分布式发电技术第2章课件.ppt
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1、2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发电机是由微型涡轮发动机驱动发电机组成的发电微型涡轮发电机是由微型涡轮发动机驱动发电机组成的发电系统,是提供分布式电能生产的最佳选择之一,它结构简单,系统,是提供分布式电能生产的最佳选择之一,它结构简单,开发研制所需的技术已取得突破性进展。开发研制所需的技术已取得突破性进展。容量:轴上的净输出功率小于容量:轴上的净输出功率小于200kW,不同的工程设计人,不同的工程设计人员对微型涡轮发电机的容量定义不一样,有些包括员对微型涡轮发电机的容量定义不一样,有些包括200kW以上的发动机,但一般的严格定义均为以上的发动机,但一般的严格定义均为100
2、kW以下。以下。简单的循环周期:单级压缩机和单级涡轮。简单的循环周期:单级压缩机和单级涡轮。一、一、单轴微型涡轮发动机单轴微型涡轮发动机 现代的微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外,还具现代的微型涡轮发电机除了具有低污染排放的特点外,还具有下述有下述4个方面的特点:个方面的特点:压缩比:一般为压缩比:一般为3:14:1。转子:驱动轴很短,一端装设发电机,中间为轴承。转子:驱动轴很短,一端装设发电机,中间为轴承。Capstone、Elliott和和Honeywell等公司已开发了数种额定容量等公司已开发了数种额定容量为为20150kW的单轴涡轮发动机。的单轴涡轮发动机。微型涡轮发动机最紧凑的
3、流程为具有环行燃烧室的环绕回流微型涡轮发动机最紧凑的流程为具有环行燃烧室的环绕回流换热器,流程的配置取决于具体的应用。换热器,流程的配置取决于具体的应用。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 表表2-1 微型涡轮发动机的技术参数微型涡轮发动机的技术参数制造商制造商转速转速/(kr/min)额定功率额定功率/kW效率效率(%)余热利用余热利用Capstone309628有有Elliott1164517无无Honeywell757530有有2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 优化设计的微型涡轮发动机具有涡轮压缩机,其喷嘴只有数优
4、化设计的微型涡轮发动机具有涡轮压缩机,其喷嘴只有数英寸,转速在额定功率时为英寸,转速在额定功率时为60100kr/min,类似于小型的涡,类似于小型的涡轮增压器。轮增压器。微型涡轮发动机和涡轮增压器的主要空气动力学差异在于涡微型涡轮发动机和涡轮增压器的主要空气动力学差异在于涡轮的设计。对于实际可行的微型涡轮发动机,其障碍不是涡轮的设计。对于实际可行的微型涡轮发动机,其障碍不是涡轮机的技术而是其他因素:轮机的技术而是其他因素:成本:总的每千瓦价格和回流换热器的成本。成本:总的每千瓦价格和回流换热器的成本。废气的排放水平。废气的排放水平。天然气的注入方法和它们的安全性。天然气的注入方法和它们的安全
5、性。轴的动力学特性和轴承的设计。轴的动力学特性和轴承的设计。回流换热器的可靠性、效率和成本。回流换热器的可靠性、效率和成本。微型涡轮发动机主要的设计特征是使用了辐流式压缩机和膨微型涡轮发动机主要的设计特征是使用了辐流式压缩机和膨胀器。采用辐流式压缩机可得到很高的压缩比,与胀器。采用辐流式压缩机可得到很高的压缩比,与6级轴流式级轴流式压缩机相比,单级辐流式压缩机的压缩比一般为压缩机相比,单级辐流式压缩机的压缩比一般为3:1或或4:1。为取得更高的压缩比,可采用多级辐流式结构,但将使得设为取得更高的压缩比,可采用多级辐流式结构,但将使得设计相当复杂。计相当复杂。2022年7月26日星期二2-1 2
6、-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 无论微型涡轮发电机是并网运行还是对单独的负荷供电,都无论微型涡轮发电机是并网运行还是对单独的负荷供电,都需要控制发电机的转速和输出电压。微型涡轮发电机通常使需要控制发电机的转速和输出电压。微型涡轮发电机通常使用变转速的永磁交流发电机,其输出的交流电的频率非常高,用变转速的永磁交流发电机,其输出的交流电的频率非常高,必须首先对输出电压整流,再逆变为工频交流电。必须首先对输出电压整流,再逆变为工频交流电。1.设计特点设计特点 微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环微型涡轮发动机的主要原动力由布雷顿循环(Brayton Cycle)或称为等压循环产生,有些具有回流
7、换热器,有些没有。或称为等压循环产生,有些具有回流换热器,有些没有。微型燃烧室设计一般不能根据大型涡轮机的燃烧室按比例缩微型燃烧室设计一般不能根据大型涡轮机的燃烧室按比例缩放,主要是因为受到下述因素影响:放,主要是因为受到下述因素影响:表面积表面积/体积随燃烧室体积随燃烧室的大小而变化;的大小而变化;室壁淬火的影响;室壁淬火的影响;燃料流量较低,只能燃料流量较低,只能使用较少的喷嘴和节流面积;使用较少的喷嘴和节流面积;漏泄间隙的增加等。漏泄间隙的增加等。燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率燃烧室尺寸的关键参数可定义为热释放率(HRR),即,即 压缩比基本体积低位热值燃料流量HRR 较低的较低的
8、HRR可增加滞留时间,有益于减少可增加滞留时间,有益于减少CO的排放。的排放。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 接触反应式燃烧室可取得较高的接触反应式燃烧室可取得较高的HRR,为完成燃料的氧化,为完成燃料的氧化,它们需要某种形式的预燃烧室和额外的后阶段的燃烧室空它们需要某种形式的预燃烧室和额外的后阶段的燃烧室空间,总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。间,总的燃烧室容积与常规的燃料喷射燃烧炉类似。对于小型企业和居民用的微型涡轮发动机,一般选择天然气对于小型企业和居民用的微型涡轮发动机,一般选择天然气作为燃料,但是需要将天然气的压力从周围管道的压力加压作
9、为燃料,但是需要将天然气的压力从周围管道的压力加压到超过微型涡轮发动机的压缩机传送的压力。压缩机出口的到超过微型涡轮发动机的压缩机传送的压力。压缩机出口的压力一般为压力一般为34atm。回流换热器能够回收涡轮机排放的热能并为燃烧空气预热,回流换热器能够回收涡轮机排放的热能并为燃烧空气预热,其外壳通常为金属,也可采用陶瓷外壳。其外壳通常为金属,也可采用陶瓷外壳。回流换热器基本上是空气和空气之间的热交换,而空气到回流换热器基本上是空气和空气之间的热交换,而空气到其表面的热传递系数充其量也只是比较适中,所以热交换其表面的热传递系数充其量也只是比较适中,所以热交换需要相当大的表面积。需要相当大的表面积
10、。若将回流换热器的压力适当降低若将回流换热器的压力适当降低4%5%,并采用一般的表,并采用一般的表面结构,则其重量和成本与其效率面结构,则其重量和成本与其效率之间的关系如下:之间的关系如下:1气流重量1气流成本2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 轴承:为增加微型涡轮发动机冷起动能力,降低其造价,一轴承:为增加微型涡轮发动机冷起动能力,降低其造价,一般采用空气轴承而不采用磁性轴承。般采用空气轴承而不采用磁性轴承。微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。微型涡轮发电机系统一般采用永磁发电机。将小型的涡轮发动机与高速永磁发电机集成在一起对设计将小型的涡轮发动机与高速
11、永磁发电机集成在一起对设计人员是一个挑战,因为需要解决高速动力学特性和平衡、人员是一个挑战,因为需要解决高速动力学特性和平衡、磁性的保持和温度限制、冷却系统的选择和附加损失的计磁性的保持和温度限制、冷却系统的选择和附加损失的计算、保养和日常零部件的维修、发生内部故障时电压的调算、保养和日常零部件的维修、发生内部故障时电压的调整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。整和励磁系统的切除以及交流频率转换等方面的难题。高速永磁发电机主要的特征是能够为涡轮发动机机提供高高速永磁发电机主要的特征是能够为涡轮发动机机提供高速起动或点火速度,避免了采用专门的起动电动机和专门速起动或点火速度,避免了采用
12、专门的起动电动机和专门的起动燃料喷射器,因而简化了燃料控制系统。的起动燃料喷射器,因而简化了燃料控制系统。永磁发电机输出功率永磁发电机输出功率P与转子转速和转子体积之间的关系与转子转速和转子体积之间的关系如下:如下:KFnLDP/ss22022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 发电机输出功率与转速之间的关系示意图发电机输出功率与转速之间的关系示意图 为获得相应的功率,转速和直径应折衷选择。为获得相应的功率,转速和直径应折衷选择。2.单轴微型涡轮发动机循环分析单轴微型涡轮发动机循环分析 微型涡轮发电机的效率和输出电能、热能基本上为循环峰值微型涡轮发电机的效率和输出电
13、能、热能基本上为循环峰值温度、回流换热器入口温度、压缩机压缩比率以及组件效率温度、回流换热器入口温度、压缩机压缩比率以及组件效率的函数。的函数。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循涡轮转子合金的断裂应力和低循环疲劳强度的限制、工作循环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。环和转子冷却方式的选择决定了涡轮入口的温度。回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器进气温度。压回流换热器基质材料的寿命决定了回流换热器进气温度。压缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。缩比率取决于压缩机类型和所使用的材料。下述技术参数
14、可应用于下述技术参数可应用于2.5100kW的微型涡轮发动机:的微型涡轮发动机:压缩比率大于压缩比率大于3.5时对热效率的改善没有任何作用,因此应时对热效率的改善没有任何作用,因此应采用较低压缩比的压缩机和涡轮效率以及对涡轮圆周速度采用较低压缩比的压缩机和涡轮效率以及对涡轮圆周速度的限制。的限制。2.5kW和和5.0kW的微型涡轮发动机,其峰值热效率分别为的微型涡轮发动机,其峰值热效率分别为27%和和25%,大型的涡轮发动机效率可达,大型的涡轮发动机效率可达30%。将回流换热器的效率从将回流换热器的效率从85%增加到增加到90%可使热效率增加可使热效率增加1.9%,但是回流换热器的尺寸和价格将
15、增加,但是回流换热器的尺寸和价格将增加60%。当涡轮接近优化的转速时,热效率基本不变,因此设计时当涡轮接近优化的转速时,热效率基本不变,因此设计时应选择比优化转速低的转速,为将来性能改善留下空间。应选择比优化转速低的转速,为将来性能改善留下空间。功率功率/重量和速度的函数关系以及成本重量和速度的函数关系以及成本/功率和速度函数关系功率和速度函数关系也相对平坦。也相对平坦。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 在最终的设计中,还需要进一步分析和综合的内容有:应力、在最终的设计中,还需要进一步分析和综合的内容有:应力、热力学性能、动力学特性等因素。热力学性能、动力
16、学特性等因素。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发电机经常不是满负荷运行,设计人员、经济分析微型涡轮发电机经常不是满负荷运行,设计人员、经济分析人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。人员和制造商需了解微型涡轮发电机带部分负载的性能。典型的具有回流换热器的微型涡轮发动机在恒速和可变涡轮典型的具有回流换热器的微型涡轮发动机在恒速和可变涡轮入口温度运行时或在变速和恒定回流换热器入口温度运行时,入口温度运行时或在变速和恒定回流换热器入口温度运行时,带部分负荷的效率曲线图不同,如图所示。带部分负荷的效率曲线图不同,如图所示。变速运行模式提高了带部
17、分负荷时的运行性能,但需要控变速运行模式提高了带部分负荷时的运行性能,但需要控制系统能够测量负荷的变化并优化运行速度,且高循环疲制系统能够测量负荷的变化并优化运行速度,且高循环疲劳故障将增加。劳故障将增加。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 二、二、双轴微型涡轮发动机双轴微型涡轮发动机 双轴微型涡轮发动机的设计一般采用金属径向涡轮机组件双轴微型涡轮发动机的设计一般采用金属径向涡轮机组件,使使用坚固的涡轮增压器组件,润滑系统采用增压的润滑油系统,用坚固的涡轮增压器组件,润滑系统采用增压的润滑油系统,运行在相对较低的压缩比,一般为运行在相对较低的压缩比,一般为3
18、:1,使用一级压缩和两级,使用一级压缩和两级涡轮。涡轮。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点:微型涡轮发动机设计成两个涡轮将具有下述优点:引擎寿命长:将发动机的输出功率分配到两个涡轮可降低引擎寿命长:将发动机的输出功率分配到两个涡轮可降低涡轮叶片的应力,进一步采用相对低的压缩比和引擎的涡涡轮叶片的应力,进一步采用相对低的压缩比和引擎的涡轮入口温度可延长涡轮的寿命。轮入口温度可延长涡轮的寿命。可直接输出机械功率:任何旋转的机械部件都可以由电力可直接输出机械功率:任何旋转的机械部件都可以由电力涡轮驱动,因此双轴微型涡轮发
19、动机可以应用于更广泛的涡轮驱动,因此双轴微型涡轮发动机可以应用于更广泛的领域。领域。具有灵活的设计工作点:对于电力涡轮,双轴引擎结构允具有灵活的设计工作点:对于电力涡轮,双轴引擎结构允许设计者更灵活地选择设计的工作点。许设计者更灵活地选择设计的工作点。轴的机械设计简单:与电力涡轮和负荷相关的轴的设计问轴的机械设计简单:与电力涡轮和负荷相关的轴的设计问题与汽化器涡轮轴无关,因此这些简单轴的设计没有单轴题与汽化器涡轮轴无关,因此这些简单轴的设计没有单轴引擎轴的设计复杂,因为后者必须考虑转子的动态特性、引擎轴的设计复杂,因为后者必须考虑转子的动态特性、负载特性以及将所有旋转器件安装在一个轴上所引起的
20、密负载特性以及将所有旋转器件安装在一个轴上所引起的密封的复杂性等因素。封的复杂性等因素。机械的安全性提高:电力涡轮转速的降低减少了系统中旋机械的安全性提高:电力涡轮转速的降低减少了系统中旋转设备发生灾难性故障的危险性。转设备发生灾难性故障的危险性。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 良好的转矩良好的转矩/转速特性:由于通过引擎的质量流位于第一级转速特性:由于通过引擎的质量流位于第一级涡轮,对电力涡轮的运行条件没有影响,因此电力涡轮在涡轮,对电力涡轮的运行条件没有影响,因此电力涡轮在低速运行时可输出更大的转矩,改善了引擎处理变化负载低速运行时可输出更大的转矩,
21、改善了引擎处理变化负载和维持运行稳定性的能力。和维持运行稳定性的能力。双轴微型涡轮发动机由于具有可直接驱动机械设备的灵活性,双轴微型涡轮发动机由于具有可直接驱动机械设备的灵活性,故可应用于各个领域。故可应用于各个领域。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 微型涡轮发电机输出为高频交流电,需要通过电力电子接口微型涡轮发电机输出为高频交流电,需要通过电力电子接口和控制器将其转换和控制器将其转换50Hz、380V的交流。的交流。三、三、微型涡轮发电机电力电子接口和控制微型涡轮发电机电力电子接口和控制 1.电力电子接口电力电子接口 常用的开关器件:大功率晶体管、绝缘栅
22、双极晶体管常用的开关器件:大功率晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。等。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 大功率的开关器件可以构成不同的拓扑结构,实现所要求的大功率的开关器件可以构成不同的拓扑结构,实现所要求的电能转换功能,如电能转换功能,如DC-DC、AC-DC或或DC-AC等。为了得等。为了得到所要求的输出电压和频率,通常采用脉宽调制技术来改变到所要求的输出电压和频率,通常采用脉宽调制技术来改变晶体管的导通和截止时间。晶体管的导通和截止时间。因为晶体管工作于开关工作状态,转换器的输出波形包含很因为晶体管工作于开关工作状态,转换器的输出波形包含很高频
23、率的谐波分量,因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波,高频率的谐波分量,因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波,并允许有用的基波电能分量通过。并允许有用的基波电能分量通过。现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换,其转换效率现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换,其转换效率可高达可高达96%(包括了滤波器的损耗包括了滤波器的损耗)。即使可达到非常高的转。即使可达到非常高的转换效率,转换器中的电能损耗也是非常可观的,因此器件的换效率,转换器中的电能损耗也是非常可观的,因此器件的散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。2.数字控制技术数字控制技术 典型的分布式
24、发电系统必须考虑三个方面的控制:典型的分布式发电系统必须考虑三个方面的控制:微观控制:即电力电子转换器中大功率开关的开关控制,微观控制:即电力电子转换器中大功率开关的开关控制,开关控制必须采用高速实时控制,其采样速率为微秒级。开关控制必须采用高速实时控制,其采样速率为微秒级。2022年7月26日星期二2-1 2-1 微型涡轮发电机微型涡轮发电机 宏观控制:即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这宏观控制:即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这方面的控制取决于所采用的特定的发电技术,其采样速率方面的控制取决于所采用的特定的发电技术,其采样速率为毫秒级。为毫秒级。分布式发电系统与外部设备之间的通
25、信控制:先进的分布分布式发电系统与外部设备之间的通信控制:先进的分布式发电系统可提供各种数字通信接口,因此系统可以实现式发电系统可提供各种数字通信接口,因此系统可以实现远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集成为较大的发电系统时,远程通信控制是不可少的。成为较大的发电系统时,远程通信控制是不可少的。3.应用应用 并网运行并网运行 电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这种模式下,微型涡轮发电机系统跟随电网的电压和频率变种模式下,微型涡轮发电机系统跟随电网的电压和频率变化,可等
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