謝哲

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200000）

微型燃?xì)廨啓C(jī)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被研發(fā)了很多年，技術(shù)比較先進(jìn)。我國(guó)雖起步晚，但在20世紀(jì)末，也有一定的研究和發(fā)展。微型燃?xì)廨啓C(jī)與大中型燃?xì)廨啓C(jī)相比，優(yōu)勢(shì)越來越明顯。

由于微型燃?xì)廨啓C(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、安全可靠、燃料范圍廣泛、可遠(yuǎn)程控制和診斷等特點(diǎn)，再加上維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，可在城市中心、郊區(qū)、農(nóng)村乃至偏遠(yuǎn)山區(qū)，都可以隨著環(huán)境條件變化，輕松、方便地安裝使用，還可以廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電、高峰負(fù)荷生產(chǎn)、備用發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等。

目前，根據(jù)我國(guó)能源狀況，必須大力推廣和應(yīng)用微型燃?xì)廨啓C(jī)，它的研發(fā)甚至關(guān)系國(guó)防安全，世界上各軍事大國(guó)都在積極研發(fā)。本文闡述了微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，并對(duì)國(guó)內(nèi)外微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特征

1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)特征

微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特征表現(xiàn)為：通常采用離心式壓縮機(jī)和向心式透平模式及背靠背轉(zhuǎn)子構(gòu)造，安裝有先進(jìn)、高效的板翅式回?zé)崞?，有的還采用空氣軸承，單機(jī)功率在25～300 kW之間，是目前世界上最先進(jìn)的一種動(dòng)力裝置，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。其關(guān)鍵技術(shù)如下：①空氣軸承。微型燃?xì)廨啓C(jī)由空氣支撐唯一旋轉(zhuǎn)軸，既能節(jié)省維護(hù)成本，又能防止機(jī)械系統(tǒng)過熱，提高了系統(tǒng)的可靠性。②燃燒專利技術(shù)。無需控制燃燒后的污染。③數(shù)字電源控制器。微型燃?xì)廨啓C(jī)將電子動(dòng)力技術(shù)與先進(jìn)的數(shù)字控制相結(jié)合，數(shù)字能量控制監(jiān)控，可管控多達(dá)200個(gè)變量。在完成發(fā)電功率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不同距離的調(diào)試與調(diào)度，并可控制多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，還可均衡各階段的功率，快速切換電網(wǎng)運(yùn)行方式和獨(dú)立模式。

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

實(shí)踐證明，微型燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過程中具有以下特點(diǎn)：①質(zhì)量輕，使用方便。②操作靈活，不僅可以獨(dú)立運(yùn)行，還可以與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，且2種方式之間可以自動(dòng)切換。③運(yùn)行十分安全。④清潔，排放少。⑤振動(dòng)小，噪聲低，低于65分貝（10 m）。⑥燃料種類多，消耗少、成本低。微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行成本低于500 USD/kW，適用于沼氣、天然氣、石油、汽油、丙烷、煤層氣、煤油、酒精等各種氣體和液體燃料。⑦運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行400 h，整體調(diào)整間隔時(shí)間為11 000 h，設(shè)計(jì)壽命45 000 h。⑧可分布式。⑨不需要潤(rùn)滑。⑩可使用空氣軸。?可以集成擴(kuò)大容量，靈活配置微型燃?xì)廨啓C(jī)。?維護(hù)成本很低，可以在遠(yuǎn)處進(jìn)行控制和診斷。因?yàn)闆]有潤(rùn)滑系統(tǒng)，且應(yīng)用獨(dú)特的空氣軸承技術(shù)，微型燃?xì)廨啓C(jī)維修成本極低，只需要更換空氣過濾網(wǎng)就行。?燃料轉(zhuǎn)換效率高。

綜上特點(diǎn)，微型燃?xì)廨啓C(jī)在動(dòng)力領(lǐng)域已引起世界各國(guó)的高度重視，各國(guó)現(xiàn)在都在積極研發(fā)、生產(chǎn)更先進(jìn)的模型。

2 微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷程

現(xiàn)代微型燃?xì)廨啓C(jī)于20世紀(jì)60年代開始研發(fā)，發(fā)展歷史較短。目前，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在開發(fā)和使用這種新型低能耗熱技術(shù)。

2.1 西方國(guó)家微型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)情況

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)航空和宇航員管理局研發(fā)了一種基于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的新型氣體驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力設(shè)備，即燃?xì)廨啓C(jī)；70年代，NASA又研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)在航天器上的應(yīng)用。1995年，Joint signal、Capstone和Elliott American Dynamics公司在美國(guó)一年一度動(dòng)力學(xué)年會(huì)上，展示了新型微型燃?xì)廨啓C(jī)的原型機(jī)（25～70 kW），之后該公司每年都會(huì)推出改進(jìn)后的原型機(jī)。

1998-12，DOE主辦了微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)峰會(huì)，會(huì)議明確指出：在熱效率和環(huán)保方面，如何將微型燃?xì)廨啓C(jī)用于廉價(jià)、可靠的高溫材料，是微型燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，其本身的特點(diǎn)對(duì)今后的發(fā)展非常重要。

2000-05，在第四十五屆燃?xì)廨啓C(jī)和空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)際會(huì)議上，美國(guó)和其他國(guó)家的幾家燃?xì)廨啓C(jī)公司，討論了在開發(fā)小型燃?xì)廨啓C(jī)方面的經(jīng)驗(yàn)及其結(jié)果，參加會(huì)議的許多公司宣布，他們將從2000年開始，開發(fā)功率范圍為25～100 kW的微型燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)。2001-02，凱普斯通宣布其微型燃?xì)廨啓C(jī)用于Hibrid車輛并獲得CARB頒發(fā)的首個(gè)國(guó)際認(rèn)證。

近年來，許多美國(guó)公司正在積極開發(fā)更加先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)，其中，凱普斯通已生產(chǎn)65 kW微型發(fā)電機(jī)組，霍尼韋爾研發(fā)的75 kW發(fā)電設(shè)備已成功運(yùn)行，大阪燃?xì)獾热毡竟菊谑褂脛P普斯通技術(shù)開發(fā)熱電系統(tǒng)。

2.2 我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，我國(guó)開發(fā)了37 kW、200 kW、3K42燃?xì)廨啓C(jī)。目前，我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)水平較低，所使用的商用機(jī)型（包括65k和200M的產(chǎn)品）均來自卡普斯通公司。根據(jù)我國(guó)能源現(xiàn)狀，微型燃?xì)廨啓C(jī)本身具有的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，為解決我國(guó)電力發(fā)展分布尚不均衡這一問題提供了可行性方案，現(xiàn)在已得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院熱物理工程研究所、哈爾濱東安集團(tuán)和西安交通大學(xué)3個(gè)研究所，在中國(guó)科技部“863”計(jì)劃的支持下，已共同研發(fā)出100 MW微控燃?xì)廨啓C(jī)，并獲得驗(yàn)證生產(chǎn)。科技部多次表明，要積極推動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，盡快達(dá)到國(guó)外微型燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)水平。

現(xiàn)在我國(guó)航空航天工業(yè)機(jī)構(gòu)已設(shè)計(jì)出30 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)，一旦國(guó)內(nèi)達(dá)到大批量生產(chǎn)水平，將有效推動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)的應(yīng)用。近年來，我國(guó)雖然只是在微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組方面進(jìn)行了大量的研究工作，推動(dòng)了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)超微輪機(jī)也進(jìn)行了初步探討，并掌握了一定的技術(shù)，但與國(guó)外相比，差距還很大。

3 微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)的應(yīng)用推廣

3.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)的用途

從世界范圍看，微型燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的工作、學(xué)習(xí)和日常生活中，是一種能確保清潔、安全和高效的低功耗分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供的最佳有效途徑。同時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)還用于并網(wǎng)發(fā)電、高峰負(fù)荷發(fā)電、備用發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等，且不受時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境的約束，應(yīng)用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村和城市，特別是在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域及軍事裝備、邊防安全方面都具有重要意義?，F(xiàn)在，世界各軍事大國(guó)都在積極尋求和開發(fā)性能更好、更先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)。

我國(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用市場(chǎng)包括：①建筑物、機(jī)場(chǎng)、車站、醫(yī)院，還有金融信息中心和其他相關(guān)的國(guó)家重要設(shè)施；②農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的冷卻、熱量和二氧化碳供應(yīng)；③邊境基地保護(hù)、軍事設(shè)施和其他國(guó)防部門；④木材加工、化學(xué)工業(yè)、紡織及其他電力、熱力、冷卻和蒸汽過程；⑤西部大開發(fā)、偏遠(yuǎn)地區(qū)能源供應(yīng)；⑥垃圾填埋沼氣發(fā)電；⑦由一組微型燃?xì)廨啓C(jī)模塊化組件組裝的中型發(fā)電站；⑧與燃料電池等先進(jìn)技術(shù)共同開發(fā)未來的能源體系；⑨汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)等。

3.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)的適用場(chǎng)所

微型燃?xì)廨啓C(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)所包括：①?gòu)U氣燃燒場(chǎng)地；②需要?jiǎng)恿Φ呐R時(shí)地點(diǎn)；③經(jīng)常出現(xiàn)能源中斷的地方；④電費(fèi)較高的地區(qū)；⑤無電網(wǎng)的偏僻地區(qū)；⑥可用峰荷電價(jià)向電力交易中心賣電；⑦常見的冷熱服務(wù)場(chǎng)所。

3.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)一步研發(fā)

微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，特別是高速永磁發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，大大降低了發(fā)電機(jī)組的投資成本和發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量，縮小了發(fā)電機(jī)組的體積，使發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)之間不需要減速機(jī)構(gòu)建立連接。目前，由于大多數(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)與電氣部件分開建模，或者在逆變器之前直接等效于直流電，特殊建?；虻刃幚恚瑢⑵茐奈⑿腿?xì)廨啓C(jī)能量系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)之間的內(nèi)部連接，這不利于實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)，因此，需要我們找到一種新的建模方法來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)特有的使用壽命長(zhǎng)及維護(hù)操作成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廣泛使用的發(fā)電機(jī)成本等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛用于分布式電源、熱電聯(lián)供和車輛混合測(cè)試中。在能源需求不斷增長(zhǎng)的今天，美國(guó)的微型燃?xì)廨啓C(jī)在20世紀(jì)末達(dá)到了令人矚目的高峰。隨著環(huán)保和能源政策的變化，未來微型燃?xì)廨啓C(jī)必將在全球迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了多年研究，并引起了微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)的重大變化，基于對(duì)微型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)，世界上一些微型燃?xì)廨啓C(jī)研究機(jī)構(gòu)不再局限于原輪機(jī)材料，他們已使用陶瓷作為微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室最新熱元件材料等，并取得了顯著成效。

4 結(jié)束語

21世紀(jì)，微型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，將成為我國(guó)沿海地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)能源分配的主要來源，市場(chǎng)潛力巨大，我們必須密切關(guān)注。

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