一文读懂 | 微型燃气轮机的那些事

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导语

历史上，用于发电的大多数燃气轮机都相对较大，大多输出功率超过1兆瓦。许多燃气轮机的输出功率甚至达到数百兆瓦。然而，有一类功率较小的燃气轮机，被称为微型燃气轮机。这些燃气轮机旨在用于分布式发电应用，为一组本地能源用户提供电能，并经常提供供暖或制冷。对于最小的微型燃气轮机，用户可能是一个单一的家庭。甚至还有更小的装置，被称为超微型燃气轮机。

B+K一款微型燃气轮机

关于微型燃气轮机，一般认为功率输出小于1兆瓦的燃气轮机为微型燃气轮机。这涵盖了一个相对大的领域，因为其中最小的燃气轮机直径可能在数十毫米左右，输出为10到100瓦。对于固定应用场景，最小功率可以是1到5千瓦，足以为小型住宅提供电力。然而，大多数商用微型燃气轮机的尺寸要大得多，功率从30到500千瓦不等。这些设备也可以并联使用，形成更大的微型燃气轮机装置。

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微型燃气轮机技术

虽然主要的燃气轮机技术可以追溯到20世纪中期航空发动机的发展，通常认为微型燃气轮机是从安装在飞机上以提供电力和热能的辅助动力装置而来。类似的装置在20世纪70年代也曾尝试作为汽车动力单元，但该技术并没有取得成功。

微型燃气轮机是小型燃气轮机，由于体积小，它们通常也比较简单。典型的微型燃气轮机将使用径向压气机和涡轮，而不是较大燃气轮机中常见的轴向部件。压气机和涡轮可能都是单级的，安装在同一轴上，中间有一个燃烧室。

高速发电机与压气机与涡轮共享同一根轴，形成紧凑的设计。尽管传统的润滑油轴承也很常见，但这些小型涡轮具有极高的旋转速度，通常在40,000到120,000转/分钟之间，为了适应高转速条件，微型燃气轮机通常使用空气轴承、磁悬浮轴承以减小摩擦。高转速条件下，发电机的输出频率同样很高，可能高达1000赫兹。为了匹配电网频率，这些系统因此配备了电子频率转换硬件。可以调节供电并控制电压和频率，该装置可以根据需要独立于电网运行。

一种微型燃气轮机的压气机与涡轮

在微型燃气轮机中，与较大燃气轮机的多级压缩机相比，使用单级径向压气机实现的压缩比较低。其典型的压缩比为3:1到4:1。为了获得高效率，这些机器通常需要包含一个回热器。下图以示例形式展示了带有回热器的微型燃气轮机。

带有余热回收的微型燃气轮机构型

下图则展示了商业微型燃气轮机的横截面。回热器从涡轮的废气中收集能量，并用于在压气机压缩空气进入燃烧室之前对其进行预热。带有回热器的微型燃气轮机的典型效率为25%到30%。还有一些不使用回热器的微型燃气轮机。这些装置往往比带有回热器的装置更坚固，但其效率较低，约为15%。

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微型燃气轮机的所有组件通常都集成在一起，可以直接连接到电网。这种设备的安装便捷性是其吸引力之一。然而，与许多其他发电形式相比，其效率较低。如果进一步利用从回热器废气中排出的废热用于加热联合发电系统中的水，这可以抵消一部分效率损失。这将使整体效率提高到85%，废热还可用于驱动制冷机进行制冷。在需要余热利用的场合，因为这样可以利用更多的废热能量，这种情况下一个简单的不带回热器的微型燃气轮机可能更有效。

微型燃气轮机性能强化手段

这里微型燃气轮机可能表现出最大优势的领域是排放性能。燃气轮机产生的主要污染物是氮氧化物（NOx），而微型燃气轮机的这些排放通常非常低。这通常允许在城市地区安装微型燃气轮机而无需额外的排放控制系统。

一种微型燃气轮机

有一些改进措施可以提高微型燃气轮机的性能，其中一种可能具有成本效益的方法是进气空气冷却。这种方法有两个优点。第一个是使燃气轮机免受环境气温变化的影响。第二个是通过降低进气温度，增加进气和出气口之间的温差，从而在正常运行条件下增加功率输出。

第二个方法是通过使用闭式有机朗肯循环，利用微型燃气轮机排气的热量，来创建微型联合循环发电站。这是解决效率问题的一种复杂且可能成本高昂的方法，但有潜力显著提高效率。

另一种热循环改善是在微型燃气轮机的燃烧室中进行蒸汽喷射。同样，这增加了系统复杂性，而且可能不具有成本效益。

提高微型燃气轮机性能的其他方法与较大燃气轮机相同，即通过提高涡轮的进气温度。微型燃气轮机的小尺寸意味着使用高温陶瓷部件可能比较大的燃气轮机更具成本效益。通常不在微型燃气轮机中使用的热障涂层也可以引入。

一种微型燃气轮机

微型燃气轮机的应用

微型燃气轮机有广泛的应用领域。一个主要用途可能是备用电源。这可能在医院或数据中心中使用，其中电力可靠性至关重要，但如果电网供应不够可靠，它也可以在对电力要求不太敏感的商业环境中使用。此外，可以利用微型燃气轮机进行电力调峰，使用该装置在发电成本较高时提供电力。

微型燃气轮机正在发展领域是寻找替代燃料。从各种来源产生的生物气体、油田的伴生气提供了一个可能性。

微型燃气轮机的简单性（集化度高，体积小）可能使其比常用于燃烧这些气体的传统热机更具吸引力。

在需要热量和电力的地方，微型燃气轮机可以提供具有成本效益的能源来源。如果站点位于排放法规严格的城区，微型燃气轮机可能是适合的解决方案。在美国，有餐馆和大学校园安装微型燃气轮机的例子。

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超微型燃气轮机

有一种称为超微型燃气轮机的燃气轮机比微型燃气轮机更小。这些超微型燃气轮机仍处于研究阶段，这些设备的输出通常为数十到数百瓦，直径通常只有几厘米。

由于这么小的机器，部件的制造存在重大难题，如涡轮和压气机。这些超微型燃气轮机的转速可以超过每分钟100,000转。小尺寸意味着在较大燃气轮机中不显著的各种效应凸显出来，如气流摩擦，将在超微型燃气轮机中起到主导作用。还需要新颖的燃烧室设计，可能需要新材料来制造所有组件。预计这些超微型燃气轮机的效率将低于上述微型燃气轮机。

它们的优势在于功率密度，特别是与它们可能的竞争对手——电池相比。这些设备的应用包括军事和在无人机中的应用，后者可能是最具吸引力的市场。由于这些设备的高工作温度，民用用途可能受到限制。

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