力設備生產將逐漸逐步走向采用蒸汽燃燒甚至以煤燃燒電力為主，為了更好地滿足未來的電力需求，需要這種新型國際性的合作。我國積極開展微型燃氣輪機的理論研究和技術開發，已經基本具備了較好的開發工作理論基礎和技術條件。微型燃氣輪機體積小，零部件少，材料資源消耗少，試驗臺前期建設等使研究項目開發成本相對低，研究項目開發周期短，研究項目開發組織和規模相對小，人員相對比較集中，便于組織集中攻防戰。因此，建議積極組織科研力量、積極攻克和加快發展微型燃氣輪機相關技術，解決微型燃氣輪機產業發展的關鍵核心技術[6]。

5 ?結語

總之，在未來的發展過程中，作為更加節能高效的技術內容，在我國的動力、電力等領域發揮著更加重要的作用。由于微型燃氣輪機與柴油機相比具有優勢，以微型燃氣輪機為動力的25～200 kw移動電站和固定電站正在以高增長速度增長。預計國內多個領域將配備微型燃氣輪機發電。建議相關科學研究所和生產企業積極開展微型燃氣輪機技術合作和共同攻關，盡快推進國內微型燃氣輪機發展技術的發展。

微型燃氣輪機需求不斷提高的當前，員工應結合技術的實際發展情況，切實提高科研質量。未來微燃氣輪機市場需求很大，主要是功率高的燃氣輪機，滿足城市能源供應、電力儲備等。鋪設燃氣管道時，為了保證工程建設的質量和安全，需要微型燃氣輪機提供動力來源。微型燃氣輪機發電作為一種新型節能、高效、低污染的風力發動機，在現代動力工程中也將得到越來越廣泛的應用，燃氣發電聯合風力循環發電將被廣泛應用，是提供可靠、高質量、環保等新能源發展的最佳解決方案。

參考文獻

[1] 顧士國.微型燃氣輪機技術發展及應用[J].山東工業技術，2017（16）：263.

[2] 伍賽特.微型燃氣輪機技術特點研究及其應用于分布式發電領域的前景展望[J].通信電源技術，2019，36（6）：45-48.

[3] 郎振，郭云瑞，吳黎明.微型燃氣輪機能源系統分析與優化研究[J].建筑工程技術與設計，2018（8）：1-4.

[4] 范煒東.微型燃氣輪機發電系統用變流器研究[J].科技創新導報，2019（7）：175.

[5] 張程莉.微型燃氣輪機發電系統啟發一體的控制策略研究[D].華北電力大學，2019.

[6] 王圣朝.微型燃氣輪機發電系統電能轉換技術研究[D].南京體育學院學報，2019.