靳普
摘 要：随着我国经济水平的提高，对能源的需求也日益增加，从环境保护的角度来看，微型燃气轮机的应用受到社会各界的广泛重视。该文介绍了微型燃气轮机发电机组的基本结构、性能指标和技术进展，对比分析了微型燃气轮机发电机组技术特点，提出了相应的发展建议。对于微型燃气轮机的研究开发工作，希望通过该技术的发展和应用，开展探索，起到积极的参考作用。
关键词：微型燃气轮机 发电技术开发 应用 研究分析
中图分类号：TK47 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（c）-0065-04
Research on Micro Gas Turbine Power Generation Technology
JIN Pu
（TxEGT Automotive Powertrain Technology Co.， Ltd.， Beijing， 100176 China）
Abstract： With the improvement of China's economic level and the increasing demand for energy， the application of micro gas turbine has attracted wide attention from all walks of life from the perspective of environmental protection. It introduces the basic structure， performance index and technical progress of micro gas turbine generator set， analyzes the technical characteristics of micro gas turbine generator set， and puts forward the corresponding development suggestions. For the research and development of micro gas turbine， we hope to play a positive reference role through the development and application of this technology.
Key Words： Micro gas turbine; Development of power generation technology; Application; Research and analysis
微型燃气轮机在我国现代电力企业内部生产经营中的技术应用非常广泛，经济社会发展过程中的电力需要能源合理化的输送和有效分配，在现代国防军事领域也是非常重要的一种应用电力设备，总之，在当前和未来的整个社会经济运行中，微型燃气轮机都可以起着一个不可替代的重要主导作用。与国际微型燃气轮机水平相比，我国还有一定的差距，甚至没有形成严格意义上的微型燃气轮机产业，缺乏自主开发和制造能力。因此，要进一步推动我国微燃气轮机技术的发展，相关人士应结合实际情况，从根本内容入手，尽可能完善技术的应用。为提高能源利用综合效果，很多微型燃气轮机进入联产模式，即对周边的学校、办公楼、医院、居民楼、企业等进行集中供电，将微型燃气轮机的发电产能进行集中。为推动微型燃气轮机的联产模式运行，需要提供1～5 kW的微型燃气轮机，以满足市场需求。
1 微型燃气轮机概念及特点
微型燃气轮机是小型热机技术，独立机器的功率保持在300 kW范围内，基本特点是利用流出式叶轮机器。在技术研究中，微型燃气轮机可以采用高级发电方法，即燃料电池和联合发电工作，这种联合装置的效率可以达到65%以上，而且产生的污染较低，因此，这些技术广泛应用于混合汽车制造。据新闻报道，30 kW微型燃气轮机燃烧天然气时，排放量仅为重型设备最低排放量的80%。
气体流动压缩是以一种气体为流动介质，气体通过燃气轮机压缩机向它的燃烧室和进入燃料室的喷嘴内部喷射的两种气体直接混合在一起，形成一种高温和低热高压的混合气体。通过一个燃气轮机驱动喷嘴和一个动叶燃气轮机膨胀器来推进风力燃气轮机的转子，将风力压缩机和风力发电机燃气轮机转子一起进行高速旋转，将作为气体燃料的大量化学机械能转换成热的机械能加工，输出大量的电力。工作后，微型燃气轮机排气可以引进余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽可以带动蒸汽和发电机供暖，实现能源的效率和综合利用[1]。
微型燃气轮机发电机可用作常规或应急备用装置，与柴油机发电机相比，其主要技术特点有以下几点：（1）寿命特长。达到45 000 h，同功率等级的柴油机只有4 000 h，低于燃气轮机的性能。（2）移动性好。一台30 kW微型燃气轮机发电机一台重量不到3 kW的柴油发电机。（3）可靠性。只有一个活动部件，故障率最低，内置保护和诊断监控系统，提供主动故障诊断手段，简化在线维护。在使用空气轴承和空气冷却时，无需更换机油和冷却介质。发电机组的第一次维修时间是8000 h以后，维修成本低。（4）噪音小，排气温度低，红外辐射少。（5）具有完全集成功能，可运营2～10个组配置系统。（6）燃料可变性。可以使用多种燃料（液体、天然气、生物燃料、煤油、柴油等），含硫率达7%的酸性气体。（7）遠程控制和通信。通过显示板或Modern连接执行控制操作时，系统充当通信和控制角色。（8）保护。具有多种自动超限保护和停机保护功能。因此，微型燃气体轮机特别适用于移动电源、城市电站和汽车动力。（9）超低排放。排放量比柴油机低得多，有利于环境保护。
微型布式能源系统受负荷率约束及负荷第一次和第二次的影响，测试人员在进行负荷输出限制测试和分析时，通过实际调查可以发现，由于系统不工作的方式，费用非常低。因此，系统也可以选择运营，减少成本浪费[2]。
2 微型燃气轮机技术的发展与分析
目前，解决能源危机和能源环境污染问题、开发清洁高效的现代能源管理系统，已经成为人类社会的普遍共识。微型燃气轮机的各种动力装置、发电设备在实际表现能突出比较优异的使用性能的同时，也同样具有较强的市场发展潜力，因此提高微型气燃气轮机的技术先进性已成为各国发展微型燃气轮机的最重要目标。
2.1 高温燃气轮机技术
微型燃气轮机的工作效率主要由燃气的高温决定。相关计算数据显示，如果燃气初温提高100 ℃，燃烧室的工作效率可能会提高3%左右，因此提高燃气初温是今后微型燃气轮机发展的核心内容。具体研究首先要掌握高温材料技术，将定向结晶和单晶高温合金材料应用于微型燃气轮机。尤其是C/C类型材料具有很强的市场发展潜力，总量仅为传统高温金属合金的1/4。分析使用蒸汽机和冷却器的技术，与空气冷却机的方法系统相比，蒸汽空气冷却方法可以大大减少柴油压缩机机作业的废气消耗排放问题，提高柴油燃气轮机轮机进口时的温度，有效减少污染气体排放。热涂层技术的应用目的是提高燃气轮机进口的温度，在叶片表面进行热涂层时，可以选择等离子喷涂和电子束物理蒸汽沉积技术。
2.2 环境保护燃烧
在微型燃气轮机的发展中，加强自身的环境性也是未来发展的关键。等级石油燃烧室燃料技术、直喷等级燃烧室燃料技术、富油等级燃烧、贫油等级燃烧室燃料技术等新型下一代高效低污染石油燃烧燃料技术的重要发展研究方向。为了解决高效率和低排放之间的工作矛盾，超低燃烧室技术开发使用贫油燃烧燃料空气混合与可变形状燃烧技术相结合。当然，在实际调查中发现，在开发绿色燃烧技术的过程中，对于低排放和高效率之间存在的矛盾问题，目前还没有非常好的解决方案，但根据这些技术的特点，相关工作人员也取得了比较好的突破[3]。
2.3 燃气-蒸汽联合循环
燃气-蒸汽联合循环技术可以在电力生产中发挥更好的性能。在具体的发展过程中，主要有以下几个方面：（1）煤气化联合循环技术的集成。开发和研究集成技术，提高独立机器的循环功率。（2）与多燃料技术开发化学工程开发共同开发技术内容，建立IGCU动力中心，将热能、电力等与化工过程相结合，降低污染排放问题。（3）以煤炭富氧气体为主要气化抑制剂，对煤炭排出的富氧气体可以进行气化再循环，在我国煤炭工业气化生产过程中可以去除富氧硫化物，从而在理论技术层面可以实现大气污染物的整体零排放。
2.4 燃料电池-微型燃气燃气轮机循环
燃料离子电池主要功能是将原子燃料的主要化学离子能量被转化成作为离子电能。与国内现有火力发电配套技术设备相比，发电率明显提高，化学能和电力的转换效率可以维持在60%以上，在高温和加压环境下保持良好的工作效果，因此，燃料电池-微型燃气燃气轮机联合循环技术是可以突破的技术内容。目前，实验中将正在研究的离子燃料和锂电池划分类型包括液体碱性离子燃料和锂电池、固体和氢氧化物离子燃料和锂电池、熔融后的碳酸盐离子燃料和锂电池，由于电池的电解质存在一些差异，所以电池的性能就存在差异。
3 微型燃气轮机的应用
在应用中，微型燃气轮机主要在电力工业中起作用。首先，在煤炭资源丰富的部分地区，安装微型燃气轮机可以获得更明显的应用优势，石油、天然气等能源也可以为微型燃气轮机提供更多的运营能源。对于各地区的供电任务，微型燃气轮机装置可以与发电机组一起负担，从而改善部分地区发电机组的环境不利，同时进一步提高发电供应的效率。其次，在煤气、松油等工程中，微型燃气轮机可以起到加压设备的作用。我国西部地区拥有丰富的自然资源，可以利用风能、太阳能、常规化石燃料构建更高效的能源动力系统。
4 微型燃气轮机的分析
4.1 独立性能增强
由于目前高温导热材料和气体冷却系统技术的应用持续快速发展，相应的温度持续上升，单机进口效率大幅提高，初始燃气温度提高为600 ℃～700 ℃，现已将温度提高到1 100 ℃级、1 288 ℃级、1 430 ℃级，甚至1 700 ℃级。因此，简单的热循环的锅炉热效率从最初的10%以下逐渐增加到现在的36%～40%，甚至50%以上。
4.2 热循环开发
开发了多种燃气-蒸汽轮机联合燃气循环加热技术及配套动力装置，部分动力装置的燃气热效率已初步达到50%～60%。开发了用于煤油气燃烧机和发动机的各种联合节能循环利用技术，如新的igcc和新的pfbc-cc循环技术，目前采用pf-bc-cc技术系统的循环效率已经接近45%，igcc的系统效率可以达到40%～45%。
由于燃气轮机具有诸多工作优势，因此燃气轮机在市场的应用领域非常广，如交通、化工、航空、船舶、输送等[4]。比如：西气东输管网建设时，由于地区跨度非常大，为保证天然气输送安全，需在不同地段设置增压站，利用燃气轮机增加天然气输送压力，确保整体工程运行可靠性。通过对西气东输中的燃气轮机分析可知，该工程中的燃气轮机功率级别与压力都为我国燃气轮机的最高等级，体现出我国燃气轮机生产加工的综合实力。目前世界重型燃气轮机的市场已经逐步形成商业垄断局面，组成微型燃气轮机商业联盟，对相关研发与加工技术进行封锁，以保证市场的经济利益。
随着微型燃气轮机分布式能源系统的预测时间增加，求解计算时间也会受到很大的影响。因此，工作人员在实际操作过程中应当选取合理的预测时间长度，以此促进企业经济收益达到最大化。
在未来的微型燃气轮机研发应用中，可以先由公司员工自主组织联合相关企业科技研发力量，持续研究开发一款具有国家自主研发知识产权的微型燃气轮机，利用新的研发设计工艺方法不断改善对微型燃气轮机的设计结构、材料、工艺，降低對微型燃气轮机的研发生产成本，缩短产品研发生产周期，确保更安全的技术内容，为后续生产工作奠定基础。其次，在今后的应用过程中，清洁能源的发展将变得越来越重要，可以利用微型燃气轮机技术和煤炭技术相结合，建设微型燃气轮机循环电站，降低传统发展带来的污染性[5]。
应当与国内外企业紧密合作开发生产成熟的试验仪器，提高其在我国的微型燃气轮机设计制造研发能力。在国际合作中，要注意不断扩大中外合作企业生产的各种机型和相关零部件产品种类，逐步深化学习吸收外国的先进生产技术、制造和经营管理合作经验。我国未来的新型电力设备生产将逐渐逐步走向采用蒸汽燃烧甚至以煤燃烧电力为主，为了更好地满足未来的电力需求，需要这种新型国际性的合作。我国积极开展微型燃气轮机的理论研究和技术开发，已经基本具备了较好的开发工作理论基础和技术条件。微型燃气轮机体积小，零部件少，材料资源消耗少，试验台前期建设等使研究项目开发成本相对低，研究项目开发周期短，研究项目开发组织和规模相对小，人员相对比较集中，便于组织集中攻防战。因此，建议积极组织科研力量、积极攻克和加快发展微型燃气轮机相关技术，解决微型燃气轮机产业发展的关键核心技術[6]。
5 结语
总之，在未来的发展过程中，作为更加节能高效的技术内容，在我国的动力、电力等领域发挥着更加重要的作用。由于微型燃气轮机与柴油机相比具有优势，以微型燃气轮机为动力的25～200 kw移动电站和固定电站正在以高增长速度增长。预计国内多个领域将配备微型燃气轮机发电。建议相关科学研究所和生产企业积极开展微型燃气轮机技术合作和共同攻关，尽快推进国内微型燃气轮机发展技术的发展。
微型燃气轮机需求不断提高的当前，员工应结合技术的实际发展情况，切实提高科研质量。未来微燃气轮机市场需求很大，主要是功率高的燃气轮机，满足城市能源供应、电力储备等。铺设燃气管道时，为了保证工程建设的质量和安全，需要微型燃气轮机提供动力来源。微型燃气轮机发电作为一种新型节能、高效、低污染的风力发动机，在现代动力工程中也将得到越来越广泛的应用，燃气发电联合风力循环发电将被广泛应用，是提供可靠、高质量、环保等新能源发展的最佳解决方案。
参考文献
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[2] 伍赛特.微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望[J].通信电源技术，2019，36（6）：45-48.
[3] 郎振，郭云瑞，吴黎明.微型燃气轮机能源系统分析与优化研究[J].建筑工程技术与设计，2018（8）：1-4.
[4] 范炜东.微型燃气轮机发电系统用变流器研究[J].科技创新导报，2019（7）：175.
[5] 张程莉.微型燃气轮机发电系统启发一体的控制策略研究[D].华北电力大学，2019.
[6] 王圣朝.微型燃气轮机发电系统电能转换技术研究[D].南京体育学院学报，2019.
