上海航天能源股份有限公司 张丹 周大汉

微型燃气轮机发电机组是一类新近发展起来的小型热力发电机组，单机功率范围为25～300kW，其联网布局灵活、对负荷要求能快速反应、电力品质高、低排放，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热（冷）电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊、边远地区均能适用。微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮,从而成为21世纪能源技术的主流。

1 微型燃气轮机发电机组工作原理及特点

微型燃气轮机发电机组由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成。动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置。通过采用径流式叶轮机械，即向心式透平与离心式压气机，可使结构简单、紧凑、便于移动。微型燃气轮机发电机组普遍采用回热循环，可大大提高发电效率。原理结构图如图1所示。

微型燃气轮机发电机组可以用作常用机组和备用电源，主要特点：

1）寿命长。首次维修时间可在8000h以后，日常维护工作量少；

2）移动性好。重量轻，基础结构简单，易拆卸；

3）高可靠性。运动部件少，故障率被降到最低，内置式保护与诊断监控系统，提供了预先排除故障的手段，在线维护简单。目前先进的微型燃气轮机发电机组多采用空气轴承和空气冷却，无需更换机油和冷却介质；

4）噪声小，排气温度低，红外辐射小；

5）负荷调节范围广：单机能够0-100%范围内调节负荷。且具有多模块集成组合特征，能够根据负荷特性智能调节运行模块数；

6）燃料可变性：能够采用多种燃料（液体、气体如天然气、丙烷、生物质燃料、煤油、柴油等），也能使用含硫比例高达7%的酸性气体；

7）遥控、通信与保护：具有通信、控制和自动超限保护和停机保护等功能。可适用于移动电源、城市电站和汽车动力；

8）超低排放：NOx排放不高于9ppm，有利于环境保护。

9）输配电：因通常设在用户端，输配电损失很低，且用户可自行控制。

2 微型燃气轮机发电机组的发展历史

微型燃气轮机发电机组的雏形可追溯到20世纪60年代，但作为一种新型的小型分布式能源系统和电源装置的发展历史则较短。1995年美国动力年会上，联信（Allied Signal）、凯普斯通（Capstone）与易利达（Elliott）公司各自展示了25～75kW微型燃气轮机发电机组样机。其后发展迅速，每年均有样机推出。[2]

为此，美国能源部（DOE）于1998年12月主持召开了微型燃气轮机发电机组技术高峰会，专门讨论有关微型燃气轮机发电机组技术研发以及与政策和市场相关的问题，为制订微型燃气轮机发电机组研发计划提供思路和建议。会议明确指出：微型燃气轮机发电机组市场很大，工业应用竞争激烈，其中未来电力市场结构将是影响微型燃气轮机发电机组发展因素之一；微型燃气轮机发电机组的环保高效，性能可靠对其发展十分重要，同时燃料处理、燃气压缩、回热系统以及电力电子技术对提高微型燃气轮机发电机组的可靠性及降低造价也很重要，并且，廉价耐用可靠的高温材料将是微型燃气轮机发电机组在热效率和环保方面取得进展的关键；微型燃气轮机分布式发电的联网是其特殊技术问题。

美国机械工程师协会（ASME）副主席LeeS.Langston在1999年度和2000年度燃气轮机工业综述回顾中，专门对微型燃气轮机发电机组的发展进行评述和预测。Langston预计，随着电力系统放松控制的深入和加速，微型燃气轮机发电机组的潜在市场将达到每年80～100亿美元。为了对照，给出关于全球燃气轮机市场的一组数据：1997年为240亿美元；1998年为280亿美元，比1997年增长17%；1999年达350亿美元，比1998年增长21%。由此可见，微型燃气轮机发电机组的发展潜力很大，有专家曾指出：微型燃气轮机发电机组在未来电力工业中的地位犹如微机（PC）在曾以大型机为主的计算机工业中的地位。尽管这种比喻也许不很妥当，但确确实实深刻反映出了微型燃气轮机发电机组在未来电力工业中的重要作用和地位。

2000年5月美国机械工程师协会国际燃气轮机研究院 (ASMEIGTI）在德国慕尼黑召开的ASME第45届国际燃气轮机和航空发动机大会-展览及用户会议上，首次设立了关于微型燃气轮机的 分 组 会 议 （SessionM-04：Microturbine Operational Experiences），其中美国的凯普斯通（Capstone Turbine），易利达 （Elliott Energy Systems）， 霍 尼 维 尔 （HoneywellPower Systems）,NREC 公 司 （Northern Research&Engineering Corp.），SCE 公 司 （Southern California Edison），美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory），加拿大能源技术中心（CANMET Energy Technology Centre）报告了各自的研发结果和运行经验。国际燃气轮机学会（IGTI）的车用和小型燃气轮机分会主席Mary Gerstner撰写报告指出：1999年微型燃气轮机发电机组市场有很大发展，数家公司开始进行商业生产和销售。凯普斯通（Capstone）在2000年11月已推出第1000台微型燃气轮机发电机组，某客户一台机组运行已达6000h的记录。

表1给出了国际上几个公司研发的第一代微型燃气轮机发电机组的技术参数，其功率为28～75kW，效率为22.5%～33%。

美国、日本和欧洲国家都在进一步强化新一代微型燃气轮机发电系统的研究、开发和演示。美国国家能源部（DOE）已制定了2000～2006年度财政计划项目“先进微型燃气轮机系统”，该项目共投资1.63亿美元，研制微型燃气轮机系统的发电功率范围在25～1000kW之间。

表1 第一代微型燃气轮机发电机组主要技术参数[3]

总之，近年来微型燃气轮机发电机组进展显著，特别是美国的发展达到高潮。

分布式发电及冷热电联产的发展为微型燃气轮机发电技术发展和市场扩展提供了极好的平台。目前，美、英等国电力市场已转向分布式发电的竞争。随着全球范围内能源与动力需求结构的变化，特别是电力系统的放松控制及环境保护等要求的变化，近几年来，全球范围内1MW以下的微型燃气轮机发电系统的研究、开发及市场销售成为一个热点。

3 我国微型燃气轮机发电机组发展情况

目前国内市场上使用的微型燃气轮机发电机组几乎均为国外进口，大多使用在分布式热（冷）电联供系统中。进入中国市场的微型燃气轮机发电机组品牌主要为凯普斯通 (Capstone)、Turbec和英格索兰。其中凯普斯通(Capstone)微燃机属于量产设备，国内应用近两百台；Turbec国内应用约3台；英格索兰MT250机型国内应用约10台左右，目前已被Flex Energy能源公司收购。各品牌机型的统计表详见表2。

至今为止，国内一些单位对微型燃气轮机发电机组和其设计、制造、应用技术进行了大量的研究工作，但与国外相比还有很大差距。

“十五”期间，我国科技部制定了先进微型燃气轮机发电系统研发的目标，要求在2002～2005财政年度研制的微型燃气轮机整机技术指标达到设计发电功率100kW，本体发电效率带回热时不低于29%，NOx排放燃用天然气时低于9ppm，燃用轻柴油时小于35ppm，噪声小于65dB（10m），系统连续可靠运行400h，热电联供热效率达到80%以上，工艺达到小批量生产要求。技术经济指标不低于国际市场上2000年的水平，产品在国际市场上具有竞争力。因此，“十五”期间863燃气轮机专项计划有微型燃气轮机课题，中科院工程热物理研究所、西安交通大学等联合研制，100kW微型燃气轮机发电机组研制问世，产品编号为WDR100。

上海航天能源股份有限公司与美国Capstone公司长期合作，开展微型燃气轮机发电机组零部件设计制造，所制造产品已稳定出口美国Capstone公司近8年。同时与哈尔滨工业大学、中国燃气控股有限公司成立研究室，对微型燃气轮机发电机组的应用技术进行研究；与上海交通大学合作，开展低热值燃烧的微型燃气轮机发电技术研究。当前正在从事开展微型燃气轮机发电装置作为不间断电源的设计开发。

上海交通大学为上海市分布式供能基地，长期从事微型燃气轮机研究，小批量生产37马力水泵用微型燃气轮机，并研制成功20kW野战炮车用微型燃气轮机，同时与上海航天能源股份有限公司和澳大利亚联邦研究院在低热值（1-5MJ/m3）燃气稳定燃烧技术研究上进行了长期合作，研制了30kW、50kW低热值微型燃气轮机发电装置。

北京航天31所也正在开发30kW微型燃气轮机发电机组，对于微型燃气轮机核心技术有了大量的基础研究。目前该样机已经完成，处于试验阶段。

其它，装甲兵装备技术研究所、北京理工大学、西安交通大学、沈阳工业大学等也在研究微型燃气轮机发电装置与技术。

表2 各品牌微型燃气轮机发电机组机型统计表

4 我国微型燃气轮机发电机组的应用前景

我国目前电力结构以燃煤火电为主，面临着日趋严竣的资源枯竭和环境保护的双重压力。而微型燃气轮机发电技术相对于燃煤发电技术，在热效率和环境保护等方面均具有明显的技术经济效益和社会效益，还可以结合清洁能源与可再生能源的利用，建立相对独力稳定的供电系统，实现更为灵活、安全、洁净、廉价的发电和热（冷）电联供方式，符合对能源供给多样化的发展需求，实现能源综合利用。同时由于微型燃气轮机发电机组通常具有不需要水、占地面积小、无需机房等特点，对于水资源、土地资源、建材等耗用较少。所有这些都特别符合我国21世纪可持续发展的战略思想。

国内微型燃气轮机发电机组的主要潜在应用市场：建筑楼宇、小区、医院、车站、机场、金融、信息中心等国家重要设施；化工、木材加工、纺织等工艺用电、用热、用冷和用汽；边防基地、军事设施等国防部门；西部边远地区及其它缺电地区、用电安全性要求高的地方供电；城市垃圾处理场沼气发电；通过模块式组装的微型燃气轮机群体中型电站；与燃料电池等先进技术联合发展下一代能源系统。

微型燃气轮机发电机组的迅速发展是与分布式热（冷）电联供能源系统的市场需求密不可分的。国内微型燃气轮机发电机组及分布式热（冷）电联供能源系统需求的总走势与国外相似，因经济发展水平而有所滞后，但上海、北京、江苏等多个地方的需求已经出现。[4]

随着我国天然气供应量的不断增加及可再生能源应用技术的成熟，分布式发电及热（冷）电联产系统将得以大力推广，这也将对我国微型燃气轮机发电机组的发展起到重要的推动作用。

鉴于微型燃气轮机发电机组的众多优势，国家有关部门对发展我国的微型燃气轮机发电机组相当重视。我国微型燃气轮机发电机组应用前景非常明朗，我国研发先进微型燃气轮机发电机组及其分布式热电联产机组势在必行。

5 我国微型燃气轮机技术研发及国产化方向

微型燃气轮机发电机组核心技术国产化是指对其核心部件、关键材料、组合集成、和运行控制模块等的设计及制造国产化。按核心技术国产化难易程度，国产化步伐可分为两类：

1）国外先进微型燃气轮机发电机组核心技术的消化、吸收及模仿；

2）拥有独立自主知识产权的核心技术和整套发电设备。

我国微型燃气轮机发电机组研发由于历史原因，与国外相比差距很大。对于微型燃气轮机发电机组的研发，总体上比较系统的研究和研发尚未深人进行，但已有相对较好的技术储备和工作基础。对于径流式叶轮机械，国内近二十年来进行了比较系统的研发工作，发展了一整套设计理论和方法，提出了新型的设计，建立了具有世界先进水平的实验和加工设备，取得了很好的研究业绩，具有很好的技术储备和研发特色，在此基础上经过再努力完全有可能在微型燃气轮机的先进径流式叶轮机械研发方面达到国际水平。在高温材料和高温高速轴承方面，国内也有非常出色的研究工作基础和实验条件。对于低污染燃烧室和高效紧凑回热器的研究和研发，国内尚没有开展深入的工作，特别是高效紧凑式回热器，国际上在这一领域的竞争十分激烈，有关研究报道十分少见。传统发电机的研发、制造和应用则已非常成熟。

综上所述，我国开展微型燃气轮机发电机组的研发和研制已具备较好工作基础和条件。针对我国研究现状，还需要在以下方面进一步进行大量研究，具体内容如下：

○微型燃气轮机发电机组总体设计技术研究。包括总体方案、节点参数和全工况性能；压气机、燃烧室、涡轮机及回热器等主要的热力参数匹配和最优化技术；旋转部件轴系稳定性研究，高效减噪音技术，紧凑、合理的结构设计，进气系统设计，外形设计；整套发电系统控制核心装置等。

○高效高压比单级离心式压气机研制。采用全三维气动计算方法设计高效压气机叶轮及通流部分，压气机样机经过全参数气动试验。

○高效大膨胀比单级向心涡轮机研制。叶轮成型采用先进全三维设计技术，出力满足设计要求。叶轮采用高温合金材料，并采用耐高温涂层和新型密封技术，涡轮机样机进行全参数模拟试验，进行调整、改进。

○低NOx排放高效燃烧室研制。燃烧室能兼烧气体燃料和轻质液体燃料，火焰筒壁面不超温，污染物排放不超标。燃烧室经过全工况热态试验。

○高性能紧凑式回热器研制。采用高换热系数、低流动损失的板翅式或三元无定向翅片管回热器设计计算技术，并达到最小容积和流阻，回热器具有良好抗疲劳、防泄漏和防沾污性能。回热度可变以适应分布式热（冷）电联供系统负荷变化需要。

○数字控制系统的研制。包括控制策略和控制器（软件和硬件）研制，制定控制参数和保护参数值，实现运行控制和系统保护，满足系统控制的各项要求。

○高速发电机和变频系统研制。高速永磁发电机研制，高速变频技术及电气系统配置，有关发电质量技术指标满足独立发电或并网发电要求。

○高速高温空气轴承研制。微型燃气轮机发电机组产品总成、安装、调试或试验，包括台架试验。

○微型燃气轮机核心部件制造工艺研究，包括压气机、涡轮机加工成型技术，燃烧室激光切割、等离子焊接技术、高温部件热障材料喷涂工艺，回热器薄板连续焊接工艺等。

鉴于微型燃气轮机发电机组未来在我国电力、动力系统、国家安全、分布式发电及热（冷）电联供能源系统方面的重要作用，以及我国已具备较好的研发基础和条件，建议有关决策机构、科研院所和生产企业，积极开展微型燃气轮机发电机组的技术合作与联合攻关，尽快推动国内微型燃气轮机发电机组研发制造，并逐步形成自己的研究、设计、制造体系和创新机制，为产业化铺平道路。

[1]戴韧.微型燃气轮机及其“混合动力”的技术进展[J].热力透平，2005，34（1）：7-11.

［2］金红光，郑丹星，徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].中国电力出版社，2010.

[3]袁春，何国库.微型燃气轮机发电技术进展[J].移动电源与车辆，2002（4）：39-40.

[4]翁一武，苏明，翁史烈.先进微型燃气轮机的特点与应用前景[J].热能动力工程，2003，18