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微型燃氣輪機走向商業(yè)化
摘要：對MTG（Microturbine-generator）--微型燃氣輪機發(fā)電機的發(fā)展作一個簡要的回顧，介紹MTG的主要特點，并列出幾個有代表性產(chǎn)品的技術參數(shù)，供國內(nèi)同行參考。關鍵詞：回熱循環(huán)；燃氣輪機
中圖分類號：TK479+.11文獻標識碼：D文章編號：1009一2889（2000）04一0013一04
1回熱器與高速發(fā)電機的發(fā)展為微型燃氣輪機帶來了生機
長期以來，幾十至幾百kW的小型發(fā)電機組市場，一直由內(nèi)燃發(fā)電機組占領，燃氣輪機幾乎沒有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環(huán)的效率比較低，無法與內(nèi)燃機相匹敵。而且，小功率燃氣輪機轉(zhuǎn)速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機相連，笨重的減速器和低速發(fā)電機，把燃氣輪機結(jié)構(gòu)輕巧的特點給抵消了。人們早就認識到可以采用回熱循環(huán)來提高效率，但是常規(guī)回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大，而緊湊式的回熱器制造成本很高，所以，除了個別燃氣輪機（如KG3）有帶回熱器的衍生型外，回熱循環(huán)的地面應用始終打不開局面。隨著美英聯(lián)合開發(fā)艦用回熱中冷燃氣輪機的成功進展，板翅式回熱器在工藝及制造成本方面的突破，高速發(fā)電機從軍用走向民用，地面用的帶回熱器的小功率燃氣輪機重新引起人們的重視。
MTG大都采用回熱循環(huán)。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發(fā)電機及電子控制部分組成，從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內(nèi)接受透平排氣的預熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。大多數(shù)MTG由燃氣輪機直接驅(qū)動內(nèi)置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透平同軸，轉(zhuǎn)速在50000～120000rpm之間。一些單軸MTG設計，發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，轉(zhuǎn)換成高壓直流電后，再轉(zhuǎn)換為60Hz480V的交流電。
2分布式發(fā)電市場前景看好
MTG運動部件少，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，因而其可靠性好、制造成本與維護成本低。為了進入市場，制造商給自己定下的最低指標是：
·運動部件壽命40000小時；
·熱耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
·污染物排放小于9ppm；
·安裝與維護簡單，而且便宜。
MTG的潛在市場是很大的，只要它具有相當?shù)母偁幜Α２捎迷鰤浩骷夹g生產(chǎn)MTG，成本可以大大降低，特別是用鑄造技術代替機械切削工藝，經(jīng)濟性尤其顯著。MTG適合用于分布式發(fā)電，使電站更靠近用戶。分布式發(fā)電與中心電站相比，可靠性更好。制造商們相信，一旦達到適當?shù)呐浚琈TG有能力與中心發(fā)電廠相匹敵。對終端用戶來說，與其它小型發(fā)電裝置相比，MTG是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。
可以設想，MTG將是未來公用事業(yè)的基本構(gòu)成之一。將來與中心電廠平行運行的是許許多多小型發(fā)電裝置。就像計算機似的，在大型機周圍有著大量的微型機和局域網(wǎng)在同時運行。
3開發(fā)與應用情況
目前，開發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。
Capstone-Capstone公司90年代初開始開發(fā)微型透平發(fā)電機元件，1994年研制成24kW樣機，1996年生產(chǎn)了37臺樣機供現(xiàn)場試驗。該發(fā)動機為單軸結(jié)構(gòu)，空氣軸承支撐，轉(zhuǎn)速為96000轉(zhuǎn)／分。整個發(fā)動機安置在一個圓柱形的排氣殼內(nèi)，10米外的噪音60dB，用天然氣燃料時，氧化氮排放為9ppm，一氧化碳排放為25ppm。1997年30kW樣機進行現(xiàn)場試驗，此后又推出60kW發(fā)電機組和45kW車用機組，幾年后將生產(chǎn)125～250kw機組。Capstone估計微型透平安裝成本不超過15000美元（每kW500美元）。發(fā)電成本每kWh4.5～5美分。
圖1Capstone30kWe微型透平
Capstone公司宣稱，它已與Meidensha和Sumitomo兩家日本公司達成協(xié)議，在日本銷售Capstone的微型透平，并成套為電熱聯(lián)產(chǎn)裝置。兩家日本公司還負責售后服務，在日本建立一個維修網(wǎng)。Capstone還將許可證轉(zhuǎn)讓給日本的Takuma公司，Takuma除了進行系統(tǒng)集成和分銷外，還將Capstone330微型透平成套為電熱聯(lián)產(chǎn)裝置，名為TakumaTCP30，用燃氣輪機排氣生產(chǎn)熱水。
美國丹佛附近的一個油田，正準備安裝一套能源回收裝置，利用Captsone微型透平將未經(jīng)處理的井口廢氣轉(zhuǎn)化為電。
Ingersoll一Rand能源系統(tǒng)公司現(xiàn)在獨立生產(chǎn)和銷售PowerWorks系列微型透平。
PowerWorks系列的功率范圍是30～200kW。這一項目始于80年代初，是由NREC的能源系統(tǒng)業(yè)務部主持開發(fā)的，并得到南加州煤氣公司、紐約煤氣集團及煤氣研究所（GRI）的支持和合作。他們以增壓器元件為基礎，使燃氣輪機的價格能與活塞發(fā)動機相匹敵。他們采用純徑流、雙軸結(jié)構(gòu)，動力透平軸與燃氣發(fā)生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3：1。動力透平驅(qū)動發(fā)電機（通過減速器）或Rl34a制冷劑壓縮機，后者用于制冷系統(tǒng)。燃燒室為單管、貧預混結(jié)構(gòu)，用天然氣作燃料時NO。排放低于5ppm，滿足南加州苛刻的排放標準。PowerWorks裝置配備NREC逆流、板翅式回熱器，以提高效率。燃燒室與回熱器是NREC的專利設計。NREC在回熱器技術方面有新的突破，應用于20kW～20MW的燃氣輪機發(fā)動機上，回熱度可達90％。常規(guī)板翅式回熱器上出現(xiàn)的疲勞問題已經(jīng)克服，初成本和壽命周期成本都具有相當?shù)母偁幜Α?jù)稱，他們是唯一解決了回熱器泄漏問題的公司。1999年投入小批量生產(chǎn)。PowerWorks可加裝余熱鍋爐組成電熱聯(lián)產(chǎn)機組，提供200（的熱水或蒸汽。機組電效率超過30％，熱電總效率超過80％。
powerWorks應用于住宅發(fā)電、采暖／通風／空調(diào)、制冷等領域。NREC將市場瞄準煤氣與電力部門、分布式電熱聯(lián)產(chǎn)用戶，并將與能源服務公司（ESCOs）分享市場。空調(diào)與制冷方面的市場將通過與美國、日本及歐洲的HVACOEMs達成銷售與配套協(xié)議來開拓。
AlliedSignal公司1998年底開始生產(chǎn)75kWe微型透平發(fā)電機。叫做TurbOGenerator，1999年開始批量生產(chǎn)，成本預計在22500到30000美元之間（每kw300～400美元）。他們力求開發(fā)三種類型的微型透平發(fā)電機，分別應用于家庭、商業(yè)和工業(yè)。
AlliedSignal75kW樣機參數(shù)如下：
單軸回熱空氣軸承回熱度85％～90％不銹鋼回熱器壓比3．8：1透平前溫900℃轉(zhuǎn)速85000rpm發(fā)電機永磁、高速變頻器變頻（1200Hz-50HZ／60Hz）尺寸1524mmX914mmX1828mm（長寬高）效率30％（HHV）排放NO＜25ppm噪聲65dB（10米）燃料汽油、柴油、天然氣、石腦油、沼氣、丙烷或合成氣
Ellioii一Ellioti能源公司共開發(fā)了3種微型透平，功率分別為45kW，80kW和200kW。
E111oiiEnergyTA-45的參數(shù)為：
單軸回熱液體潤滑軸承24V電起動功率45kW運行溫度-40～＋50℃排氣溫度704℃（無回熱）316℃（（帶回熱）轉(zhuǎn)速116000rpm輸出電壓120／208／240VAC尺寸1676mmX762mmX914mm重量136kg效率30％（LHV）排放NO＜9ppm（天然氣燃料）燃料柴油、天然氣、沼氣、丙烷、汽油、煤油、酒精
GeneraIElectricPowerSvstems與DlionttC0．簽署了一項備忘錄，為ElliottEnergySystemsd、燃機開拓市場，起先為30～200kW，最大功率計劃為500kW。
BowmanPowerSvstemsLtd是1994年建立的一家英國公司，公司地址在南安普頓，專門從事微型透平發(fā)電機開發(fā)，他們將Elliott的微型透平發(fā)電機成套后銷售歐洲市場。高速發(fā)電機與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由Bowman公司設計和制造。1999年開始投放45、60、80和200kWe機組。下一步將功率范圍擴展到500kWe。
瑞典的微型透平一TurbecAB是1998年在瑞典成立的一家生產(chǎn)微型透平的公司，ABB和Volvo各擁有50％的股份。Volvo70年代開始開發(fā)車用燃氣輪機。1992年研制成功的40kw微型透平裝在Volvo。的概念車上，此后又研制了用于貨車和大轎車上的100kW機組。1997年Volvo通過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)了微型透平發(fā)電機組在分布式發(fā)電和電熱聯(lián)產(chǎn)的應用前景，但Volvo對這一市場并不熟悉，所以它選擇ABB作為合作伙伴。Turbec的第一個產(chǎn)品是100kW機組（VT100），其原始樣機是已經(jīng)試驗過的車用燃氣輪機。該機組有9000小時的運行記錄，首臺產(chǎn)品計劃2000年內(nèi)提供給用戶。正在開發(fā)的下一個機型是40kw機組。
圖2裝備Elliott核心機的Bowman微型透平
瑞典開發(fā)高速發(fā)電（HSG）始于1986年。1993年，HSGI作由發(fā)展走向商業(yè)化，成立了HSG發(fā)展公司，Vattenfal1、ABB和Volvo均擁有該公司的股份。接著在瑞典的高神伯格建立了一個MTG示范工廠，該工廠1997年開始運行。將進行5年（1997-2002）的評估。在5年內(nèi)，希望積累25000～30000小時的運行經(jīng)驗。
該工廠在供熱幾季節(jié)（9月至4月）每年連續(xù)運行5000小時。燃料為北海油田供應的天然氣。第一階段的運行表明，機組的性能比預期的要好。
全負荷運行特性：
空氣流量（Nm3／s）
0.25
空氣進氣溫度（℃）
15
轉(zhuǎn)速（rpm）
90000
壓比
4：1
透平進口溫度（℃）
910
透平出口溫度（℃）
625
燃料氣溫度（℃）
245
熱輸出（kwth）
70
電輸出（kwe）
38
發(fā)電效率（％）
28
總效率（％）
80
供熱回水溫度（℃）
55
供熱供水溫度（℃）
70
全負荷工況污染物排放測量值：
一氧化碳8mg／MJ燃料
氧化氮14mgNO2／MJ燃料
碳氫化合物4.5myMJ燃料
Pratt已whitnevCanada-pratt＆whitnev
Canada（加拿大普惠）的市場研究表明，未來5～10年內(nèi)分布式發(fā)電的市場將有增長。于是提出了一個發(fā)展新一代燃氣輪機發(fā)動機族ST5的技術驗證計劃，用于分布式發(fā)電。新一代發(fā)動機吸取加拿大普惠最新航空發(fā)動機PW6XX的技術，執(zhí)行這一計劃的目的是降低運行成本，同時保持具有加拿大普惠同類發(fā)動機的可靠性和耐久性。ST5發(fā)動機族的功率范圍是250～600kw，公司將其歸于微型透平一類，但比目前微型透平制造商提供的微型透平功率略大。對加拿大普惠來說這是一個新的起點，通常加拿大普惠先開發(fā)航空用的發(fā)動機，一旦發(fā)動機通過驗證，然后發(fā)展其工業(yè)用的衍生型。這一次，加拿大普惠研發(fā)的發(fā)動機同時考慮航空及工業(yè)兩方面的應用前景。新發(fā)動機有簡單循環(huán)與回熱循環(huán)兩種類型，既可用于尖端負荷，也可用于基本負荷。發(fā)動機將吸取普惠早先高性能小型燃氣輪機的試驗。
4可靠性測試
要使MTG進入市場，它必須在發(fā)電質(zhì)量、可靠性、可用度、環(huán)境可接受性、經(jīng)濟性等方面完全滿足用戶的要求。為此美國政府和工業(yè)部門正在執(zhí)行一個計劃，由電力研究所（EPRI）牽頭，將各家生產(chǎn)的MTG，在同一試驗場地安裝、運行和試驗，評定它們的技術與經(jīng)濟性能。性能測試包括以下內(nèi)容：起動／停機；機組總效率；純輸出功率；運行能力；排放；發(fā)電質(zhì)量；耐久性；運行與維護要求等。
這一試驗計劃，將對各種機組在安裝、性能、維護要求等方面提出有價值的定性與定量的評價。試驗數(shù)據(jù)取自在加州伊兒文（lrvine）試驗現(xiàn)場的實際運行結(jié)果。然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和人工整理，修正為標準的運行特性。現(xiàn)場每隔5分鐘采集一次原始數(shù)據(jù)，由各種傳感器將脈沖或模擬信號送到數(shù)據(jù)處理器，每天晚上采集數(shù)據(jù)，每個月處理一次。
每一臺MTG都在固定的部位安裝了各種傳感器。采集運行數(shù)據(jù)的同時，整個現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)也被記錄下來。測量數(shù)據(jù)包括：發(fā)電量kWh；燃料消耗量；燃料溫度；燃料壓力；瞬時發(fā)電品質(zhì)（諧波畸變）；環(huán)境溫度；相對溫度以及大氣壓力。如果MTG帶余熱鍋爐，同時測量水流量、煙氣出口溫度及水溫等參數(shù)。
試驗分三個階段進行：安裝與啟動；運行與維護；性能測試。機組安裝完畢以后，首先試驗其起動與停機能力。機組應具備承受每天起動與停機帶來的磨損的能力。
機械性能試驗包括內(nèi)容：
·耐久性各種MTG在基本負荷作長時間運行。每天都記錄運行參數(shù)，如燃料流量，環(huán)境空氣的壓力、溫度與相對濕度，發(fā)電量（kwh），運行溫度和壓力等。
·瞬時響應MTG必須能對負荷的變化及時作出響應。所有機組都井網(wǎng)運行，而不是孤立運行，系統(tǒng)負荷的變化反映在網(wǎng)上。MTG機組的負荷改變是通過控制系統(tǒng)人為設定的。
·諧波崎變發(fā)電輸出由BMI或其它同類記錄
儀測量總的諧波畸變（THD）。在耐久試驗中，BMI也用來確定全負荷機組的功率因數(shù)。測量功率因數(shù)的目的是要證實，機組在井網(wǎng)情況下是否達到額定輸出。
·噪聲測量用手持噪聲儀測量噪聲。測量噪聲時每個機組都單獨運行。
·排放測量指南海岸地區(qū)空氣質(zhì)量管理條例：考察每個MTG，判定其NO，排放是否符合標準。此外還用手持儀器進行周期性測量，以確定運行中噪聲的趨勢，并考察是否有惡化。
·尖峰負荷用BMI儀或相當?shù)墓β蕼y量記錄儀器，進行尖峰負荷的發(fā)電功率與純功率測量。對了不帶燃料壓縮機或燃料壓縮機由外電源驅(qū)動的右組，純功率輸出是由發(fā)電功率扣除為維持MTG行消耗的外電源能量得到。這一試驗得到諸如效蕩熱耗、運行小時等特性，這些數(shù)據(jù)可以用來與制造廠制定的性能規(guī)格進行比較。
列入美國政府和工業(yè)部門實驗計劃的機組
供
應商
電功率（KW）
燃料
軸承（潤滑）
透平類型
發(fā)電機類型
Allied
Signal
75
天然氣
空氣
單級徑流高頻
Bowman/Elliott
45,80,200
天然氣
液體
單級徑流
高頻
Capstone
30
天然氣
空氣
單級徑流
高頻
GE/Elliott
45,80,200
天然氣
液體
單級徑流
高頻
NREC（樣機）
70
天然氣，柴油，丙烷
液體
單級徑流+動力透平
感應（齒輪減速）
5待解決的問題
如果當前的技術都能通過驗證，下一步要解決的是應用的問題，如發(fā)電質(zhì)量問題，用作備用機組的問題等等。試驗計劃中規(guī)定的下一個步驟是現(xiàn)場試驗，考察MTG在實際應用中是否能達到預期的效血。
從長遠考慮，將MTG與其它技術（如燃料電池）結(jié)合起來，構(gòu)成組合式發(fā)電裝置可能是很有前途的新發(fā)展。與燃料電池結(jié)合，MTG就不需要燃燒室了，而MTG可以給燃料電池提供壓縮空氣。MTG與燃料電池的組合式發(fā)電，效率可望高達60％，NO。小于1．0ppm，SO。幾平測不出來。
我國有關部門也開始注視MTG市場。中科院工程熱物理研究所已開始進行60kWe移動式燃氣輪機發(fā)電機組商業(yè)化的前期工作，擬用高速發(fā)電機取代中頻發(fā)電機，開發(fā)高效低成本回熱器。希望在不久的將來有國產(chǎn)的MTG占領我國尚未發(fā)育成熟的分布式發(fā)電商場。
參考文獻：（略）
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