管金，何宗澤，呂小靜，翁一武

30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

管金1，何宗澤1，呂小靜2，翁一武1

（1．上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 閔行區(qū) 200240；2．上海交通大學(xué)中英國(guó)際低碳學(xué)院，上海市 浦東新區(qū) 201306）

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的安全啟動(dòng)是機(jī)組正常運(yùn)行的前提，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程包含電機(jī)啟動(dòng)、燃燒室點(diǎn)火、燃機(jī)升速、自持點(diǎn)切換至發(fā)電狀態(tài)、燃機(jī)升速至額定轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率提升并網(wǎng)、額定工況狀態(tài)等過(guò)程。以30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，從理論和實(shí)驗(yàn)2方面對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，分析微型燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)路徑，制定機(jī)組啟動(dòng)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)組可以有多種啟動(dòng)路徑；制定的啟動(dòng)方案能夠滿足微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程，發(fā)電機(jī)組可以跨過(guò)自持狀態(tài)并發(fā)電，并且轉(zhuǎn)速越高，機(jī)組達(dá)到自持狀態(tài)的透平入口溫度越低。研究結(jié)果對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組安全啟動(dòng)具有指導(dǎo)意義。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(MGTGS)；發(fā)電控制系統(tǒng)；啟動(dòng)過(guò)程；自持狀態(tài)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)成本低、碳排放低以及燃料多樣性的優(yōu)點(diǎn)[1-5]。微型燃?xì)廨啓C(jī)不僅廣泛用于分布式供能系統(tǒng)[6-10]，還可以與固體氧化物燃料電池[11]、太陽(yáng)能發(fā)電[12]、朗肯循環(huán)[13]或者儲(chǔ)能系統(tǒng)[14]相結(jié)合使用，甚至還可以作為車用動(dòng)力[15]使用。

由于生產(chǎn)制造廠家的技術(shù)封鎖，在全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾家公司掌握微型燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)[16]。目前，我國(guó)對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究主 要集中在燃燒室排放、壓氣機(jī)和透平的設(shè)計(jì)與性能分析、微型燃?xì)廨啓C(jī)建模、變工況性能分析 以及成熟機(jī)組的使用等方面[17-19]，對(duì)自主研制的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(micro gas turbine generator set，MGTGS)啟動(dòng)過(guò)程分析和實(shí)驗(yàn)研究較少。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的安全啟動(dòng)是其正常運(yùn)行的前提[20-21]。微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階 段[22]：第1個(gè)階段是電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)；第2個(gè)階段是在成功點(diǎn)火后，在電動(dòng)機(jī)和透平共同作用下升速至自持狀態(tài)；第3個(gè)階段是增加透平輸出功率使微型燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到額定狀態(tài)。自持狀態(tài)是指電機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)切換到發(fā)電狀態(tài)，對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全啟動(dòng)有著至關(guān)重要的作用。

本文以30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組安全啟動(dòng)具有指導(dǎo)意義。

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成

本文研究的30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由微型燃?xì)廨啓C(jī)本體和發(fā)電控制系統(tǒng)組成。微型燃?xì)廨啓C(jī)本體由離心壓氣機(jī)、單筒燃燒室、向心透平、永磁電機(jī)及滑動(dòng)軸承等部件組成，表1為 30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)，圖1為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)圖。

表1 30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.1 Designed parameters of 30kW MGTGS

圖1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)圖

1）離心壓氣機(jī)。

壓氣機(jī)由消音器、葉輪罩殼、壓氣葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼等幾個(gè)主要部分組成。壓氣葉輪為半開式徑流葉輪，通過(guò)主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與擴(kuò)壓器一起將吸入的空氣壓力提高。壓氣機(jī)額定流量為0.56kg/s，壓比為2.4，圖2為壓氣機(jī)葉輪的實(shí)體模型圖。

圖2 壓氣機(jī)葉輪實(shí)體模型圖

2）單筒燃燒室。

燃燒室由火焰筒、燃燒室外機(jī)匣、進(jìn)氣支管、燃料噴嘴、高能點(diǎn)火器等組成，燃燒室結(jié)構(gòu)如 圖3所示。

圖3 微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3）向心透平。

透平由渦殼、噴嘴環(huán)、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(jié)構(gòu)，采用高溫合金精密無(wú)余量鑄造，通過(guò)主軸與壓氣葉輪和發(fā)電機(jī)相聯(lián)，并為兩者提供做功所需的能量，圖4為透平葉片實(shí)體單元圖。

4）高速永磁電機(jī)。

高速電機(jī)具有啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)和發(fā)電輸出功率的功能，電機(jī)運(yùn)行主要包含電動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行2種

圖4 透平葉輪實(shí)體單元圖

狀態(tài)，起動(dòng)時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行，其他大部分時(shí)間里處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

5）軸承及滑油系統(tǒng)。

軸承系統(tǒng)由軸承殼、軸承及軸承座、主軸等部分組成。軸承殼是整個(gè)機(jī)組的支撐，安裝在作為底座的油箱上。軸承殼內(nèi)部為油腔，通過(guò)下方的滑油入口與滑油系統(tǒng)相聯(lián)。

6）控制系統(tǒng)。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制功能有啟動(dòng)停機(jī)控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、負(fù)荷控制等，還有應(yīng)對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)的超速、超溫、熄火、振動(dòng)等安全保護(hù)措施。控制系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)方式通信，有主控制柜和電機(jī)控制柜，系統(tǒng)組成包括PLC控制器、變頻器、整流器、調(diào)速器、燃料調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖5為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖。向心透平與離心壓氣機(jī)同軸，永磁電機(jī)通過(guò)柔性聯(lián)軸器共軸裝配。在啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)透平做功的功率小于壓氣機(jī)和軸承的耗功時(shí)，永磁電機(jī)工作在拖動(dòng)狀態(tài)，補(bǔ)償透平不足的功率；當(dāng)透平提供的功率大于壓氣機(jī)和軸承的耗功時(shí)，永磁電機(jī)工

圖5 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組裝置

Fig. 5 Micro gas turbine generator set

作在發(fā)電狀態(tài)，給負(fù)載供電。通過(guò)在電腦中設(shè)置負(fù)載值，進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出功率控制。

機(jī)組布置了溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和震動(dòng)傳感器，用來(lái)測(cè)試機(jī)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?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行，在燃燒室的入口處布置了快關(guān)閥和回火閥。當(dāng)超速和超溫時(shí)，快關(guān)閥工作，立刻關(guān)閉燃料供應(yīng)，回火閥是避免火焰從燃燒室進(jìn)入儲(chǔ)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程

2.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)路徑

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組整個(gè)啟動(dòng)路徑包含電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、拖動(dòng)升速、燃燒室點(diǎn)火、升速、電機(jī)切換以及升功率的過(guò)程，如圖7所示。圖7(a)是啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的運(yùn)行路徑，橫坐標(biāo)為相對(duì)轉(zhuǎn)速/0，縱坐標(biāo)為功率。在自持點(diǎn)之前，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行，需要消耗電功率；自持點(diǎn)之后，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，先提升轉(zhuǎn)速到額定值，然后開始輸出功率。自持點(diǎn)的位置與機(jī)組的特性相關(guān)，不同機(jī)組達(dá)到自持點(diǎn)的轉(zhuǎn)速并不一致，研究表明自持點(diǎn)是一個(gè)區(qū)間。機(jī)組可以在額定轉(zhuǎn)速或者非額定轉(zhuǎn)速下完成電機(jī)切換。啟動(dòng)路線分為2類：?jiǎn)?dòng)路線1和啟動(dòng)路線2。啟動(dòng)路線1在額定轉(zhuǎn)速下提升發(fā)電功率；而啟動(dòng)路線2從點(diǎn)到點(diǎn)的過(guò)程中，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程說(shuō)明。

表2 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的電機(jī)啟動(dòng)路徑說(shuō)明

圖7(b)為對(duì)應(yīng)啟動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)、軸承和透平的功率特性，機(jī)組的耗功包括壓氣機(jī)耗功和滑動(dòng)軸承耗功2部分。在點(diǎn)火之前，壓氣機(jī)和滑動(dòng)不僅需要提升電功率，同時(shí)還需要提升轉(zhuǎn)速。表2為整個(gè)軸承耗功，透平幾乎不做功，由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。在點(diǎn)火之后，透平開始輸出功率，隨著燃料增加，轉(zhuǎn)速升高，透平輸出功增速加大，直到與壓氣機(jī)和軸承耗功平衡，機(jī)組進(jìn)入自持狀態(tài)。進(jìn)入自持狀態(tài)后，機(jī)組的耗功與透平的做功始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，增加燃料量，透平輸出功率進(jìn)一步增加，當(dāng)透平做功功率大于壓氣機(jī)和軸承消耗功率，發(fā)電機(jī)開始輸出功率，直至發(fā)電機(jī)發(fā)電功率達(dá)到額定功率，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

2.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)方案

針對(duì)啟動(dòng)路線1，制定詳細(xì)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)方案，包括實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備和啟動(dòng)帶載實(shí)驗(yàn)2個(gè)部分。啟動(dòng)路線2的啟動(dòng)方案與啟動(dòng)路線1類似。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

打開潤(rùn)滑油油泵在靜態(tài)下為主機(jī)潤(rùn)滑預(yù)熱 5min，確認(rèn)無(wú)殼體漏油、漏水等情況；記錄實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)，包括冷卻水水溫、流量、環(huán)境溫度、大氣壓、各測(cè)點(diǎn)零位值等。

2.2.2 發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)帶載實(shí)驗(yàn)

選擇能耗運(yùn)行方式，在6000r/min點(diǎn)火，加燃料升速，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速34000r/min后，遞增加載測(cè)試；在每步實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行后錄波保存電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率曲線數(shù)據(jù)，每秒100點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1）電機(jī)啟動(dòng)升速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速6000r/min。

2）打開燃料氣體閥門，向燃燒室內(nèi)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(diǎn)火/手動(dòng)設(shè)置點(diǎn)火指令信號(hào)，通過(guò)燃燒室溫度確定點(diǎn)火是否成功，如點(diǎn)火3次仍未成功，切斷燃料氣體并保持燃機(jī)轉(zhuǎn)速5min后，在前次流量基礎(chǔ)上，再次嘗試點(diǎn)火，直至點(diǎn)火成功/手動(dòng)設(shè)置點(diǎn)火成功信號(hào)。

3）點(diǎn)火成功后，穩(wěn)定運(yùn)行5min，記錄轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、振動(dòng)、油溫、燃燒室溫度、壓氣機(jī)出口壓力、燃料體積流量等參數(shù)。

4）升速率設(shè)置為1000r/min/s，在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)設(shè)置為2000r/min/s。轉(zhuǎn)速依次增加，同時(shí)增加燃料量，記錄轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、振動(dòng)、油溫、燃燒室溫度、壓氣機(jī)出口壓力、燃料體積流量等參數(shù)。

5）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在34000r/min，增加燃料量，同時(shí)觀察電機(jī)功率，使得電機(jī)功率接近于零，燃機(jī)自持穩(wěn)定運(yùn)行5min，記錄轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、振動(dòng)、油溫、燃燒室溫度、壓氣機(jī)出口壓力、燃料體積流量等參數(shù)。

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

7）到達(dá)最高允許溫度或功率達(dá)到5kW后，記錄轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、振動(dòng)、油溫、燃燒室溫度、壓氣機(jī)出口壓力、燃料體積流量等 參數(shù)。

8）實(shí)驗(yàn)過(guò)程保證燃燒室不超溫，如在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)熄火、振動(dòng)在非臨界值超過(guò)4mm/s及需要停機(jī)處理的突發(fā)情況，應(yīng)立即按下停機(jī)按鈕。

3 啟動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 部件性能實(shí)驗(yàn)與分析

3.1.1 燃燒室排放結(jié)果

在燃燒室上，進(jìn)行燃燒室出口CO、NO測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)尾氣的成分和溫度進(jìn)行測(cè)量和分析。進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，燃燒室可以在800～900℃內(nèi)運(yùn)行。隨著燃燒溫度的增加，氮氧化物的排放量逐漸增加，當(dāng)排放溫度達(dá)到893℃時(shí)，氮氧化物排放量達(dá)到最大值 33.7mg/kg。而當(dāng)燃燒溫度為850℃時(shí)，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(shè)計(jì)狀態(tài)下均在正常范圍內(nèi)，燃燒室均可正常工作。

圖8 燃燒溫度與排放物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 高速永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)

對(duì)高速永磁電機(jī)分別進(jìn)行電動(dòng)機(jī)狀態(tài)空載實(shí)驗(yàn)和電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出電壓與電流。

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)空載實(shí)驗(yàn)：控制器端電壓380V，空載電流3.44A，空載轉(zhuǎn)速32960r/min，電機(jī)空載運(yùn)行正常。由于控制器頻率限制，未能轉(zhuǎn)到最高轉(zhuǎn)速。

電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)：2臺(tái)電機(jī)通過(guò)撓性聯(lián)軸器對(duì)托，一臺(tái)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，另一臺(tái)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行?？刂破鞫穗妷?80V，電流43.8A，負(fù)載轉(zhuǎn)速 33000r/min，發(fā)電機(jī)輸出電壓376V，輸出電流55A，發(fā)電機(jī)輸出功率20.68kW。

由于控制器所配電抗器電感值偏大，電動(dòng)機(jī)不能運(yùn)行到額定功率和額定轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)，從以上2組負(fù)載數(shù)據(jù)分析判斷，控制器電抗器匹配合適，電機(jī)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。

3.2 機(jī)組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速?gòu)膯?dòng)到29000r/min出現(xiàn)2次較大振動(dòng)，數(shù)值與理論計(jì)算基本吻合，第1次出現(xiàn)在機(jī)組轉(zhuǎn)速13000～16000 r/min，振動(dòng)幅值為1.61mm/s；第2次出現(xiàn)在機(jī)組轉(zhuǎn)速21000～23000r/min，振動(dòng)幅值為 2.1mm/s。其他轉(zhuǎn)速的振動(dòng)幅值均小于1.0mm/s，表明機(jī)組的振動(dòng)在合理范圍內(nèi)。

3.2.2 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖9為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電功率是高速永磁電機(jī)的功率，當(dāng)電功率為正時(shí)，高速永磁電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)電功率為負(fù)時(shí)，高速永磁電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，高速永磁電機(jī)功率先增大后減小，并且發(fā)電機(jī)組在趨近發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電功率波動(dòng)幅度變小，功率趨于穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)組在快速跨越一階臨界轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率波動(dòng)較大。最終當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在29000r/min時(shí)，透平入口溫度達(dá)到 850℃，機(jī)組發(fā)電功率為5kW。

圖9 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3.2.3 啟動(dòng)過(guò)程自持性能實(shí)驗(yàn)與分析

圖10為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下的自持點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在28000～34000r/min下都能進(jìn)入自持狀態(tài)，在28000r/min轉(zhuǎn)速下透平入口溫度最高。隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)電機(jī)組達(dá)到自持狀態(tài)時(shí)的透平入口溫度逐漸降低，但燃料量持續(xù)增加。加速到34000r/min額定轉(zhuǎn)速后，開始增加發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，完成機(jī)組啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

圖10 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組不同轉(zhuǎn)速下自持點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

圖11為發(fā)電機(jī)組在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行的自持性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)電機(jī)組分別在空氣溫度為22、24、26和32℃的環(huán)境中進(jìn)行31000r/min轉(zhuǎn)速下的自持性能實(shí)驗(yàn)。隨著壓氣機(jī)入口空氣溫度的升高，機(jī)組達(dá)到自持狀態(tài)的透平入口溫度隨之升高，燃料量也呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，將微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程分為以下過(guò)程：電機(jī)啟動(dòng)、燃燒室點(diǎn)火、拖動(dòng)升速、自持點(diǎn)切換至發(fā)電狀態(tài)、升速至額定轉(zhuǎn)速、升功率以及額定工況的過(guò)程。電機(jī)的電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)在自持點(diǎn)處進(jìn)行切換。在自持狀態(tài)下機(jī)組透平的輸出功與機(jī)組壓氣機(jī)和滑動(dòng)軸承的耗功相平衡，對(duì)于機(jī)組啟動(dòng)有著重要的意義。

2）制定的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)方案能夠保證發(fā)電機(jī)組安全正常啟動(dòng)。在跨越臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)偏大，需要快速跨越臨界轉(zhuǎn)速，電機(jī)功率也會(huì)有較大的波動(dòng)。

3）在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行30kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組自持性能實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速28000～34000r/min下發(fā)電機(jī)組都能進(jìn)入自持狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)速越高，機(jī)組達(dá)到自持狀態(tài)的透平入口溫度越低。環(huán)境溫度越高，達(dá)到自持狀態(tài)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51806137)；上海市科研計(jì)劃重大項(xiàng)目(18DZ1202002)。

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

(責(zé)任編輯 辛培裕)