1、微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)以及前景微型燃汽輪機(jī)1引言功率為數(shù)百kW及以下的燃?xì)廨啓C(jī)在20世紀(jì)4060年代就已存在，但由于其發(fā)電效率低，長(zhǎng)期以來(lái)，幾十至幾百kW的小型發(fā)電機(jī)組市場(chǎng)一直由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組占領(lǐng)。隨著高效回?zé)崞饔绍娪棉D(zhuǎn)入民用,微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率顯著提高。20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了無(wú)齒輪箱的燃?xì)廨啓C(jī)，有些機(jī)組采用了不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)的空氣軸承,使得微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，幾乎不用維護(hù)。微型燃?xì)廨啓C(jī)體積小、重量輕、適用燃料范圍廣,可靠近用戶(hù)安裝，顯著提高了對(duì)用戶(hù)供電的可靠性.這些優(yōu)點(diǎn)使得微型燃?xì)廨啓C(jī)在分散式供電、熱電聯(lián)供和車(chē)輛混合動(dòng)力方面的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展1.1998年末美國(guó)Capstone公

2、司推出了第1臺(tái)商業(yè)化的微型燃?xì)廨啓C(jī)裝置，現(xiàn)已有多家公司研制和生產(chǎn)這種微型燃?xì)廨啓C(jī)，主要集中在北美、瑞典和英國(guó).美國(guó)AlliedSignal公司估計(jì)，到2010年微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的銷(xiāo)售額將達(dá)到100150億USD2。微型燃?xì)廨啓C(jī)在生產(chǎn)電力的同時(shí)回收利用了燃燒后的廢熱,可同時(shí)提供供暖服務(wù)和空調(diào)制冷服務(wù)，這種熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電形式越來(lái)越受歡迎3。我國(guó)也在醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、樓宇等領(lǐng)域有應(yīng)用的實(shí)例，并取得了較好的效果4。在充滿(mǎn)競(jìng)爭(zhēng)的電力零售市場(chǎng)上，微型燃?xì)廨啓C(jī)憑藉其綜合發(fā)電成本低的優(yōu)勢(shì)必將在未來(lái)的電力系統(tǒng)中占據(jù)越來(lái)越重要的位置5。2003年冬季，英國(guó)Powergen公司將開(kāi)展微型電站裝入居民家庭廚房的試點(diǎn)工程

3、。這種燃?xì)怆娬究扇∨?、供熱水、發(fā)電,試驗(yàn)表明一年可節(jié)約能源費(fèi)用249.6USD。微型燃?xì)廨啓C(jī)在未來(lái)的電力系統(tǒng)中必將同大型集中式電站一起為用戶(hù)提供清潔便宜的能源服務(wù)。2微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)是熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組，美國(guó)Capstone公司生產(chǎn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理如圖1所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。Capstone公司生產(chǎn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)的主要組成部分包括：發(fā)電機(jī)、離心式壓縮機(jī)、透平、回?zé)崞鳌⑷紵?、空氣軸承、數(shù)字式電能控制器（將高頻電能轉(zhuǎn)換為并聯(lián)電網(wǎng)頻率50/60HZ，提供控制、保護(hù)和通訊）.這種微型燃?xì)廨啓C(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處在于它的壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)安裝在一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，該軸由空氣軸承支撐，在一層

4、很薄的空氣膜上以96000r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn).這是整個(gè)裝置中唯一的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，它完全不需要齒輪箱、油泵、散熱器和其他附屬設(shè)備。這種微型燃?xì)廨啓C(jī)已在全球銷(xiāo)售了2000臺(tái)，累計(jì)運(yùn)行3X106h。這種微型燃?xì)廨啓C(jī)采用的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）空氣軸承?？諝廨S承支撐著系統(tǒng)中唯一的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。它不需要任何潤(rùn)滑，從而節(jié)約了維修成本，避免了由潤(rùn)滑不當(dāng)產(chǎn)生的過(guò)熱問(wèn)題，提高了系統(tǒng)可靠性。它可使微型燃?xì)廨啓C(jī)以最大輸出功率每天24h全年連續(xù)運(yùn)行。（2）燃燒系統(tǒng)技術(shù)。已取得專(zhuān)利的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)使其成為最清潔的化石燃料燃燒系統(tǒng)，不需進(jìn)行燃燒后的污染控制.（3）數(shù)字式電能控制器。將電力電子技術(shù)與高級(jí)數(shù)字控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了多種功能，

5、如調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)電功率、實(shí)現(xiàn)多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)成組控制、調(diào)節(jié)不同相之間的功率平衡、允許遠(yuǎn)程調(diào)試和調(diào)度、快速削減出力、切換并網(wǎng)運(yùn)行模式和獨(dú)立運(yùn)行模式。數(shù)字式電能控制監(jiān)視器可監(jiān)視多達(dá)200個(gè)變量，它可控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、燃燒溫度、燃料流動(dòng)速度等變量，所有操作可在一套界面友好的軟件系統(tǒng)上進(jìn)行。3微型燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)與常規(guī)發(fā)電裝置相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）環(huán)保。微型燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣排放少，使用天然氣或丙烷燃料滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，排放的體積分?jǐn)?shù)NOx小于9X10-6;使用柴油或煤油燃料滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，排放的體積分?jǐn)?shù)NOx小于35X10-6;采用油井氣做測(cè)試，排放的體積分?jǐn)?shù)NOx小于1X10-6。其他采用天然氣作為燃料

6、的往復(fù)式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的NOx比微型燃?xì)廨啓C(jī)多10100倍，柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的NOx是微型燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)百倍。微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)以及前景微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)以及前景（2）維護(hù)少。微型燃?xì)廨啓C(jī)采用獨(dú)特的空氣軸承技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)部不需要任何潤(rùn)滑，節(jié)省了日常維護(hù)。每年的計(jì)劃?rùn)z修僅是在全年滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行后更換空氣過(guò)濾網(wǎng)。（3）效率高。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率可達(dá)30,聯(lián)合發(fā)電和供熱后整個(gè)系統(tǒng)能源利用率超過(guò)70%.（4）運(yùn)行靈活.微型燃?xì)廨啓C(jī)可并聯(lián)在電網(wǎng)上運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行,并可在兩種模式間自動(dòng)切換運(yùn)行.由軟件系統(tǒng)控制兩種運(yùn)行模式之間的自動(dòng)切換.（5）適用于多種燃料。微型燃?xì)廨啓C(jī)適用于多種氣體燃料和多種液體燃料，

7、包括天然氣、丙烷、油井氣、煤層氣、沼氣、汽油、柴油、煤油、酒精等。（6）系統(tǒng)配置靈活.可根據(jù)實(shí)際需要靈活配置微型燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)量，并能夠進(jìn)行多單元成組控制，其中一臺(tái)檢修時(shí)不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。（7）安全可靠.微型燃?xì)廨啓C(jī)是同類(lèi)型產(chǎn)品中符合美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所（UnderwritersLaboratories,UL）嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)UL2000的唯一產(chǎn)品，它同時(shí)符合IEEE519、NFPA規(guī)范、ANSIC84.1和其他規(guī)范，保證了與電網(wǎng)互聯(lián)的安全性。微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)指標(biāo)Capstone公司的C30微型燃?xì)廨啓C(jī)在環(huán)境溫度15C、相對(duì)濕度60%、海拔0m條件下的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表16。美國(guó)幾個(gè)主要的微型燃?xì)廨啓C(jī)生

8、產(chǎn)商的產(chǎn)品性能見(jiàn)表27。微型燃?xì)廨啓C(jī)、水電和火電發(fā)電成本的對(duì)比見(jiàn)表3。目前，我國(guó)許多地區(qū)高峰時(shí)段商業(yè)用電價(jià)接近1元/kWh,由表3可見(jiàn),雖然微型燃?xì)廨啓C(jī)單位kW造價(jià)較高,但由于其安裝和維護(hù)費(fèi)用極低,發(fā)電成本又遠(yuǎn)低于高峰時(shí)段電價(jià)，因此對(duì)小型工商業(yè)用戶(hù)具有極大的吸引力。微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用前景微型燃?xì)廨啓C(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)所包括：廢氣燃燒地點(diǎn)；需要提供臨時(shí)和長(zhǎng)期電力的地點(diǎn)；在經(jīng)常停電的地點(diǎn)提高電能質(zhì)量和供電可靠性；電費(fèi)較高的地點(diǎn)；無(wú)電網(wǎng)的偏僻地點(diǎn)；可用峰荷電價(jià)向電力交易中心賣(mài)電；要求聯(lián)合提供熱電冷服務(wù)的地點(diǎn)。如可應(yīng)用于以下方面：（1）油田油田一般位于偏僻的地區(qū)，很難架設(shè)電網(wǎng)或架設(shè)永久的輸電線(xiàn)路投資很大.在

9、油田開(kāi)采初期需臨時(shí)供應(yīng)電力。微型燃?xì)廨啓C(jī)利用油井廢氣發(fā)電，不僅可解決油田開(kāi)采設(shè)備和生活基地的電力供應(yīng),還為生活基地提供采暖和空調(diào)服務(wù).（2）垃圾掩埋場(chǎng)和偏僻農(nóng)村城市垃圾一般采用掩埋方法處理，掩埋的垃圾產(chǎn)生了許多低熱值的生物可燃?xì)?微型燃?xì)廨啓C(jī)利用垃圾沼氣發(fā)電，不僅保護(hù)環(huán)境，并可向當(dāng)?shù)氐木用窕螂娋W(wǎng)送電.在電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的偏僻農(nóng)村和山區(qū)，可充分利用農(nóng)村的生物物質(zhì).將生物物質(zhì)氣化和微型燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合構(gòu)成簡(jiǎn)單、可靠、低維護(hù)、高效率、低污染的新型分散式發(fā)電系統(tǒng)，有可能成為偏僻農(nóng)村和山區(qū)能源供應(yīng)和提高生活質(zhì)量的最佳方案。（3）需進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的小型加工企業(yè)突然停電會(huì)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的小型加工企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，采

10、用微型燃?xì)廨啓C(jī)自己發(fā)電且與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，將使供電可靠性大為提高。在電價(jià)波動(dòng)劇烈的地區(qū)和季節(jié),自己發(fā)電可有效回避電價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。（4）發(fā)電備用在電網(wǎng)電力供應(yīng)緊張時(shí)期,微型燃?xì)廨啓C(jī)向電網(wǎng)送電，并以較高的輔助服務(wù)電價(jià)結(jié)算，能夠獲得較大利潤(rùn).（5）熱電冷聯(lián)供微型燃?xì)廨啓C(jī)可提供電力、供暖和空調(diào)的聯(lián)合服務(wù)，能源利用效率可達(dá)90%。在需熱電冷的場(chǎng)所,如醫(yī)院、寫(xiě)字樓、超市、旅館、游泳館等，在生產(chǎn)工藝上需進(jìn)行加熱的生產(chǎn)企業(yè)，如制衣廠(chǎng)、制磚廠(chǎng)等，微型燃?xì)廨啓C(jī)將會(huì)有很大的應(yīng)用空間.利用微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行熱電聯(lián)供的一個(gè)最出色的實(shí)例是在荷蘭Putten市，一臺(tái)30kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)為一總?cè)萘繛?.6ML的公共游泳池提供全年的供

11、暖和供電服務(wù)，總能源利用效率達(dá)到了96%。供暖部分包括加熱游泳池中的水、冬季室內(nèi)供暖，供電部分包括循環(huán)水泵等用電設(shè)備微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)以及前景和照明服務(wù)，與過(guò)去利用鍋爐集中供暖和加熱相比，新方案的能源費(fèi)用降低了30。（6）移動(dòng)式電源和車(chē)輛動(dòng)力微型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸小、重量輕、啟動(dòng)快，適于作為備用電源和便攜式電源使用.微型燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣排放量顯著低于活塞式內(nèi)燃機(jī)，汽車(chē)尾氣已成為城市大氣污染的主要污染源,新型燃?xì)廨啓C(jī)和蓄電池聯(lián)合組成的機(jī)動(dòng)車(chē)混合動(dòng)力是解決城市車(chē)輛尾氣污染的重要手段。由上述可見(jiàn)，微型燃?xì)廨啓C(jī)雖有廣闊的應(yīng)用前景，但它必須以當(dāng)?shù)卮嬖诜€(wěn)定的氣體或液體燃料供應(yīng)為前提。如當(dāng)?shù)貧怏w燃料或液體燃料供應(yīng)充足，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)將會(huì)非常明顯。尤其在用電高峰時(shí)段，不僅可大力提高供電可靠性，且可節(jié)省大量電費(fèi)。結(jié)語(yǔ)人類(lèi)對(duì)利用可再生能源發(fā)電的研究已取得了重大進(jìn)展