微型燃?xì)廨啓C(jī)（用于電力領(lǐng)域的設(shè)備）

特征

先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有多臺(tái)集成擴(kuò)容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動(dòng)、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負(fù)荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無(wú)論對(duì)中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)在民用交通運(yùn)輸（混合動(dòng)力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢(shì)，受到美、俄等軍事大國(guó)的關(guān)注，因此，從國(guó)家安全看發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)也是非常重要的。

100千瓦燃機(jī)

繼首次熱啟動(dòng)成功后，日前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)100千瓦微型燃?xì)廨啓C(jī)在中航工業(yè)東安成功加載至100千瓦，達(dá)到額定發(fā)電功率狀態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著100千瓦級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)及其供能系統(tǒng)課題研究又邁出了具有決定意義的一步。

100千瓦級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)及其供能系統(tǒng)是以東安為主體實(shí)施單位，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、西安交通大學(xué)、中航工業(yè)動(dòng)研所共同承擔(dān)的“十一五”國(guó)家“863計(jì)劃”微型燃?xì)廨啓C(jī)重點(diǎn)項(xiàng)目課題。課題組先后完成了高效葉輪機(jī)械、低污染低排放燃燒室、緊湊式原表面回?zé)崞?、高速永磁電機(jī)、燃機(jī)控制器和變頻系統(tǒng)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)研制，取得了豐碩的科研成果，已申請(qǐng)并獲得國(guó)家專利30余項(xiàng)。試驗(yàn)中，參研單位采用了國(guó)際先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，更新了潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)，改造了安裝平臺(tái)、燃?xì)廨啓C(jī)支撐臺(tái)架和排氣系統(tǒng)，為試車創(chuàng)造了條件。

100千瓦微型燃?xì)廨啓C(jī)研制取得決定性突破將有助于提高我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)能力，形成我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)較完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系和制造能力，為開(kāi)拓以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的分布式供能產(chǎn)業(yè)提供支撐。同時(shí)，將縮短我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)研制水平與世界先進(jìn)水平的差距。下一步參研單位將進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)和工程示范，力爭(zhēng)早日完成課題任務(wù)，實(shí)現(xiàn)微型燃?xì)廨啓C(jī)由基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越。

各國(guó)現(xiàn)狀

目前美國(guó)和日本都有多家企業(yè)在積極開(kāi)發(fā)制造相應(yīng)的設(shè)備。在美國(guó)，卡普斯頓公司已經(jīng)制造出65千瓦級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，發(fā)電效率達(dá)到26%，年產(chǎn)量1萬(wàn)臺(tái)；霍尼威爾公司開(kāi)發(fā)成功了75千瓦級(jí)的發(fā)電設(shè)備，發(fā)電效率為28.5%。日本的多家企業(yè)，如東京電力、豐田汽車、三菱重工、出光興產(chǎn)、東京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美國(guó)卡普斯頓公司的技術(shù)開(kāi)發(fā)熱電并用型系統(tǒng)。為促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，日本通產(chǎn)省已計(jì)劃在明年春減小對(duì)小型自用發(fā)電業(yè)的限制。

目前，美英等函方發(fā)達(dá)國(guó)家的電力市場(chǎng)已從集中壟斷式發(fā)電轉(zhuǎn)向分布式競(jìng)爭(zhēng)型供電，小型發(fā)電廠在分布式電網(wǎng)中的應(yīng)用已成為一種可行選擇和發(fā)展趨勢(shì)。微型燃?xì)廨啓C(jī)作為目前最成熟、最有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電設(shè)備．正受到越來(lái)越多的關(guān)注。這種發(fā)電方式既能增加電網(wǎng)機(jī)動(dòng)性．降低送電損失和成本，改善電力質(zhì)量．同時(shí)也能進(jìn)一步確保供電系統(tǒng)的安全可靠性。

鑒于我國(guó)目前的電力發(fā)展及其分布不很均衡以及微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)越性，微型燃?xì)廨啓C(jī)將在我國(guó)得到廣泛的重視與應(yīng)用。目前，在中科學(xué)技術(shù)部“863”項(xiàng)目支持下，由中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團(tuán)、西安交通大學(xué)三家單位組成的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體已經(jīng)完成100KW級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)，并通過(guò)了驗(yàn)收，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)推出市場(chǎng)。

重要性

分布式供電的發(fā)展為微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)擴(kuò)展提供了極好的平臺(tái)。微型燃?xì)廨啓C(jī)單純發(fā)電效率并不算很高，但以其為核心的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量利用率甚至超過(guò)大型機(jī)組。目前，30～350kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)階段商業(yè)應(yīng)用的典型機(jī)型，主要用于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，一般選擇天然氣作為燃料，綜合效率可達(dá)到80%以上。它是一種有前途的節(jié)能環(huán)保型電源，適合在城市、鄉(xiāng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)推廣應(yīng)用，且前景廣闊。但目前我國(guó)還不具備開(kāi)發(fā)生產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)的能力。

在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，微型燃?xì)廨啓C(jī)將直接與活塞式內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。與活塞式內(nèi)燃機(jī)發(fā)電相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)更小，轉(zhuǎn)動(dòng)部件更少，運(yùn)行和維護(hù)成本更低．在發(fā)電上優(yōu)勢(shì)明顯，污染排放也低于柴油機(jī)。有利于環(huán)境保護(hù)。隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。其優(yōu)勢(shì)將更加顯著。當(dāng)然，在相同條件下，微型燃?xì)廨啓C(jī)若要與大型汽輪機(jī)在發(fā)電成本方面具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須采用更低成本的材料和更高效率的發(fā)電方法，并減少系統(tǒng)的組成部件。

工作原理結(jié)構(gòu)

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種以燃料(燃?xì)饣蛉加?和空氣為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)由高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)做功，正常運(yùn)行情況下。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所采用的永磁發(fā)電機(jī)為高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，輸出的交流電的頻率很高。

微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，永磁發(fā)電機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、進(jìn)氣壓縮機(jī)三個(gè)關(guān)鍵部件同軸連接，具有相同的轉(zhuǎn)速。為了能夠?qū)⑽氲目諝鈮嚎s到所要求的壓力范圍，進(jìn)氣壓縮機(jī)的正常工作要求整個(gè)轉(zhuǎn)軸按額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由于這個(gè)條件在系統(tǒng)起動(dòng)階段無(wú)法自行滿足，微型燃?xì)廨啓C(jī)是不能自起動(dòng)的。而進(jìn)氣壓縮機(jī)的非正常工作狀態(tài)會(huì)直接導(dǎo)致后續(xù)的燃料燃燒和膨脹做功也不正常。因此，整個(gè)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的起動(dòng)，先要使永磁發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，等到進(jìn)氣壓縮機(jī)以及后續(xù)的燃燒膨脹做功達(dá)到正常狀態(tài)后再切換到發(fā)電機(jī)模式。

由于進(jìn)入微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的燃料和空氣都是精確可控的，當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)成功啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)之后，其輸出的電功率是穩(wěn)定的，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成功率沖擊。

微型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)完成以后，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以維持恒定，因而輸出電壓的頻率也是恒定不變的，只是機(jī)端電壓的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)電壓的工頻，而這個(gè)可以通過(guò)變頻裝置進(jìn)行處理。

因此，微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出特性良好，在各種分布式電源中對(duì)電網(wǎng)的影響較小。

并網(wǎng)方式

正常運(yùn)行情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機(jī)輸出的高頻電能，必須經(jīng)過(guò)電力電子裝置實(shí)現(xiàn)頻率變換才能送入工頻電網(wǎng)。也就是說(shuō)，并網(wǎng)運(yùn)行的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)與工頻交流電網(wǎng)之間需要有用于實(shí)現(xiàn)頻率變換的變流器(也叫變頻器)。一般采用AC—DC—AC變換的方式。在起動(dòng)階段，永磁發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式時(shí)，必須為該高速電機(jī)提供高頻的交流電源。也就是說(shuō)，在工頻電網(wǎng)為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的高速電機(jī)供電(永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)模式)時(shí)，也需要變頻轉(zhuǎn)換。

由于在永磁發(fā)電機(jī)和工頻電網(wǎng)之間，電能可能從永磁發(fā)電機(jī)流向電網(wǎng)(正常運(yùn)行時(shí)的發(fā)電模式)，也可能是從電網(wǎng)流向永磁發(fā)電機(jī)(起動(dòng)階段的電動(dòng)機(jī)模式)，這就要求變頻裝置可以靈活控制，而且變流器中的電力電子開(kāi)關(guān)器件必須是全控型的。

如果是離網(wǎng)運(yùn)行的話，起動(dòng)階段還必須提供容量足夠的儲(chǔ)能裝置。

發(fā)展與現(xiàn)狀

功率為幾百千瓦的燃?xì)廨啓C(jī)在20世紀(jì)40～60年代就已經(jīng)發(fā)展和應(yīng)用了，但是稱為小型燃?xì)廨啓C(jī)，用于發(fā)電和驅(qū)動(dòng)。機(jī)組的特點(diǎn)是每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)，用減速齒輪減速后驅(qū)動(dòng)負(fù)載；壓氣機(jī)用離心式；透平多用軸流式，也有用向心式的；回?zé)崞鞫嘤没剞D(zhuǎn)式，也有用板式回?zé)崞鳎晦D(zhuǎn)子用滾動(dòng)軸承支撐。美國(guó)國(guó)家航空與宇航管理局20世紀(jì)60年代在渦輪增壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，隨后在20世紀(jì)70年代開(kāi)展了在航天飛機(jī)上作為輔機(jī)電站應(yīng)用的微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究。微燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在此以后得到了迅速的發(fā)展。但是長(zhǎng)期以來(lái)這種燃?xì)廨啓C(jī)并沒(méi)有廣泛應(yīng)用，原因是小功率燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)的效率比較低，無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)相比。而且，小功率燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機(jī)相連，笨重的減速器和低速發(fā)電機(jī)把燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)輕巧的特點(diǎn)給抵消了。雖然人們認(rèn)識(shí)到可以采用回?zé)嵫h(huán)來(lái)提高效率，但是常規(guī)回?zé)崞鞯捏w積與重量比燃?xì)廨啓C(jī)本身還要大，而緊湊式的回?zé)崞髦圃斐杀竞芨?，所以除個(gè)別燃?xì)廨啓C(jī)有帶回?zé)崞鞯难苌屯猓責(zé)嵫h(huán)的地面應(yīng)用始終打不開(kāi)局面。

高速永磁發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)使發(fā)電機(jī)與壓氣機(jī)之間的連接不再需要減速機(jī)構(gòu)，這使整個(gè)機(jī)組的重量大大減輕，尺寸大大減小，成本也降低很多。與此同時(shí)，采用空氣軸承代替滾動(dòng)軸承，由于空氣軸承不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)組零件大幅度地減少，制造成本也進(jìn)一步降低。為了提高機(jī)組的熱效率，普遍采用高效緊湊型回?zé)崞鳎浠責(zé)嵝矢哌_(dá)90%，這樣可使微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組循環(huán)效率達(dá)到30%左右。為了進(jìn)一步提高循環(huán)效率，一個(gè)行之有效的辦法是提高燃燒室出口溫度，也就是提高透平入口溫度，但是透平人口溫度的提高受渦輪材料的限制，使其不能過(guò)高。但科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步已使微型燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性、污染物排放、可靠性以及使用壽命等指標(biāo)都大大提高，可以與大型火電機(jī)組相比較。目前的先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有尺寸小、重量輕、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、低燃料消耗率、噪聲低、振動(dòng)小、污染排放低、維護(hù)費(fèi)用低廉、不需用水冷卻等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，可以廣泛應(yīng)用于小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中。