200kW微型燃機技術(shù)開發(fā)可行性分析 及開發(fā)規(guī)劃

1、200kw微型燃機技術(shù)開發(fā)可行性分析及開發(fā)規(guī)劃目 錄1. 背景11.1 微型燃機概述11.1.1 定義11.1.2 特點21.1.3 我國應(yīng)用前景21.2 國外概況31.3 國內(nèi)概況52. 目標(biāo)機選擇62.1 國內(nèi)市場機型62.2 目標(biāo)機選擇分析62.3 目標(biāo)機指標(biāo)83. 目標(biāo)機開發(fā)的技術(shù)路線93.1 技術(shù)路線規(guī)劃93.2 核心技術(shù)103.2.1 離心式壓氣機103.2.2 向心渦輪103.2.3 燃燒室113.2.4 回?zé)崞?13.2.5 軸承113.2.6 核心部件工藝113.2.7 控制和電力變換系統(tǒng)123.3 重點突破技術(shù)123.3.1 總體設(shè)計基礎(chǔ)薄弱123.3.2 高轉(zhuǎn)速氣動軸承1

2、23.3.3 高性能緊湊式回?zé)崞?34. 微型燃機產(chǎn)品開發(fā)路線134.1 方針134.2 規(guī)劃134.2.1 技術(shù)路線134.2.2 合作路線145. 總結(jié)161. 背景分布式供能主要指分布式供電及冷熱電聯(lián)供，是相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言的，是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電、熱或（和）冷能的系統(tǒng)。當(dāng)今的分布式供電方式主要是指燃用液體或氣體燃料的微型燃?xì)廨啓C、各種工程用的燃料電池和內(nèi)燃機。隨著微型燃?xì)廨啓C技術(shù)的不斷完善，微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組已成為分布式供電的主力。近幾年來，全球范圍內(nèi)1mw以下的微型燃?xì)廨啓C系統(tǒng)的研究和開發(fā)及市場銷售成為一個熱點。1.1 微型燃

3、機概述1.1.1 定義微型燃?xì)廨啓C是一種新發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動機，其單機功率范圍為25300kw，主要由壓氣機、燃燒室、渦輪、回?zé)崞?、發(fā)電機及電子控制部分組成，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料。基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機械（離心式壓氣機和向心式渦輪），在轉(zhuǎn)子上兩種葉輪為背靠背結(jié)構(gòu)，應(yīng)用高效板式回?zé)崞鳎蠖鄶?shù)機組采用氣動軸承，無需潤滑油系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C和發(fā)電機設(shè)計成一體，高速交流發(fā)電機和微型燃?xì)廨啓C同軸，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小重量輕。圖1.1 微型燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)1.1.2 特點（1）環(huán)保，超低排放nox，不高于9ppm。（2）壽命長，首次維修時間可在8000h以上，日常維護工作量少。（3）移動性好

4、，重量輕，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，易拆卸。（4）可靠性高，運動部件少，故障率低，內(nèi)置式保護與診斷監(jiān)控系統(tǒng)，提供了預(yù)先排除故障的手段，在線維護簡單。而且，發(fā)電機組多采用氣動軸承和空氣冷卻，無需更換機油和冷卻介質(zhì)。（5）噪聲小，排汽溫度低，紅外輻射小。（6）負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣，單機能夠在0100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)荷，且具有多模塊集成組合特征，支持負(fù)荷特性智能調(diào)節(jié)運行。（7）燃料多樣化，能夠燃用多種液體、氣體然燃料，甚至含硫比例高達(dá)7%的酸性氣體。（8）輸配電損失小，因通常設(shè)置在用戶端，輸配電損失低，用戶自主控制程度高。1.1.3 我國應(yīng)用前景國內(nèi)微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組的主要潛在應(yīng)用市場：建筑樓宇、小區(qū)、醫(yī)院、車站、機

5、場、金融、信息中心等國家重要設(shè)施；化工、木材加工、紡織等工藝用電、用熱、用冷場所；邊防基地、軍事設(shè)施等國防部門；西部邊遠(yuǎn)地區(qū)及其他缺點地區(qū)、用電安全性要求高的地方供電；城市垃圾處理場沼氣發(fā)電；通過模塊式組裝的微型燃?xì)廨啓C群體中型電站；與燃料電池等先進技術(shù)聯(lián)合發(fā)展下一代能源系統(tǒng)?？傮w來講，微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組與分布式熱冷電聯(lián)供能源系統(tǒng)的市場需求密不可分。我國非常重視熱電聯(lián)供事業(yè)的發(fā)展，2010年4月，國家能源局在國家能源局關(guān)于對發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見征求意見的函指出，到2015年，我國擬建設(shè)1000個天然氣分布式能源項目；到2020年，在全國規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機容量達(dá)

6、到5000104 kw，并擬建設(shè)10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。國家還將在財稅和金融等方面專門出臺相關(guān)的扶持政策，并考慮在電價補貼、接入系統(tǒng)投資、節(jié)能獎勵等方面給予優(yōu)惠政策，制定和完善行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和并網(wǎng)運行管理體系，從而推動智能電網(wǎng)建設(shè)。2011年10月，國家發(fā)改委等四部委發(fā)布了關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見（發(fā)改能源20112196號）。該意見明確指出：推動天然氣分布式能源，具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。天然氣分布式能源節(jié)能減排效果明顯，可以優(yōu)化天然氣利用，并能發(fā)揮對電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的雙重削峰填谷作用，增加能源供應(yīng)安全性。目前，我國天然氣供應(yīng)日趨增加，智能電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，專

7、業(yè)化服務(wù)公司方興未艾，天然氣分布式能源在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。我國對分布式能源系統(tǒng)的研究應(yīng)用起步較晚，目前正處于探索、試點階段。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國分布式能源站總裝機容量約500104 kw，分布式能源站裝機容量在我國的分布情況見表1.1。表1.1 各地區(qū)分布式能源站裝機容量（2013年統(tǒng)計）地 區(qū)已投產(chǎn)即將投產(chǎn)（kw）上海市0.901041.11104北京市90.4110491.43104廣東省216.33104225.09104四川省10.6810413.20104其他地區(qū)152.00104164.50104隨著國家對天然氣分布式能源系統(tǒng)鼓勵支持政策的逐步明朗，近期以5家發(fā)電集團為

8、代表的大型央企開始快速布局。中國華電集團近50個前期項目正積極推動；中國電力投資集團開發(fā)了珠海橫琴島、上海高培中心等項目；中國華能集團開發(fā)了惠州東江高新區(qū)等項目；中國大唐集團開發(fā)了四川廣元等項目；中國國電集團正在開發(fā)深圳、舟山等項目。其他一些大型企業(yè)如中國海油等也在積極籌備，成立專門公司進軍天然氣分布式能源系統(tǒng)。由此可見，微型燃?xì)廨啓C必將借助分布式能源大力發(fā)展的契機在國內(nèi)燃?xì)廨啓C市場占有一席之地。1.2 國外概況微型燃?xì)廨啓C作為一類新型的小型分布式能源系統(tǒng)和電源裝置的發(fā)展歷史較短，現(xiàn)已有多家公司研制和生產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C，主要集中在北美、瑞典和英國。（1）凱普斯通capstone凱普斯通公司于90

9、年代初開始開發(fā)微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機元件，1994年研制成24kw樣機，1996年小批量生產(chǎn)了37臺樣機供現(xiàn)場試驗。1997年30kw樣機進行現(xiàn)場試驗，之后又推出60kw發(fā)電機組和45kw車用機組。2000年左右生產(chǎn)出125200kw機組。（2）英格索蘭ingersoll rand英格索蘭公司生產(chǎn)的是powerworks系列的微型燃?xì)廨啓C，功率范圍是30200kw，這一系列的微型燃?xì)廨啓C開發(fā)項目始于80年代初，是由nrec的能源系統(tǒng)業(yè)務(wù)部主持開發(fā)的。1999年投入小批量生產(chǎn)。（3）聯(lián)信allied signal聯(lián)信公司從1998年底開始生產(chǎn)75kw微型燃?xì)廨啓C，1999年開始批量生產(chǎn)。（4）易利達(dá)

10、elliot易利達(dá)公司開發(fā)了3種微型燃?xì)廨啓C，功率分別為45kw、80kw和200kw，最大功率計劃為500kw。（5）寶曼bowman寶曼公司是1994年成立的一家英國公司，起初將易利達(dá)公司的微型燃?xì)廨啓C成套后銷售到歐洲市場，其中的高速發(fā)電機和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是由寶曼公司設(shè)計和制造的。1999年開始自主設(shè)計和生產(chǎn)功率分別為45kw、60kw、80kw和200kw的微型燃?xì)廨啓C，未來會將功率范圍擴展到500kw。（6）turbecturbec公司是1998年成立的一家瑞典公司，其第一個產(chǎn)品是100kw機組，2000年投放市場。之后模化了40kw的機組。（7）普惠（加拿大）p&w canada普惠（

11、加拿大）公司基于pw6xx航空發(fā)動機技術(shù)，開發(fā)了st5系列微型燃?xì)廨啓C，功率范圍是250600kw，比目前市場上多數(shù)微型燃?xì)廨啓C的功率要大。目前，國際上微型燃?xì)廨啓C的先進技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)主要集中在北美、歐洲和日本，針對微型燃?xì)廨啓C的未來發(fā)展，各地區(qū)都制訂了相應(yīng)的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，以期在未來的分布式能源市場中搶占先機。美國能源部在“version21”中，計劃到2015年，將以煤為燃料的系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)效率提高到60以上，以天然氣為燃料的系統(tǒng)效率提高到75以上，sox和nox的排放接近于0。燃料電池以及燃料電池燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)以其高效、低排放的突出優(yōu)點為達(dá)到這個目標(biāo)提供了可能和保證。日本的多家公司都在

12、積極開發(fā)不同功率等級的高效率微型燃?xì)廨啓C產(chǎn)品，其陶瓷燃?xì)廨啓C開發(fā)計劃也是以節(jié)能和環(huán)保為目標(biāo)，主要發(fā)展過程經(jīng)歷了900的金屬渦輪、1200的陶瓷渦輪、1350的陶瓷渦輪三個階段，并正在向工程實用化方向發(fā)展。目前歐共體研發(fā)微型燃?xì)廨啓C的基本方向是燃料電池與微型燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)技術(shù)、低nox技術(shù)、適應(yīng)多種燃料的微型燃?xì)廨啓C技術(shù)。歐共體各國開展了多項研發(fā)計劃，如：高效微型燃?xì)廨啓C能源系統(tǒng)計劃：該計劃旨在調(diào)查基于電功率在20kw至200kw的微型燃?xì)廨啓C熱電聯(lián)產(chǎn)機組潛在市場，從技術(shù)經(jīng)濟的角度與其他形式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行對比。高效聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)計劃：該計劃旨在研發(fā)高效部件如內(nèi)冷帶回?zé)崞鞯?50kw燃?xì)廨啓C機

13、組。生物質(zhì)能燃?xì)廨啓C計劃：該計劃旨在研究生物燃料在微型燃?xì)廨啓C應(yīng)用的前景。汽車用先進燃?xì)廨啓C計劃：該計劃以觸媒燃燒器、向心式陶瓷渦輪、熱交換器為主要發(fā)展方向。在燃料電池與微型燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)技術(shù)發(fā)展方面，高溫燃料電池燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)的主要發(fā)展方向是以固體氧化物燃料電池為基礎(chǔ)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。由于固體氧化物燃料電池電解質(zhì)是固體，可以設(shè)計成不同幾何結(jié)構(gòu)、可以承受更大的工作壓力，其使用壽命長、輸出功率范圍廣，而且可以與燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機組成更大的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于未來集中式大功率發(fā)電，所以固體氧化物燃料電池自2000年以后得到了各國更多的重視和發(fā)展。目前世界各研究機構(gòu)和廠商進行商業(yè)化應(yīng)用研究方向主要是

14、固體氧化物燃料電池燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)，并朝著輸出功率更大的方向發(fā)展。因此我國開展高溫燃料電池燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)該首先從固體氧化物燃料電池和微型燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)混合系統(tǒng)開始。1.3 國內(nèi)概況我國的微型燃?xì)廨啓C大力研制主要借助“十五”期間開展的863計劃專項“l(fā)00kw級微型燃?xì)廨啓C研制”課題的推動。通過哈爾濱東安發(fā)動機有限公司、中科院工程熱物理所和西安交通大學(xué)等多家單位的聯(lián)合研發(fā)，已經(jīng)設(shè)計和制造了高速渦輪試驗臺、壓氣機試驗臺、小型燃燒室高溫進氣試驗臺、箔片式氣體動壓軸承試驗臺、高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗臺、原表面回?zé)崞髟囼炁_、變頻系統(tǒng)試驗臺、高速永磁電機試驗臺、整機平衡試驗臺以及微型燃?xì)廨啓C熱電聯(lián)供試驗

15、臺等裝置，并完成了核心部件的研發(fā)和性能試驗工作，獲取了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)研制要求進行了性能優(yōu)化設(shè)計。完成了l00kw微型燃?xì)廨啓C驗證機的設(shè)計和制造，正在進行整機測試工作。除參與國家863計劃的各單位之外，我國燃?xì)廨啓C研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的其他高校研究所和企業(yè)也都不失時機地開展了微型燃?xì)廨啓C相關(guān)產(chǎn)品的研制工作。中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司正在進行功率為95kw的微型燃?xì)廨啓C研制，其壓氣機、渦輪選用j80渦輪增壓器葉輪。中國航空動力機械研究所（608所）測繪仿制了俄羅斯產(chǎn)75kw軍用微型燃?xì)廨啓C機組，研制工作已通過交付驗收。上海交通大學(xué)和上海理工大學(xué)建成以微型燃?xì)廨啓C為核心的能源島供

16、能系統(tǒng)試驗研究基地。2. 目標(biāo)機選擇2.1 國內(nèi)市場機型目前，國內(nèi)市場上使用的微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組幾乎均為國外進口，大多使用在分布式熱（冷）電聯(lián)供系統(tǒng)中。2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，進入中國市場的微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組品牌主要為凱普斯通（capstone）、turbec和英格索蘭（ingersoll rand）。其中凱普斯通（capstone）微型燃機屬于量產(chǎn)設(shè)備，國內(nèi)應(yīng)用近200臺；turbec國內(nèi)應(yīng)用約3臺；英格索蘭（ingersoll rand）mt250機型國內(nèi)應(yīng)用約10臺，目前已被flex energy能源公司收購。國內(nèi)市場以上三種品牌機型統(tǒng)計詳見表2.1。表2.1 各品牌微型燃?xì)廨啓C發(fā)電

17、機組機型統(tǒng)計品牌型號功率kw頻率hz電壓v效率%capstonec303050400-48026c656550400-48029ta10010050/60400/48029c20020050400-48033c60060050400-48033c80080050400-48033c1000100050400-48033turbect10010050/6040030flex energymt25025050/60400/48030除以上三家進入中國市場的微型燃?xì)廨啓C供應(yīng)商外，國際知名微型燃?xì)廨啓C供應(yīng)商還包括聯(lián)信（allied signal）、易利達(dá)（elliot）、nrec、寶曼（bowman）

18、、ge、霍尼韋爾（honeywell）。目前，這些公司都有30200kw不同發(fā)電功率等級的微型燃?xì)廨啓C產(chǎn)品。2.2 目標(biāo)機選擇分析綜合對比各公司的機型發(fā)現(xiàn)，在30100kw功率等級范圍內(nèi)，各公司都有多款不同功率的微型燃?xì)廨啓C產(chǎn)品，而且功率等級間隔小，機型密集，如30kw、35kw、40kw、50kw、60kw、65kw、75kw、80kw、100kw都有對應(yīng)的產(chǎn)品，而在100300kw功率等級范圍內(nèi)，可能出于聯(lián)網(wǎng)布局靈活性的考慮，各公司微型燃?xì)廨啓C大功率機型很少，主要集中在200kw左右，但是隨著分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大功率微型燃?xì)廨啓C的需求可能會有所增加，而且單臺大功率微型燃?xì)廨啓C的建設(shè)成本

19、也要低于多臺小功率微型燃?xì)廨啓C聯(lián)網(wǎng)，這也是大功率微型燃?xì)廨啓C的優(yōu)勢。 （a）c200 （b）c600（或c800、c1000）圖2.1 capstone微型燃?xì)廨啓Cc200c1000從現(xiàn)階段國內(nèi)市場的微型燃?xì)廨啓C數(shù)量和型號來看，凱普斯通（capstone）占據(jù)了絕對高的市場份額而且機型多樣，表2.1和相關(guān)資料表明，凱普斯通（capstone）單機最大功率為200kw（型號：c200），功率600kw、800kw和1000kw是以200kw的c200機型為單元模塊的并聯(lián)運行組合機型，如圖2.1。我國在“十五”期間863燃?xì)廨啓C專項計劃中提出的微型燃?xì)廨啓C功率為100kw，整機指標(biāo)見表2.2。目前

20、，哈爾濱東安發(fā)動機有限公司、西安交通大學(xué)、中科院工程熱物理研究所、上海交通大學(xué)等國內(nèi)企業(yè)、院校和研究所正在聯(lián)合研發(fā)100kw微型燃?xì)廨啓C，已經(jīng)進入樣機試驗階段，預(yù)計將會填補國內(nèi)100kw功率等級的微型燃?xì)廨啓C市場。表2.2 “十五”期間863微型燃?xì)廨啓C整機指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)功率效率排放噪聲運行工藝100kw本體發(fā)電帶回?zé)?9%熱電聯(lián)供80%燃用天然氣9ppm燃用輕柴油35ppm65 db（10m）連續(xù)400h小批量生產(chǎn)經(jīng)濟指標(biāo)：不低于國際市場2000年的水平綜合目前對國內(nèi)外微型燃?xì)廨啓C機型的分析認(rèn)為，100kw以下的微型燃?xì)廨啓C機型多樣、技術(shù)成熟、競爭激烈；100kw左右的微型燃?xì)廨啓C在國家項目支

21、持下正處于國產(chǎn)化后期，研發(fā)、設(shè)計和加工工藝等方面已有基礎(chǔ)，未來市場定位明確；100kw以上的微型燃?xì)廨啓C機型相對較少，結(jié)合單機大功率建設(shè)成本優(yōu)勢、市場差異化、避免與國家項目重復(fù)投資等因素，將未來所要研發(fā)的微型燃?xì)廨啓C功率等級定在200kw，目標(biāo)機型定為凱普斯通（capstone）c200。2.3 目標(biāo)機指標(biāo)微型燃?xì)廨啓C目標(biāo)機以凱普斯通（capstone）c200機型為參考，具體技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)見表2.3。表2.3 200kw微型燃?xì)廨啓C整機指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)1. 發(fā)電性能指標(biāo)參數(shù)功率效率頻率電壓相位運行指標(biāo)200kw本體發(fā)電帶回?zé)?3%熱電聯(lián)供80%50hz400480v三相四線單機或聯(lián)網(wǎng)2. 燃?xì)獍l(fā)

22、生器性能指標(biāo)參數(shù)壓比燃料渦輪進口渦輪出口回?zé)岢隹谥笜?biāo)4 : 1天然氣柴油1143k913k553k參數(shù)轉(zhuǎn)速噪聲壽命形式nox排放指標(biāo)45000rpm65 db（10m）40000h單軸燃用天然氣9ppm燃用輕柴油35ppm經(jīng)濟指標(biāo)： 不低于國際市場2010年的水平下表我公司樣機量產(chǎn)后預(yù)計價格及凱普斯通公司主要相關(guān)產(chǎn)品的價格，供以后市場考察參考。表2.4 樣機主要經(jīng)濟指標(biāo)（人民幣）樣機c30c65ta100c200萬元/臺63-6711-1224.2-25.540-41.570-74元/千瓦3150-33503900-42003700-39504000-41503500-37003. 目標(biāo)機開發(fā)

23、的技術(shù)路線3.1 技術(shù)路線規(guī)劃技術(shù)路線規(guī)劃以設(shè)計路線為主，試驗和合作部分相并行。首先，根據(jù)參考機型選定目標(biāo)機參數(shù)，進行總體設(shè)計；以四大核心部件（壓氣機、燃燒室、渦輪和回?zé)崞鳎┑脑O(shè)計為先導(dǎo)，之后對關(guān)鍵技術(shù)逐一突破，調(diào)節(jié)和控制等外圍系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)計，最終完成整機匹配。在設(shè)計的同時，同期開展整機和核心部件試驗臺建設(shè)，為樣機試驗做好準(zhǔn)備。在技術(shù)路線發(fā)展的過程中，不失時機地廣泛開展國內(nèi)國際合作，加快我公司自主研發(fā)微型燃?xì)廨啓C的進度。在典型樣機研制成功后，進入產(chǎn)品系列化階段。技術(shù)路線規(guī)劃如圖3.1所示。圖3.1 技術(shù)路線規(guī)劃3.2 核心技術(shù)目前，我國微型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組研發(fā)與國外相比還存在較大的差距，但已有相

24、對較好的技術(shù)儲備和工作基礎(chǔ)。特別是從“十五”開始，國內(nèi)對發(fā)展微型燃?xì)廨啓C技術(shù)逐漸重視，國家863計劃提出了微型燃?xì)廨啓C專項，由哈爾濱東安發(fā)動機有限公司、中科院工程熱物理所和西安交通大學(xué)等單位聯(lián)合研制100kw微型燃?xì)廨啓C，大力推動了國內(nèi)微型燃?xì)廨啓C的研發(fā)。在“十五”研發(fā)工作的基礎(chǔ)上，“十一五”規(guī)劃中又提出攻克100kw級微型燃?xì)廨啓C及發(fā)電機組關(guān)鍵技術(shù)，主要開展氣動軸承及其耐溫涂層關(guān)鍵材料、核心部件延壽及提高整機可靠性、高效緊湊式回?zé)崞骷案咚儆来烹姍C、微型燃機發(fā)電機組的優(yōu)化設(shè)計與集成技術(shù)、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)匹配技術(shù)和工程試驗、特種用途微型燃機移動發(fā)電機組、微型燃機與燃料電池混合循環(huán)發(fā)電技術(shù)等幾項關(guān)鍵

25、技術(shù)研究?！笆濉逼陂g，我國仍著重發(fā)展微型燃?xì)廨啓C技術(shù)，針對“十一五”期間研發(fā)的典型機組，全力解決小型化、可靠性、長壽命、多燃料低污染燃燒、高效緊湊換熱器和高溫高強度材料等尚未完全突破的關(guān)鍵技術(shù)。100kw微型燃?xì)廨啓C是我國首次開展擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的微型燃機研發(fā)專項課題，其進展程度代表了現(xiàn)階段國內(nèi)微型燃機的發(fā)展水平，在其整個研發(fā)過程中所取得的成果、積累的經(jīng)驗和遇到的問題都對我公司研發(fā)200kw微型燃機具有極其重要的借鑒價值。由此，在我公司200kw微型燃機的研發(fā)技術(shù)分析中，特別關(guān)注了當(dāng)前100kw微型燃機課題的進展情況，以此作為未來200kw微型燃機研發(fā)的基礎(chǔ)和瓶頸預(yù)測。3.2.1 離心

26、式壓氣機微型燃?xì)廨啓C主要采用離心式壓氣機，壓比多在3.04.0之間，在滿足高效率的同時，還要拓寬高效區(qū)范圍和穩(wěn)定工作區(qū)范圍。盡量采用全三維氣動計算方法設(shè)計葉輪及通流部分，壓氣機樣機需經(jīng)過全參數(shù)氣動試驗。作為100kw微型燃?xì)廨啓C的核心部件之一，離心式壓氣機的設(shè)計和試驗工作從“十五”微型燃?xì)廨啓C專項立項后便由西安交通大學(xué)和中科院工程熱物理研究所共同承擔(dān)。目前，壓氣機的研發(fā)工作進展順利，成功解決了多項技術(shù)問題，已經(jīng)研制出滿足100kw微型燃機的壓氣機，并通過了整機性能試驗測試，達(dá)到既定目標(biāo)。3.2.2 向心渦輪微型燃?xì)廨啓C主要采用向心渦輪。其葉輪成型采用先進全三維設(shè)計技術(shù)，出力滿足設(shè)計要求。葉輪采

27、用高溫合金材料，并采用耐高溫涂層和新型密封技術(shù)。渦輪需進行全參數(shù)氣動試驗，進行調(diào)整和改進。100kw微型燃機的向心渦輪研發(fā)由西安交通大學(xué)承擔(dān)，現(xiàn)已完成了葉輪氣動、強度及重量綜合優(yōu)化設(shè)計，建立了向心渦輪氣動性能試驗系統(tǒng)，完成了渦輪性能試驗，結(jié)果達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，滿足設(shè)計要求。3.2.3 燃燒室燃燒室能兼燒氣體燃料和輕質(zhì)液體燃料，火焰筒壁面不超溫，污染物排放不超標(biāo)。燃燒室經(jīng)過全工況熱態(tài)試驗。100kw微型燃機的燃燒室研發(fā)由中科院工程熱物理研究所承擔(dān)，現(xiàn)已完成全部的設(shè)計和試驗工作（點火試驗、燃燒特性試驗、甩負(fù)荷試驗和空載試驗），燃燒效率、總壓恢復(fù)系數(shù)和nox排放等指標(biāo)都已滿足要求，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。3.2.

28、4 回?zé)崞鞑捎酶邠Q熱系數(shù)、低流動損失的板翅式或三元無定向翅片管回?zé)崞髟O(shè)計計算技術(shù)，并達(dá)到最小容積和流阻，回?zé)崞骶哂辛己玫目蛊?、防泄漏和防沾污性能?；責(zé)岫瓤勺円赃m應(yīng)分布式熱（冷）電聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷變化需要。100kw微型燃機的回?zé)崞饔晌靼步煌ù髮W(xué)和中科院工程熱物理研究所共同承擔(dān)，現(xiàn)階段已完成整機和部件冷態(tài)阻力測試試驗和部件熱態(tài)試驗，結(jié)果部分滿足設(shè)計要求，但是在總壓損失、焊接工藝、緊湊性和小型化等方面仍需要進一步優(yōu)化。回?zé)崞餮邪l(fā)仍是100kw微型燃機在“十二五”期間亟待解決的問題之一。3.2.5 軸承主要包括氣膜軸承動力特性、氣膜厚度、氣膜穩(wěn)定性和測試技術(shù)。目前，國際先進微型燃機都采用氣動軸承軸系，

29、但是該種軸承的多項技術(shù)對我國進行封鎖。100kw微型燃機的軸承研發(fā)由西安交通大學(xué)和中國航空動力機械研究所共同承擔(dān)，在該項技術(shù)問題上采用了兩種軸承軸系，即滾動軸承軸系和氣動軸承軸系。兩種軸承軸系均已完成試驗臺的搭建，試驗結(jié)果表明，現(xiàn)階段滾動軸承軸系能夠在額定轉(zhuǎn)速45000r/min下帶載穩(wěn)定運行，高速動平衡試驗中的彈支應(yīng)變、轉(zhuǎn)子位移、軸承溫度和支座振動等參數(shù)均遠(yuǎn)小于限制值；氣動軸承軸系未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速16000rpm，主要問題集中在箔片和聯(lián)軸器振動方面。氣動軸承軸系的研發(fā)仍是100kw微型燃機在“十二五”期間亟待解決的問題之一。3.2.6 核心部件工藝包括壓氣機、渦輪機加工成型技術(shù)，燃燒

30、室激光切割、等離子焊接技術(shù)、高溫部件熱障材料噴涂工藝，回?zé)崞鞅“暹B續(xù)焊接工藝等。100kw微型燃機核心部件工藝由哈爾濱東安發(fā)動機有限公司承擔(dān)，從核心部件的試驗結(jié)果來看，壓氣機、渦輪和燃燒室的制造工藝基本達(dá)到100kw微型燃機需求，但是在回?zé)崞骱附庸に嚪矫嫒源嬖趩栴}，試驗過程中發(fā)生內(nèi)部泄漏；同時，在渦輪應(yīng)用高溫高強度材料方面有待改善和提高。3.2.7 控制和電力變換系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括控制策略和控制器（軟件和硬件）的研制，制定控制參數(shù)和保護參數(shù)值，實現(xiàn)運行控制和系統(tǒng)保護，滿足系統(tǒng)控制的各項要求。電力變換系統(tǒng)受電力控制系統(tǒng)的控制。100kw微型燃機的控制和電力變換系統(tǒng)由哈爾濱東安發(fā)動機有限公司承擔(dān)，控

31、制系統(tǒng)現(xiàn)已完成與整機聯(lián)調(diào)，結(jié)果滿足要求。電力變換系統(tǒng)已完成試驗室試驗，正在進行安裝調(diào)試。3.3 重點突破技術(shù)國內(nèi)二十多年來，對微型燃機進行了比較系統(tǒng)的研發(fā)工作，發(fā)展了一整套設(shè)計理論和方法，提出了新型的設(shè)計，建立了具有世界先進水平的實驗和加工設(shè)備，取得了很好的研究業(yè)績，具有很好的技術(shù)儲備和研發(fā)特色，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過再努力完全有可能達(dá)到國際水平。但是，現(xiàn)階段仍存在較大的差距。通過對國家863計劃提出的100kw微型燃機研制現(xiàn)狀的分析認(rèn)為，我公司200kw微型燃機研發(fā)仍將面對的主要技術(shù)難題包括總體設(shè)計基礎(chǔ)薄弱、高轉(zhuǎn)速空氣軸承和高性能緊湊式回?zé)崞鳌?.3.1 總體設(shè)計基礎(chǔ)薄弱總體設(shè)計技術(shù)主要包括兩個方面

32、，即性能總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。其中，性能總體設(shè)計針對整機總體方案、節(jié)點參數(shù)和全工況性能；壓氣機、燃燒室、渦輪及回?zé)崞鞯群诵牟考臒崃?shù)匹配和最優(yōu)化技術(shù)；旋轉(zhuǎn)部件軸系穩(wěn)定性；高效減噪音技術(shù)等。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計針對緊湊、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計；進排汽系統(tǒng)設(shè)計；外形設(shè)計；整套發(fā)電系統(tǒng)控制核心裝置設(shè)計等。目前，我國的100kw微型燃機尚處于樣機試驗階段，距產(chǎn)品化還有一定差距，除各部件性能考慮了總體匹配外，其他很多問題尚缺乏總體設(shè)計意識，而這部分技術(shù)問題可能是100kw微型燃機未來產(chǎn)品化過程中即將面對的難點之一。我公司200kw微型燃機研發(fā)和產(chǎn)品化同樣面對總體設(shè)計經(jīng)驗不足的問題。3.3.2 高轉(zhuǎn)速氣動軸承目前，

33、我國針對100kw微型燃機自主研發(fā)的氣動軸承所能承受的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)，尚不能滿足100kw功率等級的微型燃機。所以，我公司200kw微型燃機研發(fā)和產(chǎn)品化受現(xiàn)階段國內(nèi)高轉(zhuǎn)速氣動軸承整體研發(fā)水平的限制，仍是需要重點突破的技術(shù)難題。3.3.3 高性能緊湊式回?zé)崞魑⑿腿紮C的回?zé)崞鞑牧媳仨氝x擇不銹鋼做基體，結(jié)構(gòu)上選擇板翅或原表面的高效緊湊式。目前，我國對不銹鋼板翅式和原表面式回?zé)崞骶囱兄瞥鲞m合微型燃機使用的成熟產(chǎn)品。100kw微型燃機的回?zé)崞鳂訖C體積龐大，其換熱性能遠(yuǎn)不滿足微型燃機的需求，而且在加工制造工藝方面仍難以保證回?zé)崞鞯男阅?。所以，高性能緊湊式回?zé)崞魅允俏覈⑿腿紮C發(fā)展的瓶頸之一，也是我公

34、司200kw微型燃機研發(fā)和產(chǎn)品化的瓶頸。4. 微型燃機產(chǎn)品開發(fā)路線基于對微型燃?xì)廨啓C應(yīng)用背景的認(rèn)識、市場機型的對比和研發(fā)技術(shù)的分析，我公司200kw微型燃?xì)廨啓C以凱普斯通（capstone）c200機型為藍(lán)本，在研發(fā)條件具備時，可遵循本節(jié)草擬的開發(fā)路線開展工作。4.1 方針（1）以國內(nèi)微型燃機研發(fā)技術(shù)水平為基礎(chǔ)，充分借鑒當(dāng)前微型燃機的研發(fā)經(jīng)驗，與國內(nèi)具備微型燃機研發(fā)力量的高校、研究所和企業(yè)廣泛合作，在短期內(nèi)初步構(gòu)建起我公司自己的微型燃機研發(fā)平臺，為加快今后微型燃機產(chǎn)品開發(fā)速度提供必要的條件。（2）以培養(yǎng)微型燃機研發(fā)隊伍為先導(dǎo)，逐步形成我公司自己的具備研發(fā)、設(shè)計、試驗、工藝和制造的微型燃機科研力

35、量，為自主研發(fā)和先進技術(shù)引進儲備人才。（3）以國際合作和技術(shù)引進為契機，通過合作學(xué)習(xí)優(yōu)秀設(shè)計理念和先進制造工藝，通過引進彌補短期無法突破的技術(shù)瓶頸，保障微型燃機研發(fā)進度，加快目標(biāo)機的成型和制造步伐，盡早達(dá)到國內(nèi)微型燃機整體研發(fā)水平。（4）以搶占市場份額為根本，不斷完善和優(yōu)化目標(biāo)機性能，先開發(fā)出一款完備的典型機型，投放市場，創(chuàng)造業(yè)績，與此同時，著手系列化產(chǎn)品的開發(fā)，豐富產(chǎn)品型號，拓寬適用范圍。4.2 規(guī)劃微型燃機的研發(fā)以五年（2015.012020.01）為規(guī)劃時限，分技術(shù)和合作兩條路線，兩條路線并行，最終達(dá)到目標(biāo)機的產(chǎn)品定型。4.2.1 技術(shù)路線（1）2015.012015.06（6個月）：微

36、型燃機核心技術(shù)學(xué)習(xí)和概念機設(shè)計。主要進行相關(guān)設(shè)計理論的補充學(xué)習(xí)和樣機各部件設(shè)計方案論證，完成概念機設(shè)計。（2）2015.072016.12（6個月）：微型燃機虛擬機設(shè)計和樣機初期設(shè)計。主要基于計算機仿真平臺將概念機設(shè)計實體化，進行性能匹配的計算、校核和改進，逐漸細(xì)化設(shè)計，將虛擬機設(shè)計過渡到樣機初期設(shè)計，完成樣機初期設(shè)計。（3）2016.012016.12（12個月）：樣機核心部件加工制造和試驗，完成樣機設(shè)計定型。（4）2017.012017.06（6個月）：定型樣機加工制造；配套輔助系統(tǒng)設(shè)計和外協(xié)。（5）2017.072017.12（6個月）：完成樣機的整機裝配、調(diào)試和試驗。（6）2018.012018.06（6個月）：完成樣機的優(yōu)化和產(chǎn)品機型結(jié)構(gòu)設(shè)計。（7）2018.072018.12（6個月）：生產(chǎn)產(chǎn)品機和試運行。（8）2019.01