第 6 章天然气、燃气发电与控制技术

第 6章天然气、燃气发电与控制技术

第 6 章天然气、燃气发电与控制技术

2第 6章天然气、燃气发电与控制技术机械工业出版社


本章主要内容6.1 天然气水合物的形成与物化性质6.2 天然气的综合利用和发展前景6.3 小型燃气轮机发电机组6.4 微型燃气机发电机组6.5 燃气发电机组的电能变换与控制6.6 燃气机组的并网运行与控制策略6.7 燃气机组的经济技术性评价


6.1 天然气水合物的形成与物化性质6.1.1 天然气水合物天然气：指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。天然气水合物：是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、 pH 值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。组成成分： CH4 、 C2H6 、 C3H8 、 C4H10 等同系物以及 CO2 、 N2 、 H2

S 等可形成单种或多种天然气水合物


天然气水合物样品

纯净的天然气水合物

http://www.undersea.cn/Pages/resource/res_2_samples9.html

http://www.ah.xinhuanet.com/swcl2006/2007-06/15/content_10305197.htm


6.1.2 天然气水合物的形成

1 、麦索雅哈河—普拉德霍湾—马更歇三角洲—青藏高原全球陆地气水合物形成带

陆地上，适合天然气水合物形成的温度和压力条件的地理环境是高纬度永久冻结层（包括永冻区浅海地带）。

2、北冰洋—大西洋—太平洋—印度洋全球海洋天然气水合物形成带海洋底下是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的 90% 具有形

成气水合物的温压条件。


夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物海洋天然气水合物的形成机理


6.1.3 天然气水合物的物化性质 1 、天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小

针状结晶体或分散状。存在方式：（ 1 ）占据大的岩石粒间孔隙；（ 2 ）以球粒状散布于细粒岩石中；（ 3 ）以固体形式填充在裂缝中；（ 4 ）大固态水合物伴随少量沉积物。


2 、气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：（ 1 ）相同的组合状态的变化——流体转化为固体；（ 2 ）均属放热过程，并产生很大的热效应；（ 3 ）结冰或形成水合物时水体积均增大；（ 4 ）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；（ 5 ）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；（ 6 ）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；（ 7 ）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。


分子结构

3 、天然气水合物的结构 :• 结构 I 型 : 立方晶体结构，仅能容纳甲烷

（ C1 ）、乙烷这两种小分子的烃以及 N2 、 CO2 、 H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成 CH4·5.75H2O的几何格架

• 结构 II 型 : 菱形晶体结构 , 除包容 C1 、C2 等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（ C3 ）及异丁烷（ i － C4 ）等烃类

• 结构 H型 : 六方晶体结构，较大的“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷（ i － C4 ）的分子


样品 C1 C2 C3 i － C4 n － C4 i － C5 n － C5水合物 (H) 21.2 9.5 7.5 2.5 17.5 41.1 0.8

排放气体 88.0 8.0 2.1 0.3 1.2 0.4 ＜ 0.1排放气体 88.0 7.5 2.2 0.5 1.1 0.6 ＜ 0.1水合物 (I) 71.8 3.4 18.8 5.7 0.3 ND ND水合物 (II) 73.9 4.9 16.3 4.6 0.2 ND ND

墨西哥巴什山三种气水合物伴生气体

ND：未检测到


6.2 天然气的综合利用和发展前景6.2.1 天然气的综合利用目前，关于我国天然气的利用有两种截然相反的观点 :

按照世界能源利用的发展趋势，天然气应当主要用于发电

中国的情况特殊，天然气应当主要用于非电力行业，尽量少用于纯发电

相对观点


造成上述问题的主要原因：1 、天然气在中国是一种稀缺资源

1998 2010 2020 1998 2010 2020


我国天然气的使用结构 (2000年 )


2 、中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路

3 、电力与天然气应统筹安排合理利用

4、分布式能源供给体系发展长期滞后


6.2.2 天然气发电的环境价值1 、环境价值不容忽视。2 、环境价值交易。3 、增进社会福利。4 、增强竞争力。


6.2.3 天然气的发展前景

图 6-1 2010 年世界各地发电用气占世界天然气消费比例预测


• 20世纪 70年代，天然气的开发及研究进入第一个高潮；• 20世纪 90年代，各国政府、跨国石油公司、大型能源用户、学术研究机构又掀起了新一轮研究天然气的热潮；• 21世纪，天然气在世界能源结构中的比例将超过石油，成为世界第一大能源，21世纪是天然气世纪。

1、天然气利用技术的研究历程


• 世界天然气探明储量及特点• 世界天然气探明储量发展变化及特点• 世界天然气消费• 世界天然气的产量

2 、世界天然气储量与消费现状


3 、世界天然气的发展前景

世界天然气供给前景


世界天然气需求趋势


世界天然气贸易前景


世界天然气价格展望


4 、中国天然气的利用前景

西气东输


广东LNG

项目


6.3 小型燃气轮机发电机组6.3.1 小型燃气轮机原理及用途燃气轮机按功率分为：大型燃机 (100MW以上 ) 中型燃机 (20～ 100MW ) 小型燃机 (20MW以下 ) 微型燃机 (小于 300kW)


燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机。• 轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如 LM6000PC和 FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。• 重型燃气轮机为工业型燃机，如 GT26 和 PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。

轻型燃气轮机重型燃气轮机


燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成

燃气轮机排气口

燃烧室燃料入口

空气入口

图 6-2 燃气轮机工作原理

燃气轮机优点：效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低、寿命周期较长等。主要用于发电、交通和工业动力。


6.3.2 小型燃气轮机发电的主要形式1 、简单循环发电由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。美国 GE公司的 LM6000PC 轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统，其发电效率为 43% 。

我国 QD70轻型燃气轮机


2 、前置循环热电联产或发电组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收，

转换为蒸汽或热水加以利用。应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出

力和效率。改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过 90% 。


前置循环热电联产工艺示意图


3 、联合循环发电或热电联产组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽汽式或背压式）共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的废气用于供热。应用：主要用于发电和热电联产。 ABB 公司的 GT26－ 1 产品作为高效率

发电的代表性联合循环系统，发电效率达到 58.5% 。


4 、整体化循环组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循

环系统，也称为 IGCC。优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。目前， GE 公司使用 MS7001F技术组成

的整体循环系统，发电效率可达到 42% 。


5 、核燃联合循环组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。应用：主要是为了提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效

率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。


6 、燃机辅助循环工作原理 : 在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气

轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。 1947年美国第一台工业用途的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。


7 、燃气烟气联合循环组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热力进一步推动烟气轮机发电。特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机造价较高，还未能广泛使用。


8、燃气热泵联合循环组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽

轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热泵。


应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷利用。

特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达 150% ，是未来能源利用的主要趋势之一。


9 、燃料电池——燃气轮机联合循环组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流产生电力。特点：污染少；只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作；发电效率高达 55% ，燃煤发电效率 35% ，燃气涡轮机发电效率 5

0% 。


根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联产，是合理利用天然气资源的最佳途径和最有效手段。优势：提高能源利用效率，有效改善环境；提高天然气的储采比；降低开采、输送成本；实现全系统优化；降低气价、提高用户的市场竞争能力。


从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是发展单机 3～ 15MW、全厂总装机小于 30MW、蒸汽供应能力 200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产项目，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。

小型燃气轮机热电冷联产的方式极为多样，小型燃气轮机热电联产是全世界新能源开发与利用的趋势。


6.3.3 小型燃气轮机发电机组应用前景小型燃气轮机正在进行三大技术革命：第一是回热利用技术——提高发电效率；第二是永磁发电机与大功率晶体管可控变频技术——保障并网的安全可靠，提高自动化控制能力，降低生产成本；

第三是直接与余热溴化锂空调联合循环技术——省略了锅炉、化学水系统等设备，大大方便了用户。


• 发电效率高；• 环保好；• 运行方式灵活；• 耗水少：• 占地少；• 建设周期短。

燃气轮机联合循环具有它独特的如下优点：


• 我国缺电的边疆、油气田等地区，需要建设燃机电厂；• 50MW燃煤机组的关停、为符合转改燃机电厂者提供了出路；• 因环保需要，将燃煤供热厂改造为燃机联合循环热电联供的热电厂；• 解决天然气供需不平衡的矛盾；• 东部沿海对引进气源的需求与利用；• 燃机电厂走向世界；• 建议采用 TD 循环技术、走核电与燃气轮机联合循环相结合的发电道路。

燃机电厂建设新方向：


6.4 微型燃气机发电机组微型燃气轮机发电是把飞机发动机的燃气轮机小型化，使用天然气等做燃料，产生高温、高压气体，推进发电机发电。技术特征：发电容量小，一般在 30至 80kW；占地面积少，设备大小犹如一台电冰箱；可以使用各种油、气作燃料；构成“热电并用系统”，从而提高能源综合利用效率；废气排出少，对环境污染程度较轻；适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。


美国的卡普斯顿 (CAPSTONE) 公司已经制造出 65kW级微型燃气轮机发电装置，发电效率达到 26% ，年产量 1万台。

卡普斯顿燃气轮机


英国宝曼（ BOWMAN）公司生产的 80KW的燃气轮机

BPS微型燃机的主要性能• 单级径向压缩机• 低排放环型燃烧器• 单级径向透平• 压比 4 ： 1• 双润滑油系统轴承


小型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”与“分布式终端电源”的技术革新热，然而一些传统的大电力公司则对此感到忧虑，因为这项技术的迅速发展和普及，会使大电力公司面临竞争对手，迫使其降低价格。


6.4.1 微型燃气机的发展与现状微型燃气轮机发电机涉及 5种关键技术：• 液体或气体燃料；• 用于发电的透平交流发电机；• 产生高效热能的热交换器；• 将电能转换成低压电能供给不同用户的功率调节器；• 为天然气燃料提供合适压力的燃气涡轮增压机。


微型燃气轮机的发展现状开发生产厂商主要集中在：北美、瑞典、英国和日本。具有代表性的厂家：英国的宝曼（ BOWMAN）公司、美国的卡普斯通（ CAPSTONE）和霍尼韦尔（ HONEYWELL）公司。已商业化的容量为 25～ 100kW，目前正在开发 200～ 400kW的微型燃气轮

机。我国的现状：我国已经具备一定的研究和生产能力。我国的差距 : 主要在整体工艺和个别材料方面；其次，关键部件及其优化配置也是薄弱环节。


国产 QD70 燃气轮机

主要技术指标：输出功率： 7060KW/最大 8000KW，热效率 31％，空气流量 29Kg/s，动力涡轮转速： 8300r/min。


6.4.2 微型燃机性能和优缺点1 、与往复式燃机相比，微型燃机具有以下优点：• 结构紧凑、体积小、重量轻、是传统燃机体积的 1/4 ；• 使用多种燃料、排放低，尤其是使用天然气；• 可多台组合运行，加上蓄热水柜，能够灵活、可靠地对不断变化中的

热、电需求进行适时调节；• 能通过电话线和远程计算机通信系统实现自动运行、无需人员值守，

运行费用低；• 燃气不用增压，可以直接从燃气高压管网取气，也可从低压管网送气；


• 直燃机可实现热电冷联产，也可通过生产热水，与热水空调组合运行；• 投资低，用户端的能量利用效率高，设备运行效费比高；• 环境效益极佳，氮氧化物的排放量仅为 25mg ／ L，是燃气锅炉无法

相比的；• 无振动、寿命长、运行成本低；设计简单、备用件少、生产成本低；通过调节转速，即使不是满载负荷运转，效率也非常高。


2 、与电站相比，微型燃气轮机具有以下优势• 没有或很低的输配电损耗；• 可避免或延缓增加输配电成本；• 利用燃机产生的热烟气可进行高效率的热电联产；• 适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节，从而

增加设备利用率；


• 用户可自行控制；• 可进行遥控和监测区域电力质量和性能；• 分布式能源供给系统，具有灵活、安全、清洁、高效的特点；• 在成本增加很小的情况下实现增加装机容量，建设周期短、环保压力

小、土建和安装成本低。


3 、主要缺点：• 技术相对较新，甚至不成熟；• 发电效率偏低，目前不超过 30% ；• 高度依赖信息与电子技术，必须与因特网技术同步发展，依靠网络和无线通信技术获得远程监控与技术支持。


4 、应用范畴：• 分布式能源供给系统；移动电站；• 不间断供电系统；• 航空工业用地面电力机组；• 军队、学校、医院、机关、住宅等用户的备用电源；• 新能源 /环保项目（垃圾填埋 /生物应用）等领域。


6.4.3 微型燃气机发电机组工作原理1 、工作原理及机构示意图一般的燃气轮机主要结构有三部分：压气机（空气压缩机）、燃

烧室、透平 ( 动力涡轮 )。微型燃气轮机的核心技术包括：利用空气轴承保持一个整体化的

高速转子在 6～ 15万 r/min状态下运行，驱动小型永磁式中频发电机发电。


图 6-3 微燃机及其涡轮发电机结构


2 、回热系统在回热系统中，透平（动力涡轮机）产生的烟气温度很高，通常被排入大气中或再加以回收利用（如利用余热锅炉进行联合循环）。

微型燃机的余热可用于船舶、汽车动力，制冷、采暖，以及生产净水。通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后，变为低品位的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。

为了协调热、电和冷三种动态负荷，实现最佳的整体系统经济性，系统往往需要设置压缩式制冷机和锅炉，甚至蓄能装置等。


6.5 燃气发电机组的电能变换与控制各类电力电子变换电源的构成都离不开有源器件（电力电子器件、

微电子器件）和无源器件（电容、电阻、电感和变压器），无源器件中的电感、变压器和电容器约占整机电源重量或体积的 50% 以上。

发展趋势： ——微燃机发电机组的中频化（ 1000Hz以上）、中压化（ 1000V以

上）提高发电机转子转速和输出电压的幅值；降低输出电流、导线直径和发热。


6.5.1 微燃机控制与电源变换系统微型燃机

500-1200Hz400-900V100kWAC/DC三相

变换器

50Hz/400V100kW

三相变压器

用户负载

DC/DC可逆变电路

三相AC/DC变换控制器

400Hz/400V100kWDC/AC三相

变换器

400Hz/400V3kWDC/AC三相

变换器

发电机

燃料阀

K1

DC/AC三相变换器变频控制

3kWh540V蓄电池

燃料增压器电动机

燃机控制器

人机操作界面

燃料增压器电动机

k2

图 6-4 微型燃机控制与电力变换系统总体结构


在开机启动阶段工作原理图

微型燃机

500- 1200Hz400-900V100kW

三相 AC/DC变换器

50Hz/400V

100kW

三相变压器

DC/DC可逆变电路

400Hz/400V100kW

三相DC/AC变换器

发电机

K1

3kWh540V蓄电池

人机操作界面

启动电动状态向逆变器提供直流电


工作阶段流程图

断开K1 发电机变发电状态

100KW三相DC/AC变换器

电容滤波100KW三相主DC/AC变换器

AC/DC变换器

输出500~1200Hz、400~900V交流电

输出540V直流电输出50Hz、400V

交流电

K2闭合负载

蓄电池DC/DC变换器


1 、电源变换与控制系统的构成与功能•100kW三相 AC/DC主变换器（整流器）：将三相 500 ～ 1200Hz 、 40

0 ～ 900V 变化的交流电压经整流变为 540V 直流电压。•100kW 三相 DC/AC 主变换器（逆变器）：将 540V 直流电压逆变为

三相 50Hz/400V 恒频、恒压的工频交流电压。•3kW 三相 DC/AC 变换器（逆变器）：将 540V 的直流电压逆变为三

相 0～ 50Hz/400V 交流变频电源，驱动燃机增压器电动机，控制燃料增压器电动机作变频调速运行，燃机启动阶段由蓄电池供电。　


• DC/DC双向（可逆）变换器：为蓄电池充电或放电提供双向变换通道，并根据蓄电池的充电特性限制充放电电流。

• 100kW三相隔离变压器：具有滤波和隔离作用，同时减缓操作冲击；利用变压器原副边绕组的感性特征，还可对输出电流低通滤波，使其变为平滑的正弦波形；变压器副侧绕组通常 Y接、带中心抽头，以便构成三相四线的供电制式。


2 、电源变换与控制系统的技术指标•三相 AC/DC主变换器：必须选用快速晶闸管；并且触发电路的同步信

号必须快速跟踪发电机的电压频率，因此触发电路应具有频率锁相功能。•三相 DC/AC 主变换器：启动时为发电机提供宽范围的变频电源，驱动发电机作电动运行，频

率变化在 0～ 500Hz 范围内变化，使发电机实现平稳的软启动；启动结束后，为负载提供 50Hz/400V 的三相四线制恒频恒压电源；它的工作频率变化范围大，对控制电路 PWM 调制的动态特性要求高、

控制较复杂。


• 系统采用微机协调控制和故障诊断：预测可能发生的故障，及时显示、报警，提高系统的可靠性。

• 主要技术经济指标：额定功率为 100kW ；输出的交流电压有效值为 400V/ 三相四线制；稳态输出电压调整率≤±1％；瞬态输出电压调整率－ 15% ～ +20% ；启动时电压稳定时间≤ 1.5s ；电压波动率≤ 0.8% ；线电压正弦波形总畸变率≤ 3%；输出额定频率 50Hz ；稳态输出频率调整率≤ 3％；瞬态输出频率调整率≤±7％；启动时频率稳定时间≤ 5s ；频率波动率≤ 1.0 ％。


3 、典型单元电路组成及工作原理

AC 400-500V

500-1200HZ

540V

图 6-5 100kW 三相 AC/DC 变换器


540VAC 400V

图 6-6 100kW 三相 DC/AC 变换器


图 6-7 3kW 三相 DC/AC 变换器


540V

+蓄电池

图 6-8 蓄电池充放电 DC/DC 可逆变换器


蓄电池　在启动过程中，蓄电池为燃机的启动提供驱动电源，为压缩机提供所需动力电源；在正常工作状态下、当负载突变时，蓄电池为输出逆变器提供稳定的电压，起到电力缓冲器的作用。

铅酸蓄电池镍镉蓄电池


6.5.2 微燃发电机组电网供电及控制1 、电网供电• 电网主接线• 发电机组电气控制屏2 、其他控制• 热工自动化：控制范围为单循环燃气轮机发电机组、天然气增压站消防水系统、天然气预处理等辅助工艺的监视和控制，另外在设计上留有以后采用联合循环的余地。 • 控制方式分类：集中控制与分散控制。 • 燃气轮机和电站控制：包含有转速与温度保护和控制、升速和减速控制、进气阀控制、入口进气导叶控制、可动静叶片控制、燃气轮机性能监控、启动顺序控制、失速报警和停机保护等。


6.6 燃气机组的并网运行与控制策略6.6.1 直——交变换低频并网逆变技术1 、基本电路与拓扑结构

DC LFAC LFAC

滤波器工频或高频逆变

器

工频变压器

滤波器

交流电网发电机组侧输出电压

1 2

图 6-9 直－交变换低频环节并网逆变器电路结构


交流电网

W2

T

a)

1W

1W Cf

VT1

U1

Lf

VT2交流电网

W2

T

1W

1W

CfU1

L f

VT1

VT2

b)

a) 推挽式 b ）推挽正激式

图 6-10 直—交变换低频环节并网逆变器拓扑


T

c)

交流电网W2

Cf U1

1C

Lf

VT2

VT1

W1

C2交流电网

T

W1

d)

U1

VT4

W2 Cf

LfVT1

VT3

VT2

c ）半桥式 d ）全桥式图 6-10 直—交变换低频环节并网逆变器拓扑


2 、燃气机组的低频环节并网逆变技术

MC

MC

功率监测器

MC MC

系统控制器

双向全桥变换器变压器箱

负载

电网

燃气发电机组输出电压

3 4

1

2

图 6-11 燃气机组的低频环节并网逆变系统


UL

LFAC

滤波器高频逆变器

DC

U1 Ud01 Ud02

HFAC HFPDC

高频变压器整流器滤波电感极性反转逆变桥

输出电压

图 6-12 直－交 / 交－直－交变换的高频环节并网逆变器电路结构

6.6.2 直－交 /交－直－交三级变换高频环节并网逆变技术1 、电路结构与拓扑


T

W2W1 U 1

VT

V

L

W

V V

V V

UdO1

UdO2V

D f

VDr

交流电网

uL

f

DC

2

4

1

33

LV

V V

U U

交流电网

uL

V

U 1

VD

VD

W

WW

WWT

T

VT

VT

W

VD

VD

VD

r1

f21

1 2f

C2

2

3

3

C1 1 2

43

2

1

dO2dO1

1

r2

T

U1

L

UdO1

U

V V

V V

dO2

交流电网

uL

W1

W2W1

W2

VT

VT

VDr1

VDr2

f1 2

3 4

1

2

T

U1

L

交流电网

uL

VT

VT

V

V

V

V

UdO2

UdO1W2

1W

1W

VDr1

VDr2

VDr3

VDr4

C

f1 2

3 4

1

2

s

c) 推挽式

a) 单管正激式 b) 并联交错单管正激式

d) 推挽正激式

直－交 /交－直－交变换的高频环节并网逆变器拓扑 (a)、 (b)、 (c)、 (d) 适用于低压输入场合


L

交流电网

VDr1

VD

UdO2

UdO1

W2

V

V

U1

W2

VDr2

VT

VD

V

V

uL

VT

VT

VD

VD

W1

W1

VT

VD

f1 2

3 4f

4

1

2

3

C1

C4

C3

C2

T

U1

L

UdO1

U

V V

V V

dO2

交流电网

uL

VT

VT

VDr

VDr

W2W1

C

C

W2

2

43

1

2

1

f

2

11

2

T LV V

V V交流电网

uL

VT

VDr

W2W1

W2

dO1

U UdO2

VT U1

VT VT VDr

1

1

f1

3

2

4

21

3 4

f ）并联交错双管正激式

e) 双管正激式

g) 半桥式 h) 全桥式

(e)、 (f)、 (g)、 (h) 适用于高压输入场合


2 、高频环节并网逆变器稳态工作原理

T

LfVm1

W1 dO1U UdO2

Vm2

U1

Vm3 Vm4

VDr2 L

uLW2u1 u2

VDr1

VDr3 VDr4

L L

VT1 VT2

VT3 VT4

C1 C2

C3 C4

C

VD1 VD2

VD3 VD4

TK2TK1

iLf

图 6-14 全桥式三级变换高频环节并网逆变器

高频逆变器采用大功率晶体管 GTR（ Vm1～ Vm4 ）作桥臂开关器件，其缓冲电容为 C1～ C4 ；极性反转逆变桥采用晶闸管（ VT1～ VT4 ）构成并网换流逆变器。


从 Vm2 、 Vm3 导通到 Vm1 、 Vm4 导通的换流过程等效电路


6.6.3 燃气机组高频环节并网逆变的控制策略1 、参数设计根据燃气机组工作的稳态原理及等效换流过程，确定滤波电感电流 iLf在导通与关断时期内变化的大小及其平均值。

具体的参数设计如下：设开关频率 fS>>fL电网电压频率 ,电网有功功率为 PL、电网电压有效

值为 UL，则在一个开关周期 TS内，电网电压可看成恒定。在 DTS期间，滤波电感电流增大 iLf ，其上升量为

2 2 1/ 2 sin( ) /Lf L L S fi U N N U t DT L (5－1)


在 (1－ D)TS期间，滤波电感电流 iLf减小，其下降量为2 sin( ) (1 )Lf L L Si U t D T

电网电流有效值为/L L LI P u极性反转逆变桥直流侧电压 Ud02 的平均值是：

02, 2 2 /d g LU I

电感电流 iLf的平均值是： , 2 2 /Lf avg LI I

设并网逆变器的效率为 η，则直流电源电流为： 1/( )i LI P U (5－6)

(5－2) (5－3) (5－4) (5－5)


, ,

,

/ 2

/ 2

VT avg Lf avg

VT rms L

I I

I I

极性反转逆变桥功率晶闸管开关器件 VT1～ VT4 的平均值、有效值电流应力和峰值电压应力分别为：

(5－8) (5－7)

, 2VT peak LU U (5－9) 全波整流桥超快恢复二极管 VDr1～ VDr4 的平均电流值、有效电流值和峰值电压应力分别为：

, , / 2Dr avg Lf avgI I

, / 2Dr rms LI I

, 1 2 1/Dr peakU U N N

(5－ 10) (5－ 11) (5－ 12)


2 、控制策略高频环节并网逆变器控制的对象是电感

电流

图 6-16 燃气机组高频环节并网逆变器控制方案

与电网电压同步的

基准正弦发生器绝对值电路比较器逻辑、驱动电路

过零比较器

过零比较器

驱动电路

驱动电路

电流误差放大器

VT

VT VT

VT 、

、

Vm1Vm2Vm 3Vm41 2

3 4

Lfiri 1ri

ciei


6.7 燃气机组的经济技术性评价6.7.1 燃气机组的经济性比较分析从中国利用天然气的现实情况出发，创造一条高效利用天然气的独特道路是——不建过渡性的大型燃气电厂，走直接置换小煤热电，小油电，燃煤锅炉、燃煤窑炉和民用燃气的道路。

微型燃气机组发电系统有必要发展和推广；微燃机组发电不一定非要使用优质、清洁的天然气作为燃料，可以大力发展生物质沼气、气化煤等新能源。


表 6-3 宝曼微燃机 Bowman TG80 CHP 经济性比较分析设备 % TG80回热循环前置循环燃气锅炉 (比较 )

系统供热出力 kW(th) 150 420 420

小时标准供暖量 W/m2•hr 50 50 50

设备供暖面积 m2 3000 8400 8400

年采暖周期 days 131 131 131

hrs 3144 3144 3144

热价 kW(th) 0.178 0.178 0.178

设备小时热收入元 /a 26.72 74.81 74.81

折算热水价格元 /t 16.84 16.96 16.96

设备利用小时 hrs 6500 6500 6500

年热收入元 173 ， 664 486 ， 260 486 ， 260 燃机发电效率 % 26 14 0

发电净出力（含压损） kW(e) 76.2 72.9 0 电价元 /kWh 0.395 0.395 0


年电收入元 /a 195 ， 644 187 ， 171 －总毛收入元 /a 369 ， 308 673 ， 430 486 ， 260

燃料消耗量 MJ/hr 1109 2058 1680

天然气耗量 m3/hr 31.8 59 48.17

燃料价格元 /m3 1.4 1.4 1.4

小时燃料费元 /hrs 44.52 82.60 67.44

年燃料费元 /a 289 ， 380 536 ， 900 438， 382 千瓦运行费元 /kWh 0.05 0.05 0

运行维护费元 /a 24 ， 765.00 23 ， 692.50 －收益元 55 ， 162.62 112 ， 837.79 47 ， 877.90

总造价元 /unit 413 ， 008 557 ， 760 250 ， 000设备投资回收周期年 7.49 4.94 10.93

续上表 6-3


表 6-4 Bowman 微燃机投资回收比较用户居民大楼商业建筑宾馆饭店 LPG用户

电价（元 /kWh） 0.395 0.52 0.64 0.52

热价（元 /m2/a) 28 35 35 28

供热量（ w/m3 ） 50 50 58 50

燃气价 1.4元 /m3 1.7元 /m3 1.8元 /m3 2.2元 /kg投资回收年限 /a 4.94 9.78 7.38 5.25


6.7.2 燃气机组的经济技术可行性评价燃气发电机组是新一代分布式电源的代表，它具有如下先进技术特征：运动部件少、结构简单紧凑、重量轻（是传统燃机的 1/4 ）；可用多种燃料、燃料消耗率低、排放低，尤其是使用天然气；低振动、低噪音、寿命长、运行成本低；设计简单、备用件少、生产成本低；通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高；可远程监控和故障诊断；即可独立又可多台分布集成扩容等。

94第 6章天然气、燃气发电与控制技术机械工业出版社MS6001B 燃气轮发电机组

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