微型燃气轮机技术发展及应用前景

伍赛特

0 引言

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其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。近年来其已收到了广泛的技术关注。

1 微型燃气轮机及其技术特点

微型燃气轮机由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热，然后进入燃烧室和燃料混合、燃烧。大多数微型燃气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机和压气机、透平同轴，转速在50 000～120 000 r/min之间，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60 Hz 480V的交流电。

微型燃气轮机装置的洁净、可靠、高性能源于以下技术：通过采用贫燃料预混合燃烧技术，可使排放降低，通常NO_x排放低于12×10^-6（燃用天然气或丙烷燃料时为9×10^-6），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40 000～50 000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。先进微型燃气轮机的主要特点：

（1）功率在几十到几百千瓦之间；

（2）操作简单，安全可靠，使用方便；

（3）污染物排放低，噪音小；

（4）带有回热器、功率变频、高速电机等设施，效率达到28%～35%左右；

（5）组成热电冷联供系统，能量利用率可达80%。

2 微型燃气轮机技术的最新研究进展

微型燃气轮机技术最近几年发展很快，整机技术和关键技术都有明显突破。Capstone公司经过多年创新设计和先进材料研究，研制成功了高效、低污染物燃烧室、高速气浮轴承和高速永磁发电机，完成了集成技术，2009年200 kW的微型燃气轮机已经大批量推向市场。

Honey Well Power system公司重点研究75～350 kW先进微型燃气轮机的性能，在一次表面回热器MT的高温材料和高效紧凑板翅式回热器等研究方面有很大的进展，75 kW级的微型燃气轮机的发电效率达到为28.5%。

Northern Research & Engineering公司在微型燃气轮机低排放燃烧室及氮化硅技术取得研究成果，大大降低了NO_x的排放浓度。

我国在微型燃气轮机研究方面也做了一些工作，但整体水平比国外落后很多。

3 国内外微型燃气轮机的研究进展比较

3.1 国外微型燃气轮机研究进展

美国、日本和欧洲都在强化新一代微型燃气轮机系统的研究、开发和制造。近几年我国也积极研制微型燃气轮机，取得了一些进展。

微型燃气轮机的雏形可追溯到20世纪60年代，美国和苏联从航空发动机改装微型燃气轮机，但效率普遍较低（例如上海交通大学从苏联航空发动机改装的微型燃气轮机，用于海军消防泵，功率为37马力（约27 kW），效率为10%），但作为一种新型先进的微型燃气轮机发展历史则较短。1995年在美国动力年会上，AlliedSignal、Capstone与Elliott公司展示了25～75 kW微型燃气轮机样机。其后发展迅速。

Capstone公司在2000年11月已推出第1 000台微型燃气轮机装置，2003年的年产量1万台，在2008年200 kW的微型燃气轮机推向市场。

霍尼威尔公司开发成功了75 kW级的微型燃气轮机发电设备，发电效率为28.5%。日本的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。

3.2 国内微型燃气轮机研究进展

我国微型燃气轮机研究整体落后很多，与国外相比差距很大。对于微型燃气轮机的研发，总体上比较系统的研究和研发尚未深入进行，但已有相对较好的技术储备和工作基础。

在科学技术部"863"项目支持下，由哈尔滨东安集团、中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学等单位组成的产学研联合体已经完成100 kW级微型燃气轮机的样机设计，并通过了验收。

上海交通大学在科技部国际合作项目的支持下研究低热值微型燃气轮机装置，通过与澳大利亚联邦研究院合作，研究了功率约30 kW的超低热值微型燃气轮机装置，使用超低热值燃料气。

西安交通大学等单位发展了一整套设计理论和方法，提出了新型的设计，建立了具有先进水平的实验和加工设备，在高温材料和高温高速轴承方面，也有一定的研究工作基础和实验条件。

对于低污染燃烧室、高速空气轴承和高效紧凑回热器的研究和研发，国内尚没有开展深入的工作，特别是高效紧凑式回热器，国际上在这一领域的竞争十分激烈，有关研究报道十分少见。

4 微型燃气轮机的发展目标、前景及研究方向

4.1 发展目标及研究方向

我国微型燃气轮机发展目标可以定位为30～300 kW级的微型燃气轮机，发电效率不低于28%，使用寿命不低于100 000 h，用于分布式电冷热联供的能量利用率达到80%以上。

主要研究技术包括：微型燃气轮机的小型化关键技术，多燃料低污染燃烧关键技术，高效紧凑换热器关键技术，工作可靠性和长寿命关键技术以及高温高强度材料。

先进微型燃气轮机的高温高速轴承及其轴系支撑系统和微型燃气轮机自动控制等主要技术问题。

4.2 微型燃气轮机的应用前景

与内燃机发电相比，微型燃气轮机发电在某些方面有明显优越性，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、可遥控和诊断等特点。

微型燃气轮机具有更低的循环寿命成本，一台45 kW微型燃气轮机发电装置的成本约23 500美元（包括热交换器），整套柴油发电装置约9 000美元，微型燃气轮机寿命大于45 000 h，而同功率等级柴油机仅为10 000小时，另外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中相对费用并不重要；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推动分布式发电市场进步的技术优势。

4.3 分布式供能系统

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。美、英等国电力市场已从集中发电转向分布式发电的竞争。小型发电装置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。

分布式供能系统主要特点如下：

（1）分布式冷热电联供CCHP可实现能量的梯级利用，综合能源利用效率为80%～90%。

（2）与远程送电比较，大型发电厂的发电效率为35%～55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30%～47%。

（3）与大型热电联产比较，效率略低于大型热电联产系统，不存在输电线路和供热/冷管网的损失。

（4）其他特点：分布式布置，安装在用户附近，既可以灵活调节大电网的负荷，也可以提高整个电力系统的可靠性和安全性。

（5）应用领域：可以向建筑物提供电力、制冷、供暖、卫生热水或其他用途的热能。

参考文献

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