微型燃氣輪機技術進展及應用展望【摘要】微型燃氣輪機是一類新型熱機，近年來隨著全球范圍內的能源與動力需求結構特別是電力系統的放松控制以及環境保護等要求的變化，得到了高度關注和迅速發展。先進微型燃氣輪機提供了清潔、可靠、高質量、多用途、小型分布式發電和熱電聯供的最佳方式。本文著重結合國外微型燃氣輪機的研發及應用情況，綜述了先進微型燃氣輪機的技術進展，探討了微型燃氣輪機在我國的應用前景，提出了對微型燃氣輪機技術的研發建議，供有關領導部門和同行參考。

【關鍵詞】微型燃氣輪機分布式發電熱電聯供徑流式葉輪機械燃料電池混合動力汽車

0引言

微型燃氣輪機（Microturbine或Micro一turbines）是一類新近發展起來的小型熱力發動機，其單機功率范圍為25～300kWDL基本技術特征是采用徑流式葉輪機械（向心式透平和離心式壓氣機）以及回熱循環。近年來隨著全球范圍內的能源與動力需求結構特別是電力系統的放松控制（Deregulation）以及環境保護等要求的變化，微型燃氣輪機得到了電力、動力等有關部門的高度重視，特別是在美、歐等國發展迅猛，大有與大中型燃氣輪機共占市場的勢頭[2-6]。先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術特征，除了分布式發電外，還可用于備用電站、熱電聯產、并網發電、尖峰負荷發電等，是提供清潔、可靠、高質量、多用途、小型分布式發電及熱電聯供的最佳方式，無論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區均能適用。鑒于我國目前的電力發展及其分布不很均衡以及微型燃氣輪機的技術特點及其優越性，微型燃氣輪機將在我國得到廣泛的重視與應用。此外，微型燃氣輪機在民用交通運輸（混合動力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優勢，受到美、俄等軍事大國的關注，因此，從國家安全看發展微型燃氣輪機也是非常重要的。本文結合國外微型燃氣輪機的研發及應用情況，綜述了先進微型燃氣輪機技術的進展，探討了微型燃氣輪機在我國的應用前景，并在此基礎上提出了對微型燃氣輪機技術的研發建議，供有關領導部門和同行參考。1微型燃氣輪機的發展概況微型燃氣輪機的雛形可追溯到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年在美國動力年會上，AlliedSignal、Capstone與Elliott公司展示了25～75kW微型燃氣輪機樣機。其后發展迅速，每年（包括其它公司，如NREC等）均有樣機推出。為此，美國能源部（DOE）于1998年12月主持召開了微型燃氣輪機技術高峰會（MicroturbineTechnologySummit），專門討論有關微型燃氣輪機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研發計劃提供思路和建議。會議明確指出：微型燃氣輪機市場很大，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展因素之一；微型燃氣輪機的廉價高效，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的發展進行評述和預測[2，3]。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，微型燃氣輪機的發展潛力和市場份額都很大，有專家曾指出[2]：微型燃氣輪機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。盡管這種比喻不很妥當，但確確實實深刻反映出了微型燃氣輪機在未來電力工業中的重要作用和地位。2000年5月ASMEIGTI（美國機械工程師協會國際燃氣輪機研究院）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：Mic-roturbineOperationaIExperiences），其中美國的CapstoneTurbine，ElliottEnergySystems，HoneywellPowerSystems，NorthernResearch&EngineeringCorp.，SouthernCaliforniaEdison，OakRidgeNationalLaboratory，加拿大的CANMETEnergyTechnologyCentre，以及瑞典的TurbecAB報告了各自的研發結果和運行經驗。IGTI的車用和小型燃氣輪機分會主席MaryGerstner撰寫報告指出：1999年微型燃氣輪機市場有很大發展，數家公司開始進行商業生產和銷售。Capstone的一臺客戶機組運行已達6000小時的記錄。其它公司宣布在2000年開始生產微型燃氣輪機。先期產品功率范圍在25～100kW，近期熱電聯產機組發展具有代表性，系統總效率可達80％以上。總之，近年來微型燃氣輪機進展顯著，特別是美國微型燃氣輪機的發展達到高潮[1～10]。Capstone公司在2000年11月已推出第1000臺微型燃氣輪機裝置。2微型燃氣輪機的發展動力一分布式發電微型燃氣輪機的發展源于分布式發電。分布式發電主要是由電力市場的放松控制所驅動的，同時還得益于天然氣市場的放松控制。電力市場的放松控制是世界范圍內的發展趨勢，它使得用戶可以選擇向誰買電或允許用戶自行發電，就地供電（現貨電力）成為向用戶提供最低廉用電的主要競爭武器之一。當前幾乎所有的美國公用電網建立了其能源服務公司（ESCO），以充分利用電力市場放松控制的優點，一個公司如果能夠做到在電價高漲時發電而電價降低時停機，則在供電競爭中將具有明顯的優勢。分布式發電的發展為微型燃氣輪機技術發展和市場擴展提供了極好的平臺。目前，美、英等國電力市場已從控制發電轉向分布式發電的競爭。小型發電廠在分布式電網中的應用，已成為一種日益增長的可行選擇。這種發電方式能夠為用戶減緩電網擁擠，增加電網機動性，降低送電損失和成本，改善電力質量。微型燃氣輪機技術的發展及其商用推出大大增加了分布式發電面向較小用戶的可能性，微型燃氣輪機發電裝置的緊湊性，可靠性和遙控運行以及環境友好等特點，意味著它們特別適合分布式發電的區域性應用，例如可以置于非常靠近用戶運行，圖1為置于住宅墻外的微型燃氣輪機家用電源。

顯然，它不再需要常規電網的長達數以千米以上且價格昂貴的輸電線路，而這一點在以往恰恰被忽視了。考慮到目前全球還有20億人口還在完全沒有電的條件下生活，微型燃氣輪機的應用，可以加速實現這些地區人民的生活和生產的電力化。可以想像，對于在無電區生活的他們而言，通過裝備微型燃氣輪機發電裝置，簡單地從電源插座獲得可靠而高質量的電力，確實令人激動。在分布式發電應用領域，微型燃氣輪機將直接與柴油機發電進行競爭。與內燃機發電相比，微型燃氣輪機發電有明顯優越性，例如：一臺45kW微型燃氣輪機發電裝置的成本約13,500美元（包括熱交換器），而整套柴油發電裝置約9,000美元。但燃氣輪機具有更低的循環壽命成本，第一代微型燃氣輪機壽命為45,000小時，而同功率等級柴油機僅為4000小時，不足燃氣輪機的1/10。而且燃氣輪機排放低于柴油機，有利于環境保護，可以相信，隨著微型燃氣輪機技術的進一步發展，其成本將接近于柴油機發電裝置，而工作壽命更長。當然，目前微型燃氣輪機的熱效率還低于同等功率的柴油機，但在低負荷應用時其熱效率和燃料費用在整個發電成本中相對維修費用并不重要；而在高負荷時性能良好，在線維護僅需幾個小時，費用可以大大節省，這也是微型燃氣輪機驅動分布式發電市場進步的技術優勢。由于微型燃氣輪機相應于內燃發動機的這些優點，全球范圍內特別是具有大規模燃機市場的美國，對微型燃氣輪機有極大的興趣，微型燃氣輪機-ESCO的發展勢頭非常猛。由于某些地區電力不能滿足峰時需求時，發電廠可調高峰時電價，因此隨著大多數公司追求尖峰負荷的收入，預計放松控制市場后的發電量將比壟斷市場更大。需要指出，盡管微型燃氣輪機的應用焦點是分布式發電市場，但對汽車領域有一定影響。1999年有兩種微型燃氣輪機投入于商用混合動力汽車，汽車行業由于日益嚴格的排放控制，對燃氣輪機超低排放這一優點有著極大興趣。3微型燃氣輪機的技術及進展

圖2給出了Capstone公司生產的微型燃氣輪機發電裝置。該裝置功率為30kW，其中圖2a為單個裝置，其外觀形如冰箱；而圖2b則為其多臺集成裝置，經10臺機子集成后功率達300kW。圖3為其它公司生產的70～75kW微型燃氣輪機，目前微型燃氣輪機的最大單機功率為80～200kw。圖4示出了Capstone微型燃氣輪機發電裝置的部件示意圖，其主要部件包括離心式壓氣機，單筒形燃燒室、向心式透平、回熱器以及發電機。微型燃氣輪機動力部件設計構造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置，概括來說，它是以徑流式葉輪機械為技術特征的。通過采用徑流式葉輪機械，即向心式透平與離心式壓氣機，可使裝置結構簡單、緊湊，便于移動。這一類葉輪機械的特點是流量小，功率低，轉速高，效率限制因素較多。因此必須采用回熱循環才有競爭力。當透平葉輪采用金屬材料且非冷卻時，透平的進氣溫

度大致為840～930℃，此時裝置效率稍低于或等同于同等功率的柴油機。表1給出了國際上幾個公司研發的第一代微型燃氣輪機的技術參數，其功率為28～75kW，效率為22.5％～33％。因此，在新一代微型燃氣輪饑中，期望通過引人高新技術如陶瓷材料部件（陶瓷葉輪等），以大大提高效率。研究表明進氣溫度為1350℃的微型陶瓷燃氣輪機的效率可達40％。如：日本通產省于1990年啟動的“100kW車用陶瓷燃氣輪機”的七年研發計劃，透平進口燃氣溫度為1300～1400℃，設計熱效率40％（100,000r/min），實測試驗結果為35.6％（90,000r/mjn）為進一步了解先進微型燃氣輪機技術，表2示出了微型燃氣輪機與常規熱力發動機的技術特點比較，表3對先進微型燃氣輪機發電與柴油機發電的技術指標進行了比較，表4則給出了Capstone公司2000年度白皮書公布的微型燃氣輪機燃用天然氣時的排放數據及其與內燃機的比較[5]，Capstone特別強調其中的NOx排放數據是能夠確切保證的。微型燃氣輪機裝置的潔凈，可靠，高質量源于以下技術：通過采用貧燃料預混合技術，可使排放降低，通常NOx排放低于12ppm（燃用天然氣或丙烷燃料時為9ppm），噪聲低于70dB；通過采用空氣軸承，不需維修或維修性好，設計大修周期為40,000～50,000小時甚至更高；通過采用數字式遙控的聯網離網發電變換裝置，可以確保發電質量和電網安全。同時，微型燃氣輪機也具有較好的技術經濟性，目前售價為250～350美元/kW。

因此，先進微型燃氣輪機提供了清潔可靠高質量多用途分布式小型發電的最佳方式。圖5概括了先進

微型燃氣輪機具有的技術優點，特征以及在發電領域中的不同用途。表5則示出了Capstone微型燃氣輪機的先進技術特性。可見微型燃氣輪機不僅具有明顯的技術優勢，而且應用范圍廣泛。進一步，微型燃氣輪機可以直接與未來的先進發電方式一燃料電池實現聯合發電，例如采用固體氧化物燃料電池（SOFC）與微型燃氣輪機（MGT）結合，其聯合裝置效率可達60％以上，而NOx排放低于1ppm。這也是目前世界上最為先進的高效潔凈發電方式[6]。1997年以來，美國的SiemensWestinghousePowerCorporation的技術中心進行了有關試驗。2000年1月，至今最為雄心勃勃的SOFC-MGT計劃通過初步評審。新型SOFC系統的工作壓力為3bar，與一臺NREC的50kW微型燃氣輪機聯合運行，功率可達250kW。由美國能源部和南加州Edison資助，這一系統將于2000年在加州大學的國家燃料電池研究中心進行廣泛的試驗。據報道，另一座320kW的SOFC-GMT聯合電廠將在2001年在德國投運。此外，微型燃氣輪機用于混合車輛動力（為電動車提供動力以及為蓄電池補充電力），已成為21世紀“混合動力汽車”的新模式。2001年2月，Capstone宣布該公司生產的用于混合動力汽車的微型燃氣輪機剛剛獲得CARB（TheCaliforniaAirResourceBoard）頒發的國際第一個證書。據報道，其30kw微型燃氣輪機燃天然氣時的排放僅為新一輪重型汽車的最低排放標準的80％。

4我國微型燃氣輪機的應用前景和研發基礎眾所周知，先進燃氣輪機技術是21世紀能源動力系統中的核心關鍵技術，對于我國相關領域如能源、電力、航空、航天、艦船、車輛、軍事等國民經濟和國防建設中的高新技術發展和移植有著重大作用，同時也是目前世界上一個國家工業基礎先進程度的重要標志，燃氣輪機發電技術在我國興起才十余年，但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，微型燃氣輪機輪機作為小型分布式發電技術或動力裝置，具有更為靈活、安全、潔凈、廉價的發電和熱電聯供方式，符合對能源供給多樣化的發展需求；而且由于不需要水，可以應用于我國嚴重缺水地區，所有這些都特別符合我國21世紀可持續發展的戰略思想。我國目前的電力發展及分布很不均勻，而經濟發展又極不平衡，這種情況在西部地區比較突出。鑒于微型燃氣輪機發電機組可以提供分散的電力，形成與中心電站相應的分布式電網，這對急需電力和缺電地區具有十分重要的作用和意義。我國西部地區地域廣大（相應的邊境線很長），人口相對稀少，分散，應用常規的發電輸電技術既不可能也無必要。例如，據統計目前我國新疆仍有無電村1680個，無電戶46萬，無電人口279萬人，這種情況已引起政府部門的高度重視。但新疆人口居住極為分散，常規電網的供電覆蓋面有很大的局限性，輸電距離遠（以11萬伏線路為例，1996年每公里輸電線路的造價為22萬元，目前投建的33萬伏線路，每公里造價則高達33．6萬元）、功率小、損耗大（線損率最高可達40％），可見技術經濟性很差。因而，企圖利用電網完全解決邊遠分散地區人民生活和生產用電很不現實。一個可行的解決辦法是利用微型燃氣輪機的分布式發電或熱電聯供，解決這些地區的人民生活和生產用電甚至用熱問題。而且，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，而燃氣輪機發電技術有利于保護環境，沒有對水的特別需求，進一步還可以結合新能源與可再生能源的利用，建立相對獨力穩定的供電系統，從而強化能源綜合利用，改善生態環境，走上可持續發展之路。我國正在實施的西部大開發的“西氣東輸”工程，將對我國燃氣輪機技術的發展起到重要的推動作用，微型燃氣輪機也不例外，同時微型燃氣輪機作為分布式發電及熱電聯產系統和動力裝置也將推動西部大開發各項工作的實施，從發展的態勢看，西部將根據地區資源和地域特點，發展集生活與工作一體的中小型規模的居住地，即中小型城鎮。因此，具有分布式電源之稱的微型燃氣輪機發電機組特別是熱電聯產機組，將以其特有的技術優點，隨著“西氣東輸”工程的推進，沿線就地取“燃天然氣”，具有明顯的發展優勢和應用潛力，因此，在國內研發先進微型燃氣輪機及其熱電聯產機組勢在必行。我國微型燃氣輪機的市場需求也很大，特別是隨著西部大開發及其“西氣東輸”工程的實施以及能源供給的多樣化發展趨勢的日益明顯，一方面電力和動力作為基礎設施，在我國需求規模很大（特別是西部大開發）；另一方面我國具有比較豐富的天然氣資源（近期內蒙古大氣田的探明），因此，微型燃氣輪機在我國具有廣泛的應用前景。此外，從國家安全和國防應用看，微型燃氣輪機也是十分重要的，無論是飛機、艦船輔助動力，還是軍用車輛動力，甚至武器（導彈）發電設備，或國家重要公共設施如機場、車站、郵電、銀行、醫院、軍營。重要住宅區等常規機組或緊急備用機組等等，都需要應用微型燃氣輪機這樣一類新型的小型分布式發電和動力裝置。我國燃氣輪機技術研發由于歷史原因，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，國內西安交通大學等單位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，例如西安交通大學在潤滑理論及滑動軸承技術研究方面居國內領先地位。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。目前西安交通大學正在從事這方面的預研工作，力爭在短期內攻克有關技術。綜上所述，我國開展微型燃氣輪機的研發和研制已具備較好工作基礎和條件。首先，已有了相對較好的技術儲備和研究積累；其次，微型燃氣輪機部件少，尺寸小，耗材少，試驗臺建設等研發費用投入相對較低，而且研發周期短（相對大型燃氣輪機而言）。第三，微型燃氣輪機的研發隊伍規模相對較小，人員相對集中，便于進行組織集中攻關。鑒于微型燃氣輪機未來在我國電力，動力系統以及國家安全方面的重要作用，以及我國已具備較好的研發基礎和條件，并且可為大型燃氣輪機研發提供技術儲備和寶貴經驗，為此，建議我國有關部門在“十五”期間組織力量攻克并發展微型燃氣輪機技術，通過一臺典型機組的研發，解決微型燃氣輪機的小型化關鍵技術，多燃料低污染燃燒關鍵技術，高效緊湊換熱器關鍵技術，工作可靠性和長壽命關鍵技術以及高溫高強度材料（包括陶瓷部件）。高溫高速軸承及其軸系支撐系統和微型燃氣輪機自動控制等一系列重要技術問題，從而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。5結論微型燃氣輪機的發展源于分布式發電。分布式發電得益于電力市場的放松控制（世界范圍內的發展趨勢）和天然氣市場的放松控制。先進微型燃氣輪機提供了清潔。可靠、高質量，多用途，小型分布式發電及熱電聯供的最佳方式，預計在21世紀將得到廣泛應用，此外，微型燃氣輪機作為小型電源和動力裝置，還將在21世紀的先進發電方式一“燃料電池。燃氣輪機聯合循環”以及汽車領域的“新型混合動力汽車”方面取得革命性的進展。我國有關部門和行業對微型燃氣輪機的這些應用和發展，應予以高度重視。微型燃氣輪機在未來我國電力，動力等國民經濟領域和國家安全等方面具有重要作用和戰略意義，特別是隨著西部大開發“西氣東輸”工程的實施以及能源供應多樣化的發展趨勢，國內對微型燃氣輪機具有明確的需求和產業化前景；同時通過微型燃氣輪機研發，可為大型燃氣輪機研發提供技術儲備和經驗，因此建議我國在“十五”期間研發微型燃氣輪機技術，逐步形成自主的研究、設計、制造體系和創新機制，為產業化鋪平道路。參考文獻

1JamesH，Watts，Microturbines：ANewClassofGasTurbineEngines，ASMEInternati