微型燃氣輪機發(fā)電技術

前言

第1章微型燃氣輪機發(fā)電機組與分布式供電系統(tǒng)1

1.1微型燃氣輪機發(fā)電機組的概況1

1.2微型燃氣輪機發(fā)電機組與內(nèi)燃機發(fā)電機組的比較4

1.2.1內(nèi)燃機發(fā)電機組特點4

1.2.2微型燃氣輪機發(fā)電機組的特點7

1.3微型燃氣輪機發(fā)電機組的研發(fā)與應用現(xiàn)狀10

1.3.1國外研發(fā)與應用現(xiàn)狀10

1.3.2國內(nèi)研發(fā)與應用現(xiàn)狀12

參考文獻12

第2章微型燃氣輪機發(fā)電機組結構及工作原理14

2.1微型燃氣輪機發(fā)電機組的結構14

2.1.1微型燃氣輪機15

2.1.2永磁同步發(fā)電機16

2.1.3電能變換單元18

2.1.4智能控制單元23

2.1.5能量存儲技術28

2.2微型燃氣輪機發(fā)電機組工作原理31

2.2.1微型燃氣輪機發(fā)電機組的起動31

2.2.2正常運行32

參考文獻37

第3章微型燃氣輪機38

3.1微型燃氣輪機關鍵部件39

3.1.1壓縮機39

3.1.2回熱器41

3.1.3燃燒室45

3.1.4渦輪機49

3.1.5轉子與軸承50

3.1.6波轉子53

3.1.7輔助系統(tǒng)54

3.2微型燃氣輪機熱力循環(huán)57

3.2.1微型燃氣輪機等壓理想簡單循環(huán)58

3.2.2微型燃氣輪機等壓理想回熱循環(huán)59

3.2.3回熱循環(huán)過程計算60

3.2.4工質(zhì)在大氣中自然放熱過程70

3.2.5微型燃氣輪機有無回熱裝置的性能比較71

3.2.6微型燃氣輪機特性循環(huán)計算71

3.2.7微型燃氣輪機與波轉子頂層循環(huán)73

3.2.8外燃式微型燃氣輪機循環(huán)74

3.3壓縮機結構設計76

3.3.1壓縮機葉輪設計76

3.3.2壓縮機擴壓器設計82

3.4壓縮機的能量損失86

3.4.1摩擦損失86

3.4.2分離損失87

3.4.3二次流損失87

3.4.4尾跡損失89

3.4.5流通損失計算89

3.5微型燃氣輪機向心渦輪機的結構設計91

3.5.1向心渦輪機的熱力設計91

3.5.2向心渦輪機葉輪的結構設計93

參考文獻103

第4章高速永磁同步發(fā)電機105

4.1高速永磁同步發(fā)電機的原理與特點105

4.1.1高速永磁同步電機的原理105

4.1.2高速永磁同步電機的特點107

4.2高速永磁同步電機技術現(xiàn)狀108

4.2.1國外高速永磁中頻同步發(fā)電機技術現(xiàn)狀108

4.2.2國內(nèi)高速永磁中頻同步發(fā)電機技術現(xiàn)狀109

4.2.3研發(fā)高速永磁中頻同步發(fā)電機的必要性109

4.3高速永磁中頻同步發(fā)電機的關鍵技術111

4.3.1高速永磁中頻同步發(fā)電機的結構與材料111

4.3.2高速永磁中頻同步發(fā)電機關鍵技術分析116

4.3.3高速永磁同步電機技術性能指標分析122

4.4高速永磁中頻同步發(fā)電機的電磁設計127

4.4.1設計過程127

4.4.2設計任務128

4.4.3永磁體材料的體積128

4.4.4轉子的結構129

4.4.5電樞繞組與定子結構130

4.4.6參數(shù)計算與校核132

4.4.7仿真設計136

參考文獻139

第5章電能變換與系統(tǒng)控制141

5.1MTG系統(tǒng)電能變換單元141

5.2AC—DC雙向變換器142

5.2.1雙向變換器的基本工作原理142

5.2.2雙向變換器主電路結構144

5.2.3雙向變換器的基本工作模式147

5.2.4雙向變換器的控制方案147

5.3DC—AC逆變器149

5.3.1基本電路結構150

5.3.2基本工作模式151

5.3.3驅(qū)動與控制153

5.4蓄電池160

5.4.1閥控鉛酸蓄電池的基本結構161

5.4.2閥控鉛蓄電池的基本工作原理161

5.4.3閥控型密封鉛酸蓄電池的端電壓163

5.4.4蓄電池的充電方法165

5.5充電器165

5.5.1半橋式隔離充電器166

5.5.2全橋式變換電路168

5.6控制單元171

5.6.1控制單元的主要作用171

5.6.2控制單元的組成172

參考文獻172

第6章微型燃氣輪機發(fā)電機組的開發(fā)與應用173

6.1微型燃氣輪機發(fā)電機組的主要開發(fā)制造商173

6.1.1Bowman公司173

6.1.2Capstone燃氣輪機公司175

6.1.3Elliott能源系統(tǒng)股份有限公司178

6.1.4Ingersoll—Rand能源系統(tǒng)公司178

6.1.5Turbec公司181

6.2微型燃氣輪機發(fā)電機組的設計目標與應用領域183

6.2.1微型燃氣輪機的應用方式186

6.2.2分布式供電與熱電聯(lián)供192

6.2.3混合動力汽車197

6.2.4MTG與電網(wǎng)的互連和供電201

6.3微型燃氣輪機的國內(nèi)外應用案例204

6.3.1國外應用案例204

6.3.2國內(nèi)應用案例215

參考文獻222

第7章微型燃氣輪機發(fā)電機組的性能指標224

7.1主要電氣性能224

7.1.1額定電氣指標224

7.1.2負荷性能224

7.2動力性能225

7.2.1運行特性225

7.2.2起動特性229

7.2.3燃油消耗率230

7.2.4熱效率232

7.2.5輸出功率236

7.3安全與保護236

7.3.1超速保護236

7.3.2接地保護237

7.3.3熄火保護238

7.3.4潤滑不良保護238

7.3.5超溫保護238

7.3.6過載、過壓和短路保護238

7.4可靠性與環(huán)境特性238

7.4.1可靠性、維修性及可用性238

7.4.2環(huán)境特性242

7.5微型燃氣輪機發(fā)電機組的技術認證247

7.5.1互聯(lián)認證248

7.5.2質(zhì)量認證249

7.5.3環(huán)境認證249

參考文獻251 2100433B

內(nèi)容包括微型燃氣輪發(fā)電機組與分布式供電系統(tǒng)；微型燃氣輪機發(fā)電機組結構及原理；微型燃氣輪機；高速永磁同步電機；電能變換與系統(tǒng)控制；微型燃氣輪發(fā)電機組的開發(fā)與應用；微型燃氣輪發(fā)電機組的性能指標。

正常運行情況下，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機輸出的高頻電能，必須經(jīng)過電力電子裝置實現(xiàn)頻率變換才能送入工頻電網(wǎng)。也就是說，并網(wǎng)運行的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的永磁發(fā)電機與工頻交流電網(wǎng)之間需要有用于實現(xiàn)頻率變換的變流器(也叫變頻器)。一般采用AC—DC—AC變換的方式。 在起動階段，永磁發(fā)電機工作在電動機模式時，必須為該高速電機提供高頻的交流電源。也就是說，在工頻電網(wǎng)為微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中的高速電機供電(永磁發(fā)電機運行在電動機模式)時，也需要變頻轉換。

由于在永磁發(fā)電機和工頻電網(wǎng)之間，電能可能從永磁發(fā)電機流向電網(wǎng)(正常運行時的發(fā)電模式)，也可能是從電網(wǎng)流向永磁發(fā)電機(起動階段的電動機模式)，這就要求變頻裝置可以靈活控制，而且變流器中的電力電子開關器件必須是全控型的。

如果是離網(wǎng)運行的話，起動階段還必須提供容量足夠的儲能裝置。

先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無論對中心城市還是遠郊農(nóng)村甚至邊遠地區(qū)均能適用。此外，微型燃氣輪機在民用交通運輸（混合動力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢，受到美、俄等軍事大國的關注，因此，從國家安全看發(fā)展微型燃氣輪機也是非常重要的。

中國100千瓦微型燃機滿負荷運行

繼首次熱啟動成功后，日前，國內(nèi)首臺100千瓦微型燃氣輪機在中航工業(yè)東安成功加載至100千瓦，達到額定發(fā)電功率狀態(tài)，運行穩(wěn)定，標志著100千瓦級微型燃氣輪機及其供能系統(tǒng)課題研究又邁出了具有決定意義的一步。

100千瓦級微型燃氣輪機及其供能系統(tǒng)是以東安為主體實施單位，聯(lián)合中國科學院工程熱物理研究所、西安交通大學、中航工業(yè)動研所共同承擔的“十一五”國家“863計劃”微型燃氣輪機重點項目課題。課題組先后完成了高效葉輪機械、低污染低排放燃燒室、緊湊式原表面回熱器、高速永磁電機、燃機控制器和變頻系統(tǒng)以及微型燃氣輪機整機的設計研制，取得了豐碩的科研成果，已申請并獲得國家專利30余項。試驗中，參研單位采用了國際先進的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，更新了潤滑油循環(huán)系統(tǒng)，改造了安裝平臺、燃氣輪機支撐臺架和排氣系統(tǒng)，為試車創(chuàng)造了條件。

100千瓦微型燃氣輪機研制取得決定性突破將有助于提高我國微型燃氣輪機及其相關產(chǎn)品的研發(fā)能力，形成我國微型燃氣輪機較完整的自主知識產(chǎn)權體系和制造能力，為開拓以微型燃氣輪機為核心的分布式供能產(chǎn)業(yè)提供支撐。同時，將縮短我國微型燃氣輪機研制水平與世界先進水平的差距。下一步參研單位將進行回熱循環(huán)試驗和工程示范，力爭早日完成課題任務，實現(xiàn)微型燃氣輪機由基礎研究到工程應用的跨越。