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微型燃氣輪機走向商業(yè)化
摘要：對MTG（Microturbine-generator）--微型燃氣輪機發(fā)電機的發(fā)展作一個(gè)簡(jiǎn)要的回顧，介紹MTG的主要特點(diǎn)，并列出幾個(gè)有代表性產(chǎn)品的技術(shù)參數，供國內同行參考。
關(guān)鍵詞：回熱循環(huán)；燃氣輪機
中圖分類(lèi)號：TK479 .11 文獻標識碼：D 文章編號：1009一2889（2000）04一0013一04
1 回熱器與高速發(fā)電機的發(fā)展為微型燃氣輪機帶來(lái)了生機
長(cháng)期以來(lái)，幾十至幾百kW的小型發(fā)電機組市場(chǎng)，一直由內燃發(fā)電機組占領(lǐng)，燃氣輪機幾乎沒(méi)有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環(huán)的效率比較低，無(wú)法與內燃機相匹敵。而且，小功率燃氣輪機轉速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機相連，笨重的減速器和低速發(fā)電機，把燃氣輪機結構輕巧的特點(diǎn)給抵消了。人們早就認識到可以采用回熱循環(huán)來(lái)提高效率，但是常規回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大，而緊湊式的回熱器制造成本很高，所以，除了個(gè)別燃氣輪機（如KG3）有帶回熱器的衍生型外，回熱循環(huán)的地面應用始終打不開(kāi)局面。隨著(zhù)美英聯(lián)合開(kāi)發(fā)艦用回熱中冷燃氣輪機的成功進(jìn)展，板翅式回熱器在工藝及制造成本方面的突破，高速發(fā)電機從軍用走向民用，地面用的帶回熱器的小功率燃氣輪機重新引起人們的重視。
MTG大都采用回熱循環(huán)。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發(fā)電機及電子控制部分組成，從壓氣機出來(lái)的高壓空氣先在回熱器內接受透平排氣的預熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒。大多數MTG由燃氣輪機直接驅動(dòng)內置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透平同軸，轉速在50000～120000rpm之間。一些單軸MTG設計，發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，轉換成高壓直流電后，再轉換為60Hz 480V的交流電。
2 分布式發(fā)電市場(chǎng)前景看好
MTG運動(dòng)部件少，結構簡(jiǎn)單緊湊，因而其可靠性好、制造成本與維護成本低。為了進(jìn)入市場(chǎng)，制造商給自己定下的最低指標是：
· 運動(dòng)部件壽命40000小時(shí)；
· 熱耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
· 污染物排放小于9ppm；
· 安裝與維護簡(jiǎn)單，而且便宜。
MTG的潛在市場(chǎng)是很大的，只要它具有相當的競爭力。采用增壓器技術(shù)生產(chǎn)MTG，成本可以大大降低，特別是用鑄造技術(shù)代替機械切削工藝，經(jīng)濟性尤其顯著(zhù)。MTG適合用于分布式發(fā)電，使電站更靠近用戶(hù)。分布式發(fā)電與中心電站相比，可靠性更好。制造商們相信，一旦達到適當的批量，MTG有能力與中心發(fā)電廠(chǎng)相匹敵。對終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，與其它小型發(fā)電裝置相比，MTG是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。
可以設想，MTG將是未來(lái)公用事業(yè)的基本構成之一。將來(lái)與中心電廠(chǎng)平行運行的是許許多多小型發(fā)電裝置。就像計算機似的，在大型機周?chē)兄?zhù)大量的微型機和局域網(wǎng)在同時(shí)運行。
3 開(kāi)發(fā)與應用情況
目前，開(kāi)發(fā)微型透平的廠(chǎng)商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。
Capstone-Capstone公司90年代初開(kāi)始開(kāi)發(fā)微型透平發(fā)電機元件，1994年研制成24kW樣機，1996年生產(chǎn)了37臺樣機供現場(chǎng)試驗。該發(fā)動(dòng)機為單軸結構，空氣軸承支撐，轉速為96000轉／分。整個(gè)發(fā)動(dòng)機安置在一個(gè)圓柱形的排氣殼內，10米外的噪音60dB，用天然氣燃料時(shí)，氧化氮排放為9ppm，一氧化碳排放為25ppm。1997年30kW樣機進(jìn)行現場(chǎng)試驗，此后又推出60kW發(fā)電機組和45kW車(chē)用機組，幾年后將生產(chǎn)125～250kw機組。Capstone估計微型透平安裝成本不超過(guò)15000美元（每kW500美元）。發(fā)電成本每kWh4.5～5美分。
圖1 Capstone 30 kWe微型透平
Capstone公司宣稱(chēng)，它已與Meidensha和Sumitomo兩家日本公司達成協(xié)議，在日本銷(xiāo)售Capstone的微型透平，并成套為電熱聯(lián)產(chǎn)裝置。兩家日本公司還負責售后服務(wù)，在日本建立一個(gè)維修網(wǎng)。Capstone還將許可證轉讓給日本的Takuma公司，Takuma除了進(jìn)行系統集成和分銷(xiāo)外，還將Capstone 330微型透平成套為電熱聯(lián)產(chǎn)裝置，名為T(mén)akuma TCP30，用燃氣輪機排氣生產(chǎn)熱水。
美國丹佛附近的一個(gè)油田，正準備安裝一套能源回收裝置，利用Captsone微型透平將未經(jīng)處理的井口廢氣轉化為電。
Ingersoll一Rand能源系統公司現在獨立生產(chǎn)和銷(xiāo)售PowerWorks系列微型透平。
PowerWorks系列的功率范圍是30～200kW。這一項目始于80年代初，是由NREC的能源系統業(yè)務(wù)部主持開(kāi)發(fā)的，并得到南加州煤氣公司、紐約煤氣集團及煤氣研究所（GRI）的支持和合作。他們以增壓器元件為基礎，使燃氣輪機的價(jià)格能與活塞發(fā)動(dòng)機相匹敵。他們采用純徑流、雙軸結構，動(dòng)力透平軸與燃氣發(fā)生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3：1。動(dòng)力透平驅動(dòng)發(fā)電機（通過(guò)減速器）或Rl34a制冷劑壓縮機，后者用于制冷系統。燃燒室為單管、貧預混結構，用天然氣作燃料時(shí)NO。排放低于5ppm，滿(mǎn)足南加州苛刻的排放標準。PowerWorks裝置配備N(xiāo)REC逆流、板翅式回熱器，以提高效率。燃燒室與回熱器是NREC的專(zhuān)利設計。NREC在回熱器技術(shù)方面有新的突破，應用于20kW～20MW的燃氣輪機發(fā)動(dòng)機上，回熱度可達90％。常規板翅式回熱器上出現的疲勞問(wèn)題已經(jīng)克服，初成本和壽命周期成本都具有相當的競爭力。據稱(chēng)，他們是唯一解決了回熱器泄漏問(wèn)題的公司。1999年投入小批量生產(chǎn)。PowerWorks可加裝余熱鍋爐組成電熱聯(lián)產(chǎn)機組，提供200（的熱水或蒸汽。機組電效率超過(guò)30％，熱電總效率超過(guò)80％。
powerWorks應用于住宅發(fā)電、采暖／通風(fēng)／空調、制冷等領(lǐng)域。NREC將市場(chǎng)瞄準煤氣與電力部門(mén)、分布式電熱聯(lián)產(chǎn)用戶(hù)，并將與能源服務(wù)公司（ESCOs）分享市場(chǎng)�？照{與制冷方面的市場(chǎng)將通過(guò)與美國、日本及歐洲的HVAC OEMs達成銷(xiāo)售與配套協(xié)議來(lái)開(kāi)拓。
AlliedSignal公司1998年底開(kāi)始生產(chǎn)75kWe微型透平發(fā)電機。叫做TurbOGenerator，1999年開(kāi)始批量生產(chǎn)，成本預計在22500到30000美元之間（每kw300～400美元）。他們力求開(kāi)發(fā)三種類(lèi)型的微型透平發(fā)電機，分別應用于家庭、商業(yè)和工業(yè)。
AlliedSignal 75 kW樣機參數如下：
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