小型燃?xì)廨啓C(jī)原理及在分布式能源領(lǐng)域中的應(yīng)用

1. 前言

　　燃?xì)廨啓C(jī)是以氣體作為工質(zhì)，將燃料燃燒時(shí)釋放出來的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ摹⒏咚倩剞D(zhuǎn)的葉輪式動(dòng)力機(jī)械。與目前其他普遍應(yīng)用的動(dòng)力裝置相比，燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕和體積小，此外還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可不用水和起動(dòng)加速快的優(yōu)點(diǎn)。由于燃?xì)廨啓C(jī)所具有的顯著優(yōu)點(diǎn)以及較大的發(fā)展?jié)摿ΓS著技術(shù)的不斷發(fā)展，性能的不斷改進(jìn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　從容量上看，目前大中型燃?xì)廨啓C(jī)占市場(chǎng)主要份額，小型燃?xì)廨啓C(jī)以備用為主。隨著社會(huì)對(duì)電力供給的依賴日益加劇，對(duì)電網(wǎng)安全性的要求越來越高，分布式能源作為電網(wǎng)的補(bǔ)充，可以提高用戶用電的可靠性，因此開始引起廣泛的關(guān)注【1-3】。分布式能源是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的，是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(數(shù)千瓦至50 MW 的小型模塊式)、分散式的方式布置在用戶附近。當(dāng)今的分布式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的微型/小型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、各種工程用的燃料電池以及可再生能源。

　　雖然可再生能源是取之無盡的潔凈能源，但是相對(duì)于化石能源而言，但其能源密度低，穩(wěn)定性較差，需要蓄能調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行困難，且由于技術(shù)不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經(jīng)濟(jì)性差；而化石能源的發(fā)電技術(shù)不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發(fā)電技術(shù)，化石能源是主要方向。小型/微型燃?xì)廨啓C(jī)由于環(huán)保、高效，而且便于能源的綜合利用，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　2. 小型/微型燃?xì)廨啓C(jī)原理

　　燃?xì)廨啓C(jī)根據(jù)負(fù)荷容量分為大中型燃?xì)廨啓C(jī)、小型燃?xì)廨啓C(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)：大于20000kW 的屬于大中型燃?xì)廨啓C(jī)；而1000～20000kW 的被稱為小型燃?xì)廨啓C(jī)；小于1000kW的則是微型燃?xì)廨啓C(jī)。小型和微型燃?xì)廨啓C(jī)與分布式能源密切相關(guān)，本文主要介紹這兩種形式的機(jī)組。

　　2.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)

　　微型燃?xì)廨啓C(jī)尚處于發(fā)展的初期，雖然有很多公司提供了產(chǎn)品，但目前的價(jià)格仍然比較昂貴，為800～1200$/kW。為了滿足低成本的要求，設(shè)計(jì)中均采用了盡可能簡(jiǎn)單的布置形式：離心壓氣機(jī)、向心透平、直接驅(qū)動(dòng)的高速空冷發(fā)電機(jī)、適用于多種燃料的燃燒室(傳統(tǒng)的或催化的)、緊湊高效的回?zé)崞饕约昂?jiǎn)單的控制系統(tǒng)【4】。此外，為了支撐高速的電動(dòng)機(jī)，空氣軸承被采用，從而消除了潤(rùn)滑油泄漏的可能。

　　與大中型燃?xì)廨啓C(jī)的軸流式壓氣機(jī)和軸流式透平不同，微型燃?xì)廨啓C(jī)采用的離心壓氣機(jī)以及向心透平在比較小的尺寸時(shí)仍有相當(dāng)高的空氣動(dòng)力學(xué)效率，這是較小的葉片高度、雷諾數(shù)、較小的葉片頂部間隙等綜合作用的結(jié)果。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸較小，葉片的冷卻十分困難，因此透平進(jìn)口溫度完全取決于材料技術(shù)的發(fā)展。

　　由于透平進(jìn)口溫度受到了很大的限制，目前對(duì)于簡(jiǎn)單循環(huán)布置的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率很難達(dá)到20%。為了改善微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能，回?zé)崞鞅徊捎茫谶@種情況下，發(fā)電效率可達(dá)30%甚至更高。預(yù)計(jì)到2010 年，隨著陶瓷技術(shù)的發(fā)展，陶瓷可以在微型燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件上得到大量應(yīng)用，微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率可達(dá)50%。

　　微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)甚至10 多萬轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)高于大中型燃?xì)廨啓C(jī)。為了避免采用沉重、昂貴的減速箱，微型燃?xì)廨啓C(jī)采用了直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，通過變頻裝置獲得所需的電流。大中型燃?xì)廨啓C(jī)的變工況通常采用定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的形式；而微型燃?xì)廨啓C(jī)可以考慮采用變轉(zhuǎn)速的形式，通過變頻裝置穩(wěn)定電力頻率的輸出【5】。

　　下表為一些微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)：

　　從上表中可看到，目前的微型燃?xì)廨啓C(jī)的壓比在4.0 左右，因此采用單級(jí)離心壓氣機(jī)即可。由于沒有葉片冷卻，透平進(jìn)口溫度均在1000℃以下，明顯低于大中型燃?xì)廨啓C(jī)的溫度。由于壓比較低，透平的出口煙溫達(dá)到650℃。在布置了回?zé)崞骱?，回?zé)崞鞒隹跓煖亟档?20℃以下。由于燃燒室的燃燒溫度較低，NOx 排放很低。

　　2.2 小型燃?xì)廨啓C(jī)

　　小型燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)而言技術(shù)比較成熟，與大中型燃?xì)廨啓C(jī)幾乎完全相同：采用軸流式壓氣機(jī)和軸流式透平，葉片的冷卻模式與大中型機(jī)組相同。由于技術(shù)成熟，目前的價(jià)格相對(duì)較低，為350～600$/kW；此外，小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率與大中型機(jī)組相比也相差無幾，ISO 工況電效率目前多為27.0～39.0%【6】。小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率較高，為了便于尾部煙氣的綜合利用，同時(shí)使系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中小型燃?xì)廨啓C(jī)大多采用簡(jiǎn)單循環(huán)的布置形式；只有少量對(duì)發(fā)電效率有特殊要求的場(chǎng)合使用回?zé)嵫h(huán)或注蒸汽循環(huán)。由于采用了干低NOx 燃燒技術(shù)、采用注水、注蒸汽技術(shù)或是在煙氣中使用選擇性還原技術(shù)，小型燃?xì)廨啓C(jī)的NOx 排放可以被嚴(yán)格控制。預(yù)計(jì)到2010 年，小型燃?xì)廨啓C(jī)的性能將進(jìn)一步提高，NOx 排放將低于5ppm，而連續(xù)運(yùn)行