微型燃气轮机：小型化的高效能源设备

微型燃气轮机发电机组的雏形可追溯到20世纪60年代，1998年末美国Capstone公司推出了第1台商业化的微型燃气轮机装置，但其作为一种新型的小型分布式能源系统和电源装置的发展历史则较短。

微型燃气轮机作为新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW。微型燃气轮机发电机组由涡轮机、压气机、低排放燃烧室、换热器、回热器、高速发电机及电力电子装置（整流器和逆变器）组成，其工作原理如图5-7所示。

图5-7　微型燃气轮机工作原理图

微型燃气轮机单级、单轴，压缩机叶轮、涡轮机叶轮及发电机在同一根轴上。发动机采用空气轴承技术，整个发动机为无油系统，即没有润滑油及润滑系统，没有过滤器、分离器、泵及风扇、储油罐、散热器等子系统。发动机利用自然空气冷却，没有冷却剂、散热器、泵及水箱。整个发动机只有一个运动部件，即空气轴承支撑的涡轮转子。这种结构极大地提高了发动机的可靠性和可用率。高性能的微燃机第一次故障停机累计运行时间（MTBF）达到15000h，第一次计划维护时间为累计运行达到8000h，包括大修在内，平均年计划维护时间少于4h。

微型燃气轮机发电机组普遍采用回热循环，可大大提高发电效率；目前，微型燃气轮机发电机组的发电效率已能达到30%。同时，其联网布局灵活、对负荷的要求是能快速反应、电力品质高、低噪声、低振动、低维修率、低排放。除了提供清洁、可靠、高质量、多用途、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，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均适用。

微型燃气轮机发电机组可以用作常用机组和备用电源，与常规的集中供电电厂相比，微型燃气轮机分布式供电具有以下优势。

（1）寿命长。首次维修时间可在运行8000h以后，日常维护工作量少。

（2）移动性好。质量轻，基础结构简单，易拆卸。

（3）高可靠性。运动部件少，故障率可降到最低，内置式保护与诊断监控系统，提供了预先排除故障的手段，在线维护简单。目前先进的微型燃气轮机发电机组多采用空气轴承和空气冷却，无需更换机油和冷却介质。

（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）噪声小，排气温度低，红外辐射小。

（6）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%。

（7）负荷调节范围广：单机能够在0～100%范围内调节负荷。且具有多模块集成组合特征，能够根据负荷特性智能调节运行模块数。

（8）燃料可变性：能够采用多种燃料（液体、气体，如天然气、丙烷、生物质燃料、煤油、柴油等），也能使用含硫比例高达7%的酸性气体。

（9）遥控、通信与保护：具有通信、控制和自动超限保护和停机保护等功能。可适用于移动电源、城市电站和汽车动力。

（10）输配电：因通常设在用户端，输配电损失很低，且用户可自行控制。

（11）超低排放：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NOx的体积分数小于9×10-6；使用柴油或煤油燃料满负荷运行时，排放NOx的体积分数小于35×10-6；采用油井气做测试，排放NOx的体积分数小于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。(www.xing528.com)

1）常见燃气轮机的机型及性能特性

目前国内市场上使用的微型燃气轮机发电机组几乎均为进口，大多使用在分布式热（冷）电联供系统中。进入中国市场的微型燃气轮机发电机组品牌主要为凯普斯通（Capstone）、Turbec和英格索兰。其中凯普斯通微燃机属于量产设备，国内应用近两百台；Turbec国内应用约3台；英格索兰MT250机型国内应用约10台左右，英格索兰目前已被Flex Energy能源公司收购。各品牌机型的统计表详如表5-8所示。

表5-8　典型微型燃气轮机性能参数

（续表）

Capstone公司的C30微型燃气轮机在环境温度15℃、相对湿度60%、海拔0m条件下的产品技术指标如表5-9所示。

表5-9　C30微型燃气轮机技术指标

2）基于微型燃气轮机的分布式能源系统

微型燃气轮机的余热只有排烟一种形式，因而其余热利用系统较内燃机简单，可通过余热锅炉生产热水、蒸气，也可直接通过吸收式冷温水机生产冷水或热水用于空调。图5-8所示为某微型燃气轮机分布式能源系统示意图。

小型燃机热电冷联产主要由燃机、余热锅炉、溴化锂制冷机及数字电力控制器等设备组成，而微型燃气轮机由径流式叶轮组（向心式轮机、离心式压气机）、单筒型燃烧室和回热器构成。

图5-8　某微型燃气轮机的分布式能源系统

伴随燃气轮机技术的不断发展完善，小型燃气轮机具有氧氮化合物排放量低、模块化组合、提供电力和热量的柔性系统等实用性强的优点，其装置向小容量方向发展的势头也十分明显。分散式小型化发电装置受到各国重视。这种分散式发电装置是指功率为数百千瓦以下，且与环境兼容的独立电源系统，它可以满足用户的特殊要求。

近年来，80～200kW以下的微型燃气轮机的开发和销售成为市场的热点。产品系统带回热、变频、高速电机。其主要性能指标：热效率25%～29%，冷热电能量利用率70%～90%，污染物排放NOx体积分数不高于9×10-6。

新一代的燃机特性要求：电能转换效率达到40%；燃烧天然气时，NOx排放低于7×10-6；机组持续无检漏时间11000h，寿命不少于45000h；电力系统投资小于500美元/千瓦；可使用多种燃料，包括生物燃料。