30kW微型燃氣輪機發電機組啟動實驗研究

管金，何宗澤，呂小靜，翁一武

30kW微型燃氣輪機發電機組啟動實驗研究

管金1，何宗澤1，呂小靜2，翁一武1

（1．上海交通大學機械與動力工程教育部重點實驗室，上海市 閔行區 200240；2．上海交通大學中英國際低碳學院，上海市 浦東新區 201306）

微型燃氣輪機發電機組的安全啟動是機組正常運行的前提，整個啟動過程包含電機啟動、燃燒室點火、燃機升速、自持點切換至發電狀態、燃機升速至額定轉速、發電功率提升并網、額定工況狀態等過程。以30kW微型燃氣輪機發電機組為研究對象，從理論和實驗2方面對微型燃氣輪機發電機組的啟動過程進行研究，分析微型燃氣輪機的啟動路徑，制定機組啟動方案并進行實驗。結果表明：發電機組可以有多種啟動路徑；制定的啟動方案能夠滿足微型燃氣輪機啟動過程，發電機組可以跨過自持狀態并發電，并且轉速越高，機組達到自持狀態的透平入口溫度越低。研究結果對微型燃氣輪機發電機組安全啟動具有指導意義。

微型燃氣輪機發電機組(MGTGS)；發電控制系統；啟動過程；自持狀態

0 引言

燃氣輪機具有結構緊湊、維護成本低、碳排放低以及燃料多樣性的優點[1-5]。微型燃氣輪機不僅廣泛用于分布式供能系統[6-10]，還可以與固體氧化物燃料電池[11]、太陽能發電[12]、朗肯循環[13]或者儲能系統[14]相結合使用，甚至還可以作為車用動力[15]使用。

由于生產制造廠家的技術封鎖，在全球范圍內只有少數幾家公司掌握微型燃氣輪機生產制造技術[16]。目前，我國對微型燃氣輪機的研究主 要集中在燃燒室排放、壓氣機和透平的設計與性能分析、微型燃氣輪機建模、變工況性能分析 以及成熟機組的使用等方面[17-19]，對自主研制的微型燃氣輪機發電機組(micro gas turbine generator set，MGTGS)啟動過程分析和實驗研究較少。微型燃氣輪機發電機組的安全啟動是其正常運行的前提[20-21]。微型燃氣輪機啟動過程分為3個階 段[22]：第1個階段是電動機單獨驅動微型燃氣輪機；第2個階段是在成功點火后，在電動機和透平共同作用下升速至自持狀態；第3個階段是增加透平輸出功率使微型燃氣輪機達到額定狀態。自持狀態是指電機從電動狀態切換到發電狀態，對整個機組的安全啟動有著至關重要的作用。

本文以30kW微型燃氣輪機發電機組為研究對象，對微型燃氣輪機啟動過程進行研究，研究結果對我國微型燃氣輪機發電機組安全啟動具有指導意義。

1 微型燃氣輪機發電機組實驗裝置

1.1 微型燃氣輪機發電機組構成

本文研究的30kW微型燃氣輪機發電機組由微型燃氣輪機本體和發電控制系統組成。微型燃氣輪機本體由離心壓氣機、單筒燃燒室、向心透平、永磁電機及滑動軸承等部件組成，表1為 30kW微型燃氣輪機發電機組的設計參數，圖1為微型燃氣輪機發電機組總體結構圖。

表1 30kW微型燃氣輪機發電機組設計參數

Tab.1 Designed parameters of 30kW MGTGS

圖1 微型燃氣輪機發電機組總體結構圖

1）離心壓氣機。

壓氣機由消音器、葉輪罩殼、壓氣葉輪、擴壓器、蝸殼等幾個主要部分組成。壓氣葉輪為半開式徑流葉輪，通過主軸帶動旋轉，與擴壓器一起將吸入的空氣壓力提高。壓氣機額定流量為0.56kg/s，壓比為2.4，圖2為壓氣機葉輪的實體模型圖。

圖2 壓氣機葉輪實體模型圖

2）單筒燃燒室。

燃燒室由火焰筒、燃燒室外機匣、進氣支管、燃料噴嘴、高能點火器等組成，燃燒室結構如 圖3所示。

圖3 微型燃氣輪機燃燒室結構簡圖

3）向心透平。

透平由渦殼、噴嘴環、透平葉輪、隔熱罩等組成，透平葉輪采用徑流式向心葉輪，為半開式結構，采用高溫合金精密無余量鑄造，通過主軸與壓氣葉輪和發電機相聯，并為兩者提供做功所需的能量，圖4為透平葉片實體單元圖。

4）高速永磁電機。

高速電機具有啟動驅動和發電輸出功率的功能，電機運行主要包含電動運行和發電運行2種

圖4 透平葉輪實體單元圖

狀態，起動時電機處于電動運行，其他大部分時間里處于發電運行狀態。

5）軸承及滑油系統。

軸承系統由軸承殼、軸承及軸承座、主軸等部分組成。軸承殼是整個機組的支撐，安裝在作為底座的油箱上。軸承殼內部為油腔，通過下方的滑油入口與滑油系統相聯。

6）控制系統。

微型燃氣輪機發電機組的控制功能有啟動停機控制、轉速控制、溫度控制、負荷控制等，還有應對微型燃氣輪機的超速、超溫、熄火、振動等安全保護措施。控制系統以網絡方式通信，有主控制柜和電機控制柜，系統組成包括PLC控制器、變頻器、整流器、調速器、燃料調節閥、轉速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等。

1.2 實驗裝置

圖5為微型燃氣輪機發電系統實驗裝置圖。向心透平與離心壓氣機同軸，永磁電機通過柔性聯軸器共軸裝配。在啟動過程中，當透平做功的功率小于壓氣機和軸承的耗功時，永磁電機工作在拖動狀態，補償透平不足的功率；當透平提供的功率大于壓氣機和軸承的耗功時，永磁電機工

圖5 微型燃氣輪機發電機組裝置

Fig. 5 Micro gas turbine generator set

作在發電狀態，給負載供電。通過在電腦中設置負載值，進行發電機輸出功率控制。

機組布置了溫度、壓力、流量、轉速和震動傳感器，用來測試機組的性能，圖6為溫度和燃料流量傳感器的顯示儀。為了確保微型燃氣輪機的安全運行，在燃燒室的入口處布置了快關閥和回火閥。當超速和超溫時，快關閥工作，立刻關閉燃料供應，回火閥是避免火焰從燃燒室進入儲氣罐。

圖6 溫度和流量顯示面板

Fig. 6 Display panel of temperature and flow

2 微型燃氣輪機發電機組的啟動過程

2.1 微型燃氣輪機發電機組啟動路徑

微型燃氣輪機發電機組整個啟動路徑包含電動機啟動、拖動升速、燃燒室點火、升速、電機切換以及升功率的過程，如圖7所示。圖7(a)是啟動過程中電機的運行路徑，橫坐標為相對轉速/0，縱坐標為功率。在自持點之前，微型燃氣輪機發電機組由電動機拖動運行，需要消耗電功率；自持點之后，微型燃氣輪機發電機組進入發電狀態，先提升轉速到額定值，然后開始輸出功率。自持點的位置與機組的特性相關，不同機組達到自持點的轉速并不一致，研究表明自持點是一個區間。機組可以在額定轉速或者非額定轉速下完成電機切換。啟動路線分為2類：啟動路線1和啟動路線2。啟動路線1在額定轉速下提升發電功率；而啟動路線2從點到點的過程中，微型燃氣輪機發電機組的電機啟動過程說明。

表2 微型燃氣輪機發電機組的電機啟動路徑說明

圖7(b)為對應啟動過程中壓氣機、軸承和透平的功率特性，機組的耗功包括壓氣機耗功和滑動軸承耗功2部分。在點火之前，壓氣機和滑動不僅需要提升電功率，同時還需要提升轉速。表2為整個軸承耗功，透平幾乎不做功，由電動機拖動。在點火之后，透平開始輸出功率，隨著燃料增加，轉速升高，透平輸出功增速加大，直到與壓氣機和軸承耗功平衡，機組進入自持狀態。進入自持狀態后，機組的耗功與透平的做功始終處于動態平衡狀態，電機轉入發電狀態，直至轉速達到額定轉速。在額定轉速時，增加燃料量，透平輸出功率進一步增加，當透平做功功率大于壓氣機和軸承消耗功率，發電機開始輸出功率，直至發電機發電功率達到額定功率，微型燃氣輪機發電機組整個啟動過程結束。

2.2 微型燃氣輪機發電機組啟動方案

針對啟動路線1，制定詳細的微型燃氣輪機發電機組啟動方案，包括實驗前準備和啟動帶載實驗2個部分。啟動路線2的啟動方案與啟動路線1類似。

2.2.1 實驗前準備

打開潤滑油油泵在靜態下為主機潤滑預熱 5min，確認無殼體漏油、漏水等情況；記錄實驗初始數據，包括冷卻水水溫、流量、環境溫度、大氣壓、各測點零位值等。

2.2.2 發電機組啟動帶載實驗

選擇能耗運行方式，在6000r/min點火，加燃料升速，達到目標轉速34000r/min后，遞增加載測試；在每步實驗穩定運行后錄波保存電機轉速和功率曲線數據，每秒100點數據。

1）電機啟動升速，目標轉速6000r/min。

2）打開燃料氣體閥門，向燃燒室內通入燃料氣體，初始流量20mL/s，按增量5mL/s逐次增加流量，嘗試點火/手動設置點火指令信號，通過燃燒室溫度確定點火是否成功，如點火3次仍未成功，切斷燃料氣體并保持燃機轉速5min后，在前次流量基礎上，再次嘗試點火，直至點火成功/手動設置點火成功信號。

3）點火成功后，穩定運行5min，記錄轉速、電壓、電流、功率、振動、油溫、燃燒室溫度、壓氣機出口壓力、燃料體積流量等參數。

4）升速率設置為1000r/min/s，在臨界轉速時設置為2000r/min/s。轉速依次增加，同時增加燃料量，記錄轉速、電壓、電流、功率、振動、油溫、燃燒室溫度、壓氣機出口壓力、燃料體積流量等參數。

5）轉速穩定在34000r/min，增加燃料量，同時觀察電機功率，使得電機功率接近于零，燃機自持穩定運行5min，記錄轉速、電壓、電流、功率、振動、油溫、燃燒室溫度、壓氣機出口壓力、燃料體積流量等參數。

6）在不超過燃燒室最高允許溫度情況下，逐漸提高燃料量和目標功率，記錄轉速、電壓、電流、功率、振動、油溫、燃燒室溫度、壓氣機出口壓力、燃料體積流量等參數。

7）到達最高允許溫度或功率達到5kW后，記錄轉速、電壓、電流、功率、振動、油溫、燃燒室溫度、壓氣機出口壓力、燃料體積流量等 參數。

8）實驗過程保證燃燒室不超溫，如在運行過程中出現熄火、振動在非臨界值超過4mm/s及需要停機處理的突發情況，應立即按下停機按鈕。

3 啟動過程實驗結果分析

3.1 部件性能實驗與分析

3.1.1 燃燒室排放結果

在燃燒室上，進行燃燒室出口CO、NO測量實驗，對尾氣的成分和溫度進行測量和分析。進口空氣流量范圍0.150～0.252kg/s，天然氣流量范圍120～265L/min，出口溫度范圍800～900℃。

圖8為燃燒溫度與排放物的實驗結果，燃燒室可以在800～900℃內運行。隨著燃燒溫度的增加，氮氧化物的排放量逐漸增加，當排放溫度達到893℃時，氮氧化物排放量達到最大值 33.7mg/kg。而當燃燒溫度為850℃時，氮氧化物排放量小于31.0mg/kg。綜上可知，氮氧化物的排放量在設計狀態下均在正常范圍內，燃燒室均可正常工作。

圖8 燃燒溫度與排放物的實驗結果

3.1.2 高速永磁電機實驗

對高速永磁電機分別進行電動機狀態空載實驗和電機負載實驗，測量發電機輸出電壓與電流。

電動機狀態空載實驗：控制器端電壓380V，空載電流3.44A，空載轉速32960r/min，電機空載運行正常。由于控制器頻率限制，未能轉到最高轉速。

電機負載實驗：2臺電機通過撓性聯軸器對托，一臺做電動機運行，另一臺做發電機運行。控制器端電壓480V，電流43.8A，負載轉速 33000r/min，發電機輸出電壓376V，輸出電流55A，發電機輸出功率20.68kW。

由于控制器所配電抗器電感值偏大，電動機不能運行到額定功率和額定轉速工作點，從以上2組負載數據分析判斷，控制器電抗器匹配合適，電機能夠達到設計要求的技術指標。

3.2 機組實驗結果與分析

3.2.1 振動實驗結果與分析

微型燃氣輪機發電機組轉速從啟動到29000r/min出現2次較大振動，數值與理論計算基本吻合，第1次出現在機組轉速13000～16000 r/min，振動幅值為1.61mm/s；第2次出現在機組轉速21000～23000r/min，振動幅值為 2.1mm/s。其他轉速的振動幅值均小于1.0mm/s，表明機組的振動在合理范圍內。

3.2.2 啟動實驗結果與分析

圖9為微型燃氣輪機發電機組啟動實驗數據，電功率是高速永磁電機的功率，當電功率為正時，高速永磁電機處于驅動狀態；當電功率為負時，高速永磁電機處于發電狀態。隨著轉速的增加，高速永磁電機功率先增大后減小，并且發電機組在趨近發電狀態時，電功率波動幅度變小，功率趨于穩定。發電機組在快速跨越一階臨界轉速范圍時，電動機的功率波動較大。最終當轉速穩定在29000r/min時，透平入口溫度達到 850℃，機組發電功率為5kW。

圖9 微型燃氣輪機發電機組啟動實驗

3.2.3 啟動過程自持性能實驗與分析

圖10為微型燃氣輪機發電機組在不同轉速下的自持點實驗結果。實驗中發電機組轉速在28000～34000r/min下都能進入自持狀態，在28000r/min轉速下透平入口溫度最高。隨著轉速的增加，發電機組達到自持狀態時的透平入口溫度逐漸降低，但燃料量持續增加。加速到34000r/min額定轉速后，開始增加發電機組負荷，完成機組啟動實驗。

圖10 微型燃氣輪機發電機組不同轉速下自持點實驗

圖11為發電機組在不同環境溫度下進行的自持性能實驗結果。發電機組分別在空氣溫度為22、24、26和32℃的環境中進行31000r/min轉速下的自持性能實驗。隨著壓氣機入口空氣溫度的升高，機組達到自持狀態的透平入口溫度隨之升高，燃料量也呈現總體增加的趨勢。

4 結論

1）通過對微型燃氣輪機發電機組啟動過程進行研究，將微型燃氣輪機發電機組啟動過程分為以下過程：電機啟動、燃燒室點火、拖動升速、自持點切換至發電狀態、升速至額定轉速、升功率以及額定工況的過程。電機的電動狀態和發電狀態在自持點處進行切換。在自持狀態下機組透平的輸出功與機組壓氣機和滑動軸承的耗功相平衡，對于機組啟動有著重要的意義。

2）制定的微型燃氣輪機發電機組啟動方案能夠保證發電機組安全正常啟動。在跨越臨界轉速時，振動偏大，需要快速跨越臨界轉速，電機功率也會有較大的波動。

3）在不同轉速下進行30kW微型燃氣輪機發電機組自持性能實驗，轉速28000～34000r/min下發電機組都能進入自持狀態，并且轉速越高，機組達到自持狀態的透平入口溫度越低。環境溫度越高，達到自持狀態的透平入口溫度越高。

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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

國家自然科學基金項目(51806137)；上海市科研計劃重大項目(18DZ1202002)。

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

(責任編輯 辛培裕)