微型燃气轮机及其“混合动力”的技术进展

第!"卷!第#期热力透平$%&’!"(%’# )**+年!月!"#$%&’!($)*+#%,-.)**+微型燃气轮机及其“混合动力”的技术进展戴!韧!上海理工大学动力工程学院"上海)***0!#摘!要!!参照目前微型燃气轮机的技术参数"基于热力循环理论"确定下一代微型燃气轮机的主要发展目标是压缩比-!L"透平进口温度#-**Z"效率达到"*X"并对相关实现技术提出了建议$其次对微型燃气轮机与燃料电池构成混合动力的技术进展作一评述"介绍了两种主要混合动力结构的工作原理"为更好地应用微型燃气轮机提供技术参考$关键词!!微型燃气轮机%燃料电池%混合动力中图分类号!1Z".#!!!!文献标识码!,!!!!文章编号!#-.)/++"0")**+#*#/***./*+>*?1*7"2<("%(*55"/@1.("A45!-(012*4261)5B&0(16<"7*(,&5)*CC(<S>’"=6::5;567>6?5-#1;0155-01;$(10@5-203<67A9,1;9,076-A805185,1B!58916:6;<$A9,1;9,0)***0!$=901,#905)(4.)!!Q3C355;7H8%9>9;&9I&3G;=5%H968:5I;73"Vb1#45%A:=86$4%66;I&3A36;H7;7H4959G38356%C73K8 H373598;%7Vb1;6;7>368;H983A:4%78235G9&6F683G979&F6;6’S3>3&%4;7H895H38;6=%7=3785983A%7=%G45366 598;%%C-!LB;82I:57;7H83G43598:53%C#-**ZC%53C C;=;37=F%C"*X’T%66;I&383=27%&%H;3695345%4%63A C%5 73K8H373598;%7Vb1’13=27%&%H F%C2F I5;A4%B356F683G=%G4%63A%CVb197A C:3&=3&&;653>;3B3A C%58B% G9\%56F683G6;7B%5<;7H45;7=;4&39;G;7H9883=27;=9&453A;=8;%7C%5C:8:53Vb1:8;&;?98;%7’=*&7"(65!!G;=5%H968:5I;73%C:3&=3&&%2F I5;A4%B356F683G’*!前言微型燃气轮机!Vb1"是以气体或液体为燃料#高速旋转的发电设备#功率范围在!*<a! !+*<a$今天的微型燃气轮机技术来源于)*世纪+*年代的汽车发动机新技术开发#如车用燃气轮机%备用电源以及增压器等##00.年微型燃气轮机开始使用测试#)***年正式进入商业化市场$与小型柴油发电机相比#微型燃气轮机的优势在于&!#"燃料的多元化#不仅可以使用天然气等高品质的清洁燃料#而且高含硫的化工反应气%乃至低热值的沼气等均可使用’!)"运动部件减少#基本无磨损#运行维护简化#可靠性大为提高$由于微型燃气轮机联网布局灵活#对负荷要求的快速反应#高品质的电力以及低排放#其十分适合于分布式能源与冷热电联产$目前主要用于以下&#峰时发电于基本负荷发电!并网形式"’#冷热电联产’#独立运行与备用电站’#地区独立电网’#资源利用#如化工气等$本文着重总结近年来微型燃气轮机的设计技术#以及在冷热电联产!U U P T"与燃料电池组成(混合动力)等应用的进展#研究微型燃气轮机的发展趋势#为今后有关基于微型燃气轮机的相关研究#提供技术指导$#!微型燃气轮机的技术现状微型燃气轮机由透平%压气机%燃烧室%回热器%发电机及电子控制部分组成$为了提高热效率#微型燃气轮机普遍采用回热循环#如图#所示$Vb1的热力循环是E59F8%7循环#与大型燃气轮机是相同的$提高燃气初温与空气压缩比#收稿日期!)**"/##/#+作者简介!戴韧!#0--/"#男#福建长汀人#工学博士#教授#主要从事叶轮机械气动设计%强度与流动模拟的研究$万方数据是提高Vb 1的基本途径!由于功率与结构紧凑性限制"Vb 1的燃气流量基本小于*’L <H#6"压气机必定是离心式的"而透平是向心式的"单轴布置是主要形式!%功率’<a ()L -*.+.*L *#**压比!’+"’*"’)!’!""’+燃气温度’c (L "*0!*0!*L .*//排气温度’c ().*!*-/)**!#+/效率’X()-’L )L)L ’+)+’)!*!*L微型燃气轮机及其)混合动力*的技术进展万方数据!!由图)以及表#可见!微型燃气轮机的效率提高是十分有限的!除非采用耐高温材料!使燃气初温提高到##+*c以上!同时压缩比提高到./L!这样简单循环效率可以提高到)*!而回热循环效率达到!-X"但与现有柴油机!或大功率燃气轮机相比!仍然是偏低的"因此!微型燃气轮机的发展不仅需要继续提高压比与初温!更重要的是发展恰当的综合能源利用方式!充分发挥微型燃气轮机的特点")!微型燃气轮机关键部件的技术创新)’#!整机的开发目标与技术指标为了提高微型V b1的性能!美国S e d在)***年提出了)#世纪清洁能源战略中的)**#!)**-年度的先进V b1研发计划#.$!合计投入-***万美元!参加单位多达#*余家!其中主要有U9468%73!]1U! (Q d U!O%&951:5I;73!J7H36%&&D Q97A!b dT%B35!Z F%D =359!e Q(W等!项目目标是%发电效率$"*X!排放% .44G!大修间隔$##***小时!寿命$"+***小时"与此同时其他国家的研究机构也提出了自己的研发计划!如Z9B969<;#L$动力部"值得注意的是!除了在经典微型V b1结构基础上提高参数以外!Q9G H37#0$提出了设计新概念&&&冲压式微型V b1!并获得试验性成功"表)给出了最新报道的V b1参数指标"表)!微型Vb1的先进参数19I&3)!T959G38356%C(3K8b373598;%7V;=5%b961:5I;73项目单位目!!标Z9B969<;#L$Q9G H37#0$功率<a!**"+*热效率X")!+涡轮进口温度c#!+*0!*空气流量<H’6*’0"#’0+压比D L#+驱动涡轮转速54G-"***+"L.*动力涡轮转速54G".***+"L.*压气机效率X L)0!涡轮效率X L+’+D回热器效率X L*D)’)!高效单级离心式压气机日本Z9B969<;#L$为了在微型燃气轮机的设计上!突破"*X效率!#00L年研制成功了单级压比高达L’#的离心式压气机原型机!命名为P型机"该机型应用了先进的!S(D O设计!叶轮采用了双分流叶片!设计转速-"***Q T V!流量*’0)<H’6!试验压比达到L’"+’#!效率.0X"由于该机的成功设计!配合应用陶瓷材料!燃气温度提高到#"+*c!使Z9B969<;#0$!+*<a燃气轮机样机的整机效率达到了")’#X")’!!冲压式压气机美国Q9G H37T%B35O F683G公司!开发了一种冲压式压气机(Q9G\38U%G45366%5)!其原理是*激波增压+"超音速飞机的冲压式发动机进口气流是超音速的!气流在发动机的中心体与外壳之间的通道内流动!并产生一系列的激波"气流通过激波后!减速,增压,升温"根据这一原理!Q9G H37#0$设计了冲压式压气机!其基本结构大致如下%压气机的前部是一台带预旋导叶的离心式压气机!叶轮高转速并在叶轮出口达到超音速"由于叶轮加长的出口边与壳体之间对流动的相互作用!产生一系列的激波!对叶轮出口气流产生超音速气流增压"Q9G H37#0$为一台"L+<a的燃气轮机原型机机设计了单级冲压式压气机!设计压比#*’#!流量#’L <H’6"根据叶轮材料性能!单级冲压式压气机的压比可以达到#+’#!流量))’+<H’6!相当于!***<a燃气轮机的要求"与传统透平式压气机相比!#+’#的压气机大约需要L/#)级叶轮和导叶!而Q9G H37的冲压式压气机的叶轮与叶片大大减少!仅有!级叶轮!气体流动的损失因而大为降低"Q9G H37宣称其冲压式压气机效率达到了0!X!而且使其燃气轮机的简单循环效率突破了!*X")’"!新型高效燃烧技术Z9B969<;#L$在其研究计划中提出了应用陶瓷燃烧器的设想!并认为陶瓷燃烧器可以耐高温!无须壁面冷却!而且高温燃烧器避免了火焰筒的冷却!有助于火焰稳定"Q9G H37#0$则应用另一种先进概念的燃烧技术*驻涡燃烧+(159443A$%583K U%G I:68;%7)!燃烧效率可以达到00X!(e K降到#*44G以下")’+!高温陶瓷材料的应用提高燃气初温而不采用冷却!唯一的途径是陶瓷材料"Z9B969<;#L$在#"+*c下!设计使用了陶瓷材料的轴流式单级透平!(Q d U在Z F%=359的合作下!开发了#"**c下使用的O;!("向心透平!预计采用陶瓷叶轮!透平完全不需要冷却!回热效率可以达到"*X"第#期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!热力透平万方数据!!微型燃气轮机与!混合动力"燃料电池通过电化学反应#直接将燃料转化为电#由于没有机械运动部件#并且不受卡诺循环效率的限制#因此比热力发动机具有更高的效率#如图"所示$目前多数燃料电池的效率在"*X !-*X %W P$&#而且与装置的功率大小无关#在电化学反应中的副产品’’’热#可以在联合循环中得以利用#构成新型U P T $图"!燃料电池N ;H ’"!T 5;7=;4&3%CN :3&U 3&&现有!混合动力"%P F I 5;AT %B 35O F683G 6&(#*)的定义是*热力发动机#如燃气轮机#与非热力发动机#如燃料电池#共同组合而成的一类动力系统#并具有两个特征*%#&两者之和大于各单体+%)&两者的综合运行效率大于两者单独运行效率之和$加上燃料电池的超低排放#这种!混合动力"很有可能成为下一代发电技术$高温燃料电池%P 1N U &中有两种*固体氧化物燃料电池%O e N U &与炭融极电池%V U N U &#非常适合于!混合动力"$这两种系统的高温排放气可以用于发电#例如燃气轮机吸收高温余热#驱动压气机提供P 1N U 的压缩空气#其余能量带动透平发电$如此#!混合动力"的最高效率可以达到L *X %W P$&#而且基本实现零排放$基于微型燃气轮机的混合动力主要是由固体氧化物燃料电池%Vb 1D O e N U &$美国国家燃料电池研究中心%(N U Q U &基于J 7H356%&&D Q 97A 的Vb 1和O ;3G 376a 368;7H2%:63的O e N U #进行了))*<a !混合动力"装置的试验研究$装置及其原理分别如图+,-所示$该套!混合动力"以天然气为燃料#总发电功率))*<a #其中燃气轮机发电.+<a $作为示范验证性装置#该系统运行超过)***小时#发电效率达到.+X$图+!Vb 1D O e N U))*<a 样机N ;H ’+!O 9G 4&3%C ))*<a Vb 1图-!Vb 1D O e N U 原理图N ;H ’-!T 5;7=;4&3%CVb 1D O e N U 表!!Vb 1D O e N U 设计参数的比较19I &3!!W ;68%CS 36;H 7;7H T959G 38356%C13683A Vb 1D O e N U 文献,作者$3F %389&(##)U %689G 9H79389&(#))U 9G 49795;(#!)T 9&66%7389&(#")Z ;G ;\;G 9389&(#+)输出功率<a 总功率!*#)L .)+0+#0!**O e N U )+.)"#)*.’L !"L ))*Vb 1-#"-+!’)#.#L *压缩比透平D!’#+!’*-!’+!’+压气机!’+!’L 0!’L #D !’0+透平进口温度%c &L .)0**0**L L +##**效率X %W P$&+.’*-#’#-"’0-"’)-!’#*#微型燃气轮机及其!混合动力"的技术进展万方数据!!另一类燃气轮机!混合动力"是炭融极电池#Vb1D V U N U$%如图.所示&与Vb1D O e N U不同的是%Vb1D V U N U使用Vb1的排气%是在常压下运行的&在(N U Q U%基于U9468%73微型燃气轮机的)+*<a Vb1D V U N U已经运行了"+**小时&目前已有多套Vb1D O e N U’##!#+(试验运行%其中的设计参数如上表#表!$所示&图.!Vb1D V U N U原理图N;H’.!T5;7=;4&3%CVb1D V U N UZ;G;\;G9f Z969H;’#+(对一套!*<a的Vb1D O e N U在设计工况与部分负荷的条件下运行性能进行了研究&该系统燃气轮机设计功率为+<a%O e N U的设计功率为!*<a%研究结果是%如果Vb1D O e N U采用可变转速的燃气轮机%在+*X!#**X负荷范围内%Vb1D O e N U的整体效率可以达到-*X%尽管Vb1的效率可能下降了#*X&这对燃气轮机的设计以及Vb1D O e N U的合理配置%提出了新的技术要求&"!总结通过上述对国际先进微型燃气轮机制造技术的分类对比和分析%作者认为%要发展作为分布式能源系统的微型燃气轮机%使其具备与内燃机)燃气内燃机)斯特林机等动力机进行市场竞争的能力%并占有一席之地%则必须在以下几个方面取得关键技术突破* ##$高压比)高效率先进压气机技术%从热力设计的角度分析%微型燃气轮机效率超过!*X%其中压气机的压比必须高于-+#%燃气轮机效率超过"*X%压比必须达到L+#&压气机效率能提高#X%燃气轮机的整机效率可提高*’L X& #)$高温)高压比先进涡轮技术%其中包括*涡轮中陶瓷材料的应用%表面涂层%叶片表面冷却等技术&提高燃气温度是提高燃气轮机效率的重要措施之一%并在大功率燃气轮机的设计中得到广泛地应用&而微型燃气轮机则不同%由于结构条件的限制%在大型燃气轮机上应用的各种表面冷却技术%在微型燃气轮机上%难以直接应用&因此%提高微型燃气轮机燃气温度目前将依赖于陶瓷材料的应用&参考文献!’#(U9468%73*5I>;?0>>@M1BH+I?@1’>P.;B1A&B N.’>!!*’[(’2884*++B B B’G;=5%8:5I;73’=%G+’’)(U9468%73*5I>;?0>>@M1BH+I?@1’>P.;B1A&B N.’>H-*’[(’2884*++B B B’G;=5%8:5I;73’=%G+’’!("1’>K G>E EQ+B+E E1’.+C1;&D>’@’[(’P%73F B3&&T%B35 O F683G6%J7=’%)**#’’"((R B>+TA0B1&20A>;0’1E12KM1B/+?A&B N.’>Q>B M1B D+’;>’[(’T%B35a%5<6%J7H36%&D Q97A%)**#’’+(d&&;%881,L**P1J>E A(L*L*T*A&B N1(E@>B’+@1B’[(’d&D &;%88d735H F O F683G6%)**#’’-(1:5I3=1#***A#**P.;B1@&B N.’>H"Q5K?@>D’[(’2884*++B B B’8:5I3=’=%G+45%A:=86+’’.(P9:H28S*V;=5%8:5I;736’(;@.=.@.>?*.@0.’@0>#M M.;>1M C.?@B.N&, @>JO’>B2K S>?1&B;>?’[(’)**#%2884*++B B B’3735’A%3’H%>+A35’’L(19<32959J’1986:G;1’J=2;<9B9_’*5&D D+B K1M H/A!*)H>B+D.;/+?A&B N.’>S>?>+;0+’J C>=>E1I D>’@Q B12B+D’^(’^%:579&%C d7H;7335;7H C%5b961:5I;7397AT%B35%^:&F )**)%$’’#)"%-).!-!+’’0($3=8%5A3E;96;*"L+,T*A&B N.’>S+@>J!+U5.D I E>H K;E> +@#.**FF.B.’2A>D I>B+@&B>’^(’b961:5I;73a%5&A%O34D 83G I35D e=8%I35)**)%#!!#-’’#*(O=%88O9G:3&637*F&>E H>E E+/+?A&B N.’>"K N B.J5K?@>D?’[(%2884*++B B B’96G3’%5H+;H8;+)**"’’##($3F%%O’d’%O2%=<&;7H%W’,’%389&*A&N&E+B51E.J#L.J> F&>E H>E E+/+?A&B N.’>"K N B.JH K;E>Q1G>B5K?@>D,5@+, @&?’,(’,O V d49435)***D b1D++*’’#)(U%689G9H79T%V9H3685;W%V96695A%,’N’C>?.2’+’J Q+B@V1+J Q>B M1B D+’;>1M+"K N B.J5K?@>D R+?>J1’+ 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