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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)展作一個簡要的回顧，介紹MTG的主要特點，并列出幾個有代表性產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，供國內(nèi)同行參考。
關(guān)鍵詞：回熱循環(huán)；燃氣輪機
中圖分類號：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了生機
長期以來，幾十至幾百kW的小型發(fā)電機組市場，一直由內(nèi)燃發(fā)電機組占領(lǐng)，燃氣輪機幾乎沒有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環(huán)的效率比較低，無法與內(nèi)燃機相匹敵。而且，小功率燃氣輪機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)輕巧的特點給抵消了。人們早就認識到可以采用回熱循環(huán)來提高效率，但是常規(guī)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局面。隨著美英聯(lián)合開發(fā)艦用回熱中冷燃氣輪機的成功進展，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，從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內(nèi)接受透平排氣的預熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。大多數(shù)MTG由燃氣輪機直接驅(qū)動內(nèi)置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透平同軸，轉(zhuǎn)速在50000～120000rpm之間。一些單軸MTG設(shè)計，發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，轉(zhuǎn)換成高壓直流電后，再轉(zhuǎn)換為60Hz 480V的交流電。
2 分布式發(fā)電市場前景看好
MTG運動部件少，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，因而其可靠性好、制造成本與維護成本低。為了進入市場，制造商給自己定下的最低指標是：
· 運動部件壽命40000小時；
· 熱耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
· 污染物排放小于9ppm；
· 安裝與維護簡單，而且便宜。
MTG的潛在市場是很大的，只要它具有相當?shù)母偁幜�。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。MTG適合用于分布式發(fā)電，使電站更靠近用戶。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?shù)呐浚琈TG有能力與中心發(fā)電廠相匹敵。對終端用戶來說，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(shè)想，MTG將是未來公用事業(yè)的基本構(gòu)成之一。將來與中心電廠平行運行的是許許多多小型發(fā)電裝置。就像計算機似的，在大型機周圍有著大量的微型機和局域網(wǎng)在同時運行。
3 開發(fā)與應用情況
目前，開發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。
Capstone-Capstone公司90年代初開始開發(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(xiàn)場試驗。該發(fā)動機為單軸結(jié)構(gòu)，空氣軸承支撐，轉(zhuǎn)速為96000轉(zhuǎn)／分。整個發(fā)動機安置在一個圓柱形的排氣殼內(nèi)，10米外的噪音60dB，用天然氣燃料時，氧化氮排放為9ppm，一氧化碳排放為25ppm。1997年30kW樣機進行現(xiàn)場試驗，此后又推出60kW發(fā)電機組和45kW車用機組，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，它已與Meidensha和Sumitomo兩家日本公司達成協(xié)議，在日本銷售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，在日本建立一個維修網(wǎng)。Capstone還將許可證轉(zhuǎn)讓給日本的Takuma公司，Takuma除了進行系統(tǒng)集成和分銷外，還將Capstone 330微型透平成套為電熱聯(lián)產(chǎn)裝置，名為Takuma TCP30，用燃氣輪機排氣生產(chǎn)熱水。
美國丹佛附近的一個油田，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(zhuǎn)化為電。
Ingersoll一Rand能源系統(tǒng)公司現(xiàn)在獨立生產(chǎn)和銷售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(tǒng)業(yè)務部主持開發(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(chǔ)，使燃氣輪機的價格能與活塞發(fā)動機相匹敵。他們采用純徑流、雙軸結(jié)構(gòu)，動力透平軸與燃氣發(fā)生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3：1。動力透平驅(qū)動發(fā)電機（通過減速器）或Rl34a制冷劑壓縮機，后者用于制冷系統(tǒng)。燃燒室為單管、貧預混結(jié)構(gòu)，用天然氣作燃料時NO。排放低于5ppm，滿足南加州苛刻的排放標準。PowerWorks裝置配備NREC逆流、板翅式回熱器，以提高效率。燃燒室與回熱器是NREC的專利設(shè)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)動機上，回熱度可達90％。常規(guī)板翅式回熱器上出現(xiàn)的疲勞問題已經(jīng)克服，初成本和壽命周期成本都具有相當?shù)母偁幜Α?jù)稱，他們是唯一解決了回熱器泄漏問題的公司。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30％，熱電總效率超過80％。
powerWorks應用于住宅發(fā)電、采暖／通風／空調(diào)、制冷等領(lǐng)域。NREC將市場瞄準煤氣與電力部門、分布式電熱聯(lián)產(chǎn)用戶，并將與能源服務公司（ESCOs）分享市場�？照{(diào)與制冷方面的市場將通過與美國、日本及歐洲的HVAC OEMs達成銷售與配套協(xié)議來開拓。
AlliedSignal公司1998年底開始生產(chǎn)75kWe微型透平發(fā)電機。叫做TurbOGenerator，1999年開始批量生產(chǎn)，成本預計在22500到30000美元之間（每kw300～400美元）。他們力求開發(fā)三種類型的微型透平發(fā)電機，分別應用于家庭、商業(yè)和工業(yè)。
AlliedSignal 75 kW樣機參數(shù)如下：
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