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微型燃气轮机走向商业化
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 60Hz 480V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1 Capstone 30 kWe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Capstone 330微型透平成套为电 热联产装置，名为Takuma TCP30，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HVAC OEMs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。
AlliedSignal 75 kW样机参数如下：
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。
E111oii En ergy TA-45的参数为：
GeneraI Electric Power Svstems与DlionttC0．签署了一项备忘录，为ElliottEnergy Systemsd、燃机开拓市场，起先为30～200kW，最大功率计划为500kW。
Bowman Power Svstems Ltd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Turbec AB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：
全负荷工况污染物排放测量值：
一氧化碳 8 mg／MJ燃料 氧化氮 14 mgNO2／MJ燃料 碳氢化合物 4.5myMJ燃料 Pratt已whitnev Canada-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）
