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

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

燃气轮机是一类常见的热力涡轮机械，在工业生产和国民经济发展过程中均得到了广泛应用。近年来，以微型燃气轮机为代表的新型燃气轮机动力装置逐渐走入人们的视野，并以其显著的技术优势逐渐受到了广泛关注[1-4]。

1 微型燃气轮机及其技术特点

微型燃气轮机是一种新型燃气轮机，功率通常为30～350 kW。它的热力循环原理虽与普通燃气轮机相同，但因为尺寸及输出功率较小，在设计、结构和用途等方面又与一般的燃气轮机有着不同。

（1）体积小，热电联产装置体积大约只有0.35 m3；（2）单位质量轻小，约为柴油机组的1/3；

（3）采用单级向心式压缩机，且压缩比较低，一般为3～5；

（4）采用单级向心式涡轮，压缩机与涡轮背靠背布置，并采用整体托盘结构；

（5）采用单管式燃烧室，空气进入燃烧室前通过板翅式回热器预热；

（6）发电机为通过涡轮直接驱动的内置式高速逆变永磁式发电机；

（7）采用空气轴承可实现50 000～120 000 r/min的超高转速，且几乎不消耗润滑油；

（8）摩擦部件少，燃气温度低，可靠性高，寿命长（可达40 000～80 000 h）；

（9）热电联产系统维护费用少，远低于柴油发电机组；

（10）采用回转式机械结构，振动较小，且运行平稳、噪声低；

（11）污染排放少，NOx微排放小于9 mg/kg，是目前理想的绿色环保电源；

（12）扩容方便，并可实现多台并联后的单独控制和同步输出，适用于分布式能源系统。

如上所述，微型燃气轮机的原理虽与普通燃气轮机类似，但为了满足其体积和容量的微型化要求，微型燃气轮机有其自身的显著特征。

2 微型燃气轮机的部件特征

2.1 压缩机

单轴微型燃气轮机是目前应用最广的机型，核心部件为压缩机-涡轮机。两者配装于同一短轴上，由两个轴承支撑，结构紧凑，是该类微型燃气轮机唯一的转动部件。

经优化设计的压缩机部件，喷嘴尺寸通常仅有数英寸，转速在额定功率时可达50 000～120 000 r/min，类似于小型涡轮增压器。由于引进了先进的计算流体动力学设计方法，并采用了复合材料和陶瓷轴承，微型燃气轮机的工艺水平在近10年得到了显著提升。

通常，为了减少回流换热器和燃烧室的体积，压缩比要高于3。但是，在压缩过程中，空气温度将上升。受限于涡轮机的最高可承受温度，压缩比太高反而会导致一系列弊端。此外，离心旋转对部件强度要求很高，限制了压缩机和涡轮机部件的最大速度。所以，压缩比不可设定太高。一般情况下，微型燃气轮机的压缩比设定为3～4时，整机系统性能可达到最佳。

热电联产系统中的微型燃气轮机一般选择天然气作为燃料。为使天然气与压缩空气有效混合，需要将天然气的压力从周围管道的压力加压到超过微型燃气轮机的压缩机产生的压力。这一过程约需要消耗燃气轮机输出功率的6%，因此在选择微型燃气轮机的压缩比时还需结合天然气的供给设备进行统筹安排。

2.2 燃烧室

对于微型燃气轮机，由于燃烧室表面积、体积较小，喷嘴数量较少，通常不会根据大型燃气轮机的燃烧室按比例缩小。常见的微型燃气轮机的燃烧室分为单管燃烧室和环形燃烧室两种。环形燃烧室虽然较为复杂且技术要求更高，但具有结构紧凑、空间利用率高、迎风面积小、质量轻、压力损失小、火焰筒表面积和长度小、所需的冷却空气量少以及燃烧效率高等优点，更符合微型燃气轮机未来发展的要求。

2.3 涡轮机

涡轮机是将高温高压燃气流的能量转换为机械能的一种叶轮机械。在燃气轮机中，机械能以涡轮轴功率的形式输出，继而驱动压缩机和发电机运转。

涡轮机产生的电能（包括压缩机消耗的电能）与通过这些设备的气体的绝对温差成正比。换言之，压缩机进口温度越低，燃烧温度越高，增压效果越好，涡轮机部分输出的轴功率也越高，微型燃气轮机的整机效率越高，经济性越好。因此，微型燃气轮机发展的总体趋势是将提高温度和提高压力实现有机结合。

对于大型燃气轮机，它的涡轮叶片通常具有内部冷却能力，以使涡轮机在燃烧温度高于金属极限的情况下还可以保持运行。这是大型燃气轮机燃气温度可达1 400～1 500 ℃的原因。但是，对于微型燃气轮机而言，涡轮机的尺寸和外形决定了其无法实现内部冷却。涡轮机进口温度通常设定在980 ℃或者更低，以此与燃气轮机合金的耐温性能适应。也只有在该温度范围内，涡轮机转子才能使用成本相对低廉的材料，同时确保增压比保持相对较低。

目前，美国能源部（DOE）正在开展某个项目的研究，试图将基于陶瓷材料的径向流动燃气涡轮机技术应用于微型燃气轮机，以提高燃气轮机的耐温性能，从而使整机效率提高约36%。

2.4 回热器

微型燃气轮机的固有特性会导致较高的排气温度和较低的效率。为了改善性能，一般采用空气-空气热交换器将涡轮排出的热能部分回收，用以预热即将进入燃烧室的压缩空气，节约燃料，提高效率。这种热交换装置被称作回热器。

微型燃气轮机比传统的简单循环燃气轮机复杂，原因是增加了回热器。由于回热器是气流之间进行热交换的部件场所，需要相当大的表面积，导致微型燃气轮机整机质量增大，成本增高。通常，回热器自身的效率超过90%，虽然减少了燃料的消耗量，提高了整机效率，但也导致微型燃气轮机内部的额外压力损失，并会损失10%～15%的电能，降低了整机效率[5]。

事实上，回热器存在一个最佳效率值。当效率达到最佳值时，继续增强回热效果将得不偿失。将回流换热器的效率从85%增加到90%，可使热效率增加约1.9%。但是，因布设了回热器，整机的尺寸和价格将增加60%。

此外，增加回热面积可以提高回热器的效率。因此，在回热器的面积、传热系数以及效率之间存在一个最优值。当燃气轮机在热电联产系统中运行时，尾气余热存在多种用途，包括饮用水加热、驱动吸收式制冷装置和平燥剂除湿装置、空间加热、供暖和工厂使用等。所以，有时不采用此类回热装置，以便取得更高温的尾气余热和回收更多的热量。

回热器的基本机构包括直管式、板翅式和主表面式结构。直管式是最原始的换热结构，性能较差，较少被应用于微型燃气轮机。后两种结构应用较多，其中板翅式结构可以使回热器承受较大的内部压差，同时当量直径相对较小，主表面式结构体积最小，质量最小，工业自动化制造最便捷。

2.5 轴 承

微型燃气轮机一般使用机械式轴承或空气轴承。机械式轴承寿命较长，最高允许温度较高，但是系统需布设专门的油泵、油过滤装置和油冷器来为轴承提供润滑油，增加了微型燃气轮机的成本和维护工作量。微型燃气轮机普遍采用空气轴承。空气轴承通常安装在涡轮后侧，并在压缩机和涡轮之间增加轴向间距。在燃气轮机运转过程申，空气轴承可以使涡轮机在很薄的空气层里旋转，摩擦较小，并可在其运行期间免润滑，实现零机油耗，无需配备专门的油泵和冷却系统。因此，空气轴承运行简单且几乎无需维护。

目前，对微型燃气轮机最重要的应用是在-40 ℃低温条件下冷启动，而微型燃气轮机的冷启动能力取决于其轴承性能。低温条件下，发动机冷启动困难的主要原因是润滑油黏度增大且流动性差，增加了发动机曲轴的旋转阻力，且降低了启动转速，并使压缩机压缩气体能力不良，导致压缩比较低和燃烧过程不充分，系统输出功率不足从而无法迅速启动。使用空气轴承的燃气轮机，由于不需要润滑油润滑，冷启动能力更强。

2.6 发电机组

微型燃气轮机系统一般采用永磁发电机。因为永久磁铁提供的励磁可在260 ℃以上的环境下运行。改良永磁材料使得永磁发电机比绕线转子发电机质量更轻、效率更高。

3 影响微型燃气轮机工作效率的因素

微型燃气轮机的整机效率通常与下列4个方面有关：

（1）压缩机压缩比率，即压缩比率取决于压缩机的类型和使用的材料；

（2）涡轮入口温度，涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循环和转子冷却方式的选择，决定了涡轮入口的温度；

（3）回流换热器入口温度（即涡轮末端排出的气体温度），回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器的进气温度。

（4）组件效率（回流换热器效率、涡轮效率、压缩机效率等）。

在环境温度很高的情况下，微型燃气轮机的功率和效率都会降低，意昧着夏季用电量最大时微型燃气轮机的能效最低。为此，对入口空气实施冷却的技术应运而生。首先，最简单的方法是利用冰、冷冻水或者低温液体等冷却入口空气，但需要另外制备和储存这些冷源。其次，蒸发冷却也是一项成本相对较低的入口空气冷却技术，在未来最有可能应用于微型燃气轮机。通过该技术可将水雾直接喷到入口空气流中，而水的蒸发降低了空气温度。但是，由于蒸发冷却需要消耗大量的水，因而不适合在缺水地区广泛使用。

此外，直接冷却对微型燃气轮机而言，技术上也是可行的。冷却时可以采用压缩驱动或者热驱动的制冷循环，通过热交换器冷却入口空气。当然，热交换器会降低进入压缩机的空气压力，因而会轻微降低循环电量和效率。但是，由于入口空气温度比环境空气温度更低，所以仍然可以获得较高的电量和提升效率方面的净收益。另外，用电动压缩制冷也会导致电能损失，而吸收式制冷可以重复利用微型燃气轮机的废热，但与蒸发冷却相比，其技术复杂，成本较高在实际应用中受到了限制。

一般而言，微型燃气轮机的效率并不高。普通2.5 kW和5 kW的微型燃气轮机，峰值热效率分别为27%和25%，而大型的燃气轮机效率可达30%。但是，当微型燃气轮机应用于热电联产系统中时，它的效率将得到极大提升。

4 微型燃气轮机的环保性能

4.1 微型燃气轮机的燃料

微型燃气轮机的主要燃料是天然气，也能够燃用其他很多种燃料：

（1）液化石油气；

（2）含礁化氢的天然气，即未加工的天然气，直接来自于天然气井；

（3）沼气，即所有由有机废物分解而得到的可燃气体，如垃圾产生的气体、污水产生的气体和动物排泄物产生的气体；

（4）工业气，以工业过程排气为主；

（5）人造气，通常是低、中热值的气体，为气化和高温分解过程的产物。

4.2 微型燃气轮机的排放污染物及相应优化措施

目前，主要担心废弃燃料产生的污染物，尤其是酸性气体（H2S、卤素酸、HNC、氨、盐类、金属混合物、有机混合物、硫化物、氨化物和硅化物）和油类。它在燃烧中会化合生成卤酸、SO2，一部分SO2还可通过氧化生成H2SO4，会腐蚀下游设备。燃料中的氮燃烧中还会通过氧化生成NOx。另外，为避免其对部件的冲蚀，不能使燃烧的固体颗粒聚集。如果任何燃料的污染物水平超过要求，需要对燃料进行洗涤、液滴分离和过滤。垃圾气体经常含有氧化物、硫化物、有机酸和硅化物，因此需要预处理垃圾气。

理论上，微型燃气轮机不会产生过多污染物。微型燃气轮机产生的主要污染物是NOx、CO、未燃的HC以及很小一部分SO2。微型燃气轮机在满负荷下产生的污染物最少，在部分负荷运行时产生的污染物较多。

NOx主要是NO和NO2的混合物，微型燃气轮机中主要为热力型NOx。热力型NOx由空气中的氧和氮化合而成，发生在较高的燃烧温度下。燃烧温度和持续时间是影响NOx生成的主要因素。随着火焰温度的升高，NOx的生成速率明显加快。当燃料中含有的氮作为烃的一部分时，会生成燃料型NOx。天然气中含有的化学氮则可忽略不计。

在过去的工业燃气轮机的燃烧技术中，燃料和空气被分别加入燃烧区。这种分别加入的技术会导致燃料和空气分离区域温度较高。在过去的十几年中，燃烧改进的焦点是使用燃料和空气的混合物降低局部过热区的温度，以不会产生高温区。采用DLN燃烧器会降低NOx生成区域燃料和空气的比率，从而使火焰峰值温度低于绝热火焰温度，抑制热力型NOx的生成。

不完全燃烧也会导致产生CO和未燃的HC。在微型燃气轮机中，CO不能完全燃尽一般是由于燃烧室冷空气的抑制作用导致的。此外，CO的生成很大程度上取决于微型燃气轮机的工作负荷。例如，微型燃气轮机在低负荷下运行容易导致不完全燃烧，会增加CO的生成量。出于健康和安全的考虑，CO的浓度通常被限制在低于50 μL/L。

通常，尽管CO2被认为是一类不会对人类健康带来直接威胁的污染物，但由于其会引起全球气候变暖，因而受到了广泛关注。CO2的生成量主要取决于燃料中的含碳量和系统效率。

大部分微型燃气轮机均采用干式低污染（DLN）燃烧系统。此技术在微型燃气轮机的发展历史上使用时间不长，且在大型燃气轮机上并未得到广泛应用。这种燃烧技术可将气体燃料和压缩空气提前混合，从而避免高温区（或者被称作“局部过热区”）的产生。DLN需要特别设计的混合室用于进口区的混合，避免火焰倾斜。DLN燃烧系统可以实现NOx生成量低于9 μL/L。

另一种燃烧技术为催化燃烧。在催化燃烧过程中，燃料在催化剂的作用下被氧化。催化燃烧是一个非火焰过程，可以使燃料在低于920 ℃的情况下氧化，而在此温度下NOx的生成量较低。通常，催化剂加到燃烧器表面，使燃料和空气的混合物在催化剂表面反应并释放出热能。燃气轮机采用催化燃烧器，可以使NOx浓度降低到百万分之几，但会出现燃烧系统运行持久性较差的现象。这主要是由于催化剂和催化支持装置材料容易破碎。目前，能控制NOx浓度排放低于3 μL/L的催化燃烧器已实现了早期商业使用。由于DLN燃烧器排污少，可以满足环保要求且微型燃气轮机进口温度低，因此短期内微型燃气轮机上不会采用催化燃烧这项技术。

5 微型燃气轮机用于分布式发电的应用前景展望

微型燃气轮机作为目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备，正受到越来越多的关注。此类发电方式既能增加电网机动性，降低送电损失和成本，改善电力质量，同时也能进一步确保供电系统的安全可靠性。

分布式供电的发展为微型燃气轮机技术的发展和市场扩展提供了极好的平台。微型燃气轮机本体的发电效率并不高，但以其为核心的热电联产系统的能量利用率甚至可超过大型机组。它是一种充满前景的节能环保型电源，适合在城市、乡村、边远地区推广应用。但是，目前我国还不具备大规模开发生产微型燃气轮机的能力[6]。

在热电联产应用领域，微型燃气轮机将直接与内燃机进行竞争。与内燃机发电方式相比，微型燃气轮机更轻小，回转部件更少，运行和维护成本更低，在发电上优势明显，污染排放也低于传统柴油机，更有利于环境保护[7]。

随着微型燃气轮机技术的进一步发展，它的技术优势日益彰显[8]。但不可否认，在相同条件下，微型燃气轮机若要与大型汽轮机在发电成本方面具有竞争力，需采用更低成本的材料和更高效率的发电方法，并尽可能减少系统的组成部件。

6 结 论

微型燃气轮机作为小型分布式发电动力装置，具有灵活、安全、洁净、廉价的发电和热电联供方式，符合对能源供给多样化的发展需求。由于不需要水，它可应用于我国严重缺水地区，符合我国21世纪可持续发展的战略思想[9]。随着西部大开发、“西气东输”工程的实施以及能源供给多样化发展趋势的日益明显，微型燃气轮机在我国将具有较好的市场前景。