微型燃气轮机技术及其发展前景

微型燃气轮机技术及其发展前景

陆星宇

(广州华浩能源环保集团股份有限公司)

摘要：随着分布式供能系统的应用与发展，微型燃气轮机制造水平也在不断提高。微型燃气轮机是一种新型环保的电力供应设备，具有安全可靠、能源转化率高、自动化程度高等多种优点，在分布式供能系统中应用，能显著提高对用户供电的可靠性，已成为最具有商业竞争力的分布式电源之一。

关键词：微型燃气轮机;发电机组；应用；发展

1引言

微型燃气轮机(Microturbine或Micro-turbines)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25～300kW。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、可遥控等一系列优点，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。

目前微型燃气轮机已经广泛应用在生物质能源领域、天然气能源领域以及野外孤网发电等多个领域，且技术体系正逐步完善，可靠性比较高，而且符合国家能源发展绿色环保的基本要求。微型燃气轮机通过余热烟气的回收利用，及其与热水空调等系统的结合，实现了冷热电三联供，大大提升了能源利用效率，甚至远远超过了一些结构更为复杂的大型能源设备。

2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、ANSIC84.1和其他规范，保证了与电网互联的安全性。

3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。下面以垃圾掩埋场和偏僻农村的应用进行分析：

(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。工作原理如下图所示：

农业沼气主要来自养殖场粪便、垃圾、污水等等都可以产生大量的沼气资源。但农村垃圾资源分散、规模小、稳定性较差，需要采取更加适应的利用方式，采用小型化、模块化的分布式能源系统是最为合适的技术。分布式能源的一个主要的技术方向就是小型模块化阵列技术，澳大利亚能源公司是一个利用煤层气和沼气发电的公司，在20世纪80-90年代先后购买了94台1000kW美国卡特彼勒公司生产的燃气内燃机组，布置在各个项目的现场，多则几十台，少则几台，根据每一个项目产气量的规模和周期性变化灵活配置，形成一个个坐落在气源现场的机动发电系统。这一成功的经营方式对能源技术的发展产生了深远影响，它对资源和设备的利用效率都更加理想，投资效益比传统方式明显提高。

美国卡伯斯通公司也将40～50台60kW的微型燃气轮机阵列布置在一个垃圾填埋厂，利用那里的沼气发电。我国的胜动集团利用这种方式，在一个焦化厂现场布置了40台500kW燃气内燃机组，这种布置方式可以根据资源变化的特征，随时增加或减少在现场的机组，灵活而机动，始终保持运行的机组处于最佳工况的运行状态。同时，模块化也使制造业变的更加简单优化，不仅提高了产品的供应量，也达到降低产品价格的目的。

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。

4面临的困难和努力的方向

实际运用中，提高燃气轮机热效率困难重重，燃气轮机受燃气轮机的压比，温比，压气机涡轮的效率以及热力循环的形式等，对燃气轮机的热效率影响很大。同时，燃气轮机压力保持系数也对燃气轮机效率产生影响。应采用先进冷却技术和耐高温材料来提高涡轮进口温度，采用先进的设计技术和加工技术来提高涡轮和压气机的气动性能，提高燃气机的效率。

近20年来，发达国家对燃气轮机技术的研究在逐步深入，一方面在技术上实行严格控制，保密，另一方面又不断投入大量人力、财力，竭力提升这一技术水平，20年代末日日本实行月光计划中的重要的一步是“高效燃气轮机的研究开发”，日本政府拨款260亿日元资助这一项目。美国国防部和能源部一直在实施提高综合性能涡轮发动机组计划（THPTET）,为期15年，总投资45亿美元，美国能源部从1991年开始为期10年的先进透平系统（ATS）计划，总投资7亿美元。其目标是使大型燃气--蒸汽联合循环装置效率提高达到60%以上。在此期间GE公司成功推出了S109H联合循环发电机组，热效率达到60%；目前美国又在实施21世纪前景发展计划“Vision”它以发展能源的综合利用技术为主，进一步提高效率，包括开发适应多元化燃料的整体煤气化燃气--蒸汽联合循环技术。

未来进一步提高地面燃气轮机效率的措施仍然是进一步发展新型高效联合循环；采用蒸汽冷却等先进技术的冷却技术，开发耐高温材料，提高温比，开展燃气机通流部分设计的研究，发展精密加工技术，提高压气机涡轮的效率。

近十几年燃气轮机技术的迅速发展从一个侧面表明了现代世界能源利用的一个趋势，大力发展高效、清洁能源利用方式，我国在这方面也应加大科研投入，发展独立自主的燃气轮机技术。

5结语

微型燃气轮发电机组是适应世界环保要求和市场新环境而开发的新型发电机组。发展微型燃气轮机技术来利用废弃可燃性气体，同时解决资源和环境问题，充分利用各种天然气、沼气或有害气体作为燃气，变废为宝、运行安全方便，成本效益高，排放污染低，并适宜热、电联产等优点，市场前景十分广阔。我国的燃气资源十分丰富，相对于我国丰富的燃气资源储量，燃气资源在我国一次能源消费中所占比例显得太小，未来具有大幅度提高的潜力。

参考文献:

[1]牛亚楠.微型燃气轮机领域专利技术综述[J].科技创新与应用.2017(11)

[2]翁一武,闻雪友,翁史烈.燃气轮机技术及发展[J].自然杂志.2017(01)

[3]付忠广,王霄楠,卢可,张辉.燃气预热温度对燃气-蒸汽联合循环性能影响[J].热力发电.2016(10)

[4]张倩倩,薄泽民,桑振坤,翁一武.以生物质气为燃料的微型燃气轮机运行特性分析[J].热能动力工程.2016(03)

[5]张丹,周大汉.微型燃气轮机发电机组发展及国产化[J].上海节能.2013(04)

[6]燃用低热值煤气的联合循环仿真及热经济分析[J].张丹,乔瑜,曾涛,徐明厚.工程热物理学报.2012(02)