现阶段我国微型燃气轮机发展与应用推广

发布来源：发布时间：2018/04/27点击量：4710

现阶段我国微型燃气轮机发展与应用推广

谢哲

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200000）

摘要：21世纪，一种先进新型的动力装置——微型燃气轮机，将对人们的工作、生活和学习产生重大影响。这一先进技术可以说是能源领域的创新技术，将会掀起一股技术革新浪潮。实践表明，在应用过程中，微型燃气轮机具有质量轻、安全、清洁、燃料种类多、噪声低、使用寿命长、可分布式、成本低廉、不需要润滑系统、适用于空气轴承等特点，特别是在军事装备、航天等领域，其所起的作用十分重要。在简述微型燃气轮机发展和应用的基础上，诠释了它的技术特征、运行特点及重要性、实用性、广泛性和安全性。

关键词：微型燃气轮机；技术特征；运行特点；应用推广

中图分类号：TK47 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.08.160

微型燃气轮机在西方发达国家已经被研发了很多年，技术比较先进。我国虽起步晚，但在20世纪末，也有一定的研究和发展。微型燃气轮机与大中型燃气轮机相比，优势越来越明显。

由于微型燃气轮机具有质量轻、体积小、安全可靠、燃料范围广泛、可远程控制和诊断等特点，再加上维护成本低的优势，可在城市中心、郊区、农村乃至偏远山区，都可以随着环境条件变化，轻松、方便地安装使用，还可以广泛应用于并网发电、高峰负荷生产、备用发电、热电联产等。

目前，根据我国能源状况，必须大力推广和应用微型燃气轮机，它的研发甚至关系国防安全，世界上各军事大国都在积极研发。本文阐述了微型燃气轮机的发展和应用，并对国内外微型燃气轮机的发展前景进行了探讨。

1 微型燃气轮机技术特征

1.1 微型燃气轮机技术特征

微型燃气轮机的技术特征表现为：通常采用离心式压缩机和向心式透平模式及背靠背转子构造，安装有先进、高效的板翅式回热器，有的还采用空气轴承，单机功率在25～300 kW之间，是目前世界上最先进的一种动力装置，具有较好的社会效益和经济效益。其关键技术如下：①空气轴承。微型燃气轮机由空气支撑唯一旋转轴，既能节省维护成本，又能防止机械系统过热，提高了系统的可靠性。②燃烧专利技术。无需控制燃烧后的污染。③数字电源控制器。微型燃气轮机将电子动力技术与先进的数字控制相结合，数字能量控制监控，可管控多达200个变量。在完成发电功率调节的基础上，实现了不同距离的调试与调度，并可控制多台燃气轮机，还可均衡各阶段的功率，快速切换电网运行方式和独立模式。

1.2 微型燃气轮机运行特点

实践证明，微型燃气轮机在运行过程中具有以下特点：①质量轻，使用方便。②操作灵活，不仅可以独立运行，还可以与电网并联运行，且2种方式之间可以自动切换。③运行十分安全。④清洁，排放少。⑤振动小，噪声低，低于65分贝（10 m）。⑥燃料种类多，消耗少、成本低。微型燃气轮机系统的运行成本低于500 USD/kW，适用于沼气、天然气、石油、汽油、丙烷、煤层气、煤油、酒精等各种气体和液体燃料。⑦运行时间长。微型燃气轮机系统可连续运行400 h，整体调整间隔时间为11 000 h，设计寿命45 000 h。⑧可分布式。⑨不需要润滑。⑩可使用空气轴。⑪可以集成扩大容量，灵活配置微型燃气轮机。⑫维护成本很低，可以在远处进行控制和诊断。因为没有润滑系统，且应用独特的空气轴承技术，微型燃气轮机维修成本极低，只需要更换空气过滤网就行。⑬燃料转换效率高。

综上特点，微型燃气轮机在动力领域已引起世界各国的高度重视，各国现在都在积极研发、生产更先进的模型。

2 微型燃气轮机的发展历程

现代微型燃气轮机于20世纪60年代开始研发，发展历史较短。目前，世界各发达国家都在开发和使用这种新型低能耗热技术。

2.1 西方国家微型燃气轮机的研发情况

在20世纪60年代，美国航空和宇航员管理局研发了一种基于传统燃气轮机的新型气体驱动燃气轮机动力设备，即燃气轮机；70年代，NASA又研究了微型燃气轮机在航天器上的应用。1995年，Joint signal、Capstone和Elliott American Dynamics公司在美国一年一度动力学年会上，展示了新型微型燃气轮机的原型机（25～70 kW），之后该公司每年都会

推出改进后的原型机。

1998-12，DOE主办了微型燃气轮机技术峰会，会议明确指出：在热效率和环保方面，如何将微型燃气轮机用于廉价、可靠的高温材料，是微型燃气轮发动机的关键技术，其本身的特点对今后的发展非常重要。

2000-05，在第四十五届燃气轮机和空气动力学国际会议上，美国和其他国家的几家燃气轮机公司，讨论了在开发小型燃气轮机方面的经验及其结果，参加会议的许多公司宣布，他们将从2000年开始，开发功率范围为25～100 kW的微型燃气轮发动机。2001-02，凯普斯通宣布其微型燃气轮机用于Hibrid车辆并获得CARB颁发的首个国际认证。

近年来，许多美国公司正在积极开发更加先进的微型燃气轮机，其中，凯普斯通已生产65 kW微型发电机组，霍尼韦尔研发的75 kW发电设备已成功运行，大阪燃气等日本公司正在使用凯普斯通技术开发热电系统。

2.2 我国微型燃气轮机的研发现状

20世纪70年代，我国开发了37 kW、200 kW、3K42燃气轮机。目前，我国微型燃气轮机技术水平较低，所使用的商用机型（包括65k和200M的产品）均来自卡普斯通公司。根据我国能源现状，微型燃气轮机本身具有的技术特点和优势，为解决我国电力发展分布尚不均衡这一问题提供了可行性方案，现在已得到广泛的关注和应用。

中国科学院热物理工程研究所、哈尔滨东安集团和西安交通大学3个研究所，在中国科技部“863”计划的支持下，已共同研发出100 MW微控燃气轮机，并获得验证生产。科技部多次表明，要积极推动微型燃气轮机的发展，尽快达到国外微型燃气轮机的先进水平。

现在我国航空航天工业机构已设计出30 kW微型燃气轮机样机，一旦国内达到大批量生产水平，将有效推动微型燃气轮机在我国的应用。近年来，我国虽然只是在微型燃气轮机发电机组方面进行了大量的研究工作，推动了微型燃气轮机发电领域的快速发展，对超微轮机也进行了初步探讨，并掌握了一定的技术，但与国外相比，差距还很大。

3 微型燃气轮机在我国的应用推广

3.1 微型燃气轮机的用途

从世界范围看，微型燃气轮机已广泛应用于工农业生产及人们的工作、学习和日常生活中，是一种能确保清洁、安全和高效的低功耗分布式发电和热电联供的最佳有效途径。同时，微型燃气轮机还用于并网发电、高峰负荷发电、备用发电、热电联产等，且不受时间、地点和环境的约束，应用于偏远山区、农村和城市，特别是在混合动力汽车领域及军事装备、边防安全方面都具有重要意义。现在，世界各军事大国都在积极寻求和开发性能更好、更先进的微型燃气轮机。

我国微型燃气轮机的应用市场包括：①建筑物、机场、车站、医院，还有金融信息中心和其他相关的国家重要设施；②农业设施设备的冷却、热量和二氧化碳供应；③边境基地保护、军事设施和其他国防部门；④木材加工、化学工业、纺织及其他电力、热力、冷却和蒸汽过程；⑤西部大开发、偏远地区能源供应；⑥垃圾填埋沼气发电；⑦由一组微型燃气轮机模块化组件组装的中型发电站；⑧与燃料电池等先进技术共同开发未来的能源体系；⑨汽车混合动力系统等。

3.2 微型燃气轮机的适用场所

微型燃气轮机的主要应用场所包括：①废气燃烧场地；②需要动力的临时地点；③经常出现能源中断的地方；④电费较高的地区；⑤无电网的偏僻地区；⑥可用峰荷电价向电力交易中心卖电；⑦常见的冷热服务场所。

3.3 微型燃气轮机的进一步研发

微型燃气轮机在我国电力系统中发挥着重要作用，特别是高速永磁发电机的出现，大大降低了发电机组的投资成本和发电机组的质量，缩小了发电机组的体积，使发电机和压缩机之间不需要减速机构建立连接。目前，由于大多数微型燃气轮机与电气部件分开建模，或者在逆变器之前直接等效于直流电，特殊建模或等效处理，将破坏微型燃气轮机能量系统和发电系统之间的内部连接，这不利于实现两者之间的协调控制设计，因此，需要我们找到一种新的建模方法来实现最优控制。由于微型燃气轮机特有的使用寿命长及维护操作成本远远低于广泛使用的发电机成本等优点，现在广泛用于分布式电源、热电联供和车辆混合测试中。在能源需求不断增长的今天，美国的微型燃气轮机在20世纪末达到了令人瞩目的高峰。随着环保和能源政策的变化，未来微型燃气轮机必将在全球迅速发展。现在，微型燃气轮机联合循环系统已在全球范围内进行了多年研究，并引起了微型燃气轮机结构的重大变化，基于对微型燃气发动机技术的进一步研究和开发，世界上一些微型燃气轮机研究机构不再局限于原轮机材料，他们已使用陶瓷作为微型燃气轮机燃烧室最新热元件材料等，并取得了显著成效。

4 结束语

21世纪，微型燃气轮机对我国各行各业的发展起着重要的作用，将成为我国沿海地区和偏远地区能源分配的主要来源，市场潜力巨大，我们必须密切关注。

参考文献：

［1］周念成，邓浩，王强钢，等.光伏/微型燃气轮机混合微电网的建模与仿真［J］.华东电力，2011（1）.

［2］孙晓丹.关于微型燃气轮机的发展研究［J］.民营科技，2011（12）.

［3］邱德川.关于微型燃气轮机应用前景的研究［J］.科技致富向导，2014（11）.

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作者简介：谢哲，男，山西侯马人。

〔编辑：刘晓芳〕

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本文已公开发表在《科技与创新》杂志2018年第8期

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