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1、微型燃气轮机技术进展及应用展望微型燃气轮机技术进展及应用展望丰镇平【摘要】微型燃气轮机是一类新型热机，近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，得到了高度关注和迅速发展。先进微型燃气轮机提供了清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电和热电联供的最佳方式.本文着重结合国外微型燃气轮机的研发及应用情况，综述了先进微型燃气轮机的技术进展,探讨了微型燃气轮机在我国的应用前景,提出了对微型燃气轮机技术的研发建议，供有关领导部门和同行参考。【关键词】微型燃气轮机分布式发电热电联供径流式叶轮机械燃料电池混合动力汽车 0 引言微型燃气轮机（Microturbi
2、ne或Micro一turbines）是一类新近发展起来的小型热力发动机,其单机功率范围为25300 kWDL基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环.近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构特别是电力系统的放松控制（Deregulation）以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别是在美、欧等国发展迅猛，大有与大中型燃气轮机共占市场的势头2-6。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、
3、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性,微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势,受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的.本文结合国外微型燃气轮机的研发及应用情况,综述了先进微型燃气轮机技术的进展，探讨了微型燃气轮机在我国的应用前景，并在此基础上提出了对微型燃气轮机技术的研发建议，供有关领导部门和同行参考。
4、1 微型燃气轮机的发展概况微型燃气轮机的雏形可追溯到60年代，但作为一种新型的小型分布式能源系统和电源装置的发展历史则较短。1995年在美国动力年会上，Allied Signal、Capstone与Elliott公司展示了2575 kW微型燃气轮机样机。其后发展迅速,每年（包括其它公司，如NREC等）均有样机推出。为此，美国能源部（DOE)于1998年12月主持召开了微型燃气轮机技术高峰会（Microturbine Technology Summit），专门讨论有关微型燃气轮机技术研发以及与政策和市场相关的问题，为制订微型燃气轮机研发计划提供思路和建议。会议明确指出：微型燃气轮机市场很大，工业
5、应用竞争激烈，其中未来电力市场结构将是影响微型燃气轮机发展因素之一；微型燃气轮机的廉价高效，性能可靠对其发展十分重要,同时，燃料处理。燃气压缩，回热系统以及电力电子技术对提高微型燃气轮机的可靠性及降低造价也很重要，并且，廉价耐用可靠的高温材料将是微型燃气轮机在热效率和环保方面取得进展的关键;微型燃气轮机分布式发电的联网是其特殊技术问题。美国ASME副主席Lee S. Langston在1999年度和2000年度燃气轮机工业综述回顾中,专门对微型燃气轮机的发展进行评述和预测2，3。Langston预计,随着电力系统放松控制的深入和加速，微型燃气轮机的潜在市场将达到每年80100亿美元.为了对照，
6、给出关于全球燃气轮机市场的一组数据：1997年为240亿美元；1998年为280亿美元，比1997年增长17；1999年达350亿美元，比1998年增长21。由此可见，微型燃气轮机的发展潜力和市场份额都很大，有专家曾指出2:微型燃气轮机在未来电力工业中的地位犹如微机(PC)在曾以大型机为主的计算机工业中的地位。尽管这种比喻不很妥当，但确确实实深刻反映出了微型燃气轮机在未来电力工业中的重要作用和地位。2000年5月ASME IGTI（美国机械工程师协会国际燃气轮机研究院）在德国慕尼黑召开的ASME第45届国际燃气轮机和航空发动机大会，展览及用户会议上,首次设立了关于微型燃气轮机的分组会议（Ses
7、sion M04：Mic-roturbine OperationaI Experiences）,其中美国的Capstone Turbine，Elliott Energy Systems，Honeywell Power Systems，Northern Research & Engineering Corp.，Southern California Edison，Oak Ridge National Laboratory，加拿大的CANMET Energy Technology Centre，以及瑞典的Turbec AB报告了各自的研发结果和运行经验。IGTI的车用和小型燃气轮机分会主席Mary
8、 Gerstner撰写报告指出：1999年微型燃气轮机市场有很大发展,数家公司开始进行商业生产和销售。Capstone的一台客户机组运行已达6000小时的记录。其它公司宣布在2000年开始生产微型燃气轮机.先期产品功率范围在25100 kW，近期热电联产机组发展具有代表性，系统总效率可达80%以上。总之，近年来微型燃气轮机进展显著，特别是美国微型燃气轮机的发展达到高潮110。Capstone公司在2000年11月已推出第1000台微型燃气轮机装置。2 微型燃气轮机的发展动力一分布式发电微型燃气轮机的发展源于分布式发电。分布式发电主要是由电力市场的放松控制所驱动的，同时还得益于天然气市场的放松控
9、制。电力市场的放松控制是世界范围内的发展趋势，它使得用户可以选择向谁买电或允许用户自行发电，就地供电（现货电力)成为向用户提供最低廉用电的主要竞争武器之一。当前几乎所有的美国公用电网建立了其能源服务公司（ESCO），以充分利用电力市场放松控制的优点,一个公司如果能够做到在电价高涨时发电而电价降低时停机，则在供电竞争中将具有明显的优势。分布式发电的发展为微型燃气轮机技术发展和市场扩展提供了极好的平台。目前，美、英等国电力市场已从控制发电转向分布式发电的竞争。小型发电厂在分布式电网中的应用，已成为一种日益增长的可行选择。这种发电方式能够为用户减缓电网拥挤，增加电网机动性，降低送电损失和成本,改善电
10、力质量。微型燃气轮机技术的发展及其商用推出大大增加了分布式发电面向较小用户的可能性，微型燃气轮机发电装置的紧凑性,可靠性和遥控运行以及环境友好等特点，意味着它们特别适合分布式发电的区域性应用，例如可以置于非常靠近用户运行，图1为置于住宅墙外的微型燃气轮机家用电源.显然，它不再需要常规电网的长达数以千米以上且价格昂贵的输电线路,而这一点在以往恰恰被忽视了。考虑到目前全球还有20亿人口还在完全没有电的条件下生活，微型燃气轮机的应用,可以加速实现这些地区人民的生活和生产的电力化。可以想像，对于在无电区生活的他们而言，通过装备微型燃气轮机发电装置，简单地从电源插座获得可靠而高质量的电力，确实令人激动.
11、在分布式发电应用领域，微型燃气轮机将直接与柴油机发电进行竞争。与内燃机发电相比，微型燃气轮机发电有明显优越性，例如：一台45 kW微型燃气轮机发电装置的成本约13,500美元（包括热交换器)，而整套柴油发电装置约9,000美元.但燃气轮机具有更低的循环寿命成本，第一代微型燃气轮机寿命为45，000小时,而同功率等级柴油机仅为4000小时，不足燃气轮机的1/10。而且燃气轮机排放低于柴油机，有利于环境保护，可以相信,随着微型燃气轮机技术的进一步发展,其成本将接近于柴油机发电装置，而工作寿命更长。当然，目前微型燃气轮机的热效率还低于同等功率的柴油机，但在低负荷应用时其热效率和燃料费用在整个发电成本
12、中相对维修费用并不重要;而在高负荷时性能良好，在线维护仅需几个小时，费用可以大大节省，这也是微型燃气轮机驱动分布式发电市场进步的技术优势.由于微型燃气轮机相应于内燃发动机的这些优点,全球范围内特别是具有大规模燃机市场的美国，对微型燃气轮机有极大的兴趣，微型燃气轮机ESCO的发展势头非常猛.由于某些地区电力不能满足峰时需求时，发电厂可调高峰时电价，因此随着大多数公司追求尖峰负荷的收入，预计放松控制市场后的发电量将比垄断市场更大。需要指出，尽管微型燃气轮机的应用焦点是分布式发电市场，但对汽车领域有一定影响.1999年有两种微型燃气轮机投入于商用混合动力汽车，汽车行业由于日益严格的排放控制，对燃气轮
13、机超低排放这一优点有着极大兴趣。3 微型燃气轮机的技术及进展图2给出了Capstone公司生产的微型燃气轮机发电装置.该装置功率为30 kW，其中图2a为单个装置，其外观形如冰箱；而图2b则为其多台集成装置,经10台机子集成后功率达300kW。图3为其它公司生产的7075 kW微型燃气轮机,目前微型燃气轮机的最大单机功率为80200 kw。图4示出了Capstone微型燃气轮机发电装置的部件示意图,其主要部件包括离心式压气机，单筒形燃烧室、向心式透平、回热器以及发电机.微型燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置，概括来说,它是以径流式叶轮机械为技术特征的。通过采用径流式叶轮机械
14、,即向心式透平与离心式压气机,可使装置结构简单、紧凑，便于移动。这一类叶轮机械的特点是流量小，功率低，转速高，效率限制因素较多。因此必须采用回热循环才有竞争力。当透平叶轮采用金属材料且非冷却时，透平的进气温 度大致为840930,此时装置效率稍低于或等同于同等功率的柴油机。表1给出了国际上几个公司研发的第一代微型燃气轮机的技术参数，其功率为2875 kW，效率为22。5%33%。因此,在新一代微型燃气轮饥中,期望通过引人高新技术如陶瓷材料部件(陶瓷叶轮等），以大大提高效率。研究表明进气温度为1350的微型陶瓷燃气轮机的效率可达40。 如：日本通产省于1990年启动的“100 kW车用陶瓷燃气轮
15、机”的七年研发计划,透平进口燃气温度为13001400,设计热效率40(100,000 r/min）， 实测试验结果为35。6（90,000r/mjn）为进一步了解先进微型燃气轮机技术,表2示出了微型燃气轮机与常规热力发动机的技术特点比较,表3对先进微型燃气轮机发电与柴油机发电的技术指标进行了比较，表4则给出了Capstone公司2000年度白皮书公布的微型燃气轮机燃用天然气时的排放数据及其与内燃机的比较5，Capstone特别强调其中的NOx排放数据是能够确切保证的。微型燃气轮机装置的洁净，可靠,高质量源于以下技术：通过采用贫燃料预混合技术,可使排放降低，通常NOx排放低于12 ppm（燃用
16、天然气或丙烷燃料时为9ppm），噪声低于70 dB；通过采用空气轴承,不需维修或维修性好，设计大修周期为40，00050,000小时甚至更高；通过采用数字式遥控的联网离网发电变换装置,可以确保发电质量和电网安全。同时，微型燃气轮机也具有较好的技术经济性，目前售价为250350美元/kW。因此,先进微型燃气轮机提供了清洁可靠高质量多用途分布式小型发电的最佳方式。图5概括了先进 微型燃气轮机具有的技术优点，特征以及在发电领域中的不同用途.表5则示出了Capstone微型燃气轮机的先进技术特性.可见微型燃气轮机不仅具有明显的技术优势，而且应用范围广泛。 进一步，微型燃气轮机可以直接与未来的先进发电方式一燃料电池实现联合发电，例如采用固体氧化物燃料电池（SOFC）与微型燃气轮机（MGT）结合,其联合装置效率可达60以上,而NOx排放低于1ppm。这也是目前世界上最为先
