微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特點研究及其應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域的前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

燃?xì)廨啓C(jī)是一類常見的熱力渦輪機(jī)械，在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中均得到了廣泛應(yīng)用。近年來，以微型燃?xì)廨啓C(jī)為代表的新型燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置逐漸走入人們的視野，并以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢逐漸受到了廣泛關(guān)注[1-4]。

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)及其技術(shù)特點

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種新型燃?xì)廨啓C(jī)，功率通常為30～350 kW。它的熱力循環(huán)原理雖與普通燃?xì)廨啓C(jī)相同，但因為尺寸及輸出功率較小，在設(shè)計、結(jié)構(gòu)和用途等方面又與一般的燃?xì)廨啓C(jī)有著不同。

（1）體積小，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置體積大約只有0.35 m3；（2）單位質(zhì)量輕小，約為柴油機(jī)組的1/3；

（3）采用單級向心式壓縮機(jī)，且壓縮比較低，一般為3～5；

（4）采用單級向心式渦輪，壓縮機(jī)與渦輪背靠背布置，并采用整體托盤結(jié)構(gòu)；

（5）采用單管式燃燒室，空氣進(jìn)入燃燒室前通過板翅式回?zé)崞黝A(yù)熱；

（6）發(fā)電機(jī)為通過渦輪直接驅(qū)動的內(nèi)置式高速逆變永磁式發(fā)電機(jī)；

（7）采用空氣軸承可實現(xiàn)50 000～120 000 r/min的超高轉(zhuǎn)速，且?guī)缀醪幌臐櫥停?/p>

（8）摩擦部件少，燃?xì)鉁囟鹊停煽啃愿撸瑝勖L（可達(dá)40 000～80 000 h）；

（9）熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)費用少，遠(yuǎn)低于柴油發(fā)電機(jī)組；

（10）采用回轉(zhuǎn)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，振動較小，且運行平穩(wěn)、噪聲低；

（11）污染排放少，NOx微排放小于9 mg/kg，是目前理想的綠色環(huán)保電源；

（12）擴(kuò)容方便，并可實現(xiàn)多臺并聯(lián)后的單獨控制和同步輸出，適用于分布式能源系統(tǒng)。

如上所述，微型燃?xì)廨啓C(jī)的原理雖與普通燃?xì)廨啓C(jī)類似，但為了滿足其體積和容量的微型化要求，微型燃?xì)廨啓C(jī)有其自身的顯著特征。

2 微型燃?xì)廨啓C(jī)的部件特征

2.1 壓縮機(jī)

單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)是目前應(yīng)用最廣的機(jī)型，核心部件為壓縮機(jī)-渦輪機(jī)。兩者配裝于同一短軸上，由兩個軸承支撐，結(jié)構(gòu)緊湊，是該類微型燃?xì)廨啓C(jī)唯一的轉(zhuǎn)動部件。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的壓縮機(jī)部件，噴嘴尺寸通常僅有數(shù)英寸，轉(zhuǎn)速在額定功率時可達(dá)50 000～120 000 r/min，類似于小型渦輪增壓器。由于引進(jìn)了先進(jìn)的計算流體動力學(xué)設(shè)計方法，并采用了復(fù)合材料和陶瓷軸承，微型燃?xì)廨啓C(jī)的工藝水平在近10年得到了顯著提升。

通常，為了減少回流換熱器和燃燒室的體積，壓縮比要高于3。但是，在壓縮過程中，空氣溫度將上升。受限于渦輪機(jī)的最高可承受溫度，壓縮比太高反而會導(dǎo)致一系列弊端。此外，離心旋轉(zhuǎn)對部件強(qiáng)度要求很高，限制了壓縮機(jī)和渦輪機(jī)部件的最大速度。所以，壓縮比不可設(shè)定太高。一般情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮比設(shè)定為3～4時，整機(jī)系統(tǒng)性能可達(dá)到最佳。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的微型燃?xì)廨啓C(jī)一般選擇天然氣作為燃料。為使天然氣與壓縮空氣有效混合，需要將天然氣的壓力從周圍管道的壓力加壓到超過微型燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力。這一過程約需要消耗燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的6%，因此在選擇微型燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮比時還需結(jié)合天然氣的供給設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌安排。

2.2 燃燒室

對于微型燃?xì)廨啓C(jī)，由于燃燒室表面積、體積較小，噴嘴數(shù)量較少，通常不會根據(jù)大型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室按比例縮小。常見的微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室分為單管燃燒室和環(huán)形燃燒室兩種。環(huán)形燃燒室雖然較為復(fù)雜且技術(shù)要求更高，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高、迎風(fēng)面積小、質(zhì)量輕、壓力損失小、火焰筒表面積和長度小、所需的冷卻空氣量少以及燃燒效率高等優(yōu)點，更符合微型燃?xì)廨啓C(jī)未來發(fā)展的要求。

2.3 渦輪機(jī)

渦輪機(jī)是將高溫高壓燃?xì)饬鞯哪芰哭D(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種葉輪機(jī)械。在燃?xì)廨啓C(jī)中，機(jī)械能以渦輪軸功率的形式輸出，繼而驅(qū)動壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)。

渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能（包括壓縮機(jī)消耗的電能）與通過這些設(shè)備的氣體的絕對溫差成正比。換言之，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度越低，燃燒溫度越高，增壓效果越好，渦輪機(jī)部分輸出的軸功率也越高，微型燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。因此，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的總體趨勢是將提高溫度和提高壓力實現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

對于大型燃?xì)廨啓C(jī)，它的渦輪葉片通常具有內(nèi)部冷卻能力，以使渦輪機(jī)在燃燒溫度高于金屬極限的情況下還可以保持運行。這是大型燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)1 400～1 500 ℃的原因。但是，對于微型燃?xì)廨啓C(jī)而言，渦輪機(jī)的尺寸和外形決定了其無法實現(xiàn)內(nèi)部冷卻。渦輪機(jī)進(jìn)口溫度通常設(shè)定在980 ℃或者更低，以此與燃?xì)廨啓C(jī)合金的耐溫性能適應(yīng)。也只有在該溫度范圍內(nèi)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子才能使用成本相對低廉的材料，同時確保增壓比保持相對較低。

目前，美國能源部（DOE）正在開展某個項目的研究，試圖將基于陶瓷材料的徑向流動燃?xì)鉁u輪機(jī)技術(shù)應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)，以提高燃?xì)廨啓C(jī)的耐溫性能，從而使整機(jī)效率提高約36%。

2.4 回?zé)崞?/h3>

微型燃?xì)廨啓C(jī)的固有特性會導(dǎo)致較高的排氣溫度和較低的效率。為了改善性能，一般采用空氣-空氣熱交換器將渦輪排出的熱能部分回收，用以預(yù)熱即將進(jìn)入燃燒室的壓縮空氣，節(jié)約燃料，提高效率。這種熱交換裝置被稱作回?zé)崞鳌?/p>

微型燃?xì)廨啓C(jī)比傳統(tǒng)的簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜，原因是增加了回?zé)崞鳌Ｓ捎诨責(zé)崞魇菤饬髦g進(jìn)行熱交換的部件場所，需要相當(dāng)大的表面積，導(dǎo)致微型燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)質(zhì)量增大，成本增高。通常，回?zé)崞髯陨淼男食^90%，雖然減少了燃料的消耗量，提高了整機(jī)效率，但也導(dǎo)致微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的額外壓力損失，并會損失10%～15%的電能，降低了整機(jī)效率[5]。

事實上，回?zé)崞鞔嬖谝粋€最佳效率值。當(dāng)效率達(dá)到最佳值時，繼續(xù)增強(qiáng)回?zé)嵝Ч麑⒌貌粌斒А⒒亓鲹Q熱器的效率從85%增加到90%，可使熱效率增加約1.9%。但是，因布設(shè)了回?zé)崞鳎麢C(jī)的尺寸和價格將增加60%。

此外，增加回?zé)崦娣e可以提高回?zé)崞鞯男省Ｒ虼耍诨責(zé)崞鞯拿娣e、傳熱系數(shù)以及效率之間存在一個最優(yōu)值。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中運行時，尾氣余熱存在多種用途，包括飲用水加熱、驅(qū)動吸收式制冷裝置和平燥劑除濕裝置、空間加熱、供暖和工廠使用等。所以，有時不采用此類回?zé)嵫b置，以便取得更高溫的尾氣余熱和回收更多的熱量。

回?zé)崞鞯幕緳C(jī)構(gòu)包括直管式、板翅式和主表面式結(jié)構(gòu)。直管式是最原始的換熱結(jié)構(gòu)，性能較差，較少被應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)。后兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，其中板翅式結(jié)構(gòu)可以使回?zé)崞鞒惺茌^大的內(nèi)部壓差，同時當(dāng)量直徑相對較小，主表面式結(jié)構(gòu)體積最小，質(zhì)量最小，工業(yè)自動化制造最便捷。

2.5 軸 承

微型燃?xì)廨啓C(jī)一般使用機(jī)械式軸承或空氣軸承。機(jī)械式軸承壽命較長，最高允許溫度較高，但是系統(tǒng)需布設(shè)專門的油泵、油過濾裝置和油冷器來為軸承提供潤滑油，增加了微型燃?xì)廨啓C(jī)的成本和維護(hù)工作量。微型燃?xì)廨啓C(jī)普遍采用空氣軸承。空氣軸承通常安裝在渦輪后側(cè)，并在壓縮機(jī)和渦輪之間增加軸向間距。在燃?xì)廨啓C(jī)運轉(zhuǎn)過程申，空氣軸承可以使渦輪機(jī)在很薄的空氣層里旋轉(zhuǎn)，摩擦較小，并可在其運行期間免潤滑，實現(xiàn)零機(jī)油耗，無需配備專門的油泵和冷卻系統(tǒng)。因此，空氣軸承運行簡單且?guī)缀鯚o需維護(hù)。

目前，對微型燃?xì)廨啓C(jī)最重要的應(yīng)用是在-40 ℃低溫條件下冷啟動，而微型燃?xì)廨啓C(jī)的冷啟動能力取決于其軸承性能。低溫條件下，發(fā)動機(jī)冷啟動困難的主要原因是潤滑油黏度增大且流動性差，增加了發(fā)動機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)阻力，且降低了啟動轉(zhuǎn)速，并使壓縮機(jī)壓縮氣體能力不良，導(dǎo)致壓縮比較低和燃燒過程不充分，系統(tǒng)輸出功率不足從而無法迅速啟動。使用空氣軸承的燃?xì)廨啓C(jī)，由于不需要潤滑油潤滑，冷啟動能力更強(qiáng)。

2.6 發(fā)電機(jī)組

微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)一般采用永磁發(fā)電機(jī)。因為永久磁鐵提供的勵磁可在260 ℃以上的環(huán)境下運行。改良永磁材料使得永磁發(fā)電機(jī)比繞線轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)質(zhì)量更輕、效率更高。

3 影響微型燃?xì)廨啓C(jī)工作效率的因素

微型燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)效率通常與下列4個方面有關(guān)：

（1）壓縮機(jī)壓縮比率，即壓縮比率取決于壓縮機(jī)的類型和使用的材料；

（2）渦輪入口溫度，渦輪轉(zhuǎn)子合金的斷裂應(yīng)力和低循環(huán)疲勞強(qiáng)度的限制、工作循環(huán)和轉(zhuǎn)子冷卻方式的選擇，決定了渦輪入口的溫度；

（3）回流換熱器入口溫度（即渦輪末端排出的氣體溫度），回流換熱器基質(zhì)材料的壽命決定了回流換熱器的進(jìn)氣溫度。

（4）組件效率（回流換熱器效率、渦輪效率、壓縮機(jī)效率等）。

在環(huán)境溫度很高的情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率都會降低，意昧著夏季用電量最大時微型燃?xì)廨啓C(jī)的能效最低。為此，對入口空氣實施冷卻的技術(shù)應(yīng)運而生。首先，最簡單的方法是利用冰、冷凍水或者低溫液體等冷卻入口空氣，但需要另外制備和儲存這些冷源。其次，蒸發(fā)冷卻也是一項成本相對較低的入口空氣冷卻技術(shù)，在未來最有可能應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)。通過該技術(shù)可將水霧直接噴到入口空氣流中，而水的蒸發(fā)降低了空氣溫度。但是，由于蒸發(fā)冷卻需要消耗大量的水，因而不適合在缺水地區(qū)廣泛使用。

此外，直接冷卻對微型燃?xì)廨啓C(jī)而言，技術(shù)上也是可行的。冷卻時可以采用壓縮驅(qū)動或者熱驅(qū)動的制冷循環(huán)，通過熱交換器冷卻入口空氣。當(dāng)然，熱交換器會降低進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣壓力，因而會輕微降低循環(huán)電量和效率。但是，由于入口空氣溫度比環(huán)境空氣溫度更低，所以仍然可以獲得較高的電量和提升效率方面的凈收益。另外，用電動壓縮制冷也會導(dǎo)致電能損失，而吸收式制冷可以重復(fù)利用微型燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱，但與蒸發(fā)冷卻相比，其技術(shù)復(fù)雜，成本較高在實際應(yīng)用中受到了限制。

一般而言，微型燃?xì)廨啓C(jī)的效率并不高。普通2.5 kW和5 kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)，峰值熱效率分別為27%和25%，而大型的燃?xì)廨啓C(jī)效率可達(dá)30%。但是，當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中時，它的效率將得到極大提升。

4 微型燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)保性能

4.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料

微型燃?xì)廨啓C(jī)的主要燃料是天然氣，也能夠燃用其他很多種燃料：

（1）液化石油氣；

（2）含礁化氫的天然氣，即未加工的天然氣，直接來自于天然氣井；

（3）沼氣，即所有由有機(jī)廢物分解而得到的可燃?xì)怏w，如垃圾產(chǎn)生的氣體、污水產(chǎn)生的氣體和動物排泄物產(chǎn)生的氣體；

（4）工業(yè)氣，以工業(yè)過程排氣為主；

（5）人造氣，通常是低、中熱值的氣體，為氣化和高溫分解過程的產(chǎn)物。

4.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)的排放污染物及相應(yīng)優(yōu)化措施

目前，主要擔(dān)心廢棄燃料產(chǎn)生的污染物，尤其是酸性氣體（H2S、鹵素酸、HNC、氨、鹽類、金屬混合物、有機(jī)混合物、硫化物、氨化物和硅化物）和油類。它在燃燒中會化合生成鹵酸、SO2，一部分SO2還可通過氧化生成H2SO4，會腐蝕下游設(shè)備。燃料中的氮燃燒中還會通過氧化生成NOx。另外，為避免其對部件的沖蝕，不能使燃燒的固體顆粒聚集。如果任何燃料的污染物水平超過要求，需要對燃料進(jìn)行洗滌、液滴分離和過濾。垃圾氣體經(jīng)常含有氧化物、硫化物、有機(jī)酸和硅化物，因此需要預(yù)處理垃圾氣。

理論上，微型燃?xì)廨啓C(jī)不會產(chǎn)生過多污染物。微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的主要污染物是NOx、CO、未燃的HC以及很小一部分SO2。微型燃?xì)廨啓C(jī)在滿負(fù)荷下產(chǎn)生的污染物最少，在部分負(fù)荷運行時產(chǎn)生的污染物較多。

NOx主要是NO和NO2的混合物，微型燃?xì)廨啓C(jī)中主要為熱力型NOx。熱力型NOx由空氣中的氧和氮化合而成，發(fā)生在較高的燃燒溫度下。燃燒溫度和持續(xù)時間是影響NOx生成的主要因素。隨著火焰溫度的升高，NOx的生成速率明顯加快。當(dāng)燃料中含有的氮作為烴的一部分時，會生成燃料型NOx。天然氣中含有的化學(xué)氮則可忽略不計。

在過去的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒技術(shù)中，燃料和空氣被分別加入燃燒區(qū)。這種分別加入的技術(shù)會導(dǎo)致燃料和空氣分離區(qū)域溫度較高。在過去的十幾年中，燃燒改進(jìn)的焦點是使用燃料和空氣的混合物降低局部過熱區(qū)的溫度，以不會產(chǎn)生高溫區(qū)。采用DLN燃燒器會降低NOx生成區(qū)域燃料和空氣的比率，從而使火焰峰值溫度低于絕熱火焰溫度，抑制熱力型NOx的生成。

不完全燃燒也會導(dǎo)致產(chǎn)生CO和未燃的HC。在微型燃?xì)廨啓C(jī)中，CO不能完全燃盡一般是由于燃燒室冷空氣的抑制作用導(dǎo)致的。此外，CO的生成很大程度上取決于微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作負(fù)荷。例如，微型燃?xì)廨啓C(jī)在低負(fù)荷下運行容易導(dǎo)致不完全燃燒，會增加CO的生成量。出于健康和安全的考慮，CO的濃度通常被限制在低于50 μL/L。

通常，盡管CO2被認(rèn)為是一類不會對人類健康帶來直接威脅的污染物，但由于其會引起全球氣候變暖，因而受到了廣泛關(guān)注。CO2的生成量主要取決于燃料中的含碳量和系統(tǒng)效率。

大部分微型燃?xì)廨啓C(jī)均采用干式低污染（DLN）燃燒系統(tǒng)。此技術(shù)在微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷史上使用時間不長，且在大型燃?xì)廨啓C(jī)上并未得到廣泛應(yīng)用。這種燃燒技術(shù)可將氣體燃料和壓縮空氣提前混合，從而避免高溫區(qū)（或者被稱作“局部過熱區(qū)”）的產(chǎn)生。DLN需要特別設(shè)計的混合室用于進(jìn)口區(qū)的混合，避免火焰傾斜。DLN燃燒系統(tǒng)可以實現(xiàn)NOx生成量低于9 μL/L。

另一種燃燒技術(shù)為催化燃燒。在催化燃燒過程中，燃料在催化劑的作用下被氧化。催化燃燒是一個非火焰過程，可以使燃料在低于920 ℃的情況下氧化，而在此溫度下NOx的生成量較低。通常，催化劑加到燃燒器表面，使燃料和空氣的混合物在催化劑表面反應(yīng)并釋放出熱能。燃?xì)廨啓C(jī)采用催化燃燒器，可以使NOx濃度降低到百萬分之幾，但會出現(xiàn)燃燒系統(tǒng)運行持久性較差的現(xiàn)象。這主要是由于催化劑和催化支持裝置材料容易破碎。目前，能控制NOx濃度排放低于3 μL/L的催化燃燒器已實現(xiàn)了早期商業(yè)使用。由于DLN燃燒器排污少，可以滿足環(huán)保要求且微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度低，因此短期內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)上不會采用催化燃燒這項技術(shù)。

5 微型燃?xì)廨啓C(jī)用于分布式發(fā)電的應(yīng)用前景展望

微型燃?xì)廨啓C(jī)作為目前最成熟、最有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電設(shè)備，正受到越來越多的關(guān)注。此類發(fā)電方式既能增加電網(wǎng)機(jī)動性，降低送電損失和成本，改善電力質(zhì)量，同時也能進(jìn)一步確保供電系統(tǒng)的安全可靠性。

分布式供電的發(fā)展為微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展和市場擴(kuò)展提供了極好的平臺。微型燃?xì)廨啓C(jī)本體的發(fā)電效率并不高，但以其為核心的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量利用率甚至可超過大型機(jī)組。它是一種充滿前景的節(jié)能環(huán)保型電源，適合在城市、鄉(xiāng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)推廣應(yīng)用。但是，目前我國還不具備大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)的能力[6]。

在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，微型燃?xì)廨啓C(jī)將直接與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行競爭。與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電方式相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)更輕小，回轉(zhuǎn)部件更少，運行和維護(hù)成本更低，在發(fā)電上優(yōu)勢明顯，污染排放也低于傳統(tǒng)柴油機(jī)，更有利于環(huán)境保護(hù)[7]。

隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它的技術(shù)優(yōu)勢日益彰顯[8]。但不可否認(rèn)，在相同條件下，微型燃?xì)廨啓C(jī)若要與大型汽輪機(jī)在發(fā)電成本方面具有競爭力，需采用更低成本的材料和更高效率的發(fā)電方法，并盡可能減少系統(tǒng)的組成部件。

6 結(jié) 論

微型燃?xì)廨啓C(jī)作為小型分布式發(fā)電動力裝置，具有靈活、安全、潔凈、廉價的發(fā)電和熱電聯(lián)供方式，符合對能源供給多樣化的發(fā)展需求。由于不需要水，它可應(yīng)用于我國嚴(yán)重缺水地區(qū)，符合我國21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想[9]。隨著西部大開發(fā)、“西氣東輸”工程的實施以及能源供給多樣化發(fā)展趨勢的日益明顯，微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國將具有較好的市場前景。