摘要：对MTG（Microturbine-generator）--微型燃气轮机发电机的发展作一个简要的回顾，介绍MTG的主要特点，并列出几个有代表性产品的技术参数，供国内同行参考。
关键词：回热循环；燃气轮机
中图分类号：TK479+.11 文献标识码：D 文章编号：1009一2889（2000）04一0013一04

1 回热器与高速发电机的发展为微型燃气轮机带来了生机

    长期以来，几十至几百kW的小型发电机组市场，一直由内燃发电机组占领，燃气轮机几乎没有立足之地。原因是小功率燃气轮机单循环的效率比较低，无法与内燃机相匹敌。而且，小功率燃气轮机转速高，通常需要采用齿轮减速器降速后与发电机相连，笨重的减速器和低速发电机，把燃气轮机结构轻巧的特点给抵消了。人们早就认识到可以采用回热循环来提高效率，但是常规回热器的体积与重量比燃气轮机本身还要大，而紧凑式的回热器制造成本很高，所以，除了个别燃气轮机（如KG3）有带回热器的衍生型外，回热循环的地面应用始终打不开局面。随着美英联合开发舰用回热中冷燃气轮机的成功进展，板翅式回热器在工艺及制造成本方面的突破，高速发电机从军用走向民用，地面用的带回热器的小功率燃气轮机重新引起人们的重视。
    MTG大都采用回热循环。通常它由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数MTG由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在50000～120000rpm之间。一些单轴MTG设计，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60Hz 480V的交流电。

2 分布式发电市场前景看好

    MTG运动部件少，结构简单紧凑，因而其可靠性好、制造成本与维护成本低。为了进入市场，制造商给自己定下的最低指标是：
·    运动部件寿命40000小时；
·    热耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
·    污染物排放小于9ppm；
·    安装与维护简单，而且便宜。
    MTG的潜在市场是很大的，只要它具有相当的竞争力。采用增压器技术生产MTG，成本可以大大降低，特别是用铸造技术代替机械切削工艺，经济性尤其显著。MTG适合用于分布式发电，使电站更靠近用户。分布式发电与中心电站相比，可靠性更好。制造商们相信，一旦达到适当的批量，MTG有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电装置相比，MTG是一种更好的环保型发电装置。
    可以设想，MTG将是未来公用事业的基本构成之一。将来与中心电厂平行运行的是许许多多小型发电装置。就像计算机似的，在大型机周围有着大量的微型机和局域网在同时运行。

3 开发与应用情况

    目前，开发微型透平的厂商主要集中在北美，欧洲有瑞典和英国。
    Capstone-Capstone公司90年代初开始开发微型透平发电机元件，1994年研制成24kW样机，1996年生产了37台样机供现场试验。该发动机为单轴结构，空气轴承支撑，转速为96000转／分。整个发动机安置在一个圆柱形的排气壳内，10米外的噪音60dB，用天然气燃料时，氧化氮排放为9ppm，一氧化碳排放为25ppm。1997年30kW样机进行现场试验，此后又推出60kW发电机组和45kW车用机组，几年后将生产125～250kw机组。Capstone估计微型透平安装成本不超过15000美元（每kW500美元）。发电成本每kWh4.5～5美分。

图1 Capstone 30 kWe微型透平

    Capstone公司宣称，它已与Meidensha和Sumitomo两家日本公司达成协议，在日本销售Capstone的微型透平，并成套为电热联产装置。两家日本公司还负责售后服务，在日本建立一个维修网。Capstone还将许可证转让给日本的Takuma公司，Takuma除了进行系统集成和分销外，还将Capstone 330微型透平成套为电热联产装置，名为Takuma TCP30，用燃气轮机排气生产热水。
    美国丹佛附近的一个油田，正准备安装一套能源回收装置，利用Captsone微型透平将未经处理的井口废气转化为电。
    Ingersoll一Rand能源系统公司现在独立生产和销售PowerWorks系列微型透平。
    PowerWorks系列的功率范围是30～200kW。这一项目始于80年代初，是由NREC的能源系统业务部主持开发的，并得到南加州煤气公司、纽约煤气集团及煤气研究所（GRI）的支持和合作。他们以增压器元件为基础，使燃气轮机的价格能与活塞发动机相匹敌。他们采用纯径流、双轴结构，动力透平轴与燃气发生器轴互相垂直布置。压气机压比3：1。动力透平驱动发电机（通过减速器）或Rl34a制冷剂压缩机，后者用于制冷系统。燃烧室为单管、贫预混结构，用天然气作燃料时NO。排放低于5ppm，满足南加州苛刻的排放标准。PowerWorks装置配备NREC逆流、板翅式回热器，以提高效率。燃烧室与回热器是NREC的专利设计。NREC在回热器技术方面有新的突破，应用于20kW～20MW的燃气轮机发动机上，回热度可达90％。常规板翅式回热器上出现的疲劳问题已经克服，初成本和寿命周期成本都具有相当的竞争力。据称，他们是唯一解决了回热器泄漏问题的公司。1999年投入小批量生产。PowerWorks可加装余热锅炉组成电热联产机组，提供200（的热水或蒸汽。机组电效率超过30％，热电总效率超过80％。
    powerWorks应用于住宅发电、采暖／通风／空调、制冷等领域。NREC将市场瞄准煤气与电力部门、分布式电热联产用户，并将与能源服务公司（ESCOs）分享市场。空调与制冷方面的市场将通过与美国、日本及欧洲的HVAC OEMs达成销售与配套协议来开拓。
    AlliedSignal公司1998年底开始生产75kWe微型透平发电机。叫做TurbOGenerator，1999年开始批量生产，成本预计在22500到30000美元之间（每kw300～400美元）。他们力求开发三种类型的微型透平发电机，分别应用于家庭、商业和工业。

AlliedSignal 75 kW样机参数如下：

 
Ellioii一Ellioti能源公司共开发了3种微型透平，功率分别为45kW， 80kW和200kW。

E111oii En ergy TA-45的参数为：

    GeneraI Electric Power Svstems与DlionttC0．签署了一项备忘录，为Elliott Energy Systemsd、燃机开拓市场，起先为30～200kW，最大功率计划为500kW。
    Bowman Power Svstems Ltd是1994年建立的一家英国公司，公司地址在南安普顿，专门从事微型透平发电机开发，他们将Elliott的微型透平发电机成套后销售欧洲市场。高速发电机与调节控制系统由Bowman公司设计和制造。1999年开始投放45、60、80和200kWe机组。下一步将功率范围扩展到500kWe。
    瑞典的微型透平一Turbec AB是1998年在瑞典成立的一家生产微型透平的公司，ABB和Volvo各拥有50％的股份。Volvo70年代开始开发车用燃气轮机。1992年研制成功的40kw微型透平装在Volvo。的概念车上，此后又研制了用于货车和大轿车上的100kW机组。1997年Volvo通过市场调查发现了微型透平发电机组在分布式发电和电热联产的应用前景，但Volvo对这一市场并不熟悉，所以它选择ABB作为合作伙伴。Turbec的第一个产品是100kW机组（VT100），其原始样机是已经试验过的车用燃气轮机。该机组有9000小时的运行记录，首台产品计划2000年内提供给用户。正在开发的下一个机型是40kw机组。

图2装备Elliott核心机的Bowman微型透平 

    瑞典开发高速发电（HSG）始于1986年。1993年，HSGI作由发展走向商业化，成立了HSG发展公司，Vattenfal1、ABB和Volvo均拥有该公司的股份。接着在瑞典的高神伯格建立了一个MTG示范工厂，该工厂1997年开始运行。将进行5年（1997-2002）的评估。在5年内，希望积累25000～30000小时的运行经验。
    该工厂在供热几季节（9月至4月）每年连续运行5000小时。燃料为北海油田供应的天然气。第一阶段的运行表明，机组的性能比预期的要好。

全负荷运行特性：