微型燃气轮机发电技术

前言

第1章微型燃气轮机发电机组与分布式供电系统1

1.1微型燃气轮机发电机组的概况1

1.2微型燃气轮机发电机组与内燃机发电机组的比较4

1.2.1内燃机发电机组特点4

1.2.2微型燃气轮机发电机组的特点7

1.3微型燃气轮机发电机组的研发与应用现状10

1.3.1国外研发与应用现状10

1.3.2国内研发与应用现状12

参考文献12

第2章微型燃气轮机发电机组结构及工作原理14

2.1微型燃气轮机发电机组的结构14

2.1.1微型燃气轮机15

2.1.2永磁同步发电机16

2.1.3电能变换单元18

2.1.4智能控制单元23

2.1.5能量存储技术28

2.2微型燃气轮机发电机组工作原理31

2.2.1微型燃气轮机发电机组的起动31

2.2.2正常运行32

参考文献37

第3章微型燃气轮机38

3.1微型燃气轮机关键部件39

3.1.1压缩机39

3.1.2回热器41

3.1.3燃烧室45

3.1.4涡轮机49

3.1.5转子与轴承50

3.1.6波转子53

3.1.7辅助系统54

3.2微型燃气轮机热力循环57

3.2.1微型燃气轮机等压理想简单循环58

3.2.2微型燃气轮机等压理想回热循环59

3.2.3回热循环过程计算60

3.2.4工质在大气中自然放热过程70

3.2.5微型燃气轮机有无回热装置的性能比较71

3.2.6微型燃气轮机特性循环计算71

3.2.7微型燃气轮机与波转子顶层循环73

3.2.8外燃式微型燃气轮机循环74

3.3压缩机结构设计76

3.3.1压缩机叶轮设计76

3.3.2压缩机扩压器设计82

3.4压缩机的能量损失86

3.4.1摩擦损失86

3.4.2分离损失87

3.4.3二次流损失87

3.4.4尾迹损失89

3.4.5流通损失计算89

3.5微型燃气轮机向心涡轮机的结构设计91

3.5.1向心涡轮机的热力设计91

3.5.2向心涡轮机叶轮的结构设计93

参考文献103

第4章高速永磁同步发电机105

4.1高速永磁同步发电机的原理与特点105

4.1.1高速永磁同步电机的原理105

4.1.2高速永磁同步电机的特点107

4.2高速永磁同步电机技术现状108

4.2.1国外高速永磁中频同步发电机技术现状108

4.2.2国内高速永磁中频同步发电机技术现状109

4.2.3研发高速永磁中频同步发电机的必要性109

4.3高速永磁中频同步发电机的关键技术111

4.3.1高速永磁中频同步发电机的结构与材料111

4.3.2高速永磁中频同步发电机关键技术分析116

4.3.3高速永磁同步电机技术性能指标分析122

4.4高速永磁中频同步发电机的电磁设计127

4.4.1设计过程127

4.4.2设计任务128

4.4.3永磁体材料的体积128

4.4.4转子的结构129

4.4.5电枢绕组与定子结构130

4.4.6参数计算与校核132

4.4.7仿真设计136

参考文献139

第5章电能变换与系统控制141

5.1MTG系统电能变换单元141

5.2AC—DC双向变换器142

5.2.1双向变换器的基本工作原理142

5.2.2双向变换器主电路结构144

5.2.3双向变换器的基本工作模式147

5.2.4双向变换器的控制方案147

5.3DC—AC逆变器149

5.3.1基本电路结构150

5.3.2基本工作模式151

5.3.3驱动与控制153

5.4蓄电池160

5.4.1阀控铅酸蓄电池的基本结构161

5.4.2阀控铅蓄电池的基本工作原理161

5.4.3阀控型密封铅酸蓄电池的端电压163

5.4.4蓄电池的充电方法165

5.5充电器165

5.5.1半桥式隔离充电器166

5.5.2全桥式变换电路168

5.6控制单元171

5.6.1控制单元的主要作用171

5.6.2控制单元的组成172

参考文献172

第6章微型燃气轮机发电机组的开发与应用173

6.1微型燃气轮机发电机组的主要开发制造商173

6.1.1Bowman公司173

6.1.2Capstone燃气轮机公司175

6.1.3Elliott能源系统股份有限公司178

6.1.4Ingersoll—Rand能源系统公司178

6.1.5Turbec公司181

6.2微型燃气轮机发电机组的设计目标与应用领域183

6.2.1微型燃气轮机的应用方式186

6.2.2分布式供电与热电联供192

6.2.3混合动力汽车197

6.2.4MTG与电网的互连和供电201

6.3微型燃气轮机的国内外应用案例204

6.3.1国外应用案例204

6.3.2国内应用案例215

参考文献222

第7章微型燃气轮机发电机组的性能指标224

7.1主要电气性能224

7.1.1额定电气指标224

7.1.2负荷性能224

7.2动力性能225

7.2.1运行特性225

7.2.2起动特性229

7.2.3燃油消耗率230

7.2.4热效率232

7.2.5输出功率236

7.3安全与保护236

7.3.1超速保护236

7.3.2接地保护237

7.3.3熄火保护238

7.3.4润滑不良保护238

7.3.5超温保护238

7.3.6过载、过压和短路保护238

7.4可靠性与环境特性238

7.4.1可靠性、维修性及可用性238

7.4.2环境特性242

7.5微型燃气轮机发电机组的技术认证247

7.5.1互联认证248

7.5.2质量认证249

7.5.3环境认证249

参考文献251 2100433B

内容包括微型燃气轮发电机组与分布式供电系统；微型燃气轮机发电机组结构及原理；微型燃气轮机；高速永磁同步电机；电能变换与系统控制；微型燃气轮发电机组的开发与应用；微型燃气轮发电机组的性能指标。

正常运行情况下，微型燃气轮机发电系统中永磁发电机输出的高频电能，必须经过电力电子装置实现频率变换才能送入工频电网。也就是说，并网运行的微型燃气轮机发电系统的永磁发电机与工频交流电网之间需要有用于实现频率变换的变流器(也叫变频器)。一般采用AC—DC—AC变换的方式。 在起动阶段，永磁发电机工作在电动机模式时，必须为该高速电机提供高频的交流电源。也就是说，在工频电网为微型燃气轮机发电系统中的高速电机供电(永磁发电机运行在电动机模式)时，也需要变频转换。

由于在永磁发电机和工频电网之间，电能可能从永磁发电机流向电网(正常运行时的发电模式)，也可能是从电网流向永磁发电机(起动阶段的电动机模式)，这就要求变频装置可以灵活控制，而且变流器中的电力电子开关器件必须是全控型的。

如果是离网运行的话，起动阶段还必须提供容量足够的储能装置。

先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。

中国100千瓦微型燃机满负荷运行

继首次热启动成功后，日前，国内首台100千瓦微型燃气轮机在中航工业东安成功加载至100千瓦，达到额定发电功率状态，运行稳定，标志着100千瓦级微型燃气轮机及其供能系统课题研究又迈出了具有决定意义的一步。

100千瓦级微型燃气轮机及其供能系统是以东安为主体实施单位，联合中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学、中航工业动研所共同承担的“十一五”国家“863计划”微型燃气轮机重点项目课题。课题组先后完成了高效叶轮机械、低污染低排放燃烧室、紧凑式原表面回热器、高速永磁电机、燃机控制器和变频系统以及微型燃气轮机整机的设计研制，取得了丰硕的科研成果，已申请并获得国家专利30余项。试验中，参研单位采用了国际先进的数据采集系统，更新了润滑油循环系统，改造了安装平台、燃气轮机支撑台架和排气系统，为试车创造了条件。

100千瓦微型燃气轮机研制取得决定性突破将有助于提高我国微型燃气轮机及其相关产品的研发能力，形成我国微型燃气轮机较完整的自主知识产权体系和制造能力，为开拓以微型燃气轮机为核心的分布式供能产业提供支撑。同时，将缩短我国微型燃气轮机研制水平与世界先进水平的差距。下一步参研单位将进行回热循环试验和工程示范，力争早日完成课题任务，实现微型燃气轮机由基础研究到工程应用的跨越。