Capstone C系列微型燃氣輪機特性的研究

孫 潔 ， 孫五一 , 國旭濤, 李金芳 , 謝 娜

(1． 杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；2． 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014)

微型燃氣輪機是一類新近發展起來的小型熱力發動機，其單機功率范圍為25～300 kW，基本技術特征是采用徑流式葉輪機械(向心式透平和離心式壓縮機)以及回熱循環。微型燃氣輪機發電技術掀起了“分布式能源”的技術革新熱潮。同時我國“十三五”規劃中明確指出清潔能源與核能及可再生能源等其它低排放能源形成良性互補，是能源供應清潔化的最現實選擇[1-2]。

1 分布式能源技術

分布式能源是靠近用戶端的能源綜合利用系統，可以利用包括天然氣、生物質、風能、太陽能、地熱能等多種能源，還可以與余熱、余壓、余氣等能源形式耦合互補。由于采用的能源形式不同，分布式能源系統形式多樣，結構各不相同，可以獨立運行，也可以并網運行[3-5]。

園區級常用的分布式能源主要以天然氣分布式能源系統為主，通過能量的梯級利用，在產生25%～45%電能時，將40%～50%的低溫余熱加以利用，綜合能源利用率超過 75%。與傳統電空調方式相比，天然氣分布式供能項目能源綜合利用效率可高出30%以上，從而最大限度降低不必要的電煤消耗，減少燃煤過程中的二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)排放。同時天然氣冷熱電三聯供是對大電網有益的補充，是一種環保節能的能源供應方式[6-8]。

2 Capstone C系列微型燃氣輪機特點

天然氣分布式供能項目常用的原動機有活塞發動機和透平發動機。活塞發動機已有100多年的發展歷史，技術已經非常成熟。但由于活塞發動機自身結構所固有的特點，使得活塞發動機有很多靠自身難以克服的缺陷，如噪聲大、振動大、排放高、結構復雜等。隨著航空工業的不斷發展，透平發動機的性能大大提升，成本顯著降低。透平發動機避開了活塞發動機結構上的缺陷，在細分市場領域取得了較好的業績。其中Capstone C系列微型燃氣輪機以其獨有的結構特點，占有很高的微型燃氣輪機市場份額。Capstone C系列主要機型有C30(功率30 kW)、C65(功率65 kW)、C200(功率200 kW)。隨著用電、用冷需求的增加以及目前能源使用的便捷性，對于分布式天然氣三聯供原動機的出力需求也增加了。本文以Capstone C200微型燃氣輪機(以下簡稱C200)為主要對象進行研究。

2.1 微型燃氣輪機結構

典型Capstone C系列微型燃氣輪機發動機剖視圖見圖1，結構上整個系統(燃氣輪機和控制器)采用空氣軸承設計，無需液體潤滑劑。當微型燃氣輪機運行時，一層氣體膜將軸與軸承分開，防止磨損。發電機、壓縮機、渦輪同軸布置且只有一個運動部件，無齒輪箱，無傳輸帶，無燃氣輪機驅動附件，集成環形回熱器，用以提高熱效率。

圖1 典型Capstone C系列微型燃氣輪機發動機剖視圖

2.2 工作原理

典型Capstone C系列微型燃氣輪機工作流程見圖2。以C200為例，工作開始時吸入大量空氣，被壓縮機以0.5～0.6 MPa壓力壓縮后與燃料充分混合燃燒。燃燒后的高溫(800 ～900 ℃)高壓氣體推動渦輪旋轉(C200額定轉速為61 000 r/min)帶動同軸發電線圈發電，產生高頻電。然后通過電力電子系統轉變為760 V直流電輸出，也可以逆變成符合要求的交流電輸出，發電同時將機組啟動，蓄電池充至滿電備用。作功以后的高溫煙氣(500～600 ℃)排出渦輪，經過內置的環形回熱器吸收余熱來預熱進入燃燒的空氣，使得進燃燒器的空氣溫度達到500 ℃，同時使排出煙氣降溫到280 ℃左右。排出的煙氣可以通過溴化鋰等低品位熱源利用手段進一步利用，充分利用了熱能的同時提高了機組發電效率，也減少了熱排放。

圖2 典型Capstone C系列微型燃氣輪機工作流程圖

2.3 功率、效率的影響因素

在實際應用中有諸多因素影響著微型燃氣輪機的功率和效率，這些因素主要有氣壓、進口壓損、背壓、環境溫度等。秦緒山[9]等人針對C30在不同海拔高度下進行研究表明，海拔高度每上升1 000 m，輸出功率下降約10%。

微型燃氣輪機使用工廠模塊化預制，機組內部結構壓損在預制時已有考慮并進行相應消除用以滿足銘牌出力。用戶需要考慮的進口壓損主要是空氣濾網和微型燃氣輪機天燃氣進口壓力，這些都可以通過及時清洗和更換濾網以及相應的參數調整將影響縮減至可控范圍內。

由背壓-功率和背壓-效率曲線(圖3)可知隨著背壓的增加，發電功率和發電效率逐漸下降，兩者與背壓呈反比趨勢，修正曲線的斜率亦無重大突變。在這幾個影響因素中背壓的影響可以通過合理的結構設計進行降低，在實際工藝中應盡量縮短微型燃氣輪機排氣口至換熱設備的煙道、減少彎頭等來降低背壓以減少對發電功率和發電效率的影響。

圖3 背壓-功率和背壓-效率修正曲線

對4臺同類型的15 MW燃氣輪機在不同環境溫度下進行研究，表明環境溫度15 ℃作為一個臨界點，超過該臨界點時環境溫度對發電量的影響大幅上升，溫度每升高10 ℃，發電效率降低約7%，溫度的負效應表現明顯[10]。通過橫向比對可知環境溫度在這幾個影響因素中對功率、效率的影響最大。在典型的三聯供系統中，隨著環境溫度的升高，燃氣輪機的熱效率和發電量都降低了，但是輸入系統的燃料總熱量降幅更大，即系統輸出能量的總和比輸入系統的燃料總熱量的降幅小，因此系統的一次能源利用率反而升高[11]。

環境溫度35.8 ℃時對某露天布置C200進行發電功率和發電效率測試。環境溫度、大氣壓力和排氣背壓(測量值見表1)以上三項參數依據廠家提供的修正曲線進行修正，最終修正前后燃氣輪機效率、功率數據見表2。通過修正微型燃氣輪機的功率和效率均能達到設計值。

表1 某C200微型燃氣輪機效率、功率影響因素測量值

表2 某C200微型燃氣輪機效率、功率修正前后對比

2.4 污染物排放特性

天然氣中硫元素含量極少，SO2污染物在煙氣中濃度極小且符合排放要求，微型燃氣輪機在SO2和粉塵排放方面具有明顯的優勢，其污染物的排放以煙氣中的NOx為主[12]。通過整理、歸納、采集數據表明，C系列微型燃氣輪機NOx排放量與發電機出力呈一類反比趨勢。

對某C200進行污染物排放實測，繪制發電機出力和NOx曲線見圖4。隨著發電機出力的增加NOx排放呈明顯下降趨勢。以45%～55%發電機出力帶為一個突變節點，發電機出力45%以下時，隨著出力的增加NOx排放的減小趨勢較55%以上時更加明顯。當發電機出力80%時即可滿足微型燃氣輪機ISO工況中標的NOx排放值18.5 mg/m3，發電機出力100%時實測NOx含量僅為9.04 mg/m3。NOx排放當量遠小于同出力內燃機。

圖4 發電機出力和NOx排放量曲線

2.5 良好的電氣性能

Capstone C系列微型燃氣輪機具有快速啟動及帶載能力，通過采集某C200的冷態啟動曲線(見圖5)可以看出，冷態自收到點火指令并自檢完成后輸出功率由零升至額定用時約80 s。

圖5 某C200冷態啟動曲線

微型燃氣輪機所在的微電網可根據外電網的情況在并網和孤網模式下工作。當微型燃氣輪機所在微電網與外電網連接時進入并網模式。該種模式下，微型燃氣輪機能夠根據用戶的需求調整輸出功率，作為一個電流源，此時微型燃氣輪機的輸出電壓和頻率由電網決定。當微型燃氣輪機所在微電網與外電網斷開時，則進入孤網模式。微型燃氣輪機以電壓源的形式向微電網輸出功率，同時還肩負調節微電網中電壓和頻率的任務。對某孤網運行的C200進行測試，通過微電網孤網時的三相電壓的變化曲線(圖6)可以看出，C200對微電網電壓控制的穩定性很高，負荷增減時電壓的波動幅度均小于1.5%。

圖6 C200孤網運行時三相電壓變化

C200通過簡單的控制器并聯輸出功率就能達到電池組累加的效果，對3臺C200并聯機組進行變負荷試驗。

試驗時負荷的瞬時變化量最高達50%以上，C200并聯機組表現出良好的變負荷特性和很強的負荷跟蹤能力。目標功率大幅變化時均能在80 s內完成調節功能[13]。

3 結語

天然氣分布式供能提高了能源利用率，將不同能級的熱量分配給不同需求的用戶，使得能源結構更合理的同時也減輕高峰電網壓力，環保效益顯著，是未來的主要發展方向[14]。

通過對Capstone C系列微型燃氣輪機現場試驗、數據分析、橫向比對可知，燃氣輪機功率、效率易受外部環境影響的典型特征依舊存在，但相較同類型燃氣輪機仍具有簡單的機械結構、極低的污染物排放特性，同時還具有快速啟動、迅速帶載、良好的變負荷特性、較強的負荷跟蹤能力和極強的電網適應性等優點[15-16]。