微型燃气轮机的应用和发展前景

江阴职业技术学院毕业论文

微型燃气轮机的应用和发展前景

摘要

微型燃气轮机是一类新型热机，近年来随着全球范围内的能源与动力需求,特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，得到了高度关注和迅速发展。先进的微型燃气轮机具有清洁、可靠、高质量、多用途等特点，为小型分布式发电和热电联供提供了最佳方式。另外高效的微型燃气轮发电机组可用于航空、航天等领域，还可用于军用车辆、辅助动力装置、车用混合动力装置等。本文通过介绍国外微型燃气轮机的发展过程及应用情况，综述了先进微型燃气轮机的技术进展，探讨了微型燃气轮机在我国的应用前景。

关键词：微型燃气轮机分布式发电热电联供径流式叶轮机械混合动力汽车

Micro gas turbine applications and development prospects

Abstract

Micro gas turbine is a new type of heat engine, in recent years, with the global energy and power demand, especially the power system deregulation and environmental protection requirements change, and highly. Advanced micro gas turbine has a clean, reliable, high quality, multiple use and other characteristics, for small distributed power generation and cogeneration to provide the best way. In addition to efficient micro turbine generator can be used for aviation, aerospace and other fields, can also be used for military vehicle, auxiliary power unit, vehicle with hybrid power device. This paper introduces the development process of micro gas turbine and its application, summarizes the advanced micro gas turbine technology, discusses the micro gas turbine and its future application in china.

Key Words:Micro gas turbine Distributed power generation Cogeneration Radial flow impeller machinery Hybrid electric vehicle

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引言

微型燃气轮机（Microturbine或Micro一turbines）是一类新近发展起来的小型热力发动机，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。在早期由于微型燃气轮机的发电效率低，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。另外由于近年来随着全球范围内的能源与动力需求,特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别是在美、欧等国发展迅猛，大有与大中型燃气轮机共占市场的势头。

微型燃气轮机由于体积小、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，另外先进得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。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。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。

第一章微型燃气轮机的发展概况

1.1 微型燃气轮机的发展

功率为数百KW及其以下的燃气轮机在40～60年代就已发展和应用了。到90年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮机发电机组。发出的高频率电流经变频为50/60Hz后去应用，这样不仅大大简化了结构，且使整台电机组的尺寸显著减少，重量减轻。这是新的设计概念，将燃气轮机与发电机组设计成一整体，优点显著，故一出现后即获得强大的生命力，现已有多家公司在研制和生产这种燃气轮机。1995年在美国动力年会上，Allied Signal、Capstone与Elliott公司展示了25～75 kW微型燃气轮机样机。其后发展迅速，每年（包括其它公司，如NREC等）均有样机推出。作为

一种新型的小型分布式能源系统和电源装置，在当时被称为小型或者小功率燃气轮机，主要用于发电和驱动。机组的特点是每分钟数万转得燃气轮机经减速齿轮减速后去驱动负载，压气机用离心式，透平多用轴流式，部分用向心式，用回热时较多用回转式回转器，部分用板式回热器，转子用滚动轴承支承。后来在提高效率、试验高温陶瓷材料等方面进行努力，其中着力最多的是汽车用燃气轮机，目标是使其能在汽车中获得实用。

在1998年12月美国能源部（DOE）主持召开了微型燃气轮机技术高峰会（Microturbine Technology Summit），专门讨论有关微型燃气轮机技术研发以及与政策和市场相关的问题，为制订微型燃气轮机研发计划提供思路和建议。会议明确指出：微型燃气轮机市场很大，工业应用竞争激烈，其中未来电力市场结构将是影响微型燃气轮机发展因素之一；微型燃气轮机的廉价高效，性能可靠对其发展十分重要，同时，燃料处理。燃气压缩，回热系统以及电力电子技术对提高微型燃气轮机的可靠性及降低造价也很重要，并且，廉价耐用可靠的高温材料将是微型燃气轮机在热效率和环保方面取得进展的关键；微型燃气轮机分布式发电的联网是其特殊技术的问题。

现在新型的微型燃气轮机为全径流式，即用离心压气机和向心透平，在转子上两者叶轮为背靠背结构，所用回热器一般为高效板式。一些机组还采用空气轴承，这样就不需要润滑油系统，结构更趋于简化。目前微型燃气轮机发电机组的发电率已达到30%，工作寿命长，运行的维修费用大大低于现广泛应用的柴油发电机组。现在微型发电机组已经广泛用于分布式供电，热电联供和试用于车辆混合动力等。

2.2 微型燃气轮机的市场评估

在1999年度和2000年度燃气轮机工业综述回顾中，美国ASME副主席Lee S. Langston 专门对微型燃气轮机的发展进行评述和预测。Langston预计，随着电力系统放松控制的深入和加速，微型燃气轮机的潜在市场将达到每年80～100亿美元。为了对照，给出关于全球燃气轮机市场的一组数据：1997年为240亿美元；1998年为280亿美元，比1997年增长17%；1999年达350亿美元，比1998年增长21%。由此可见，微型燃气轮机的发展潜力和市场份额都很大，有专家曾指出：微型燃气轮机在未来电力工业中的地位犹如微机（PC）在曾以大型机为主的计算机工业中的地位。尽管这种比喻不很妥当，但确确实实深刻反映出了微型燃气轮机在未来电力工业中的重要作用和地位。

1999年微型燃气轮机市场有很大发展，数家公司开始进行商业生产和销售。Capstone 的一台客户机组运行已达6000小时的记录。其它公司宣布在2000年开始生产微型燃气轮机。先期产品功率范围在25～100 kW，近期热电联产机组发展具有代表性，系统总效率可