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微型燃气轮机走向商业化
摘要：对MTG（Microturbine-generator）--微型燃气轮机发电机的发展作一个简要的回顾，介绍MTG的主要特点，并列出几个有代表性产品的技术参数，供国内同行参考。关键词：回热循环；燃气轮机
中图分类号：TK479+.11文献标识码：D文章编号：1009一2889（2000）04一0013一04
1回热器与高速发电机的发展为微型燃气轮机带来了生机
长期以来，几十至几百kW的小型发电机组市场，一直由内燃发电机组占领，燃气轮机几乎没有立足之地。原因是小功率燃气轮机单循环的效率比较低，无法与内燃机相匹敌。而且，小功率燃气轮机转速高，通常需要采用齿轮减速器降速后与发电机相连，笨重的减速器和低速发电机，把燃气轮机结构轻巧的特点给抵消了。人们早就认识到可以采用回热循环来提高效率，但是常规回热器的体积与重量比燃气轮机本身还要大，而紧凑式的回热器制造成本很高，所以，除了个别燃气轮机（如KG3）有带回热器的衍生型外，回热循环的地面应用始终打不开局面。随着美英联合开发舰用回热中冷燃气轮机的成功进展，板翅式回热器在工艺及制造成本方面的突破，高速发电机从军用走向民用，地面用的带回热器的小功率燃气轮机重新引起人们的重视。
MTG大都采用回热循环。通常它由透平、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，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数MTG由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在50000～120000rpm之间。一些单轴MTG设计，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60Hz480V的交流电。
2分布式发电市场前景看好
MTG运动部件少，结构简单紧凑，因而其可靠性好、制造成本与维护成本低。为了进入市场，制造商给自己定下的最低指标是：
·运动部件寿命40000小时；
·热耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
·污染物排放小于9ppm；
·安装与维护简单，而且便宜。
MTG的潜在市场是很大的，只要它具有相当的竞争力。采用增压器技术生产MTG，成本可以大大降低，特别是用铸造技术代替机械切削工艺，经济性尤其显著。MTG适合用于分布式发电，使电站更靠近用户。分布式发电与中心电站相比，可靠性更好。制造商们相信，一旦达到适当的批量，MTG有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电装置相比，MTG是一种更好的环保型发电装置。
可以设想，MTG将是未来公用事业的基本构成之一。将来与中心电厂平行运行的是许许多多小型发电装置。就像计算机似的，在大型机周围有着大量的微型机和局域网在同时运行。
3开发与应用情况
目前，开发微型透平的厂商主要集中在北美，欧洲有瑞典和英国。
Capstone-Capstone公司90年代初开始开发微型透平发电机元件，1994年研制成24kW样机，1996年生产了37台样机供现场试验。该发动机为单轴结构，空气轴承支撑，转速为96000转／分。整个发动机安置在一个圆柱形的排气壳内，10米外的噪音60dB，用天然气燃料时，氧化氮排放为9ppm，一氧化碳排放为25ppm。1997年30kW样机进行现场试验，此后又推出60kW发电机组和45kW车用机组，几年后将生产125～250kw机组。Capstone估计微型透平安装成本不超过15000美元（每kW500美元）。发电成本每kWh4.5～5美分。
图1Capstone30kWe微型透平
Capstone公司宣称，它已与Meidensha和Sumitomo两家日本公司达成协议，在日本销售Capstone的微型透平，并成套为电热联产装置。两家日本公司还负责售后服务，在日本建立一个维修网。Capstone还将许可证转让给日本的Takuma公司，Takuma除了进行系统集成和分销外，还将Capstone330微型透平成套为电热联产装置，名为TakumaTCP30，用燃气轮机排气生产热水。
美国丹佛附近的一个油田，正准备安装一套能源回收装置，利用Captsone微型透平将未经处理的井口废气转化为电。
Ingersoll一Rand能源系统公司现在独立生产和销售PowerWorks系列微型透平。
PowerWorks系列的功率范围是30～200kW。这一项目始于80年代初，是由NREC的能源系统业务部主持开发的，并得到南加州煤气公司、纽约煤气集团及煤气研究所（GRI）的支持和合作。他们以增压器元件为基础，使燃气轮机的价格能与活塞发动机相匹敌。他们采用纯径流、双轴结构，动力透平轴与燃气发生器轴互相垂直布置。压气机压比3：1。动力透平驱动发电机（通过减速器）或Rl34a制冷剂压缩机，后者用于制冷系统。燃烧室为单管、贫预混结构，用天然气作燃料时NO。排放低于5ppm，满足南加州苛刻的排放标准。PowerWorks装置配备NREC逆流、板翅式回热器，以提高效率。燃烧室与回热器是NREC的专利设计。NREC在回热器技术方面有新的突破，应用于20kW～20MW的燃气轮机发动机上，回热度可达90％。常规板翅式回热器上出现的疲劳问题已经克服，初成本和寿命周期成本都具有相当的竞争力。据称，他们是唯一解决了回热器泄漏问题的公司。1999年投入小批量生产。PowerWorks可加装余热锅炉组成电热联产机组，提供200（的热水或蒸汽。机组电效率超过30％，热电总效率超过80％。
powerWorks应用于住宅发电、采暖／通风／空调、制冷等领域。NREC将市场瞄准煤气与电力部门、分布式电热联产用户，并将与能源服务公司（ESCOs）分享市场。空调与制冷方面的市场将通过与美国、日本及欧洲的HVACOEMs达成销售与配套协议来开拓。
AlliedSignal公司1998年底开始生产75kWe微型透平发电机。叫做TurbOGenerator，1999年开始批量生产，成本预计在22500到30000美元之间（每kw300～400美元）。他们力求开发三种类型的微型透平发电机，分别应用于家庭、商业和工业。
AlliedSignal75kW样机参数如下：
单轴回热空气轴承回热度85％～90％不锈钢回热器压比3．8：1透平前温900℃转速85000rpm发电机永磁、高速变频器变频（1200Hz-50HZ／60Hz）尺寸1524mmX914mmX1828mm（长宽高）效率30％（HHV）排放NO＜25ppm噪声65dB（10米）燃料汽油、柴油、天然气、石脑油、沼气、丙烷或合成气
Ellioii一Ellioti能源公司共开发了3种微型透平，功率分别为45kW，80kW和200kW。
E111oiiEnergyTA-45的参数为：
单轴回热液体润滑轴承24V电起动功率45kW运行温度-40～＋50℃排气温度704℃（无回热）316℃（（带回热）转速116000rpm输出电压120／208／240VAC尺寸1676mmX762mmX914mm重量136kg效率30％（LHV）排放NO＜9ppm（天然气燃料）燃料柴油、天然气、沼气、丙烷、汽油、煤油、酒精
GeneraIElectricPowerSvstems与DlionttC0．签署了一项备忘录，为ElliottEnergySystemsd、燃机开拓市场，起先为30～200kW，最大功率计划为500kW。
BowmanPowerSvstemsLtd是1994年建立的一家英国公司，公司地址在南安普顿，专门从事微型透平发电机开发，他们将Elliott的微型透平发电机成套后销售欧洲市场。高速发电机与调节控制系统由Bowman公司设计和制造。1999年开始投放45、60、80和200kWe机组。下一步将功率范围扩展到500kWe。
瑞典的微型透平一TurbecAB是1998年在瑞典成立的一家生产微型透平的公司，ABB和Volvo各拥有50％的股份。Volvo70年代开始开发车用燃气轮机。1992年研制成功的40kw微型透平装在Volvo。的概念车上，此后又研制了用于货车和大轿车上的100kW机组。1997年Volvo通过市场调查发现了微型透平发电机组在分布式发电和电热联产的应用前景，但Volvo对这一市场并不熟悉，所以它选择ABB作为合作伙伴。Turbec的第一个产品是100kW机组（VT100），其原始样机是已经试验过的车用燃气轮机。该机组有9000小时的运行记录，首台产品计划2000年内提供给用户。正在开发的下一个机型是40kw机组。
图2装备Elliott核心机的Bowman微型透平
瑞典开发高速发电（HSG）始于1986年。1993年，HSGI作由发展走向商业化，成立了HSG发展公司，Vattenfal1、ABB和Volvo均拥有该公司的股份。接着在瑞典的高神伯格建立了一个MTG示范工厂，该工厂1997年开始运行。将进行5年（1997-2002）的评估。在5年内，希望积累25000～30000小时的运行经验。
该工厂在供热几季节（9月至4月）每年连续运行5000小时。燃料为北海油田供应的天然气。第一阶段的运行表明，机组的性能比预期的要好。
全负荷运行特性：
空气流量（Nm3／s）
0.25
空气进气温度（℃）
15
转速（rpm）
90000
压比
4：1
透平进口温度（℃）
910
透平出口温度（℃）
625
燃料气温度（℃）
245
热输出（kwth）
70
电输出（kwe）
38
发电效率（％）
28
总效率（％）
80
供热回水温度（℃）
55
供热供水温度（℃）
70
全负荷工况污染物排放测量值：
一氧化碳8mg／MJ燃料
氧化氮14mgNO2／MJ燃料
碳氢化合物4.5myMJ燃料
Pratt已whitnevCanada-pratt＆whitnev
Canada（加拿大普惠）的市场研究表明，未来5～10年内分布式发电的市场将有增长。于是提出了一个发展新一代燃气轮机发动机族ST5的技术验证计划，用于分布式发电。新一代发动机吸取加拿大普惠最新航空发动机PW6XX的技术，执行这一计划的目的是降低运行成本，同时保持具有加拿大普惠同类发动机的可靠性和耐久性。ST5发动机族的功率范围是250～600kw，公司将其归于微型透平一类，但比目前微型透平制造商提供的微型透平功率略大。对加拿大普惠来说这是一个新的起点，通常加拿大普惠先开发航空用的发动机，一旦发动机通过验证，然后发展其工业用的衍生型。这一次，加拿大普惠研发的发动机同时考虑航空及工业两方面的应用前景。新发动机有简单循环与回热循环两种类型，既可用于尖端负荷，也可用于基本负荷。发动机将吸取普惠早先高性能小型燃气轮机的试验。
4可靠性测试
要使MTG进入市场，它必须在发电质量、可靠性、可用度、环境可接受性、经济性等方面完全满足用户的要求。为此美国政府和工业部门正在执行一个计划，由电力研究所（EPRI）牵头，将各家生产的MTG，在同一试验场地安装、运行和试验，评定它们的技术与经济性能。性能测试包括以下内容：起动／停机；机组总效率；纯输出功率；运行能力；排放；发电质量；耐久性；运行与维护要求等。
这一试验计划，将对各种机组在安装、性能、维护要求等方面提出有价值的定性与定量的评价。试验数据取自在加州伊儿文（lrvine）试验现场的实际运行结果。然后通过数据采集系统和人工整理，修正为标准的运行特性。现场每隔5分钟采集一次原始数据，由各种传感器将脉冲或模拟信号送到数据处理器，每天晚上采集数据，每个月处理一次。
每一台MTG都在固定的部位安装了各种传感器。采集运行数据的同时，整个现场的环境参数也被记录下来。测量数据包括：发电量kWh；燃料消耗量；燃料温度；燃料压力；瞬时发电品质（谐波畸变）；环境温度；相对温度以及大气压力。如果MTG带余热锅炉，同时测量水流量、烟气出口温度及水温等参数。
试验分三个阶段进行：安装与启动；运行与维护；性能测试。机组安装完毕以后，首先试验其起动与停机能力。机组应具备承受每天起动与停机带来的磨损的能力。
机械性能试验包括内容：
·耐久性各种MTG在基本负荷作长时间运行。每天都记录运行参数，如燃料流量，环境空气的压力、温度与相对湿度，发电量（kwh），运行温度和压力等。
·瞬时响应MTG必须能对负荷的变化及时作出响应。所有机组都井网运行，而不是孤立运行，系统负荷的变化反映在网上。MTG机组的负荷改变是通过控制系统人为设定的。
·谐波崎变发电输出由BMI或其它同类记录
仪测量总的谐波畸变（THD）。在耐久试验中，BMI也用来确定全负荷机组的功率因数。测量功率因数的目的是要证实，机组在井网情况下是否达到额定输出。
·噪声测量用手持噪声仪测量噪声。测量噪声时每个机组都单独运行。
·排放测量指南海岸地区空气质量管理条例：考察每个MTG，判定其NO，排放是否符合标准。此外还用手持仪器进行周期性测量，以确定运行中噪声的趋势，并考察是否有恶化。
·尖峰负荷用BMI仪或相当的功率测量记录仪器，进行尖峰负荷的发电功率与纯功率测量。对了不带燃料压缩机或燃料压缩机由外电源驱动的右组，纯功率输出是由发电功率扣除为维持MTG行消耗的外电源能量得到。这一试验得到诸如效荡热耗、运行小时等特性，这些数据可以用来与制造厂制定的性能规格进行比较。
列入美国政府和工业部门实验计划的机组
供
应商
电功率（KW）
燃料
轴承（润滑）
透平类型
发电机类型
Allied
Signal
75
天然气
空气
单级径流高频
Bowman/Elliott
45,80,200
天然气
液体
单级径流
高频
Capstone
30
天然气
空气
单级径流
高频
GE/Elliott
45,80,200
天然气
液体
单级径流
高频
NREC（样机）
70
天然气，柴油，丙烷
液体
单级径流+动力透平
感应（齿轮减速）
5待解决的问题
如果当前的技术都能通过验证，下一步要解决的是应用的问题，如发电质量问题，用作备用机组的问题等等。试验计划中规定的下一个步骤是现场试验，考察MTG在实际应用中是否能达到预期的效血。
从长远考虑，将MTG与其它技术（如燃料电池）结合起来，构成组合式发电装置可能是很有前途的新发展。与燃料电池结合，MTG就不需要燃烧室了，而MTG可以给燃料电池提供压缩空气。MTG与燃料电池的组合式发电，效率可望高达60％，NO。小于1．0ppm，SO。几平测不出来。
我国有关部门也开始注视MTG市场。中科院工程热物理研究所已开始进行60kWe移动式燃气轮机发电机组商业化的前期工作，拟用高速发电机取代中频发电机，开发高效低成本回热器。希望在不久的将来有国产的MTG占领我国尚未发育成熟的分布式发电商场。
参考文献：（略）
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