現(xiàn)階段我國微型燃氣輪機發(fā)展與應用推廣

謝哲

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200000）

微型燃氣輪機在西方發(fā)達國家已經(jīng)被研發(fā)了很多年，技術(shù)比較先進。我國雖起步晚，但在20世紀末，也有一定的研究和發(fā)展。微型燃氣輪機與大中型燃氣輪機相比，優(yōu)勢越來越明顯。

由于微型燃氣輪機具有質(zhì)量輕、體積小、安全可靠、燃料范圍廣泛、可遠程控制和診斷等特點，再加上維護成本低的優(yōu)勢，可在城市中心、郊區(qū)、農(nóng)村乃至偏遠山區(qū)，都可以隨著環(huán)境條件變化，輕松、方便地安裝使用，還可以廣泛應用于并網(wǎng)發(fā)電、高峰負荷生產(chǎn)、備用發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等。

目前，根據(jù)我國能源狀況，必須大力推廣和應用微型燃氣輪機，它的研發(fā)甚至關(guān)系國防安全，世界上各軍事大國都在積極研發(fā)。本文闡述了微型燃氣輪機的發(fā)展和應用，并對國內(nèi)外微型燃氣輪機的發(fā)展前景進行了探討。

1 微型燃氣輪機技術(shù)特征

1.1 微型燃氣輪機技術(shù)特征

微型燃氣輪機的技術(shù)特征表現(xiàn)為：通常采用離心式壓縮機和向心式透平模式及背靠背轉(zhuǎn)子構(gòu)造，安裝有先進、高效的板翅式回熱器，有的還采用空氣軸承，單機功率在25～300 kW之間，是目前世界上最先進的一種動力裝置，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。其關(guān)鍵技術(shù)如下：①空氣軸承。微型燃氣輪機由空氣支撐唯一旋轉(zhuǎn)軸，既能節(jié)省維護成本，又能防止機械系統(tǒng)過熱，提高了系統(tǒng)的可靠性。②燃燒專利技術(shù)。無需控制燃燒后的污染。③數(shù)字電源控制器。微型燃氣輪機將電子動力技術(shù)與先進的數(shù)字控制相結(jié)合，數(shù)字能量控制監(jiān)控，可管控多達200個變量。在完成發(fā)電功率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了不同距離的調(diào)試與調(diào)度，并可控制多臺燃氣輪機，還可均衡各階段的功率，快速切換電網(wǎng)運行方式和獨立模式。

1.2 微型燃氣輪機運行特點

實踐證明，微型燃氣輪機在運行過程中具有以下特點：①質(zhì)量輕，使用方便。②操作靈活，不僅可以獨立運行，還可以與電網(wǎng)并聯(lián)運行，且2種方式之間可以自動切換。③運行十分安全。④清潔，排放少。⑤振動小，噪聲低，低于65分貝（10 m）。⑥燃料種類多，消耗少、成本低。微型燃氣輪機系統(tǒng)的運行成本低于500 USD/kW，適用于沼氣、天然氣、石油、汽油、丙烷、煤層氣、煤油、酒精等各種氣體和液體燃料。⑦運行時間長。微型燃氣輪機系統(tǒng)可連續(xù)運行400 h，整體調(diào)整間隔時間為11 000 h，設(shè)計壽命45 000 h。⑧可分布式。⑨不需要潤滑。⑩可使用空氣軸。?可以集成擴大容量，靈活配置微型燃氣輪機。?維護成本很低，可以在遠處進行控制和診斷。因為沒有潤滑系統(tǒng)，且應用獨特的空氣軸承技術(shù)，微型燃氣輪機維修成本極低，只需要更換空氣過濾網(wǎng)就行。?燃料轉(zhuǎn)換效率高。

綜上特點，微型燃氣輪機在動力領(lǐng)域已引起世界各國的高度重視，各國現(xiàn)在都在積極研發(fā)、生產(chǎn)更先進的模型。

2 微型燃氣輪機的發(fā)展歷程

現(xiàn)代微型燃氣輪機于20世紀60年代開始研發(fā)，發(fā)展歷史較短。目前，世界各發(fā)達國家都在開發(fā)和使用這種新型低能耗熱技術(shù)。

2.1 西方國家微型燃氣輪機的研發(fā)情況

在20世紀60年代，美國航空和宇航員管理局研發(fā)了一種基于傳統(tǒng)燃氣輪機的新型氣體驅(qū)動燃氣輪機動力設(shè)備，即燃氣輪機；70年代，NASA又研究了微型燃氣輪機在航天器上的應用。1995年，Joint signal、Capstone和Elliott American Dynamics公司在美國一年一度動力學年會上，展示了新型微型燃氣輪機的原型機（25～70 kW），之后該公司每年都會推出改進后的原型機。

1998-12，DOE主辦了微型燃氣輪機技術(shù)峰會，會議明確指出：在熱效率和環(huán)保方面，如何將微型燃氣輪機用于廉價、可靠的高溫材料，是微型燃氣輪發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)，其本身的特點對今后的發(fā)展非常重要。

2000-05，在第四十五屆燃氣輪機和空氣動力學國際會議上，美國和其他國家的幾家燃氣輪機公司，討論了在開發(fā)小型燃氣輪機方面的經(jīng)驗及其結(jié)果，參加會議的許多公司宣布，他們將從2000年開始，開發(fā)功率范圍為25～100 kW的微型燃氣輪發(fā)動機。2001-02，凱普斯通宣布其微型燃氣輪機用于Hibrid車輛并獲得CARB頒發(fā)的首個國際認證。

近年來，許多美國公司正在積極開發(fā)更加先進的微型燃氣輪機，其中，凱普斯通已生產(chǎn)65 kW微型發(fā)電機組，霍尼韋爾研發(fā)的75 kW發(fā)電設(shè)備已成功運行，大阪燃氣等日本公司正在使用凱普斯通技術(shù)開發(fā)熱電系統(tǒng)。

2.2 我國微型燃氣輪機的研發(fā)現(xiàn)狀

20世紀70年代，我國開發(fā)了37 kW、200 kW、3K42燃氣輪機。目前，我國微型燃氣輪機技術(shù)水平較低，所使用的商用機型（包括65k和200M的產(chǎn)品）均來自卡普斯通公司。根據(jù)我國能源現(xiàn)狀，微型燃氣輪機本身具有的技術(shù)特點和優(yōu)勢，為解決我國電力發(fā)展分布尚不均衡這一問題提供了可行性方案，現(xiàn)在已得到廣泛的關(guān)注和應用。

中國科學院熱物理工程研究所、哈爾濱東安集團和西安交通大學3個研究所，在中國科技部“863”計劃的支持下，已共同研發(fā)出100 MW微控燃氣輪機，并獲得驗證生產(chǎn)。科技部多次表明，要積極推動微型燃氣輪機的發(fā)展，盡快達到國外微型燃氣輪機的先進水平。

現(xiàn)在我國航空航天工業(yè)機構(gòu)已設(shè)計出30 kW微型燃氣輪機樣機，一旦國內(nèi)達到大批量生產(chǎn)水平，將有效推動微型燃氣輪機在我國的應用。近年來，我國雖然只是在微型燃氣輪機發(fā)電機組方面進行了大量的研究工作，推動了微型燃氣輪機發(fā)電領(lǐng)域的快速發(fā)展，對超微輪機也進行了初步探討，并掌握了一定的技術(shù)，但與國外相比，差距還很大。

3 微型燃氣輪機在我國的應用推廣

3.1 微型燃氣輪機的用途

從世界范圍看，微型燃氣輪機已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的工作、學習和日常生活中，是一種能確保清潔、安全和高效的低功耗分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供的最佳有效途徑。同時，微型燃氣輪機還用于并網(wǎng)發(fā)電、高峰負荷發(fā)電、備用發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等，且不受時間、地點和環(huán)境的約束，應用于偏遠山區(qū)、農(nóng)村和城市，特別是在混合動力汽車領(lǐng)域及軍事裝備、邊防安全方面都具有重要意義。現(xiàn)在，世界各軍事大國都在積極尋求和開發(fā)性能更好、更先進的微型燃氣輪機。

我國微型燃氣輪機的應用市場包括：①建筑物、機場、車站、醫(yī)院，還有金融信息中心和其他相關(guān)的國家重要設(shè)施；②農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的冷卻、熱量和二氧化碳供應；③邊境基地保護、軍事設(shè)施和其他國防部門；④木材加工、化學工業(yè)、紡織及其他電力、熱力、冷卻和蒸汽過程；⑤西部大開發(fā)、偏遠地區(qū)能源供應；⑥垃圾填埋沼氣發(fā)電；⑦由一組微型燃氣輪機模塊化組件組裝的中型發(fā)電站；⑧與燃料電池等先進技術(shù)共同開發(fā)未來的能源體系；⑨汽車混合動力系統(tǒng)等。

3.2 微型燃氣輪機的適用場所

微型燃氣輪機的主要應用場所包括：①廢氣燃燒場地；②需要動力的臨時地點；③經(jīng)常出現(xiàn)能源中斷的地方；④電費較高的地區(qū)；⑤無電網(wǎng)的偏僻地區(qū)；⑥可用峰荷電價向電力交易中心賣電；⑦常見的冷熱服務(wù)場所。

3.3 微型燃氣輪機的進一步研發(fā)

微型燃氣輪機在我國電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，特別是高速永磁發(fā)電機的出現(xiàn)，大大降低了發(fā)電機組的投資成本和發(fā)電機組的質(zhì)量，縮小了發(fā)電機組的體積，使發(fā)電機和壓縮機之間不需要減速機構(gòu)建立連接。目前，由于大多數(shù)微型燃氣輪機與電氣部件分開建模，或者在逆變器之前直接等效于直流電，特殊建模或等效處理，將破壞微型燃氣輪機能量系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)之間的內(nèi)部連接，這不利于實現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)控制設(shè)計，因此，需要我們找到一種新的建模方法來實現(xiàn)最優(yōu)控制。由于微型燃氣輪機特有的使用壽命長及維護操作成本遠遠低于廣泛使用的發(fā)電機成本等優(yōu)點，現(xiàn)在廣泛用于分布式電源、熱電聯(lián)供和車輛混合測試中。在能源需求不斷增長的今天，美國的微型燃氣輪機在20世紀末達到了令人矚目的高峰。隨著環(huán)保和能源政策的變化，未來微型燃氣輪機必將在全球迅速發(fā)展。現(xiàn)在，微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)進行了多年研究，并引起了微型燃氣輪機結(jié)構(gòu)的重大變化，基于對微型燃氣發(fā)動機技術(shù)的進一步研究和開發(fā)，世界上一些微型燃氣輪機研究機構(gòu)不再局限于原輪機材料，他們已使用陶瓷作為微型燃氣輪機燃燒室最新熱元件材料等，并取得了顯著成效。

4 結(jié)束語

21世紀，微型燃氣輪機對我國各行各業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，將成為我國沿海地區(qū)和偏遠地區(qū)能源分配的主要來源，市場潛力巨大，我們必須密切關(guān)注。

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