微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)研究

靳普

摘 ?要：隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，對能源的需求也日益增加，從環(huán)境保護(hù)的角度來看，微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用受到社會(huì)各界的廣泛重視。該文介紹了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和技術(shù)進(jìn)展，對比分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的發(fā)展建議。對于微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究開發(fā)工作，希望通過該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，開展探索，起到積極的參考作用。

關(guān)鍵詞：微型燃?xì)廨啓C(jī) ?發(fā)電技術(shù)開發(fā) ?應(yīng)用 ?研究分析

中圖分類號(hào)：TK47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（c）-0065-04

Research on Micro Gas Turbine Power Generation Technology

JIN Pu

（TxEGT Automotive Powertrain Technology Co.， Ltd.， Beijing， 100176 ?China）

Abstract： With the improvement of China's economic level and the increasing demand for energy， the application of micro gas turbine has attracted wide attention from all walks of life from the perspective of environmental protection. It introduces the basic structure， performance index and technical progress of micro gas turbine generator set， analyzes the technical characteristics of micro gas turbine generator set， and puts forward the corresponding development suggestions. For the research and development of micro gas turbine， we hope to play a positive reference role through the development and application of this technology.

Key Words： Micro gas turbine; Development of power generation technology; Application; Research and analysis

微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國現(xiàn)代電力企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)經(jīng)營中的技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中的電力需要能源合理化的輸送和有效分配，在現(xiàn)代國防軍事領(lǐng)域也是非常重要的一種應(yīng)用電力設(shè)備，總之，在當(dāng)前和未來的整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，微型燃?xì)廨啓C(jī)都可以起著一個(gè)不可替代的重要主導(dǎo)作用。與國際微型燃?xì)廨啓C(jī)水平相比，我國還有一定的差距，甚至沒有形成嚴(yán)格意義上的微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，缺乏自主開發(fā)和制造能力。因此，要進(jìn)一步推動(dòng)我國微燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)人士應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，從根本內(nèi)容入手，盡可能完善技術(shù)的應(yīng)用。為提高能源利用綜合效果，很多微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入聯(lián)產(chǎn)模式，即對周邊的學(xué)校、辦公樓、醫(yī)院、居民樓、企業(yè)等進(jìn)行集中供電，將微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電產(chǎn)能進(jìn)行集中。為推動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)產(chǎn)模式運(yùn)行，需要提供1～5 kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)，以滿足市場需求。

1 ?微型燃?xì)廨啓C(jī)概念及特點(diǎn)

微型燃?xì)廨啓C(jī)是小型熱機(jī)技術(shù)，獨(dú)立機(jī)器的功率保持在300 kW范圍內(nèi)，基本特點(diǎn)是利用流出式葉輪機(jī)器。在技術(shù)研究中，微型燃?xì)廨啓C(jī)可以采用高級發(fā)電方法，即燃料電池和聯(lián)合發(fā)電工作，這種聯(lián)合裝置的效率可以達(dá)到65%以上，而且產(chǎn)生的污染較低，因此，這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于混合汽車制造。據(jù)新聞報(bào)道，30 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣時(shí)，排放量僅為重型設(shè)備最低排放量的80%。

氣體流動(dòng)壓縮是以一種氣體為流動(dòng)介質(zhì)，氣體通過燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)向它的燃燒室和進(jìn)入燃料室的噴嘴內(nèi)部噴射的兩種氣體直接混合在一起，形成一種高溫和低熱高壓的混合氣體。通過一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)噴嘴和一個(gè)動(dòng)葉燃?xì)廨啓C(jī)膨脹器來推進(jìn)風(fēng)力燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子，將風(fēng)力壓縮機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，將作為氣體燃料的大量化學(xué)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱的機(jī)械能加工，輸出大量的電力。工作后，微型燃?xì)廨啓C(jī)排氣可以引進(jìn)余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可以帶動(dòng)蒸汽和發(fā)電機(jī)供暖，實(shí)現(xiàn)能源的效率和綜合利用[1]。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)可用作常規(guī)或應(yīng)急備用裝置，與柴油機(jī)發(fā)電機(jī)相比，其主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）壽命特長。達(dá)到45 000 h，同功率等級的柴油機(jī)只有4 000 h，低于燃?xì)廨啓C(jī)的性能。（2）移動(dòng)性好。一臺(tái)30 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)一臺(tái)重量不到3 kW的柴油發(fā)電機(jī)。（3）可靠性。只有一個(gè)活動(dòng)部件，故障率最低，內(nèi)置保護(hù)和診斷監(jiān)控系統(tǒng)，提供主動(dòng)故障診斷手段，簡化在線維護(hù)。在使用空氣軸承和空氣冷卻時(shí)，無需更換機(jī)油和冷卻介質(zhì)。發(fā)電機(jī)組的第一次維修時(shí)間是8000 h以后，維修成本低。（4）噪音小，排氣溫度低，紅外輻射少。（5）具有完全集成功能，可運(yùn)營2～10個(gè)組配置系統(tǒng)。（6）燃料可變性?？梢允褂枚喾N燃料（液體、天然氣、生物燃料、煤油、柴油等），含硫率達(dá)7%的酸性氣體。（7）遠(yuǎn)程控制和通信。通過顯示板或Modern連接執(zhí)行控制操作時(shí)，系統(tǒng)充當(dāng)通信和控制角色。（8）保護(hù)。具有多種自動(dòng)超限保護(hù)和停機(jī)保護(hù)功能。因此，微型燃?xì)怏w輪機(jī)特別適用于移動(dòng)電源、城市電站和汽車動(dòng)力。（9）超低排放。排放量比柴油機(jī)低得多，有利于環(huán)境保護(hù)。

微型布式能源系統(tǒng)受負(fù)荷率約束及負(fù)荷第一次和第二次的影響，測試人員在進(jìn)行負(fù)荷輸出限制測試和分析時(shí)，通過實(shí)際調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)不工作的方式，費(fèi)用非常低。因此，系統(tǒng)也可以選擇運(yùn)營，減少成本浪費(fèi)[2]。

2 ?微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展與分析

目前，解決能源危機(jī)和能源環(huán)境污染問題、開發(fā)清潔高效的現(xiàn)代能源管理系統(tǒng)，已經(jīng)成為人類社會(huì)的普遍共識(shí)。微型燃?xì)廨啓C(jī)的各種動(dòng)力裝置、發(fā)電設(shè)備在實(shí)際表現(xiàn)能突出比較優(yōu)異的使用性能的同時(shí)，也同樣具有較強(qiáng)的市場發(fā)展?jié)摿Γ虼颂岣呶⑿蜌馊細(xì)廨啓C(jī)的技術(shù)先進(jìn)性已成為各國發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)的最重要目標(biāo)。

2.1 高溫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)

微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作效率主要由燃?xì)獾母邷貨Q定。相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，如果燃?xì)獬鯗靥岣?00 ℃，燃燒室的工作效率可能會(huì)提高3%左右，因此提高燃?xì)獬鯗厥墙窈笪⑿腿細(xì)廨啓C(jī)發(fā)展的核心內(nèi)容。具體研究首先要掌握高溫材料技術(shù)，將定向結(jié)晶和單晶高溫合金材料應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)。尤其是C/C類型材料具有很強(qiáng)的市場發(fā)展?jié)摿?，總量僅為傳統(tǒng)高溫金屬合金的1/4。分析使用蒸汽機(jī)和冷卻器的技術(shù)，與空氣冷卻機(jī)的方法系統(tǒng)相比，蒸汽空氣冷卻方法可以大大減少柴油壓縮機(jī)機(jī)作業(yè)的廢氣消耗排放問題，提高柴油燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)進(jìn)口時(shí)的溫度，有效減少污染氣體排放。熱涂層技術(shù)的應(yīng)用目的是提高燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口的溫度，在葉片表面進(jìn)行熱涂層時(shí)，可以選擇等離子噴涂和電子束物理蒸汽沉積技術(shù)。

2.2 環(huán)境保護(hù)燃燒

在微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展中，加強(qiáng)自身的環(huán)境性也是未來發(fā)展的關(guān)鍵。等級石油燃燒室燃料技術(shù)、直噴等級燃燒室燃料技術(shù)、富油等級燃燒、貧油等級燃燒室燃料技術(shù)等新型下一代高效低污染石油燃燒燃料技術(shù)的重要發(fā)展研究方向。為了解決高效率和低排放之間的工作矛盾，超低燃燒室技術(shù)開發(fā)使用貧油燃燒燃料空氣混合與可變形狀燃燒技術(shù)相結(jié)合。當(dāng)然，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在開發(fā)綠色燃燒技術(shù)的過程中，對于低排放和高效率之間存在的矛盾問題，目前還沒有非常好的解決方案，但根據(jù)這些技術(shù)的特點(diǎn)，相關(guān)工作人員也取得了比較好的突破[3]。

2.3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)可以在電力生產(chǎn)中發(fā)揮更好的性能。在具體的發(fā)展過程中，主要有以下幾個(gè)方面：（1）煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的集成。開發(fā)和研究集成技術(shù)，提高獨(dú)立機(jī)器的循環(huán)功率。（2）與多燃料技術(shù)開發(fā)化學(xué)工程開發(fā)共同開發(fā)技術(shù)內(nèi)容，建立IGCU動(dòng)力中心，將熱能、電力等與化工過程相結(jié)合，降低污染排放問題。（3）以煤炭富氧氣體為主要?dú)饣种苿瑢γ禾颗懦龅母谎鯕怏w可以進(jìn)行氣化再循環(huán)，在我國煤炭工業(yè)氣化生產(chǎn)過程中可以去除富氧硫化物，從而在理論技術(shù)層面可以實(shí)現(xiàn)大氣污染物的整體零排放。

2.4 燃料電池-微型燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)

燃料離子電池主要功能是將原子燃料的主要化學(xué)離子能量被轉(zhuǎn)化成作為離子電能。與國內(nèi)現(xiàn)有火力發(fā)電配套技術(shù)設(shè)備相比，發(fā)電率明顯提高，化學(xué)能和電力的轉(zhuǎn)換效率可以維持在60%以上，在高溫和加壓環(huán)境下保持良好的工作效果，因此，燃料電池-微型燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)是可以突破的技術(shù)內(nèi)容。目前，實(shí)驗(yàn)中將正在研究的離子燃料和鋰電池劃分類型包括液體堿性離子燃料和鋰電池、固體和氫氧化物離子燃料和鋰電池、熔融后的碳酸鹽離子燃料和鋰電池，由于電池的電解質(zhì)存在一些差異，所以電池的性能就存在差異。

3 ?微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用

在應(yīng)用中，微型燃?xì)廨啓C(jī)主要在電力工業(yè)中起作用。首先，在煤炭資源豐富的部分地區(qū)，安裝微型燃?xì)廨啓C(jī)可以獲得更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，石油、天然氣等能源也可以為微型燃?xì)廨啓C(jī)提供更多的運(yùn)營能源。對于各地區(qū)的供電任務(wù)，微型燃?xì)廨啓C(jī)裝置可以與發(fā)電機(jī)組一起負(fù)擔(dān)，從而改善部分地區(qū)發(fā)電機(jī)組的環(huán)境不利，同時(shí)進(jìn)一步提高發(fā)電供應(yīng)的效率。其次，在煤氣、松油等工程中，微型燃?xì)廨啓C(jī)可以起到加壓設(shè)備的作用。我國西部地區(qū)擁有豐富的自然資源，可以利用風(fēng)能、太陽能、常規(guī)化石燃料構(gòu)建更高效的能源動(dòng)力系統(tǒng)。

4 ?微型燃?xì)廨啓C(jī)的分析

4.1 獨(dú)立性能增強(qiáng)

由于目前高溫導(dǎo)熱材料和氣體冷卻系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)快速發(fā)展，相應(yīng)的溫度持續(xù)上升，單機(jī)進(jìn)口效率大幅提高，初始燃?xì)鉁囟忍岣邽?00 ℃～700 ℃，現(xiàn)已將溫度提高到1 100 ℃級、1 288 ℃級、1 430 ℃級，甚至1 700 ℃級。因此，簡單的熱循環(huán)的鍋爐熱效率從最初的10%以下逐漸增加到現(xiàn)在的36%～40%，甚至50%以上。

4.2 熱循環(huán)開發(fā)

開發(fā)了多種燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合燃?xì)庋h(huán)加熱技術(shù)及配套動(dòng)力裝置，部分動(dòng)力裝置的燃?xì)鉄嵝室殉醪竭_(dá)到50%～60%。開發(fā)了用于煤油氣燃燒機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的各種聯(lián)合節(jié)能循環(huán)利用技術(shù)，如新的igcc和新的pfbc-cc循環(huán)技術(shù)，目前采用pf-bc-cc技術(shù)系統(tǒng)的循環(huán)效率已經(jīng)接近45%，igcc的系統(tǒng)效率可以達(dá)到40%～45%。

由于燃?xì)廨啓C(jī)具有諸多工作優(yōu)勢，因此燃?xì)廨啓C(jī)在市場的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，如交通、化工、航空、船舶、輸送等[4]。比如：西氣東輸管網(wǎng)建設(shè)時(shí)，由于地區(qū)跨度非常大，為保證天然氣輸送安全，需在不同地段設(shè)置增壓站，利用燃?xì)廨啓C(jī)增加天然氣輸送壓力，確保整體工程運(yùn)行可靠性。通過對西氣東輸中的燃?xì)廨啓C(jī)分析可知，該工程中的燃?xì)廨啓C(jī)功率級別與壓力都為我國燃?xì)廨啓C(jī)的最高等級，體現(xiàn)出我國燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)加工的綜合實(shí)力。目前世界重型燃?xì)廨啓C(jī)的市場已經(jīng)逐步形成商業(yè)壟斷局面，組成微型燃?xì)廨啓C(jī)商業(yè)聯(lián)盟，對相關(guān)研發(fā)與加工技術(shù)進(jìn)行封鎖，以保證市場的經(jīng)濟(jì)利益。

隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源系統(tǒng)的預(yù)測時(shí)間增加，求解計(jì)算時(shí)間也會(huì)受到很大的影響。因此，工作人員在實(shí)際操作過程中應(yīng)當(dāng)選取合理的預(yù)測時(shí)間長度，以此促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益達(dá)到最大化。

在未來的微型燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)應(yīng)用中，可以先由公司員工自主組織聯(lián)合相關(guān)企業(yè)科技研發(fā)力量，持續(xù)研究開發(fā)一款具有國家自主研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型燃?xì)廨啓C(jī)，利用新的研發(fā)設(shè)計(jì)工藝方法不斷改善對微型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝，降低對微型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)周期，確保更安全的技術(shù)內(nèi)容，為后續(xù)生產(chǎn)工作奠定基礎(chǔ)。其次，在今后的應(yīng)用過程中，清潔能源的發(fā)展將變得越來越重要，可以利用微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和煤炭技術(shù)相結(jié)合，建設(shè)微型燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)電站，降低傳統(tǒng)發(fā)展帶來的污染性[5]。

應(yīng)當(dāng)與國內(nèi)外企業(yè)緊密合作開發(fā)生產(chǎn)成熟的試驗(yàn)儀器，提高其在我國的微型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)制造研發(fā)能力。在國際合作中，要注意不斷擴(kuò)大中外合作企業(yè)生產(chǎn)的各種機(jī)型和相關(guān)零部件產(chǎn)品種類，逐步深化學(xué)習(xí)吸收外國的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、制造和經(jīng)營管理合作經(jīng)驗(yàn)。我國未來的新型電力設(shè)備生產(chǎn)將逐漸逐步走向采用蒸汽燃燒甚至以煤燃燒電力為主，為了更好地滿足未來的電力需求，需要這種新型國際性的合作。我國積極開展微型燃?xì)廨啓C(jī)的理論研究和技術(shù)開發(fā)，已經(jīng)基本具備了較好的開發(fā)工作理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。微型燃?xì)廨啓C(jī)體積小，零部件少，材料資源消耗少，試驗(yàn)臺(tái)前期建設(shè)等使研究項(xiàng)目開發(fā)成本相對低，研究項(xiàng)目開發(fā)周期短，研究項(xiàng)目開發(fā)組織和規(guī)模相對小，人員相對比較集中，便于組織集中攻防戰(zhàn)。因此，建議積極組織科研力量、積極攻克和加快發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)技術(shù)，解決微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)[6]。

5 ?結(jié)語

總之，在未來的發(fā)展過程中，作為更加節(jié)能高效的技術(shù)內(nèi)容，在我國的動(dòng)力、電力等領(lǐng)域發(fā)揮著更加重要的作用。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)相比具有優(yōu)勢，以微型燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力的25～200 kw移動(dòng)電站和固定電站正在以高增長速度增長。預(yù)計(jì)國內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域?qū)⑴鋫湮⑿腿細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電。建議相關(guān)科學(xué)研究所和生產(chǎn)企業(yè)積極開展微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)合作和共同攻關(guān)，盡快推進(jìn)國內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展技術(shù)的發(fā)展。

微型燃?xì)廨啓C(jī)需求不斷提高的當(dāng)前，員工應(yīng)結(jié)合技術(shù)的實(shí)際發(fā)展情況，切實(shí)提高科研質(zhì)量。未來微燃?xì)廨啓C(jī)市場需求很大，主要是功率高的燃?xì)廨啓C(jī)，滿足城市能源供應(yīng)、電力儲(chǔ)備等。鋪設(shè)燃?xì)夤艿罆r(shí)，為了保證工程建設(shè)的質(zhì)量和安全，需要微型燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力來源。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電作為一種新型節(jié)能、高效、低污染的風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，在現(xiàn)代動(dòng)力工程中也將得到越來越廣泛的應(yīng)用，燃?xì)獍l(fā)電聯(lián)合風(fēng)力循環(huán)發(fā)電將被廣泛應(yīng)用，是提供可靠、高質(zhì)量、環(huán)保等新能源發(fā)展的最佳解決方案。

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