小型燃氣輪機原理及在分布式能源領域中的應用

1. 前言

　　燃氣輪機是以氣體作為工質，將燃料燃燒時釋放出來的熱量轉變為有用功的、高速回轉的葉輪式動力機械。與目前其他普遍應用的動力裝置相比，燃氣輪機的主要優點是重量輕和體積小，此外還具有設備簡單、可不用水和起動加速快的優點。由于燃氣輪機所具有的顯著優點以及較大的發展潛力，隨著技術的不斷發展，性能的不斷改進，具有廣闊的發展前景。

　　從容量上看，目前大中型燃氣輪機占市場主要份額，小型燃氣輪機以備用為主。隨著社會對電力供給的依賴日益加劇，對電網安全性的要求越來越高，分布式能源作為電網的補充，可以提高用戶用電的可靠性，因此開始引起廣泛的關注【1-3】。分布式能源是相對于傳統的集中式供電方式而言的，是指將發電系統以小規模(數千瓦至50 MW 的小型模塊式)、分散式的方式布置在用戶附近。當今的分布式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的微型/小型燃氣輪機、內燃機、各種工程用的燃料電池以及可再生能源。

　　雖然可再生能源是取之無盡的潔凈能源，但是相對于化石能源而言，但其能源密度低，穩定性較差，需要蓄能調節，長期穩定運行困難，且由于技術不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經濟性差；而化石能源的發電技術不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發電技術，化石能源是主要方向。小型/微型燃氣輪機由于環保、高效，而且便于能源的綜合利用，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到越來越廣泛的應用。

　　2. 小型/微型燃氣輪機原理

　　燃氣輪機根據負荷容量分為大中型燃氣輪機、小型燃氣輪機和微型燃氣輪機：大于20000kW 的屬于大中型燃氣輪機；而1000～20000kW 的被稱為小型燃氣輪機；小于1000kW的則是微型燃氣輪機。小型和微型燃氣輪機與分布式能源密切相關，本文主要介紹這兩種形式的機組。

　　2.1 微型燃氣輪機

　　微型燃氣輪機尚處于發展的初期，雖然有很多公司提供了產品，但目前的價格仍然比較昂貴，為800～1200$/kW。為了滿足低成本的要求，設計中均采用了盡可能簡單的布置形式：離心壓氣機、向心透平、直接驅動的高速空冷發電機、適用于多種燃料的燃燒室(傳統的或催化的)、緊湊高效的回熱器以及簡單的控制系統【4】。此外，為了支撐高速的電動機，空氣軸承被采用，從而消除了潤滑油泄漏的可能。

　　與大中型燃氣輪機的軸流式壓氣機和軸流式透平不同，微型燃氣輪機采用的離心壓氣機以及向心透平在比較小的尺寸時仍有相當高的空氣動力學效率，這是較小的葉片高度、雷諾數、較小的葉片頂部間隙等綜合作用的結果。由于微型燃氣輪機尺寸較小，葉片的冷卻十分困難，因此透平進口溫度完全取決于材料技術的發展。

　　由于透平進口溫度受到了很大的限制，目前對于簡單循環布置的微型燃氣輪機發電效率很難達到20%。為了改善微型燃氣輪機的性能，回熱器被采用，在這種情況下，發電效率可達30%甚至更高。預計到2010 年，隨著陶瓷技術的發展，陶瓷可以在微型燃氣輪機的高溫部件上得到大量應用，微型燃氣輪機的發電效率可達50%。

　　微型燃氣輪機的轉速可達每分鐘幾萬轉甚至10 多萬轉，遠高于大中型燃氣輪機。為了避免采用沉重、昂貴的減速箱，微型燃氣輪機采用了直接驅動的發電機，通過變頻裝置獲得所需的電流。大中型燃氣輪機的變工況通常采用定轉速調節的形式；而微型燃氣輪機可以考慮采用變轉速的形式，通過變頻裝置穩定電力頻率的輸出【5】。

　　下表為一些微型燃氣輪機的性能參數：

　　從上表中可看到，目前的微型燃氣輪機的壓比在4.0 左右，因此采用單級離心壓氣機即可。由于沒有葉片冷卻，透平進口溫度均在1000℃以下，明顯低于大中型燃氣輪機的溫度。由于壓比較低，透平的出口煙溫達到650℃。在布置了回熱器后，回熱器出口煙溫降到320℃以下。由于燃燒室的燃燒溫度較低，NOx 排放很低。

　　2.2 小型燃氣輪機

　　小型燃氣輪機相對微型燃氣輪機而言技術比較成熟，與大中型燃氣輪機幾乎完全相同：采用軸流式壓氣機和軸流式透平，葉片的冷卻模式與大中型機組相同。由于技術成熟，目前的價格相對較低，為350～600$/kW；此外，小型燃氣輪機的發電效率與大中型機組相比也相差無幾，ISO 工況電效率目前多為27.0～39.0%【6】。小型燃氣輪機的發電效率較高，為了便于尾部煙氣的綜合利用，同時使系統比較簡單，在實際應用中小型燃氣輪機大多采用簡單循環的布置形式；只有少量對發電效率有特殊要求的場合使用回熱循環或注蒸汽循環。由于采用了干低NOx 燃燒技術、采用注水、注蒸汽技術或是在煙氣中使用選擇性還原技術，小型燃氣輪機的NOx 排放可以被嚴格控制。預計到2010 年，小型燃氣輪機的性能將進一步提高，NOx 排放將低于5ppm，而連續運行