微型燃氣輪機發電機組發展及國產化

上海航天能源股份有限公司 張丹 周大漢

微型燃氣輪機發電機組是一類新近發展起來的小型熱力發電機組，單機功率范圍為25～300kW，其聯網布局靈活、對負荷要求能快速反應、電力品質高、低排放，是提供清潔、可靠、高質量、多用途、小型分布式發電及熱（冷）電聯供的最佳方式，無論對中心城市還是遠郊、邊遠地區均能適用。微型燃氣輪機發電技術有可能掀起“電源小型分散化”的技術革新熱潮,從而成為21世紀能源技術的主流。

1 微型燃氣輪機發電機組工作原理及特點

微型燃氣輪機發電機組由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發電機及電子控制部分組成。動力部件設計構造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置。通過采用徑流式葉輪機械，即向心式透平與離心式壓氣機，可使結構簡單、緊湊、便于移動。微型燃氣輪機發電機組普遍采用回熱循環，可大大提高發電效率。原理結構圖如圖1所示。

微型燃氣輪機發電機組可以用作常用機組和備用電源，主要特點：

1）壽命長。首次維修時間可在8000h以后，日常維護工作量少；

2）移動性好。重量輕，基礎結構簡單，易拆卸；

3）高可靠性。運動部件少，故障率被降到最低，內置式保護與診斷監控系統，提供了預先排除故障的手段，在線維護簡單。目前先進的微型燃氣輪機發電機組多采用空氣軸承和空氣冷卻，無需更換機油和冷卻介質；

4）噪聲小，排氣溫度低，紅外輻射小；

5）負荷調節范圍廣：單機能夠0-100%范圍內調節負荷。且具有多模塊集成組合特征，能夠根據負荷特性智能調節運行模塊數；

6）燃料可變性：能夠采用多種燃料（液體、氣體如天然氣、丙烷、生物質燃料、煤油、柴油等），也能使用含硫比例高達7%的酸性氣體；

7）遙控、通信與保護：具有通信、控制和自動超限保護和停機保護等功能。可適用于移動電源、城市電站和汽車動力；

8）超低排放：NOx排放不高于9ppm，有利于環境保護。

9）輸配電：因通常設在用戶端，輸配電損失很低，且用戶可自行控制。

2 微型燃氣輪機發電機組的發展歷史

微型燃氣輪機發電機組的雛形可追溯到20世紀60年代，但作為一種新型的小型分布式能源系統和電源裝置的發展歷史則較短。1995年美國動力年會上，聯信（Allied Signal）、凱普斯通（Capstone）與易利達（Elliott）公司各自展示了25～75kW微型燃氣輪機發電機組樣機。其后發展迅速，每年均有樣機推出。[2]

為此，美國能源部（DOE）于1998年12月主持召開了微型燃氣輪機發電機組技術高峰會，專門討論有關微型燃氣輪機發電機組技術研發以及與政策和市場相關的問題，為制訂微型燃氣輪機發電機組研發計劃提供思路和建議。會議明確指出：微型燃氣輪機發電機組市場很大，工業應用競爭激烈，其中未來電力市場結構將是影響微型燃氣輪機發電機組發展因素之一；微型燃氣輪機發電機組的環保高效，性能可靠對其發展十分重要，同時燃料處理、燃氣壓縮、回熱系統以及電力電子技術對提高微型燃氣輪機發電機組的可靠性及降低造價也很重要，并且，廉價耐用可靠的高溫材料將是微型燃氣輪機發電機組在熱效率和環保方面取得進展的關鍵；微型燃氣輪機分布式發電的聯網是其特殊技術問題。

美國機械工程師協會（ASME）副主席LeeS.Langston在1999年度和2000年度燃氣輪機工業綜述回顧中，專門對微型燃氣輪機發電機組的發展進行評述和預測。Langston預計，隨著電力系統放松控制的深入和加速，微型燃氣輪機發電機組的潛在市場將達到每年80～100億美元。為了對照，給出關于全球燃氣輪機市場的一組數據：1997年為240億美元；1998年為280億美元，比1997年增長17%；1999年達350億美元，比1998年增長21%。由此可見，微型燃氣輪機發電機組的發展潛力很大，有專家曾指出：微型燃氣輪機發電機組在未來電力工業中的地位猶如微機（PC）在曾以大型機為主的計算機工業中的地位。盡管這種比喻也許不很妥當，但確確實實深刻反映出了微型燃氣輪機發電機組在未來電力工業中的重要作用和地位。

2000年5月美國機械工程師協會國際燃氣輪機研究院 (ASMEIGTI）在德國慕尼黑召開的ASME第45屆國際燃氣輪機和航空發動機大會-展覽及用戶會議上，首次設立了關于微型燃氣輪機的 分 組 會 議 （SessionM-04：Microturbine Operational Experiences），其中美國的凱普斯通（Capstone Turbine），易利達 （Elliott Energy Systems）， 霍 尼 維 爾 （HoneywellPower Systems）,NREC 公 司 （Northern Research&Engineering Corp.），SCE 公 司 （Southern California Edison），美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory），加拿大能源技術中心（CANMET Energy Technology Centre）報告了各自的研發結果和運行經驗。國際燃氣輪機學會（IGTI）的車用和小型燃氣輪機分會主席Mary Gerstner撰寫報告指出：1999年微型燃氣輪機發電機組市場有很大發展，數家公司開始進行商業生產和銷售。凱普斯通（Capstone）在2000年11月已推出第1000臺微型燃氣輪機發電機組，某客戶一臺機組運行已達6000h的記錄。

表1給出了國際上幾個公司研發的第一代微型燃氣輪機發電機組的技術參數，其功率為28～75kW，效率為22.5%～33%。

美國、日本和歐洲國家都在進一步強化新一代微型燃氣輪機發電系統的研究、開發和演示。美國國家能源部（DOE）已制定了2000～2006年度財政計劃項目“先進微型燃氣輪機系統”，該項目共投資1.63億美元，研制微型燃氣輪機系統的發電功率范圍在25～1000kW之間。

表1 第一代微型燃氣輪機發電機組主要技術參數[3]

總之，近年來微型燃氣輪機發電機組進展顯著，特別是美國的發展達到高潮。

分布式發電及冷熱電聯產的發展為微型燃氣輪機發電技術發展和市場擴展提供了極好的平臺。目前，美、英等國電力市場已轉向分布式發電的競爭。隨著全球范圍內能源與動力需求結構的變化，特別是電力系統的放松控制及環境保護等要求的變化，近幾年來，全球范圍內1MW以下的微型燃氣輪機發電系統的研究、開發及市場銷售成為一個熱點。

3 我國微型燃氣輪機發電機組發展情況

目前國內市場上使用的微型燃氣輪機發電機組幾乎均為國外進口，大多使用在分布式熱（冷）電聯供系統中。進入中國市場的微型燃氣輪機發電機組品牌主要為凱普斯通 (Capstone)、Turbec和英格索蘭。其中凱普斯通(Capstone)微燃機屬于量產設備，國內應用近兩百臺；Turbec國內應用約3臺；英格索蘭MT250機型國內應用約10臺左右，目前已被Flex Energy能源公司收購。各品牌機型的統計表詳見表2。

至今為止，國內一些單位對微型燃氣輪機發電機組和其設計、制造、應用技術進行了大量的研究工作，但與國外相比還有很大差距。

“十五”期間，我國科技部制定了先進微型燃氣輪機發電系統研發的目標，要求在2002～2005財政年度研制的微型燃氣輪機整機技術指標達到設計發電功率100kW，本體發電效率帶回熱時不低于29%，NOx排放燃用天然氣時低于9ppm，燃用輕柴油時小于35ppm，噪聲小于65dB（10m），系統連續可靠運行400h，熱電聯供熱效率達到80%以上，工藝達到小批量生產要求。技術經濟指標不低于國際市場上2000年的水平，產品在國際市場上具有競爭力。因此，“十五”期間863燃氣輪機專項計劃有微型燃氣輪機課題，中科院工程熱物理研究所、西安交通大學等聯合研制，100kW微型燃氣輪機發電機組研制問世，產品編號為WDR100。

上海航天能源股份有限公司與美國Capstone公司長期合作，開展微型燃氣輪機發電機組零部件設計制造，所制造產品已穩定出口美國Capstone公司近8年。同時與哈爾濱工業大學、中國燃氣控股有限公司成立研究室，對微型燃氣輪機發電機組的應用技術進行研究；與上海交通大學合作，開展低熱值燃燒的微型燃氣輪機發電技術研究。當前正在從事開展微型燃氣輪機發電裝置作為不間斷電源的設計開發。

上海交通大學為上海市分布式供能基地，長期從事微型燃氣輪機研究，小批量生產37馬力水泵用微型燃氣輪機，并研制成功20kW野戰炮車用微型燃氣輪機，同時與上海航天能源股份有限公司和澳大利亞聯邦研究院在低熱值（1-5MJ/m3）燃氣穩定燃燒技術研究上進行了長期合作，研制了30kW、50kW低熱值微型燃氣輪機發電裝置。

北京航天31所也正在開發30kW微型燃氣輪機發電機組，對于微型燃氣輪機核心技術有了大量的基礎研究。目前該樣機已經完成，處于試驗階段。

其它，裝甲兵裝備技術研究所、北京理工大學、西安交通大學、沈陽工業大學等也在研究微型燃氣輪機發電裝置與技術。

表2 各品牌微型燃氣輪機發電機組機型統計表

4 我國微型燃氣輪機發電機組的應用前景

我國目前電力結構以燃煤火電為主，面臨著日趨嚴竣的資源枯竭和環境保護的雙重壓力。而微型燃氣輪機發電技術相對于燃煤發電技術，在熱效率和環境保護等方面均具有明顯的技術經濟效益和社會效益，還可以結合清潔能源與可再生能源的利用，建立相對獨力穩定的供電系統，實現更為靈活、安全、潔凈、廉價的發電和熱（冷）電聯供方式，符合對能源供給多樣化的發展需求，實現能源綜合利用。同時由于微型燃氣輪機發電機組通常具有不需要水、占地面積小、無需機房等特點，對于水資源、土地資源、建材等耗用較少。所有這些都特別符合我國21世紀可持續發展的戰略思想。

國內微型燃氣輪機發電機組的主要潛在應用市場：建筑樓宇、小區、醫院、車站、機場、金融、信息中心等國家重要設施；化工、木材加工、紡織等工藝用電、用熱、用冷和用汽；邊防基地、軍事設施等國防部門；西部邊遠地區及其它缺電地區、用電安全性要求高的地方供電；城市垃圾處理場沼氣發電；通過模塊式組裝的微型燃氣輪機群體中型電站；與燃料電池等先進技術聯合發展下一代能源系統。

微型燃氣輪機發電機組的迅速發展是與分布式熱（冷）電聯供能源系統的市場需求密不可分的。國內微型燃氣輪機發電機組及分布式熱（冷）電聯供能源系統需求的總走勢與國外相似，因經濟發展水平而有所滯后，但上海、北京、江蘇等多個地方的需求已經出現。[4]

隨著我國天然氣供應量的不斷增加及可再生能源應用技術的成熟，分布式發電及熱（冷）電聯產系統將得以大力推廣，這也將對我國微型燃氣輪機發電機組的發展起到重要的推動作用。

鑒于微型燃氣輪機發電機組的眾多優勢，國家有關部門對發展我國的微型燃氣輪機發電機組相當重視。我國微型燃氣輪機發電機組應用前景非常明朗，我國研發先進微型燃氣輪機發電機組及其分布式熱電聯產機組勢在必行。

5 我國微型燃氣輪機技術研發及國產化方向

微型燃氣輪機發電機組核心技術國產化是指對其核心部件、關鍵材料、組合集成、和運行控制模塊等的設計及制造國產化。按核心技術國產化難易程度，國產化步伐可分為兩類：

1）國外先進微型燃氣輪機發電機組核心技術的消化、吸收及模仿；

2）擁有獨立自主知識產權的核心技術和整套發電設備。

我國微型燃氣輪機發電機組研發由于歷史原因，與國外相比差距很大。對于微型燃氣輪機發電機組的研發，總體上比較系統的研究和研發尚未深人進行，但已有相對較好的技術儲備和工作基礎。對于徑流式葉輪機械，國內近二十年來進行了比較系統的研發工作，發展了一整套設計理論和方法，提出了新型的設計，建立了具有世界先進水平的實驗和加工設備，取得了很好的研究業績，具有很好的技術儲備和研發特色，在此基礎上經過再努力完全有可能在微型燃氣輪機的先進徑流式葉輪機械研發方面達到國際水平。在高溫材料和高溫高速軸承方面，國內也有非常出色的研究工作基礎和實驗條件。對于低污染燃燒室和高效緊湊回熱器的研究和研發，國內尚沒有開展深入的工作，特別是高效緊湊式回熱器，國際上在這一領域的競爭十分激烈，有關研究報道十分少見。傳統發電機的研發、制造和應用則已非常成熟。

綜上所述，我國開展微型燃氣輪機發電機組的研發和研制已具備較好工作基礎和條件。針對我國研究現狀，還需要在以下方面進一步進行大量研究，具體內容如下：

○微型燃氣輪機發電機組總體設計技術研究。包括總體方案、節點參數和全工況性能；壓氣機、燃燒室、渦輪機及回熱器等主要的熱力參數匹配和最優化技術；旋轉部件軸系穩定性研究，高效減噪音技術，緊湊、合理的結構設計，進氣系統設計，外形設計；整套發電系統控制核心裝置等。

○高效高壓比單級離心式壓氣機研制。采用全三維氣動計算方法設計高效壓氣機葉輪及通流部分，壓氣機樣機經過全參數氣動試驗。

○高效大膨脹比單級向心渦輪機研制。葉輪成型采用先進全三維設計技術，出力滿足設計要求。葉輪采用高溫合金材料，并采用耐高溫涂層和新型密封技術，渦輪機樣機進行全參數模擬試驗，進行調整、改進。

○低NOx排放高效燃燒室研制。燃燒室能兼燒氣體燃料和輕質液體燃料，火焰筒壁面不超溫，污染物排放不超標。燃燒室經過全工況熱態試驗。

○高性能緊湊式回熱器研制。采用高換熱系數、低流動損失的板翅式或三元無定向翅片管回熱器設計計算技術，并達到最小容積和流阻，回熱器具有良好抗疲勞、防泄漏和防沾污性能。回熱度可變以適應分布式熱（冷）電聯供系統負荷變化需要。

○數字控制系統的研制。包括控制策略和控制器（軟件和硬件）研制，制定控制參數和保護參數值，實現運行控制和系統保護，滿足系統控制的各項要求。

○高速發電機和變頻系統研制。高速永磁發電機研制，高速變頻技術及電氣系統配置，有關發電質量技術指標滿足獨立發電或并網發電要求。

○高速高溫空氣軸承研制。微型燃氣輪機發電機組產品總成、安裝、調試或試驗，包括臺架試驗。

○微型燃氣輪機核心部件制造工藝研究，包括壓氣機、渦輪機加工成型技術，燃燒室激光切割、等離子焊接技術、高溫部件熱障材料噴涂工藝，回熱器薄板連續焊接工藝等。

鑒于微型燃氣輪機發電機組未來在我國電力、動力系統、國家安全、分布式發電及熱（冷）電聯供能源系統方面的重要作用，以及我國已具備較好的研發基礎和條件，建議有關決策機構、科研院所和生產企業，積極開展微型燃氣輪機發電機組的技術合作與聯合攻關，盡快推動國內微型燃氣輪機發電機組研發制造，并逐步形成自己的研究、設計、制造體系和創新機制，為產業化鋪平道路。

[1]戴韌.微型燃氣輪機及其“混合動力”的技術進展[J].熱力透平，2005，34（1）：7-11.

［2］金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].中國電力出版社，2010.

[3]袁春，何國庫.微型燃氣輪機發電技術進展[J].移動電源與車輛，2002（4）：39-40.

[4]翁一武，蘇明，翁史烈.先進微型燃氣輪機的特點與應用前景[J].熱能動力工程，2003，18