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微型燃氣輪機走向商業化
摘要：對MTG（Microturbine-generator）--微型燃氣輪機發電機的發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，供國內同行參考。
關鍵詞：回熱循環；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 回熱器與高速發電機的發展為微型燃氣輪機帶來了生機
長期以來，幾十至幾百kW的小型發電機組市場，一直由內燃發電機組占領，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電機相連，笨重的減速器和低速發電機，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來提高效率，但是常規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，回熱循環的地面應用始終打不開局面。隨著美英聯合開發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。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發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MTG由燃氣輪機直接驅動內置式高速發電機，發電機與壓氣機、透平同軸，轉速在50000～120000rpm之間。一些單軸MTG設計，發電機發出高頻交流電，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，只要它具有相當的競爭力。采用增壓器技術生產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適合用于分布式發電，使電站更靠近用戶。分布式發電與中心電站相比，可靠性更好。制造商們相信，一旦達到適當的批量，MTG有能力與中心發電廠相匹敵。對終端用戶來說，與其它小型發電裝置相比，MTG是一種更好的環保型發電裝置。
可以設想，MTG將是未來公用事業的基本構成之一。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 開發與應用情況
目前，開發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年代初開始開發微型透平發電機元件，1994年研制成24kW樣機，1996年生產了37臺樣機供現場試驗。該發動機為單軸結構，空氣軸承支撐，轉速為96000轉／分。整個發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樣機進行現場試驗，此后又推出60kW發電機組和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議，在日本銷售Capstone的微型透平，并成套為電熱聯產裝置。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除了進行系統集成和分銷外，還將Capstone 330微型透平成套為電熱聯產裝置，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能源系統公司現在獨立生產和銷售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的能源系統業務部主持開發的，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生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3：1。動力透平驅動發電機（通過減速器）或Rl34a制冷劑壓縮機，后者用于制冷系統。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的燃氣輪機發動機上，回熱度可達90％。常規板翅式回熱器上出現的疲勞問題已經克服，初成本和壽命周期成本都具有相當的競爭力。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、分布式電熱聯產用戶，并將與能源服務公司（ESCOs）分享市場。空調與制冷方面的市場將通過與美國、日本及歐洲的HVAC OEMs達成銷售與配套協議來開拓。
AlliedSignal公司1998年底開始生產75kWe微型透平發電機。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）。他們力求開發三種類型的微型透平發電機，分別應用于家庭、商業和工業。
AlliedSignal 75 kW樣機參數如下：
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