【涨知识】关于微燃机 你想了解的都在这里

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燃气轮机简介

什么是燃气轮机

在介绍微型燃气轮机之前，我们首先来简单介绍一下燃气轮机。现代燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的叶轮式机械。

燃气轮机核心部件包括压气机、燃烧室和涡轮

◆ 外界空气被吸入压气机，经过压气机压缩使之升温、增压；

◆ 压缩空气被压送到燃烧室，在此与燃料混合后燃烧，生成高温高压燃气；

◆ 燃气随后进入涡轮中膨胀做功，推动涡轮转动；

◆ 涡轮反过来带动压气机和外部负荷，实现燃料的化学能转化为机械功或电能。

现代燃气轮机结构图

燃气轮机分类及用途

燃气轮机分类方式五花八门，这次我们按照功率等级对它们进行分类。根据燃气轮机覆盖的功率范围，可分为重型、中型、小型和微型燃气轮机。

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重型燃气轮机装机容量一般大于100MW，是迄今为止效率最高的热-功转换类发电设备，是发电和驱动领域的核心设备，也是中型常规航空母舰上运用的主动力[1]。

中型燃气轮机装机容量为20-100MW，小型燃气轮机装机容量为1-20MW，中小型燃气轮机可应用于船舶动力，发电，石油开采等多种目的[2]。

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微型燃气轮机装机容量一般小于1MW。微型燃气轮机发电是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备，具有掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮、成为21世纪能源技术主流的趋势[3]。

除了分布式发电外，微型燃气轮机还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，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）、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。

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微燃机小科普

前文说到微型燃气轮机的装机容量一般小于1MW。实际上这1MW的功率等级里也有许多门道。目前商业化应用的微型燃气轮机主要功率范围为25-300kW。在某些应用中，微型燃气轮机功率才会突破到1MW。

微型燃气轮机的结构，在发展过程中也发生了许多变化。

发展初期的微型燃气轮机的支撑系统多为滚珠轴承和滚柱轴承，这些轴承寿命较长，耐高温性较好，但整个机组需要润滑系统。

现微型燃气轮机支撑系统已逐渐转变为空气轴承。由于空气轴承不需要任何润滑，从而节约了维修成本，避免了由于润滑不当而产生的过热问题，提高了系统可靠性。

发电机也有了 低速同步电机和 高速永磁电机两种选择，两者各有优缺点。 前者转速低，对转子的动力性要求不是很高，不需要频率转换器，成本比较低，冷却问题不突出。但是，需要配备减速箱，整个机组起动相对困难，且尺寸、重量较大。后者的优点是体积小，没有减速箱产生的阻力损失，同时也简化了机组的起动过程。但是存在高频交流电流-直流电流-交流电流的转换过程，增加了转换器和逆变器损失。同时电机需要良好的冷却，电机成本也相对高[4]。

启发一体高速电机

径向、推力空气轴承

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微燃机发展历程

看到这里，想必大家对微型燃气轮机已经有了一个初步概念。接下来让我们来看看微型燃气轮机是如何一步步发展过来的。

微型燃气轮机的应用起源于20世纪40-60年代。该时期开始出现功率为几百千瓦的燃气轮机，并主要用于航空动力辅助系统（APU）和大型载货汽车柴油机的涡轮增压器。

到了20世纪60年代，美国国家航空与宇航管理局（NASA）在涡轮增压器的基础上，成功研制了一种带减速齿轮箱结构的微型燃气轮机发电装置，并于70年代开展了微型燃气轮机在航天飞机上作为辅助动力装置的研究[5]。

此时微型燃气轮机发电技术虽然得到了迅速的发展，但是由于小功率燃气轮机转速高，通常需要通过减速齿轮箱与发电机相连，导致整个机组结构笨重。而采用回热循环虽然能够提高微型燃气轮机效率，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，使得回热循环的地面应用始终打不开局面[6]。

到了20世纪90年代，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。同时期出现了应用启发一体高速电机的燃气轮机，并且部分机组开始采用不需要润滑系统的空气轴承，使得微型燃气轮机的结构更为紧凑，几乎不用维护[7]。

1998 年美国能源部（DOE）主持召开了微型燃气轮机峰会（micro-turbinetechnology summit），专门讨论有关微型燃气轮机技术研发及与政策和市场相关的问题。同年12月，美国Capstone 公司推出了第一台商业化的微型燃气轮机装置。此后，在美英为代表的西方国家支持下，多家国外企业开始积极开发制造相应的设备，不同型号的微型燃气轮机陆续进入市场[8]。

微型燃气轮机发展历程简图

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国内外发展现状

国外微型燃气轮机起步较早，现已积累了丰富的研发和设计经验，微型燃气轮机产品技术相对成熟。目前微型燃气轮机行业的领跑者有Capstone公司、FlexEnergy公司、AnsaldoEnergia公司等。

我国燃气轮机技术研发由于历史原因落后很多。截止目前，以东安发动机公司和新奥动力公司为代表的国内机构、企业已经对微型燃气轮机进行了大量的研究工作，正努力缩小与国外微型燃气轮机产品的技术差距。

中国航发哈尔滨东安发动机（集团）有限公司，是我国航空发动机、直升机传动系统的研制基地。该公司的燃气轮机主要为小型固定式及移动式应急燃机发电机组。

新奥能源动力科技(上海)有限公司专注于微、小型燃气轮机的研制的企业，致力于填补国内微、小型燃气轮机产业化的空白。新奥动力现已成功研制出具有完全自主知识产权的100kW和300kW等级燃气轮机（E100/E300系列），产品性能处于国内领先水平，核心机零部件实现100%国产化，与国外同类产品相比具有更高性价比，是国内唯一可商业化运行的微燃机产品。

新奥动力公司E100/E300系列微型燃气轮机

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微燃机的优点

美国ASME副主席Langston在1999年度燃气轮机工业回顾中指出: 微型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机（PC）在计算机工业中的地位, 由此可见其重要性[9]。那么微型燃气轮机究竟有什么魔力，能够在电力工业中扮演如此重要的角色？这就不得不说一下微型燃气轮机的优点了。

—— ——微型燃气轮机与常规内燃机发电装置相比，具有如下优点—— ——

●燃料适应性强，环境友好。可使用多种燃料：如气体燃料和液体燃料；NOX和CO排放低。

●可靠性高、寿命长。微型燃气轮机多采用独特的空气轴承技术，系统内部不需要任何润滑，几乎免维护。

●效率高，余热品质好。微型燃气轮机发电效率可达30%；，烟气温度高、流量大，用于热电联产和冷热电联供的综合能源利用率超过80%。

●运行灵活。微型燃气轮机可并网在电网上运行，也可独立运行，并且能够实现两种模式间自由切换。

●系统配置自由度高。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，对系统中某台燃机检修不影响整个系统的运行。

● 安全可靠。微型燃气轮机是同类型产品中，唯一一种符合美国保险商实验所（Underwriters' Laboratories，UL）UL2000严格标准的产品。同时，它还符合IEEE519、NFPA 规范、ANSI C84.1 等其他规范，保证了与电网互联的安全性。

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微燃机的用途

到这里，想必大家对微型燃气轮机已经有了一个初步概念。接下来让我们来看看微型燃气轮机的用途。微型燃气轮机有上述这么多的优点，现已发展为一种能实现清洁、安全和高效能源综合利用的最佳途径，正逐渐进入工农业生产及人们的工作、学习和日常生活中，具有良好的市场应用前景。接下来，我们通过目前占据全球微型燃气轮机市场份额最大的Capstone公司为例，来看一下微型燃气轮机的应用。

Capstone公司微型燃气轮机在各领域应用的比例如图所示。从图中可以看出，应用最广的是在建筑节能领域和自然资源开采领域，两者的份额相加占到了总装机容量的85%。

Capstone公司微型燃气轮机在各领域应用的比例

上面提到的Capstone公司微型燃气轮机均采用回热循环。而除了图中的应用，微型燃气轮机还可用于工业&园区分布式供能，不同之处在于，此时功能系统核心为简单循环微型燃气轮机。简单循环微型燃气轮机在自身做功发电的同时，将产生的高温烟气通过余热利用设备产生蒸汽或热水供用户使用、或直接利用高温烟气供用户烘干需求。这可以为用户提供大量的电、热等不同品质的能源，有效避免单纯供热或发电造成的热损失，大大提高能源的利用效率。并且由于靠近用户，能实现产能用能相匹配，减少传输损失，在减少客户的用能成本的同时还可以降低污染物排放。对于电容量不足的工业用户，还可以扩充电网容量，具有较好的社会、经济、环境效益。

结语

相比于风力发电、太阳能发电等受限于地理位置和天然条件的能源利用方式，微型燃气轮机可在居民居住区安装运行，是目前唯一已商业化运行的分散式发电装置，能够极大提高用户供电的可靠性。因此可以预见，现今蓬勃发展的国内电力市场即是微型燃气轮机迅速崛起的契机。

参考文献

[1] 蒋洪德,任静,李雪英,谭勤学.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].中国电机工程学报,2014,34(29):5096-5102.

[2] 马强,王文祥,王建丰,等.中小型燃气轮机应用发展概述[J].石化技术, 2016, 23(5):135-137.

[3] 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):3-8.

[4] 杨策,刘宏伟,李晓,买靖东.微型燃气轮机技术[J].热能动力工程,2003(01):1-4+104.

[5] HamiltonM L,Burriss W L.Preliminary design of an auxiliary,power unit for the spaceshuttle.Volume 1:Summary[J].Hydrogen,1972.

[6] 艾芊,郑志宇.分布式发电与智能电网,上海交通大学出版社,2013.01:85.

[7] 刁正纲.微型燃气轮机走向商业化[J].燃气轮机技术,2000(04):13-16+25

[8] 丰镇平. 先进微型燃气轮机技术进展及其在我国的研发应用前景[C]. 中国科学技术协会.西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集.中国科学技术协会:中国土木工程学会,2000:878.

来源：新奥动力