微型燃氣輪機走向商業(yè)化
微型燃氣輪機走向商業(yè)化 摘要:對MTG(Microturbine-generator)--微型燃氣輪機發(fā)電機的發(fā)展作一個簡要的回顧,介紹MTG的主要特點,并列出幾個有代表性產品的技術參數(shù),供國內同行參考。 關鍵詞:回熱循環(huán);燃氣輪機 中圖分類號:TK479+.11 文獻標識碼:D 文章編號:1009一2889(2000)04一0013一04
1 回熱器與高速發(fā)電機的發(fā)展為微型燃氣輪機帶來了生機
長期以來,幾十至幾百kW的小型發(fā)電機組市場,一直由內燃發(fā)電機組占領,燃氣輪機幾乎沒有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環(huán)的效率比較低,無法與內燃機相匹敵。而且,小功率燃氣輪機轉速高,通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機相連,笨重的減速器和低速發(fā)電機,把燃氣輪機結構輕巧的特點給抵消了。人們早就認識到可以采用回熱循環(huán)來提高效率,但是常規(guī)回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大,而緊湊式的回熱器制造成本很高,所以,除了個別燃氣輪機(如KG3)有帶回熱器的衍生型外,回熱循環(huán)的地面應用始終打不開局面。隨著美英聯(lián)合開發(fā)艦用回熱中冷燃氣輪機的成功進展,板翅式回熱器在工藝及制造成本方面的突破,高速發(fā)電機從軍用走向民用,地面用的帶回熱器的小功率燃氣輪機重新引起人們的重視。 MTG大都采用回熱循環(huán)。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發(fā)電機及電子控制部分組成,從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內接受透平排氣的預熱,然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。大多數(shù)MTG由燃氣輪機直接驅動內置式高速發(fā)電機,發(fā)電機與壓氣機、透平同軸,轉速在50000~120000rpm之間。一些單軸MTG設計,發(fā)電機發(fā)出高頻交流電,轉換成高壓直流電后,再轉換為60Hz 480V的交流電。
2 分布式發(fā)電市場前景看好
MTG運動部件少,結構簡單緊湊,因而其可靠性好、制造成本與維護成本低。為了進入市場,制造商給自己定下的最低指標是: · 運動部件壽命40000小時; · 熱耗12000至16000Btu/kWh(12660至16880kJ/kwh); · 污染物排放小于9ppm; · 安裝與維護簡單,而且便宜。 MTG的潛在市場是很大的,只要它具有相當?shù)母偁幜Α2捎迷鰤浩骷夹g生產MTG,成本可以大大降低,特別是用鑄造技術代替機械切削工藝,經濟性尤其顯著。MTG適合用于分布式發(fā)電,使電站更靠近用戶。分布式發(fā)電與中心電站相比,可靠性更好。制造商們相信,一旦達到適當?shù)呐,MTG有能力與中心發(fā)電廠相匹敵。對終端用戶來說,與其它小型發(fā)電裝置相比,MTG是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。 可以設想,MTG將是未來公用事業(yè)的基本構成之一。將來與中心電廠平行運行的是許許多多小型發(fā)電裝置。就像計算機似的,在大型機周圍有著大量的微型機和局域網在同時運行。
3 開發(fā)與應用情況
目前,開發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美,歐洲有瑞典和英國。 Capstone-Capstone公司90年代初開始開發(fā)微型透平發(fā)電機元件,1994年研制成24kW樣機,1996年生產了37臺樣機供現(xiàn)場試驗。該發(fā)動機為單軸結構,空氣軸承支撐,轉速為96000轉/分。整個發(fā)動機安置在一個圓柱形的排氣殼內,10米外的噪音60dB,用天然氣燃料時,氧化氮排放為9ppm,一氧化碳排放為25ppm。1997年30kW樣機進行現(xiàn)場試驗,此后又推出60kW發(fā)電機組和45kW車用機組,幾年后將生產125~250kw機組。Capstone估計微型透平安裝成本不超過15000美元(每kW500美元)。發(fā)電成本每kWh4.5~5美分。
圖1 Capstone 30 kWe微型透平
Capstone公司宣稱,它已與Meidensha和Sumitomo兩家日本公司達成協(xié)議,在日本銷售Capstone的微型透平,并成套為電熱聯(lián)產裝置。兩家日本公司還負責售后服務,在日本建立一個維修網。Capstone還將許可證轉讓給日本的Takuma公司,Takuma除了進行系統(tǒng)集成和分銷外,還將Capstone 330微型透平成套為電熱聯(lián)產裝置,名為Takuma TCP30,用燃氣輪機排氣生產熱水。 美國丹佛附近的一個油田,正準備安裝一套能源回收裝置,利用Captsone微型透平將未經處理的井口廢氣轉化為電。 Ingersoll一Rand能源系統(tǒng)公司現(xiàn)在獨立生產和銷售PowerWorks系列微型透平。 PowerWorks系列的功率范圍是30~200kW。這一項目始于80年代初,是由NREC的能源系統(tǒng)業(yè)務部主持開發(fā)的,并得到南加州煤氣公司、紐約煤氣集團及煤氣研究所(GRI)的支持和合作。他們以增壓器元件為基礎,使燃氣輪機的價格能與活塞發(fā)動機相匹敵。他們采用純徑流、雙軸結構,動力透平軸與燃氣發(fā)生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3:1。動力透平驅動發(fā)電機(通過減速器)或Rl34a制冷劑壓縮機,后者用于制冷系統(tǒng)。燃燒室為單管、貧預混結構,用天然氣作燃料時NO。排放低于5ppm,滿足南加州苛刻的排放標準。PowerWorks裝置配備NREC逆流、板翅式回熱器,以提高效率。燃燒室與回熱器是NREC的專利設計。NREC在回熱器技術方面有新的突破,應用于20kW~20MW的燃氣輪機發(fā)動機上,回熱度可達90%。常規(guī)板翅式回熱器上出現(xiàn)的疲勞問題已經克服,初成本和壽命周期成本都具有相當?shù)母偁幜。據稱,他們是唯一解決了回熱器泄漏問題的公司。1999年投入小批量生產。PowerWorks可加裝余熱鍋爐組成電熱聯(lián)產機組,提供200(的熱水或蒸汽。機組電效率超過30%,熱電總效率超過80%。 powerWorks應用于住宅發(fā)電、采暖/通風/空調、制冷等領域。NREC將市場瞄準煤氣與電力部門、分布式電熱聯(lián)產用戶,并將與能源服務公司(ESCOs)分享市場?照{與制冷方面的市場將通過與美國、日本及歐洲的HVAC OEMs達成銷售與配套協(xié)議來開拓。 AlliedSignal公司1998年底開始生產75kWe微型透平發(fā)電機。叫做TurbOGenerator,1999年開始批量生產,成本預計在22500到30000美元之間(每kw300~400美元)。他們力求開發(fā)三種類型的微型透平發(fā)電機,分別應用于家庭、商業(yè)和工業(yè)。
AlliedSignal 75 kW樣機參數(shù)如下: 單軸 回熱空氣軸承回熱度85%~90%不銹鋼回熱器壓比3.8:1透平前溫900℃轉速 85000rpm發(fā)電機 永磁、高速變頻器變頻(1200Hz-50HZ/60Hz)尺寸1524mmX914mmX1828mm(長寬高)效率30%(HHV)排放NO<25ppm噪聲65dB(10米)燃料汽油、柴油、天然氣、石腦油、沼氣、丙烷或合成氣 Ellioii一Ellioti能源公司共開發(fā)了3種微型透平,功率分別為45kW, 80kW和200kW。
E111oii En ergy TA-45的參數(shù)為: 單軸回熱液體潤滑軸承24V電起動功率45kW運行溫度-40~+50℃排氣溫度704℃(無回熱)316℃((帶回熱)轉速116000rpm輸出電壓120/208/240VAC尺寸 1676mmX762mmX914mm重量136kg效率30%(LHV)排放NO<9ppm(天然氣燃料)燃料柴油、天然氣、沼氣、丙烷、汽油、煤油、酒精 GeneraI Electric Power Svstems與DlionttC0.簽署了一項備忘錄,為Elliott Energy Systemsd、燃機開拓市場,起先為30~200kW,最大功率計劃為500kW。 Bowman Power Svstems Ltd是1994年建立的一家英國公司,公司地址在南安普頓,專門從事微型透平發(fā)電機開發(fā),他們將Elliott的微型透平發(fā)電機成套后銷售歐洲市場。高速發(fā)電機與調節(jié)控制系統(tǒng)由Bowman公司設計和制造。1999年開始投放45、60、80和200kWe機組。下一步將功率范圍擴展到500kWe。 瑞典的微型透平一Turbec AB是1998年在瑞典成立的一家生產微型透平的公司,ABB和Volvo各擁有50%的股份。Volvo70年代開始開發(fā)車用燃氣輪機。1992年研制成功的40kw微型透平裝在Volvo。的概念車上,此后又研制了用于貨車和大轎車上的100kW機組。1997年Volvo通過市場調查發(fā)現(xiàn)了微型透平發(fā)電機組在分布式發(fā)電和電熱聯(lián)產的應用前景,但Volvo對這一市場并不熟悉,所以它選擇ABB作為合作伙伴。Turbec的第一個產品是100kW機組(VT100),其原始樣機是已經試驗過的車用燃氣輪機。該機組有9000小時的運行記錄,首臺產品計劃2000年內提供給用戶。正在開發(fā)的下一個機型是40kw機組。
圖2裝備Elliott核心機的Bowman微型透平
瑞典開發(fā)高速發(fā)電(HSG)始于1986年。1993年,HSGI作由發(fā)展走向商業(yè)化,成立了HSG發(fā)展公司,Vattenfal1、ABB和Volvo均擁有該公司的股份。接著在瑞典的高神伯格建立了一個MTG示范工廠,該工廠1997年開始運行。將進行5年(1997-2002)的評估。在5年內,希望積累25000~30000小時的運行經驗。 該工廠在供熱幾季節(jié)(9月至4月)每年連續(xù)運行5000小時。燃料為北海油田供應的天然氣。第一階段的運行表明,機組的性能比預期的要好。
全負荷運行特性:
空氣流量(Nm3/s) 0.25 空氣進氣溫度(℃) 15 轉速(rpm) 90000 壓比 4:1 透平進口溫度(℃) 910 透平出口溫度(℃) 625 燃料氣溫度(℃) 245 熱輸出(kwth) 70 電輸出(kwe) 38 發(fā)電效率(%) 28 總效率(%) 80 供熱回水溫度(℃) 55 供熱供水溫度(℃) 70 全負荷工況污染物排放測量值: 一氧化碳 8 mg/MJ燃料 氧化氮 14 mgNO2/MJ燃料 碳氫化合物 4.5myMJ燃料
Pratt已whitnev Canada-pratt&whitnev Canada(加拿大普惠)的市場研究表明,未來5~10年內分布式發(fā)電的市場將有增長。于是提出了一個發(fā)展新一代燃氣輪機發(fā)動機族ST5的技術驗證計劃,用于分布式發(fā)電。新一代發(fā)動機吸取加拿大普惠最新航空發(fā)動機PW6XX的技術,執(zhí)行這一計劃的目的是降低運行成本,同時保持具有加拿大普惠同類發(fā)動機的可靠性和耐久性。ST5發(fā)動機族的功率范圍是250~600kw,公司將其歸于微型透平一類,但比目前微型透平制造商提供的微型透平功率略大。對加拿大普惠來說這是一個新的起點,通常加拿大普惠先開發(fā)航空用的發(fā)動機,一旦發(fā)動機通過驗證,然后發(fā)展其工業(yè)用的衍生型。這一次,加拿大普惠研發(fā)的發(fā)動機同時考慮航空及工業(yè)兩方面的應用前景。新發(fā)動機有簡單循環(huán)與回熱循環(huán)兩種類型,既可用于尖端負荷,也可用于基本負荷。發(fā)動機將吸取普惠早先高性能小型燃氣輪機的試驗。
4 可靠性測試
要使MTG進入市場,它必須在發(fā)電質量、可靠性、可用度、環(huán)境可接受性、經濟性等方面完全滿足用戶的要求。為此美國政府和工業(yè)部門正在執(zhí)行一個計劃,由電力研究所(EPRI)牽頭,將各家生產的MTG,在同一試驗場地安裝、運行和試驗,評定它們的技術與經濟性能。性能測試包括以下內容:起動/停機;機組總效率;純輸出功率;運行能力;排放;發(fā)電質量;耐久性;運行與維護要求等。 這一試驗計劃,將對各種機組在安裝、性能、維護要求等方面提出有價值的定性與定量的評價。試驗數(shù)據取自在加州伊兒文(lrvine)試驗現(xiàn)場的實際運行結果。然后通過數(shù)據采集系統(tǒng)和人工整理,修正為標準的運行特性,F(xiàn)場每隔5分鐘采集一次原始數(shù)據,由各種傳感器將脈沖或模擬信號送到數(shù)據處理器,每天晚上采集數(shù)據,每個月處理一次。 每一臺MTG都在固定的部位安裝了各種傳感器。采集運行數(shù)據的同時,整個現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)也被記錄下來。測量數(shù)據包括:發(fā)電量kWh;燃料消耗量;燃料溫度;燃料壓力;瞬時發(fā)電品質(諧波畸變);環(huán)境溫度;相對溫度以及大氣壓力。如果MTG帶余熱鍋爐,同時測量水流量、煙氣出口溫度及水溫等參數(shù)。 試驗分三個階段進行:安裝與啟動;運行與維護;性能測試。機組安裝完畢以后,首先試驗其起動與停機能力。機組應具備承受每天起動與停機帶來的磨損的能力。 機械性能試驗包括內容: · 耐久性各種MTG在基本負荷作長時間運行。每天都記錄運行參數(shù),如燃料流量,環(huán)境空氣的壓力、溫度與相對濕度,發(fā)電量(kwh),運行溫度和壓力等。 · 瞬時響應MTG必須能對負荷的變化及時作出響應。所有機組都井網運行,而不是孤立運行,系統(tǒng)負荷的變化反映在網上。MTG機組的負荷改變是通過控制系統(tǒng)人為設定的。 · 諧波崎變發(fā)電輸出由BMI或其它同類記錄 儀測量總的諧波畸變(THD)。在耐久試驗中,BMI也用來確定全負荷機組的功率因數(shù)。測量功率因數(shù)的目的是要證實,機組在井網情況下是否達到額定輸出。 · 噪聲測量用手持噪聲儀測量噪聲。測量噪聲時每個機組都單獨運行。 · 排放測量指南海岸地區(qū)空氣質量管理條例:考察每個MTG,判定其NO,排放是否符合標準。此外還用手持儀器進行周期性測量,以確定運行中噪聲的趨勢,并考察是否有惡化。 · 尖峰負荷用BMI儀或相當?shù)墓β蕼y量記錄儀器,進行尖峰負荷的發(fā)電功率與純功率測量。對了不帶燃料壓縮機或燃料壓縮機由外電源驅動的右組,純功率輸出是由發(fā)電功率扣除為維持MTG行消耗的外電源能量得到。這一試驗得到諸如效蕩熱耗、運行小時等特性,這些數(shù)據可以用來與制造廠制定的性能規(guī)格進行比較。
列入美國政府和工業(yè)部門實驗計劃的機組 供 應商 電功率(KW) 燃料 軸承(潤滑) 透平類型 發(fā)電機類型 Allied Signal 75 天然氣 空氣 單級徑流高頻 Bowman/Elliott 45,80,200 天然氣 液體 單級徑流 高頻 Capstone 30 天然氣 空氣 單級徑流 高頻 GE/Elliott 45,80,200 天然氣 液體 單級徑流 高頻 NREC(樣機) 70 天然氣,柴油,丙烷 液體 單級徑流+動力透平 感應(齒輪減速) 5 待解決的問題
如果當前的技術都能通過驗證,下一步要解決的是應用的問題,如發(fā)電質量問題,用作備用機組的問題等等。試驗計劃中規(guī)定的下一個步驟是現(xiàn)場試驗,考察MTG在實際應用中是否能達到預期的效血。 從長遠考慮,將MTG與其它技術(如燃料電池)結合起來,構成組合式發(fā)電裝置可能是很有前途的新發(fā)展。與燃料電池結合,MTG就不需要燃燒室了,而MTG可以給燃料電池提供壓縮空氣。MTG與燃料電池的組合式發(fā)電,效率可望高達60%,NO。小于1. 0ppm,SO。幾平測不出來。 我國有關部門也開始注視MTG市場。中科院工程熱物理研究所已開始進行60kWe移動式燃氣輪機發(fā)電機組商業(yè)化的前期工作,擬用高速發(fā)電機取代中頻發(fā)電機,開發(fā)高效低成本回熱器。希望在不久的將來有國產的MTG占領我國尚未發(fā)育成熟的分布式發(fā)電商場。 參考文獻:(略)
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