微型燃气轮机技术进展及应用展望

作者：西安交通大学 丰镇平

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 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（Microturbine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25～300 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、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。 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25～75 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80～100亿美元。为了对照，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（Session M-04：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 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25～100 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[1～10]。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-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。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70～75 kW微型燃气轮机，目前微型燃气轮机的最大单机功率为80～200 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，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840～930℃，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28～75 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车用陶瓷燃气轮机”的七年研发计划，透平进口燃气温度为1300～1400℃，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12ppm（燃用天然气或丙烷燃料时为9ppm），噪声低于70dB；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。同时，微型燃气轮机也具有较好的技术经济性，目前售价为250～350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进的高效洁净发电方式[6]。1997年以来，美国的Siemens Westinghouse Power Corporation的技术中心进行了有关试验。2000年1月，至今最为雄心勃勃的SOFC-MGT计划通过初步评审。新型SOFC系统的工作压力为3bar，与一台NREC的50 kW微型燃气轮机联合运行，功率可达250 kW。由美国能源部和南加州Edison资助，这一系统将于2000年在加州大学的国家燃料电池研究中心进行广泛的试验。据报道，另一座320 kW的SOFC-GMT联合电厂将在2001年在德国投运。此外，微型燃气轮机用于混合车辆动力（为电动车提供动力以及为蓄电池补充电力），已成为21世纪“混合动力汽车”的新模式。2001年2月，Capstone宣布该公司生产的用于混合动力汽车的微型燃气轮机刚刚获得CARB（The California Air Resource Board）颁发的国际第一个证书。据报道，其30kw微型燃气轮机燃天然气时的排放仅为新一轮重型汽车的最低排放标准的80%。 4 我国微型燃气轮机的应用前景和研发基础 众所周知，先进燃气轮机技术是21世纪能源动力系统中的核心关键技术，对于我国相关领域如能源、电力、航空、航天、舰船、车辆、军事等国民经济和国防建设中的高新技术发展和移植有着重大作用，同时也是目前世界上一个国家工业基础先进程度的重要标志，燃气轮机发电技术在我国兴起才十余年，但相对于燃煤发电技术，在热效率和环境保护等方面均具有明显的技术经济效益和社会效益，微型燃气轮机轮机作为小型分布式发电技术或动力装置，具有更为灵活、安全、洁净、廉价的发电和热电联供方式，符合对能源供给多样化的发展需求；而且由于不需要水，可以应用于我国严重缺水地区，所有这些都特别符合我国21世纪可持续发展的战略思想。 我国目前的电力发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡，这种情况在西部地区比较突出。鉴于微型燃气轮机发电机组可以提供分散的电力，形成与中心电站相应的分布式电网，这对急需电力和缺电地区具有十分重要的作用和意义。 我国西部地区地域广大（相应的边境线很长），人口相对稀少，分散，应用常规的发电输电技术既不可能也无必要。例如，据统计目前我国新疆仍有无电村1680个，无电户46万，无电人口279万人，这种情况已引起政府部门的高度重视。但新疆人口居住极为分散，常规电网的供电覆盖面有很大的局限性，输电距离远（以11万伏线路为例，1996年每公里输电线路的造价为22万元，目前投建的33万伏线路，每公里造价则高达33．6万元）、功率小、损耗大（线损率最高可达40%），可见技术经济性很差。因而，企图利用电网完全解决边远分散地区人民生活和生产用电很不现实。一个可行的解决办法是利用微型燃气轮机的分布式发电或热电联供，解决这些地区的人民生活和生产用电甚至用热问题。而且，我国目前电力结构以燃煤火电为主，面临着日趋严竣的资源枯竭和环境保护的双重压力，而燃气轮机发电技术有利于保护环境，没有对水的特别需求，进一步还可以结合新能源与可再生能源的利用，建立相对独力稳定的供电系统，从而强化能源综合利用，改善生态环境，走上可持续发展之路。 我国正在实施的西部大开发的“西气东输”工程，将对我国燃气轮机技术的发展起到重要的推动作用，微型燃气轮机也不例外，同时微型燃气轮机作为分布式发电及热电联产系统和动力装置也将推动西部大开发各项工作的实施，从发展的态势看，西部将根据地区资源和地域特点，发展集生活与工作一体的中小型规模的居住地，即中小型城镇。因此，具有分布式电源之称的微型燃气轮机发电机组特别是热电联产机组，将以其特有的技术优点，随着“西气东输”工程的推进，沿线就地取“燃天然气”，具有明显的发展优势和应用潜力，因此，在国内研发先进微型燃气轮机及其热电联产机组势在必行。 我国微型燃气轮机的市场需求也很大，特别是随着西部大开发及其“西气东输”工程的实施以及能源供给的多样化发展趋势的日益明显，一方面电力和动力作为基础设施，在我国需求规模很大（特别是西部大开发）；另一方面我国具有比较丰富的天然气资源（近期内蒙古大气田的探明），因此，微型燃气轮机在我国具有广泛的应用前景。 此外，从国家安全和国防应用看，微型燃气轮机也是十分重要的，无论是飞机、舰船辅助动力，还是军用车辆动力，甚至武器（导弹）发电设备，或国家重要公共设施如机场、车站、邮电、银行、医院、军营。重要住宅区等常规机组或紧急备用机组等等，都需要应用微型燃气轮机这样一类新型的小型分布式发电和动力装置。我国燃气轮机技术研发由于历史原因，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人进行，但已有相对较好的技术储备和工作基础，对于径流式叶轮机械，国内西安交通大学等单位近二十年来进行了比较系统的研发工作，发展了一整套设计理论和方法，提出了新型的设计，建立了具有世界先进水平的实验和加工设备，取得了很好的研究业绩，具有很好的技术储备和研发特色，在此基础上经过努力完全有可能在微型燃气轮机的先进径流式叶轮机械研发方面达到国际水平。在高温材料和高温高速轴承方面，国内也有非常出色的研究工作基础和实验条件，例如西安交通大学在润滑理论及滑动轴承技术研究方面居国内领先地位。对于低污染燃烧室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。目前西安交通大学正在从事这方面的预研工作，力争在短期内攻克有关技术。 综上所述，我国开展微型燃气轮机的研发和研制已具备较好工作基础和条件。首先，已有了相对较好的技术储备和研究积累；其次，微型燃气轮机部件少，尺寸小，耗材少，试验台建设等研发费用投入相对较低，而且研发周期短（相对大型燃气轮机而言）。第三，微型燃气轮机的研发队伍规模相对较小，人员相对集中，便于进行组织集中攻关。 鉴于微型燃气轮机未来在我国电力，动力系统以及国家安全方面的重要作用，以及我国已具备较好的研发基础和条件，并且可为大型燃气轮机研发提供技术储备和宝贵经验，为此，建议我国有关部门在“十五”期间组织力量攻克并发展微型燃气轮机技术，通过一台典型机组的研发，解决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（包括陶瓷部件）。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一系列重要技术问题，从而逐步形成自己的研究、设计、制造体系和创新机制，为产业化铺平道路。 5 结论 微型燃气轮机的发展源于分布式发电。分布式发电得益于电力市场的放松控制（世界范围内的发展趋势）和天然气市场的放松控制。先进微型燃气轮机提供了清洁。可靠、高质量，多用途，小型分布式发电及热电联供的最佳方式，预计在21世纪将得到广泛应用，此外，微型燃气轮机作为小型电源和动力装置，还将在21世纪的先进发电方式一“燃料电池。燃气轮机联合循环”以及汽车领域的“新型混合动力汽车”方面取得革命性的进展。我国有关部门和行业对微型燃气轮机的这些应用和发展，应予以高度重视。 微型燃气轮机在未来我国电力，动力等国民经济领域和国家安全等方面具有重要作用和战略意义，特别是随着西部大开发“西气东输”工程的实施以及能源供应多样化的发展趋势，国内对微型燃气轮机具有明确的需求和产业化前景；同时通过微型燃气轮机研发，可为大型燃气轮机研发提供技术储备和经验，因此建议我国在“十五”期间研发微型燃气轮机技术，逐步形成自主的研究、设计、制造体系和创新机制，为产业化铺平道路。 参考文献 1 James H，Watts，Microturbines：ANew Class of Gas Turbine Engines，ASME International Gas Tur-bine Institute，Global Gas Turbine News,No.1 1999．01 2 Lee S．Langston，Gas Turbine Industry Overview, ASME International Gas Turbine Institute, Global GaS Turbine News, N0.2,1999．06 3 Lee S．Langston，Gas Turbine Industry OverView, ASME lnternationa Gas Turbine Institute, Global GaS Turbine News, N0.2,1999．06 4 Jon Lane，Run up to the Millennium：State of the Power GeneratiOn Gas lndustry, ASME International Gas Turbine Institute，Global Gas Turbine New, N0.2,2000.06 5 Capstone Turbine Corporation，Capstone Low Emissions Micro Turbine Technology，White Paper, 2000.07 6 Fuel Cell and Gas Turbine，A Marriage of Efficiency, Siemens Research and InnovatiOn, No.1,2000 7 丰镇平，先进微型燃气轮机技术进展及其在我国的研发应用前景，《西部大开发科教先行与可持续发展》-中国科协2000年学术年会文集，周光召主编，p.802，中国科学技术出版社，2000． 09 8 朱丹书，蒋文静，小型燃气轮机的发展前景，上海汽轮机，No.4，2000 9 刁正纲，微型燃气轮机走向商业化，燃气轮机技术，No.4，2000 10 丰镇平，关于先进微型燃气轮机的研发建议，国家科技部燃气轮机发展研讨会，北京，2001.01 作者简介 丰镇平 1956年11月生，工学博士，西安交通大学教授、博导，能源与动力工程学院副院长。 E-mail：zpfeng＠xltu， edu(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/26/2005)