高清PDF带书签《微型燃气轮机发电技术》 [袁春 等编著] 2012年

前 言
微型燃气轮机技术是 21 世纪能源与动力系统的核心关键技术， 是衡量一个国家工业基础先迸程度的重要标志。 发展微型燃气轮机技术具有重大的战略意义和广阔的产业化前景， 对于我国在相关领域中的高新技术发展有着极其重大的作用。
微型燃气轮机（Microturbine， 简称 MT）是一种以超小型燃气轮机为原动机驱动发电机发电的设备， 是内燃机发电设备的最佳替代产品。 微型燃气轮机的容量一般在几十千瓦到 300kW 之间（美国学者认为 25 ～ 500kW 之间）。 主要性能指标包括输出功率、 电压、 频率、 效率、 燃料消耗率、 迸排气温度及回热度等。 与传统内燃机发电设备比较， 微型燃气轮机发电机具有体积小、 重量轻、振动小、 噪声低、 起动较快、 运动部件少、 可靠性高、 使用寿命长达 45000h（约为柴油机的十倍）、 环境友好、 燃料适应性广、 可遥控和自诊断等优点。 目前微型燃气轮机发电机组的最大特点是可以长期连续工作， 基本免维护， 运行费用和维护费用远远低于柴油机发电机组， 已广泛应用于分布式供电系统、 热电联供（效率高于 80％ ）及混合动力电动车辆等。
微型燃气轮机将在未来我国电力和动力系统中发挥重要作用。 微型燃气轮机发电机组可以用作备份电源（ Stand-by Power）、 优质可靠电源（ Power Qualityand Reliability）和联合发电（Cogeneration， 简称 CHP）， 可以广泛应用于航天、能源、 交通、 化工、 邮电、 通信、 财政金融等领域。 在军事领域， 既可用作边防、 海防地区和重要国防设施的常备电源， 又可用作军事通信和导弹发射等装备的备用电源。 微型燃气轮机可以使用多种燃料， 包括使用可再生资源和垃圾气体。 在民用方面， 它可以直接用于 25 ～ 500kW 的商场、 饭店、 宾馆、 酒店和小型写字楼等， 以及重要部门、 涉及民生安全的电力保障与热电联供系统。 此外， 微型燃气轮机还可用于车辆混合动力， 特别是作为混合动力电动汽车的蓄电池充电， 比如， 中美联合研制、 已在北京奥运会上示范运用的微型燃气轮机混合动力电动汽车 MTG-HEV， 将成为 21 世纪混合动力汽车的新模式。
本书是作者在2000 年以来先后承担多项军队和省部级以上科研项目的基础上， 根据自编研究生教学讲义， 结合最新研究成果编著的。 在编著过程中， 得到清华大学蔡宁生教授、 酉安交通大学丰镇平教授、 清华泰豪微电机公司刘建平总工、 中国航空动力机械研究所涂孟黑高工、 哈尔滨新能源公司（东安动力）吴文峰高工， 以及美国康奈尔大学 Albert R. George 教授的关心和帮助。 本书得到重庆通信学院雷斌教授及图书编审委员会、 后勤工程学院研究生处等领导和专家的关心支持， 在此一并致谢！
本书由重庆通信学院军用特种电源军队重点实验室袁春教授、 陈兆海教授、 钱希森教授， 四川大学电气信息学院陈彬兵教授、 后勤工程学院雍歧东教授等编著。 其中袁春教授提出编写提纲， 并负责编写第 1 章、 第 2 章和第 3 章，张军刚工程师参加第 1 章编写， 张传富参加第 2 章编写； 潘小兵参加第 3 章编写； 陈彬兵教授负责编写第 4 章， 魏克银博士、 金刽讲师参加编写； 钱希森教授负责编写第 5 章， 张瑞伟讲师参加编写； 陈兆海教授负责编写第 6 章， 贾武元工程师参加编著； 雍歧东教授负责编写第 7 章， 龚利红讲师参加编写。 研究生薄冲、 申新楼、 原林、 赵钢、 郭立滨、 王济乾、 冯利刚、 刘洋、 苏红春、 恰嘉参、 程松参加了本书的资料分析、 指标计算、 文字录入、 图形处理及书稿校对工作。
由于作者水平有限， 编著过程中难免存在疏漏和不妥之处， 敬请专家和读者批评指正。
编著者

内容索引：

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. 1 MTG 系统电能变换单元………… 141
5. 2 AC-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. 3 DC-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. 1 Bowman 公司 ……………… 173
6. 1. 2 Capstone 燃气轮机公司 …… 175
6. 1. 3 Elliott 能源系统股份有限公司 ………………………… 178
6. 1. 4 Ingersoll-Rand 能源系统公司 …………………………… 178
6. 1. 5 Turbec 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. 4 MTG 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

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