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先进微型燃气轮机技术特点及其应用于分布式供能领域的思考
    日期:2020-07-13    字体:【大】【中】【小】
 

微型燃气轮机的技术特点

微型燃气轮机一般是指功率在1兆瓦以下的燃气轮机。从功率等级来看,微燃机最大的特点就是“小”,而因为“小”,所以带来了很多的独有的技术特点。首先是高转速,功率越小转速越高,微燃机转速都是在几万转/分钟的等级;第二是微燃机多采用径流式叶轮机械,尤其是压气机,基本都用离心压气机;第三是传统采用的提高燃气轮机效率的一些手段,比如说提高压力、涡轮前温等,因为尺寸和空间的限制,没有办法应用,所以一般会采用回热循环来提高效率;第四是高速电机技术的应用,通过启发一体高速电机与微燃机直连,取消掉了变速箱和启动电机,系统效率上有一个很大的提升,辅助系统的复杂性都会有一个很大的降低;第五是更先进的空气轴承轴承的应用,整个润滑系统都取消掉,系统体积得到进一步精简,效率得到进一步的提升。

由于微燃机的技术特点,带来了非常多的优势:第一个就是燃料适应性好,这个是燃气轮机通用的优点;第二个是可靠性高,一般现在微燃机寿命做到了八万小时以上的寿命,如果使用空气轴承,整个系统没有润滑系统,基本上可以做到日常的免维护;第三是环境友好,NOX排放非常低,可以做到9pmm以内,噪声控制在70分贝以内;第四是使用方便,微燃机体积小重量轻,移动性非常好,而且可扩展性好,再叠加一些物联网技术,可以实现远程监控,无人值守。

由于微燃机的特点和优点,作为分布式供能系统的核心动力装备具有非常广阔的潜在应用前景。

微燃机在分布式供能领域应用的思考

1,基于微燃机的泛能应用

对于供能系统,核心设备本身的技术先进性仅仅是一个方面,而客户往往更关注的不一定是技术的先进,其核心还是供能系统是否满足客户的需求。所以在做分布式供能项目过程中,第一个原则就是以需求侧为牵引,因地制宜,满足客户的需求;第二个原则就是实现能源梯级利用,这样才能保证整个系统具有比较高的综合能效,才会带来一个比较好的经济性。而微燃机是实现以上两个原则的分布式供能系统的理想核心装备。

2,拓展微燃机供能场景

大家在进行产品路线时,就基于满足客户需求做了几种考量。第一就是把回热器做成了外置,具有方便的拆装灵活性。安装上回热器,形成一个回热循环机组,系统具有比较高的发电效率;如果拆掉回热器,则形成简单循环机组,系统具有比较高的排烟温度,可以去做热电联产。通常说的热电联产都是较大规模的机组做的,但实际上市场中有非常多的小微工厂,其生产过程中也有蒸汽的需求,但需求量比较少,一般每小时1吨、2吨这样的量级。利用去掉回热器的简单循环微燃机,后面接上小的余热利用设备,组成小型热电联产,为企业提供热能及电能。

热电联产的场景主要又分两种,一种是客户有蒸汽和热水需求的,大家现在给他利用的方式就是用微燃机加余热锅炉,一方面燃机本身的污染排放少,具有良好的环保特性;另一方面为企业补充一部分电力之后,还可以节省一部分电力容量。另一种场景是客户用热不是去产生蒸汽,而是直接用高温烟气做一些烘干,比如说家具厂,这样拿微燃机的高温烟气直接进入客户设备,烘干产品,也是可以达到85%以上的综合能效。

3,技术升级,提升燃机性能,降低设备及用能成本

客户对设备性能的追求永无止境,燃机效率越高,也意味着燃料消耗越低,客户的用能成本也越低。所以在第一代100千瓦微燃机(E135)研发初步定型的同时,新奥动力就启动了新一代技术升级产品的研发,首先攻克了高速电机技术,取消了第一代产品中的齿轮箱和启动电机,功率提升了11%,体积和重量大幅降低,系统精简,形成第二代产品(E150R),目前已开始进行示范应用;同步进行空气轴承技术研发,完全采用空气轴承的第三代机组已完成核心机定型,即将进行项目示范。

4,热电比例可调,提升运行效率,降低用能成本

在实际的生产过程中,客户的负荷是很难一直保持在稳定的较高水平的状态。下面是一个真实的客户负荷图,从图中可以看到,负荷波动非常剧烈,黄色是蒸汽负荷,蓝色是电负荷。大家的微燃机供能系统主要满足蒸汽负荷要求,在刚开始的方案中,当蒸汽波动的时候,微燃机必须跟着调整发电功率,由于燃机在部分负荷下效率相对来说比较低,导致整个系统综合能效也比较低,经济性不理想;如果采用回热可调方案,利用回热器,任何工况下都保证燃机的发电功率在最大状态,只是通过回热器调整排烟温度来调整客户蒸汽负荷。以下对照表是拿300千瓦微燃机做的分析,如果烟气焓从额定工况降到1300kWh,对比回热可调方案(a)和燃机降功率方案(b),两种方案燃气差了16.78Nm3,而发电差了141.82千瓦,也就是相当于用16.78 Nm3的燃气发出了141.8千瓦的电,当然往下调的余热的量越小,边际发电效益体现的越明显,对于这种小型供能系统,效果非常可观。

5,深度定制,因地制宜匹配客户资源禀赋

分布式供能领域,除了天然气市场之外,还有庞大的非常规气体市场。大家现在接触的过程气体项目就有17个,其中包括碳黑尾气、焦炉煤气、黄磷尾气等;此外,还有生物质气项目,油田伴生气项目,沼气项目等。而各式各样的气体,组分和热值千差万别,下图右边统计了燃料热值范围,基本上每个热值段都有气体的分布,所以针对这些非常规气体必须做深度的定制。

6,微型燃气轮机应用前景广阔,大有可为

微燃机由于本身的技术特点和优点,具有非常广泛的应用场景。如用在工业园区,以热电联产为主,他有蒸汽需求,或者直接利用高温烟气烘干的需求;还可以用在商业公建里面,做冷热电联供;还有中低热值气体利用市场,以及石油煤矿天然气行业等。微燃机的应用前景非常广阔,但是需要具备对燃机深度定制的技术能力,未来市场大有可为。

(燃气轮机聚焦)

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