30kW微型燃气轮机发电机组启动实验研究

管金，何宗泽，吕小静，翁一武

30kW微型燃气轮机发电机组启动实验研究

管金1，何宗泽1，吕小静2，翁一武1

（1．上海交通大学机械与动力工程教育部重点实验室，上海市 闵行区 200240；2．上海交通大学中英国际低碳学院，上海市 浦东新区 201306）

微型燃气轮机发电机组的安全启动是机组正常运行的前提，整个启动过程包含电机启动、燃烧室点火、燃机升速、自持点切换至发电状态、燃机升速至额定转速、发电功率提升并网、额定工况状态等过程。以30kW微型燃气轮机发电机组为研究对象，从理论和实验2方面对微型燃气轮机发电机组的启动过程进行研究，分析微型燃气轮机的启动路径，制定机组启动方案并进行实验。结果表明：发电机组可以有多种启动路径；制定的启动方案能够满足微型燃气轮机启动过程，发电机组可以跨过自持状态并发电，并且转速越高，机组达到自持状态的透平入口温度越低。研究结果对微型燃气轮机发电机组安全启动具有指导意义。

微型燃气轮机发电机组(MGTGS)；发电控制系统；启动过程；自持状态

0 引言

燃气轮机具有结构紧凑、维护成本低、碳排放低以及燃料多样性的优点[1-5]。微型燃气轮机不仅广泛用于分布式供能系统[6-10]，还可以与固体氧化物燃料电池[11]、太阳能发电[12]、朗肯循环[13]或者储能系统[14]相结合使用，甚至还可以作为车用动力[15]使用。

由于生产制造厂家的技术封锁，在全球范围内只有少数几家公司掌握微型燃气轮机生产制造技术[16]。目前，我国对微型燃气轮机的研究主 要集中在燃烧室排放、压气机和透平的设计与性能分析、微型燃气轮机建模、变工况性能分析 以及成熟机组的使用等方面[17-19]，对自主研制的微型燃气轮机发电机组(micro gas turbine generator set，MGTGS)启动过程分析和实验研究较少。微型燃气轮机发电机组的安全启动是其正常运行的前提[20-21]。微型燃气轮机启动过程分为3个阶 段[22]：第1个阶段是电动机单独驱动微型燃气轮机；第2个阶段是在成功点火后，在电动机和透平共同作用下升速至自持状态；第3个阶段是增加透平输出功率使微型燃气轮机达到额定状态。自持状态是指电机从电动状态切换到发电状态，对整个机组的安全启动有着至关重要的作用。

本文以30kW微型燃气轮机发电机组为研究对象，对微型燃气轮机启动过程进行研究，研究结果对我国微型燃气轮机发电机组安全启动具有指导意义。

1 微型燃气轮机发电机组实验装置

1.1 微型燃气轮机发电机组构成

本文研究的30kW微型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机本体和发电控制系统组成。微型燃气轮机本体由离心压气机、单筒燃烧室、向心透平、永磁电机及滑动轴承等部件组成，表1为 30kW微型燃气轮机发电机组的设计参数，图1为微型燃气轮机发电机组总体结构图。

表1 30kW微型燃气轮机发电机组设计参数

Tab.1 Designed parameters of 30kW MGTGS

图1 微型燃气轮机发电机组总体结构图

1）离心压气机。

压气机由消音器、叶轮罩壳、压气叶轮、扩压器、蜗壳等几个主要部分组成。压气叶轮为半开式径流叶轮，通过主轴带动旋转，与扩压器一起将吸入的空气压力提高。压气机额定流量为0.56kg/s，压比为2.4，图2为压气机叶轮的实体模型图。

图2 压气机叶轮实体模型图

2）单筒燃烧室。

燃烧室由火焰筒、燃烧室外机匣、进气支管、燃料喷嘴、高能点火器等组成，燃烧室结构如 图3所示。

图3 微型燃气轮机燃烧室结构简图

3）向心透平。

透平由涡壳、喷嘴环、透平叶轮、隔热罩等组成，透平叶轮采用径流式向心叶轮，为半开式结构，采用高温合金精密无余量铸造，通过主轴与压气叶轮和发电机相联，并为两者提供做功所需的能量，图4为透平叶片实体单元图。

4）高速永磁电机。

高速电机具有启动驱动和发电输出功率的功能，电机运行主要包含电动运行和发电运行2种

图4 透平叶轮实体单元图

状态，起动时电机处于电动运行，其他大部分时间里处于发电运行状态。

5）轴承及滑油系统。

轴承系统由轴承壳、轴承及轴承座、主轴等部分组成。轴承壳是整个机组的支撑，安装在作为底座的油箱上。轴承壳内部为油腔，通过下方的滑油入口与滑油系统相联。

6）控制系统。

微型燃气轮机发电机组的控制功能有启动停机控制、转速控制、温度控制、负荷控制等，还有应对微型燃气轮机的超速、超温、熄火、振动等安全保护措施。控制系统以网络方式通信，有主控制柜和电机控制柜，系统组成包括PLC控制器、变频器、整流器、调速器、燃料调节阀、转速传感器、温度传感器和压力传感器等。

1.2 实验装置

图5为微型燃气轮机发电系统实验装置图。向心透平与离心压气机同轴，永磁电机通过柔性联轴器共轴装配。在启动过程中，当透平做功的功率小于压气机和轴承的耗功时，永磁电机工作在拖动状态，补偿透平不足的功率；当透平提供的功率大于压气机和轴承的耗功时，永磁电机工

图5 微型燃气轮机发电机组装置

Fig. 5 Micro gas turbine generator set

作在发电状态，给负载供电。通过在电脑中设置负载值，进行发电机输出功率控制。

机组布置了温度、压力、流量、转速和震动传感器，用来测试机组的性能，图6为温度和燃料流量传感器的显示仪。为了确保微型燃气轮机的安全运行，在燃烧室的入口处布置了快关阀和回火阀。当超速和超温时，快关阀工作，立刻关闭燃料供应，回火阀是避免火焰从燃烧室进入储气罐。

图6 温度和流量显示面板

Fig. 6 Display panel of temperature and flow

2 微型燃气轮机发电机组的启动过程

2.1 微型燃气轮机发电机组启动路径

微型燃气轮机发电机组整个启动路径包含电动机启动、拖动升速、燃烧室点火、升速、电机切换以及升功率的过程，如图7所示。图7(a)是启动过程中电机的运行路径，横坐标为相对转速/0，纵坐标为功率。在自持点之前，微型燃气轮机发电机组由电动机拖动运行，需要消耗电功率；自持点之后，微型燃气轮机发电机组进入发电状态，先提升转速到额定值，然后开始输出功率。自持点的位置与机组的特性相关，不同机组达到自持点的转速并不一致，研究表明自持点是一个区间。机组可以在额定转速或者非额定转速下完成电机切换。启动路线分为2类：启动路线1和启动路线2。启动路线1在额定转速下提升发电功率；而启动路线2从点到点的过程中，微型燃气轮机发电机组的电机启动过程说明。

表2 微型燃气轮机发电机组的电机启动路径说明

图7(b)为对应启动过程中压气机、轴承和透平的功率特性，机组的耗功包括压气机耗功和滑动轴承耗功2部分。在点火之前，压气机和滑动不仅需要提升电功率，同时还需要提升转速。表2为整个轴承耗功，透平几乎不做功，由电动机拖动。在点火之后，透平开始输出功率，随着燃料增加，转速升高，透平输出功增速加大，直到与压气机和轴承耗功平衡，机组进入自持状态。进入自持状态后，机组的耗功与透平的做功始终处于动态平衡状态，电机转入发电状态，直至转速达到额定转速。在额定转速时，增加燃料量，透平输出功率进一步增加，当透平做功功率大于压气机和轴承消耗功率，发电机开始输出功率，直至发电机发电功率达到额定功率，微型燃气轮机发电机组整个启动过程结束。

2.2 微型燃气轮机发电机组启动方案

针对启动路线1，制定详细的微型燃气轮机发电机组启动方案，包括实验前准备和启动带载实验2个部分。启动路线2的启动方案与启动路线1类似。

2.2.1 实验前准备

打开润滑油油泵在静态下为主机润滑预热 5min，确认无壳体漏油、漏水等情况；记录实验初始数据，包括冷却水水温、流量、环境温度、大气压、各测点零位值等。

2.2.2 发电机组启动带载实验

选择能耗运行方式，在6000r/min点火，加燃料升速，达到目标转速34000r/min后，递增加载测试；在每步实验稳定运行后录波保存电机转速和功率曲线数据，每秒100点数据。

1）电机启动升速，目标转速6000r/min。

2）打开燃料气体阀门，向燃烧室内通入燃料气体，初始流量20mL/s，按增量5mL/s逐次增加流量，尝试点火/手动设置点火指令信号，通过燃烧室温度确定点火是否成功，如点火3次仍未成功，切断燃料气体并保持燃机转速5min后，在前次流量基础上，再次尝试点火，直至点火成功/手动设置点火成功信号。

3）点火成功后，稳定运行5min，记录转速、电压、电流、功率、振动、油温、燃烧室温度、压气机出口压力、燃料体积流量等参数。

4）升速率设置为1000r/min/s，在临界转速时设置为2000r/min/s。转速依次增加，同时增加燃料量，记录转速、电压、电流、功率、振动、油温、燃烧室温度、压气机出口压力、燃料体积流量等参数。

5）转速稳定在34000r/min，增加燃料量，同时观察电机功率，使得电机功率接近于零，燃机自持稳定运行5min，记录转速、电压、电流、功率、振动、油温、燃烧室温度、压气机出口压力、燃料体积流量等参数。

6）在不超过燃烧室最高允许温度情况下，逐渐提高燃料量和目标功率，记录转速、电压、电流、功率、振动、油温、燃烧室温度、压气机出口压力、燃料体积流量等参数。

7）到达最高允许温度或功率达到5kW后，记录转速、电压、电流、功率、振动、油温、燃烧室温度、压气机出口压力、燃料体积流量等 参数。

8）实验过程保证燃烧室不超温，如在运行过程中出现熄火、振动在非临界值超过4mm/s及需要停机处理的突发情况，应立即按下停机按钮。

3 启动过程实验结果分析

3.1 部件性能实验与分析

3.1.1 燃烧室排放结果

在燃烧室上，进行燃烧室出口CO、NO测量实验，对尾气的成分和温度进行测量和分析。进口空气流量范围0.150～0.252kg/s，天然气流量范围120～265L/min，出口温度范围800～900℃。

图8为燃烧温度与排放物的实验结果，燃烧室可以在800～900℃内运行。随着燃烧温度的增加，氮氧化物的排放量逐渐增加，当排放温度达到893℃时，氮氧化物排放量达到最大值 33.7mg/kg。而当燃烧温度为850℃时，氮氧化物排放量小于31.0mg/kg。综上可知，氮氧化物的排放量在设计状态下均在正常范围内，燃烧室均可正常工作。

图8 燃烧温度与排放物的实验结果

3.1.2 高速永磁电机实验

对高速永磁电机分别进行电动机状态空载实验和电机负载实验，测量发电机输出电压与电流。

电动机状态空载实验：控制器端电压380V，空载电流3.44A，空载转速32960r/min，电机空载运行正常。由于控制器频率限制，未能转到最高转速。

电机负载实验：2台电机通过挠性联轴器对托，一台做电动机运行，另一台做发电机运行。控制器端电压480V，电流43.8A，负载转速 33000r/min，发电机输出电压376V，输出电流55A，发电机输出功率20.68kW。

由于控制器所配电抗器电感值偏大，电动机不能运行到额定功率和额定转速工作点，从以上2组负载数据分析判断，控制器电抗器匹配合适，电机能够达到设计要求的技术指标。

3.2 机组实验结果与分析

3.2.1 振动实验结果与分析

微型燃气轮机发电机组转速从启动到29000r/min出现2次较大振动，数值与理论计算基本吻合，第1次出现在机组转速13000～16000 r/min，振动幅值为1.61mm/s；第2次出现在机组转速21000～23000r/min，振动幅值为 2.1mm/s。其他转速的振动幅值均小于1.0mm/s，表明机组的振动在合理范围内。

3.2.2 启动实验结果与分析

图9为微型燃气轮机发电机组启动实验数据，电功率是高速永磁电机的功率，当电功率为正时，高速永磁电机处于驱动状态；当电功率为负时，高速永磁电机处于发电状态。随着转速的增加，高速永磁电机功率先增大后减小，并且发电机组在趋近发电状态时，电功率波动幅度变小，功率趋于稳定。发电机组在快速跨越一阶临界转速范围时，电动机的功率波动较大。最终当转速稳定在29000r/min时，透平入口温度达到 850℃，机组发电功率为5kW。

图9 微型燃气轮机发电机组启动实验

3.2.3 启动过程自持性能实验与分析

图10为微型燃气轮机发电机组在不同转速下的自持点实验结果。实验中发电机组转速在28000～34000r/min下都能进入自持状态，在28000r/min转速下透平入口温度最高。随着转速的增加，发电机组达到自持状态时的透平入口温度逐渐降低，但燃料量持续增加。加速到34000r/min额定转速后，开始增加发电机组负荷，完成机组启动实验。

图10 微型燃气轮机发电机组不同转速下自持点实验

图11为发电机组在不同环境温度下进行的自持性能实验结果。发电机组分别在空气温度为22、24、26和32℃的环境中进行31000r/min转速下的自持性能实验。随着压气机入口空气温度的升高，机组达到自持状态的透平入口温度随之升高，燃料量也呈现总体增加的趋势。

4 结论

1）通过对微型燃气轮机发电机组启动过程进行研究，将微型燃气轮机发电机组启动过程分为以下过程：电机启动、燃烧室点火、拖动升速、自持点切换至发电状态、升速至额定转速、升功率以及额定工况的过程。电机的电动状态和发电状态在自持点处进行切换。在自持状态下机组透平的输出功与机组压气机和滑动轴承的耗功相平衡，对于机组启动有着重要的意义。

2）制定的微型燃气轮机发电机组启动方案能够保证发电机组安全正常启动。在跨越临界转速时，振动偏大，需要快速跨越临界转速，电机功率也会有较大的波动。

3）在不同转速下进行30kW微型燃气轮机发电机组自持性能实验，转速28000～34000r/min下发电机组都能进入自持状态，并且转速越高，机组达到自持状态的透平入口温度越低。环境温度越高，达到自持状态的透平入口温度越高。

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Experimental Study on Startup of 30kW Micro Gas Turbine Generator Set

GUAN Jin1, HE Zongze1, LÜ Xiaojing2, WENG Yiwu1

(1. Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. China-UK Low Carbon College, Shanghai Jiao Tong University, Pudong New Area, Shanghai 201306, China)

The safe startup of micro gas turbine generator set (MGTGS) is the premise of normal operation. The whole startup process contains the motor startup, ignition, speed promotion, motor switching from self-sustaining state to generator, gas turbine acceleration to rated speed, power generation power increase and grid connection, and rated working condition. The 30kW MGTGS was taken as the research object, the startup process was studied both theoretically and experimentally. The startup path of micro gas turbine was analyzed, and the startup scheme was formulated, and then the experiment was conducted. The results show that the startup process of MGTGS can be successfully accomplished in multiple paths with the designed startup scheme. MGTGS can cross over the self-sustaining state and the electricity is generated. Meanwhile, a higher speed can lead to lower self-sustaining turbine inlet temperature (TIT). This whole work is instructive to the safe startup process of MGTGS.

micro gas turbine generator set (MGTGS); power generation control system; startup process; self- sustaining state

2021-06-23。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21086

TK 05

国家自然科学基金项目(51806137)；上海市科研计划重大项目(18DZ1202002)。

Projected Supported by National Natural Science Foundation of China (51806137); Major Scientific Research Program of Shanghai (18DZ1202002).

(责任编辑 辛培裕)