低温与超导 低温技术 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．８ 第４３卷第８期 高速透平发电机的特点及相关技术研究 孙立佳，任小坤，高元景，孙郁，张武 （中国科学院低温工程学重点实验室，北京１００１９０） 摘要：透平膨胀机作为回收能量的设备在能源综合利用方面得到了广泛的应用，随着高速电机技术的发展，采 用透平膨胀机直接带动高速发电机发电成为可能。文中比较了高速透平发电机系统相对于传统的透平发电机的 优势，介绍了其关键技术，探讨了高速透平发电机的发展方向。 关键词：透平膨胀机；高速电机；透平发电机 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｕｎ ｉａ，Ｒｅｎ Ｘｉａｏｋｕｎ，Ｇａｏ Ｙｕａｎｊｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｙｕ，Ｚｈａｎｇ Ｗｕ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，ＴＩＰＣ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｅｎｅｒｇｙ—ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅ，ｉｔ Ｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｔｕｒｂｏ—ｅｘｐａｎｄｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｔｓ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ，Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｅ，Ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ １ 引言 电力是现代社会最方便、最清洁，使用最广、 需求增长最快的能源。在世界范围内统计，９８％ 以上的电能是通过叶轮机械转换而产生的，在火 动器来吸收功 ，采用电机制动并输出电能技术 将得到广泛的应用，尤其是在一些小型分散、需要 独立电源的地方。 ２透平发电机的应用 透平发电机始于上世纪七十年代，石油危机 促使美国研究发展节能的种种措施。１９８６年美 国地热资源委员会发表了发展朗肯循环透平膨胀 机电力回收工艺的报告，介绍了应用朗肯循环系 力发电中是汽轮机和燃气轮机，在水力发电中是 水轮机，在风力发电中是风轮机…。因此可以说 透平技术在发电技术中有着举足轻重的地位，透 平技术的发展状况代表了发电技术的进步程度。 随着世界范围的能源问题的日益突出，科学家针 对能源的高效利用和开发新能源做了积极深入的 统与透平膨胀机、发电机的结合，对低温热能的能 量回收利用 。１９９３年中国海洋石油渤海公司 引进了美国ＷＥＳＴＨＯＵＳＥ公司制造透平发电机， 它是我国天然气深冷分离装置中第一台采用异步 交流电机制动的透平膨胀机。该透平膨胀机组利 用天然气绝热膨胀过程中输出的机械功带动发电 机发电，发出的电并人电网，同时机组转速达到平 探索和研究，透平膨胀机作为回收能量的设备在 能源综合利用方面得到了广泛的应用 。例如 高炉气透平膨胀机、烟气透平膨胀机、化工尾气透 平膨胀机、气井油井的天然气油田气透平膨胀 机等。 从能量的观点来看，高压气体进入透平膨胀 机喷嘴内，获得较高的流速，驱动工作轮高速旋 衡 。老牌公司的透平机械设计Ｃｒｙｏｓｔａｒ、ＯＲ 转，气体压力进一步降低，同时气体温度降低获得 低温，这个过程中压力能转化为的机械能需要制 收稿日期：２０１５—０４—３０ ＭＡＴ也在发挥他们的优势，集中研究适合有机朗 肯循环系统有机工质的透平膨胀机，利用低温余 基金项目：青年科技创新基金资助项目（ＣＲＹ０ＱＮ２０１３０８）。 作者简介：孙立佳（１９８４一），男，硕士，从事气体轴承透平膨胀机技术及其应用研究。 ・２４・ 低温技术 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ 第８期 热带动高速电机发电 ， 。 传统的透平膨胀机发电系统由透平膨胀机、 发电机及减速器组成 。随着高速电机技术的 系统成为可能 ，并广泛应用于微型燃气轮机、 有机朗肯循环、地热回收发电系统。传统的透平 膨胀机发电系统以及高速透平发电系统结构示意 图如下： 发展，采用透平膨胀机直接带动高速发电机发电 图１ 传统的透平发电系统示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 图２高速透平发电系统不意图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 相对于传统的透平膨胀机发电系统，高速透 平发电机具有以下优势： （１）相对于普通电机的低速运行，高速电机 接，不需要机械变速传动装置，既缩小了设备体 积，又避免了变速传动装置引起的损耗、振动及噪 声等问题…Ｊ，使传动系统的运行效率、运行精度 的转速较高，使得电机具有较大的功率密度，与相 同功率的低转速电机相比，体积大大减小，可以有 效的节约加工材料，减轻电机的重量，从而成本大 幅度下降 。 及运行可靠性得到有效的提高。 （３）普通发电机转速需在１５００或３０００转／分 钟保持不变，因此透平膨胀机的转速也需保持不 变，从而要求在气源流量波动时保持稳定地膨胀 （２）通常透平膨胀机转速较高，在上万转／分 钟以上，而普通的异步发电机工作转速在３０００ 转／分钟，转速相差悬殊，必须通过减速器来传递 功率。而高速的齿轮减速器设计比较困难，稳定 比，不能适应发电系统变工况的需求，甚至当气源 流量小于透平膨胀机最小工作流量时，发电系统 无法工作¨引。由于发电机和透平转子直接连接， 带压气体流动推动透平膨胀机就能够带动电机转 性差，由于高速磨损，减速器使用寿命较短。高速 电机的转速较高，运行时转子每分钟可以旋转数 万甚至数十万转，可以直接和透平膨胀机耦合连 子旋转发电，具有很好的变工况适应性。同时由 于高速电机重量轻，转动惯量小，动态响应速度 较快。 第８期 低温技术 （４）传统的透平发电机需有一套供油系统， 带走膨胀机、减速器工作时产生的热量，供油系统 体积庞大，安装复杂，需要长期维护。由于采用气 体轴承，省去了庞大的油路和水路，使总体布置简 化，操作和维修也简单了很多，大大提高了设备的 安全性和稳定性。同时，排气体轴承排气可以带 走高速电机工作时产生的热量，降低电机温度。 ３高速透平发电机的关键技术 由于高速透平发电机工作转速高，输出电源 频率高，要想将其实用化，需要一些不同于普通电 机的关键技术。 ３．１高速电机技术 高强度低损耗铁磁材料、数字控制、计算机技 术、高速轴承及磁轴承等技术的发展，使得电机可 以实现高速甚至超高速运行。高速发电机可以有 多种结构形式，如永磁发电机、感应发电机和磁阻 发电机等 ，其中永磁发电机和感应发电机发展 较早，其技术已相对成熟，应用也较广。从功率密 度和效率来看，永磁发电机最高，但转子结构复 杂，制造成本较高；永磁材料的抗拉性能较差，难 以承受高速旋转产生的巨大离心应力，需要对转 子提供特殊的保护措施；永磁材料对温度较敏感， 也在一定程度上限制了永磁电机在高温等恶劣工 作环境下的应用。感应发电机结构简单，其高速 转子可采用实心转子结构 ，强度优于永磁发电 机。它控制方便、转矩脉动小，在很多场合都获得 了应用，但转子损耗较大、功率因数较低。磁阻发 电机在功率密度方面的潜力最高、热性能最好。 在确定高速电机结构型式时，需要对其电磁和机 械特性、控制方式和功率变换系统进行综合对比 研究。目前中小功率高速电机采用永磁电机较 多，中大功率高速电机采用感应电机较多。 ３．２转子结构设计及动力学分析 高速电机旋转速度较高会产生较大的离心 力，当线速度达到２００ｍ／ｓ以上时，常规的叠片转 子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特 殊的高强度叠片或实心转子。由于永磁电机的高 效率和高功率密度，永磁转子成为中小功率高速 电机的首选结构，然而永磁材料强度小，高速旋转 产生的拉应力会对永磁材料造成破坏，因此必须 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ・２５・ 采用护套保护永磁体 。高速透平发电机电机 和透平膨胀机一体化结构设计，转子长度会增加， 机械强度及临街转速都会降低，容易导致高速透 平发电系统失稳。因此，转子设计是高速电机关 键技术之一，转子尺寸设计需要进行电磁计算和 机械强度校核，才能满足高速电机性能及稳定运 行要求。 ３．３气体轴承技术 高速电机转速较高，传统的油轴承及滚珠轴 承不能满足系统高转速、高稳定性的要求，采用气 体轴承是比较理想的方案。气体轴承主要是利用 高压气体产生的气膜实现气体润滑，从而支撑转 子运转。相比于滚珠轴承，气体轴承与转子不接 触，减少了转子轴承系统的磨损，可以应用于高转 速场合；气体性质稳定，粘性随温度变化小，可以 用于高温度的场合；由于气体粘性小，高转速下的 磨擦损耗小，发热与变形也极小；气体轴承结构简 单、控制方便，转子回转精度高，系统稳定性 好 。将气体轴承应用于高速电机的轴承一转 子系统，可以实现高速电机的高速、稳定旋转。气 体轴承中的气体流动还会带走发电机工作时产生 的热量，降低电机线圈温度，提高发电机效率。但 是，由于气体可压缩性，气膜阻尼小，气体轴承的 不稳定性相对于油轴承会增大，因此需要开发高 承载力，高刚度的气体轴承。 ３．４ 电机损耗 相对于低转速电机的损耗计算，高速电机由 于频率高，其损耗也很大，形成原因也较为复杂。 按照产生的原因，电机损耗主要有：永磁体产生的 旋转磁场会在定子中产生铁耗；由齿槽效应引起 的倍频旋转磁场会在转子的不锈钢护套、永磁体 中产生涡流损耗；高频负载电流在绕组导线中产 生直流电阻损耗和交流电阻损耗；漏磁场会在导 线中引起附加的涡流损耗；转子以及透平叶轮在 高速旋转过程中与空气摩擦还会产生阻矩损 耗＿１ 。同时，由于其体积小、散热困难，因此对于 损耗的研究，也是高速电机的一项关键工作。 ３．５电源逆变系统 永磁电机转速通常在３０００转／分钟以上，甚 至超过１０００００转／分钟，定子齿和铁芯中磁通的 变化频率超过１ｋＨｚ。永磁电机难于调节磁场变 化，不能直接调节发电机的电压。随着负载波动 ・２６・ 低温技术 变化，转子转速变化，发电机输出电压极其不稳 定，因此需要采用电源逆变系统将高速发电机输 出的高频交流电能转化为恒频恒压的电能供给用 户使用 １８］。电流逆变系统需要满足稳态精度高、 动态性能好、宽输入电压范围、恒压输出的要求， 起到快速变压和稳压的作用。 目前国内外对调节永磁同步发电机输出电压 的控制策略很多，其中利用电力电子变换器调压 是靠发电机输出端的电力电子变换器及其控制系 统来调压，常见的是交一直一交方案。这种方案 是将永磁同步发电机输出的三相交流电压通过可 控整流器整流成直流电压，再将其通过逆变器、滤 波器得到所需电压幅值和频率的单相交流输出， 可以将发电机输出高频电压直接变换成用户需要 的恒频恒压输出。整流器的整流电路，主要包括 不控整流电路、相控式整流电路和ＰＷＭ整流电 路三种方式 １９］。ＰＷＭ整流器具有交流侧电流低 谐波、高功率因数、直流电压输出稳定等诸多优 势，目前已是整流电路中的主流方式，并且衍生了 多种不同的控制策略，主要包括滞环电流控制、 ＳＰＷＭ控制、空间矢量控制（ＳＶＰＷＭ）。 ４高速透平发电机的发展探讨 气体轴承透平膨胀机具有工作温度范围宽、 结构简单、寿命长、低振动运行精度高的特点，而 高速电机也具有结构小、功率密度高、转动惯量 小、动态响应快的特点，两者相结合，是开发体积 小、高效率、高可靠行、长寿命的新型动力系统的 理想方案，在航空、航天、分布式发电系统、车用混 合动力装置等方面将有广泛的应用。但是，我国 在该方面还处于起步阶段，还需要在多方面进行 深入研究，如高速电机的结构设计、电机磁场分 析、电机损耗以及电机温升控制、电机机械强度、 振动以及噪声分析、电源逆变系统的控制策略和 拓扑结构、电机并网技术及控制研究等，涉及到材 料、机械、电磁、电力电子、自动化、检测技术与计 算机控制等多学科的前沿技术。 参考文献 ［１］朱宝田．透平技术在我国电力可持续发展中的地位 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ 第８期 ［Ｃ］．２００３第四届全国火力发电技术学术年会， ２００３，２００—２１６． ［２］计光华．透平膨胀机［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９８８． ［３］李军，候予，林韶宁，等．小型低温透平制冷机中电动 机和发电机的应用［Ｊ］．低温与超导，２００５，３３（２）： ｌ４一ｌ７． ［４］张大海．有机朗肯循环系统工质的选择与透平膨胀 机的数值模拟［Ｄ］．郑州：郑州大学，２０１１． ［５］梅同庆．异步交流发电机制动的透平膨胀机在天然 气深冷分离中的应用［Ｊ］．天然气工业，１９９７（９）：６７ —７１． ［６］Ｕｒｉ Ｋａ Ｐｌａｎ．Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ［Ｒ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ，２００７． ［７］Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｍａｒｃｕｃｅｉｌｌｉ，Ｓａｍｕｅｌ Ｚｏｕａｇｈｉ．Ｒａｄｉａｌ Ｉｎｆｌｏｗ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｋａｌｉｎａ ａｎｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅｓ［Ｒ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ２００７ Ｕｎｔｅｒ— ｈａｃｈｉｎｇ，２００７． ［８］李伟，蒋明亮．能量回收透平装置在有色冶金行业的 推广及应用［Ｊ］．世界有色金属，２０１５（１）：４６—４８． ［９］吴岩，张华涛，黄辉，等．两种液体透平膨胀机的工程 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