微型燃气发电技术及应用前景分析

[摘 要]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，先进的燃气轮机技术是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、军事等国民经济和国防建设中的高新技术发展和移植有重大作用。

[关键词]微型燃气；发电技术；应用前景

中图分类号：TE43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0276-01

1 微型燃气轮机的发展

20世纪60年代美国国家航空与宇航管理局在涡轮增压器的基础上发展了1种微型燃气轮机发电装置，随后在70年代开展了微型燃气轮机作为辅机电站在航天飞机上应用的研究。之后的50年间，微型燃气轮机发电技术得到了迅速的发展，除用于军用车辆的辅机电站外，带有回热器的高效微型燃气轮机被用于分散式发电、热电冷联供、车辆混合动力装置等领域。目前，燃气轮机和燃料电池联合循环系统是研究的热点，据最新报道，美国能源部和西屋电器公司成功建造了1个250kW固体氧化物燃料电池与燃气轮机联合循环示范电站，其中燃料电池发电200kW，燃气轮机发电50kW。

随着技术的发展，微型燃气轮机的结构发生了很大变化。高速永磁发电机的出现使发电机与压气机间的连接采用空气轴承代替滚动轴承，不再需要减速机构，这使整个机组的重量和尺寸大大减小，成本降低很多；为提高机组的热效率，普遍采用高效紧凑型回热器；为克服涡轮入口温度的提高受涡轮材料的限制这一矛盾，世界上一些著名的研究机构相继开展了采用陶瓷作为燃烧室、涡轮、回热器等热端部件的材料的研究。1995年在美国动力年会上，AlliedSignal、Capstone与Elliott公司率先展示了25～70kW微型燃气轮机样机，其后每年均有样机推出。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颁发的国际第1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最低排放标准的80%。美国专家预测微型燃气轮机的潜在市场将达每年80～100亿美元。

我国在微型燃气轮机发电方面虽做了大量的研究工作，但与国外相比还有很大差距。北京理工大学等单位研制了1种单轴微型燃气轮机发电机组。目前，国家对发展我国的微型燃气轮机给予了相当重视，科技部已多次研讨论证，并决定进行我国的微型燃气轮机研制攻关，迄今为止已经研制出基本达到国外先进水平的微型燃气轮机。

2 微型燃气轮机发电机组的技术特点

微型燃气轮机发电机组具有4项主要特征：①采用了简单的径向设计原理以及单级径向压缩机、低排放环型燃烧器、单级径向透平，压比为4：1，采用空气轴承。恒温运行排除了使用高成本的尖端材料，维修成本低，振动更小，排放更低，结构紧凑。②将高速交流发电机装进燃气轮机机械装置中，2机同轴，组成1个紧凑的高转速的透平交流发电机。装置不需要减速箱，交流发电机又可用作启动电动机，从而进一步减小了机组的体积。③由于采用效率可达90%的高效回流换热器先预热燃烧室所用空气，减少燃料消耗，故可使燃气轮机的效率由18%提高到30%。④由微型处理机控制的功率逆变控制器可进行输出频率转换，也可调解成其它输出频率，它把高速交流发电机输出的频率为1～3kHz的电力转换成50～60Hz的电力。功率逆变控制器可根据负荷的变化调节转速，也可根据外部电网负荷变化运行，还可作为独立系统运行，包括远程管理、控制和监测。

目前国际市场微型燃气轮机产品的主要性能指标有：带有回热、变频、高速电机等设施；微型燃气轮机的效率达25%～29%（研制目标为40%）；冷热电能量利用率达70%～90%；污染物NOx排放≤9×10-6；功率为25～100kW。

美国国家能源部制定的2000～2006年度财政计划项目“先进微型燃气轮机系统”，共投资1.63亿美元，研制功率为25～1000kW带有回热的微型燃气轮机，并提出更高的性能指标要求：效率：燃料―电力转换效率至少达到40%；环境：燃用天然气时，在实际工作范围内NOx排放

3 微型燃气轮机发电机组与其他发电机组的比较

微型燃气轮机发电机组可以用作常规机组或紧急备用机组，与柴油机发电机组比较的主要技术特点：①寿命特长。可达45000h，而同功率等级柴油机仅为4000h，不足燃气轮机的1/10。②移动性好。1台30kW微型燃气轮机发电机组的重量小于1台3kW的柴油发电机组。③高可靠性。仅有1个运动部件，故障率被降到最低；内置式保护与诊断监控系统，提供了预先排除故障的手段，在线维护简单；采用空气轴承和空气冷却，无需更换机油和冷却介质，发电机组的首次维修时间在8000 h以后，维修费用低。④噪声小，排气温度低，红外辐射小。⑤具有整体集成特征，能使2～10台机组组成系统运行。⑥燃料可变性。能够采用多种液体、气体燃料（如天然气、丙烷、生物质燃料、煤油、柴油等），可使用含硫比例高达7%的酸性气体。⑦遥控与通信。通过显示板或Modem连接进行控制操作，系统具有通信、控制作用。⑧保护。具有一系列的自动超限保护和停机保护，所以特别适用于移动电源、城市电站和汽车动力。⑨超低排放。远远低于柴油机，有利于环境保护。

与电站相比，微型燃气轮机具有以下优势：①没有或很低输配电损耗；②可避免或延缓增加输配电成本；③利用燃机产生的热烟气进行高效率的热电联产；④适合多种热电比的变化，使系统根据热或电的需求进行调节，从而增加年设备利用率；⑤用户可自行控制；⑥可进行遥控和监测区域电力质量和性能；⑦非常适合对乡村和发展中区域提供电力；⑧在成本增加很小的情况下可增加装机容量；⑨土建和安装成本低；⑩大大减轻环保压力。

4 我国微型燃气轮机的发展前景

微型燃气轮机及分布能源系统需求在生活质量和环保标准较高的发达国家首先表现出来，在建筑楼宇、医院、商住小区等相继应用，如美国Mary-land办公区能源系统，日本阳光计划的连锁店功能系统等。美国新建楼宇要求采用分布式冷热电供能系统（CHP）的达到50%。我国微型燃气轮机及分布能源系统需求的总走势与国外相似，因经济发展水平而有所滞后，但上海、北京、南方地区的需求已经出现，如广东番禹南沙科技园、上海浦东国际机场，北京天然气控制中心大楼、中国科技促进大楼已规划了微型燃气轮机能源系统。我国在冷热电分布能源必需的吸收式制冷机的研制、生产中达到较高水平，因此微型燃气轮机和吸收式制冷机组合的能源系统有可能打入国际市场。

由于西气东输和取暖标准法规的修改，上海地区高档楼宇和商住小区的微型燃气轮机分布能源需求表现得更为积极。我国微型燃气轮机分布式供能系统的主要潜在市场是：建筑楼宇、小区、医院；车站、机场、金融、信息中心等国家重要设施；化工、木材加工、纺织等工艺用电、用热、用冷和用汽；农业设施的冷、热、二氧化碳供给；边防基地，军事设施等国防部门；西部开发，边远地区供电；城市垃圾处理场沼气发电；通过模块式组装的微型燃气轮机群体中型电站；与燃料电池等先进技术联合发展的下一代能源系统；汽车混合动力系统。