1.前言

燃氣輪機是以氣體作為工質，將燃料燃燒時釋放出來的熱量轉變?yōu)橛杏霉Φ?、高速回轉的葉輪式動力機械。與目前其他普遍應用的動力裝置相比，燃氣輪機的主要優(yōu)點是重量輕和體積小，此外還具有設備簡單、可不用水和起動加速快的優(yōu)點。由于燃氣輪機所具有的顯著優(yōu)點以及較大的發(fā)展?jié)摿?，隨著技術的不斷發(fā)展，性能的不斷改進，具有廣闊的發(fā)展前景。

從容量上看，目前大中型燃氣輪機占市場主要份額，小型燃氣輪機以備用為主。隨著社會對電力供給的依賴日益加劇，對電網(wǎng)安全性的要求越來越高，分布式能源作為電網(wǎng)的補充，可以提高用戶用電的可靠性，因此開始引起廣泛的關注【1-3】。分布式能源是相對于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的，是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(數(shù)千瓦至50MW的小型模塊式)、分散式的方式布置在用戶附近。當今的分布式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的微型/小型燃氣輪機、內燃機、各種工程用的燃料電池以及可再生能源。

雖然可再生能源是取之無盡的潔凈能源，但是相對于化石能源而言，但其能源密度低，穩(wěn)定性較差，需要蓄能調節(jié)，長期穩(wěn)定運行困難，且由于技術不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經(jīng)濟性差;而化石能源的發(fā)電技術不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發(fā)電技術，化石能源是主要方向。小型/微型燃氣輪機由于環(huán)保、高效，而且便于能源的綜合利用，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到越來越廣泛的應用。

2.小型/微型燃氣輪機原理

燃氣輪機根據(jù)負荷容量分為大中型燃氣輪機、小型燃氣輪機和微型燃氣輪機：大于20000kW的屬于大中型燃氣輪機;而1000～20000kW的被稱為小型燃氣輪機;小于1000kW的則是微型燃氣輪機。小型和微型燃氣輪機與分布式能源密切相關，本文主要介紹這兩種形式的機組。

2.1微型燃氣輪機

微型燃氣輪機尚處于發(fā)展的初期，雖然有很多公司提供了產(chǎn)品，但目前的價格仍然比較昂貴，為800～1200$/kW。為了滿足低成本的要求，設計中均采用了盡可能簡單的布置形式：離心壓氣機、向心透平、直接驅動的高速空冷發(fā)電機、適用于多種燃料的燃燒室(傳統(tǒng)的或催化的)、緊湊高效的回熱器以及簡單的控制系統(tǒng)【4】。此外，為了支撐高速的電動機，空氣軸承被采用，從而消除了潤滑油泄漏的可能。

與大中型燃氣輪機的軸流式壓氣機和軸流式透平不同，微型燃氣輪機采用的離心壓氣機以及向心透平在比較小的尺寸時仍有相當高的空氣動力學效率，這是較小的葉片高度、雷諾數(shù)、較小的葉片頂部間隙等綜合作用的結果。由于微型燃氣輪機尺寸較小，葉片的冷卻十分困難，因此透平進口溫度完全取決于材料技術的發(fā)展。

由于透平進口溫度受到了很大的限制，目前對于簡單循環(huán)布置的微型燃氣輪機發(fā)電效率很難達到20%。為了改善微型燃氣輪機的性能，回熱器被采用，在這種情況下，發(fā)電效率可達30%甚至更高。預計到2010年，隨著陶瓷技術的發(fā)展，陶瓷可以在微型燃氣輪機的高溫部件上得到大量應用，微型燃氣輪機的發(fā)電效率可達50%。

微型燃氣輪機的轉速可達每分鐘幾萬轉甚至10多萬轉，遠高于大中型燃氣輪機。為了避免采用沉重、昂貴的減速箱，微型燃氣輪機采用了直接驅動的發(fā)電機，通過變頻裝置獲得所需的電流。大中型燃氣輪機的變工況通常采用定轉速調節(jié)的形式;而微型燃氣輪機可以考慮采用變轉速的形式，通過變頻裝置穩(wěn)定電力頻率的輸出【5】。

下表為一些微型燃氣輪機的性能參數(shù)：

從上表中可看到，目前的微型燃氣輪機的壓比在4.0左右，因此采用單級離心壓氣機即可。由于沒有葉片冷卻，透平進口溫度均在1000℃以下，明顯低于大中型燃氣輪機的溫度。由于壓比較低，透平的出口煙溫達到650℃。在布置了回熱器后，回熱器出口煙溫降到320℃以下。由于燃燒室的燃燒溫度較低，NOx排放很低。

2.2小型燃氣輪機

小型燃氣輪機相對微型燃氣輪機而言技術比較成熟，與大中型燃氣輪機幾乎完全相同：采用軸流式壓氣機和軸流式透平，葉片的冷卻模式與大中型機組相同。由于技術成熟，目前的價格相對較低，為350～600$/kW;此外，小型燃氣輪機的發(fā)電效率與大中型機組相比也相差無幾，ISO工況電效率目前多為27.0～39.0%【6】。小型燃氣輪機的發(fā)電效率較高，為了便于尾部煙氣的綜合利用，同時使系統(tǒng)比較簡單，在實際應用中小型燃氣輪機大多采用簡單循環(huán)的布置形式;只有少量對發(fā)電效率有特殊要求的場合使用回熱循環(huán)或注蒸汽循環(huán)。由于采用了干低NOx燃燒技術、采用注水、注蒸汽技術或是在煙氣中使用選擇性還原技術，小型燃氣輪機的NOx排放可以被嚴格控制。預計到2010年，小型燃氣輪機的性能將進一步提高，NOx排放將低于5ppm，而連續(xù)運行時間將超過8000h，而增加的成本將不會超過10%。

2.3燃氣輪機與內燃機的對比

燃氣輪機與內燃機是在分布式能源中使用最多的兩種動力系統(tǒng)，而且都是使用氣體或液體燃料，但由于各自的性質有著不同的適用范圍：

燃氣輪機的發(fā)電效率與內燃機相比略低，小型/微型燃氣輪機ISO工況的發(fā)電效率為27.0～39.0%，而(柴油)內燃機發(fā)電效率為30.0～45.0%左右【7】。在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，內燃機構成的系統(tǒng)的冷(熱)電比將小于燃氣輪機構成的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。在建筑領域，用戶對電力的需求通常小于對冷熱的要求，因此燃氣輪機系統(tǒng)更容易滿足用戶的需求。

小型燃氣輪機的排煙溫度通常為450～550℃;而內燃機排氣的溫度通常為400～450℃左右，包含的能量為輸入能量的15～35%，另外冷卻用的缸套水帶走了25～45%的輸入能量，出口溫度一般在55～90℃。內燃機系統(tǒng)中缸套水熱量占有較大的比重，這部分熱量由于溫度太低，比較適合于供熱，用于制冷時效果較差。與內燃機系統(tǒng)相比，燃氣輪機系統(tǒng)煙氣中所包含的熱量更多，而且溫度較高，因此更利于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中供熱、制冷子系統(tǒng)的回收利用。

燃氣輪機中燃料的燃燒為擴散或預混火焰，燃燒區(qū)溫度場相對比較均勻，;而內燃機為爆燃式設備，燃燒溫度可達到很高的水平，因此熱力型NOx的生成量顯然較高。因此燃氣輪機與內燃機相比在污染物的排放上有一定的優(yōu)勢。

燃氣輪機為高速旋轉設備，所產(chǎn)生的噪音為高頻噪音，很容易被吸收屏蔽，傳播距離很近;而內燃機為往復式機械，產(chǎn)生的低頻噪音很難消除。燃氣輪機的裝置輕小，重量和所占體積通常只有內燃機的幾分之一，因此消耗材料也較少。但目前燃氣輪機的制造成本略高于內燃機。內燃機為往復式機械，有更多的活動部件，維修成本較高。根據(jù)內燃機的技術特點，其主要適用于對排放、噪音、場地要求不是很高的場合。

3.小型燃氣輪機在分布式能源領域中的應用

由于可再生能源技術發(fā)展尚不夠完善，目前的分布式能源還是以化石能源為主。根據(jù)循環(huán)方式不同，可分為燃氣輪機方式、內燃機方式、蒸汽輪機方式和燃料電池方式等。蒸汽輪機的效率與規(guī)模有著直接的關系，而分布式能源又限制了蒸汽輪機的規(guī)模，此外蒸汽輪機系統(tǒng)復雜，因此在分布式能源中很少得到應用。燃料電池目前還沒有進入大規(guī)模的商業(yè)應用。燃氣輪機和內燃機是在分布式能源中使用最廣泛的兩種形式，其中燃氣輪機由于便于能量綜合利用、環(huán)保、安裝方便、起?？旖荩谑袌鲋姓加休^大優(yōu)勢。

根據(jù)用戶需求的不同，分布式能源可分為電力單供、熱電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)方式。目前用戶只需要電力的情況比較罕見，很多情況下還需要制冷、供暖、通風、熱水、除濕等其他相關負荷。電力單供系統(tǒng)中，輸入能量的大部分未被利用就被排向環(huán)境，因此能源利用率很低。將動力系統(tǒng)排向環(huán)境的熱量部分回收用于供熱，即構成傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有一個嚴重的制約因素：其熱能的實際利用不夠充分，特別是在夏季對熱的需求很少甚至沒有熱需求，因此它的經(jīng)濟性和使用效率受到很大的影響，使用受到很大的限制。利用吸收式制冷技術和除濕技術，用熱為驅動力獲得制冷量和除濕能力，從而大大擴展了熱電聯(lián)產(chǎn)的適用范圍，即構成了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，因為增加了熱的用途，系統(tǒng)的能源利用率和利用時間都大幅度增加，經(jīng)濟性和性能都明顯改善。以下為幾種采用小型燃氣輪機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)布置形式【8-10】。把小型燃氣輪機換為微型燃氣輪機，以下系統(tǒng)同樣可以很好的運行，只是由于微型燃氣輪機的排煙溫度較低，為了較好的工作，可能需要對燃氣輪機的煙氣進行補燃以增加一些熱量。

3.1燃氣輪機-蒸汽型溴化鋰吸收式聯(lián)合循環(huán)冷熱電聯(lián)產(chǎn)

該方案燃料在燃氣輪機燃燒室中燃燒，高溫煙氣先進入透平膨脹作功;透平排氣進入余熱鍋爐，回收余熱生成蒸汽或高溫熱水;余熱鍋爐的輸出，在冬季直接供暖，在夏季驅動蒸汽雙效式吸收式機組制冷。在燃氣輪機停運或所需供熱、制冷熱量不足的情況下，在余熱鍋爐中補燃提供所需額外的熱量。因存在獨立的鍋爐系統(tǒng)，需要水處理設備，投資成本也相對較大;但蒸汽的利用相對比較容易，蓄熱也比較方便，這種形式目前使用比較廣泛。制冷系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)是串聯(lián)回路，由于制冷系統(tǒng)所需的熱量通常高于供熱所需，因此這種布置形式可以較多的回收煙氣中的熱量。

3.2燃氣輪機-余熱型溴化鋰吸收式聯(lián)合循環(huán)冷熱電聯(lián)產(chǎn)

這種方案也是燃料先通過燃氣輪機發(fā)電，不同的是煙氣中的余熱直接通過余熱溴化鋰吸收式機組回收利用，去掉了余熱鍋爐這一環(huán)節(jié)，設備成本大幅度降低。在燃氣輪機停用或供熱、制冷所需熱量不夠的時候，在溴化鋰機組中補燃提供所需驅動熱量。因為省掉了余熱鍋爐及相關系統(tǒng)，系統(tǒng)比較簡單。但受到制冷設備自身的限制，溴化鋰機組的排煙溫度較高，通常在170～200℃。為了提高燃料的能源利用率，可以考慮在溴化鋰機組后面增加一級換熱器，進一步回收煙氣中的余熱，但這將略微增加設備的成本。

3.3STIG聯(lián)合循環(huán)

方案1在冷、熱負荷需求不大的情況下，如果燃氣輪機滿負荷運行，余熱鍋爐將產(chǎn)生過量的過熱蒸汽。將這些蒸汽通入燃氣輪機的燃燒室，進入透平膨脹作功，這樣可以增加發(fā)電量，同時增加在熱、冷負荷較低時的熱效率。這種方案在運行中優(yōu)先滿足熱(冷)負荷。在冷、熱負荷為額定負荷時，全部蒸汽用于供熱、制冷，沒有蒸汽注入燃氣輪機燃燒室，此時運行情況與方案1相同。隨著冷、熱負荷的降低，越來越多的蒸汽注入燃氣輪機的燃燒室，也就成了注蒸汽燃氣輪機循環(huán)。在整個熱負荷變動范圍內，燃氣輪機進口溫度基本可以保持不變，這對熱效率有利【11】。由于水蒸汽注入燃燒室，在一定程度上可以抑制NOx的生成。

方案3通過調節(jié)注入燃氣輪機燃燒室的蒸汽量，能夠較好地適應冷、熱負荷的變化，變工況性能較好。其它方案在冷、熱負荷降低時，需要相應地降低發(fā)電量，否則多余的熱能無法充分利用，將降低整個系統(tǒng)的效率。由于系統(tǒng)的使用情況取決于冷、熱負荷，而它們在一年中的變化很大，在某些時段里甚至沒有冷、熱需求，因此整個系統(tǒng)的使用率將受到影響。

4.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在實際工程中的應用

目前，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)達到了一定的規(guī)模和水平，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)已達到可對100萬平米以上的建筑提供冷熱電資源，聯(lián)供能力達到兆瓦以上。如美國麻省理工學院的冷熱電聯(lián)產(chǎn)中心，制冷能力達到32.5MW，燃機容量達到24.6MW;馬來西亞吉隆坡城市中心聯(lián)供站制冷能力可達105.3MW，裝機容量達25.8MW。我國冷熱電聯(lián)產(chǎn)的推廣應用目前尚屬起步階段，但政府政策上的支持和西氣東輸工程的建設都起到了巨大的推動作用，如北京市近期將有燃氣指揮調度大樓和燃氣次渠門站等項目投入實際應用。以下為兩個擬建中的具有代表性的項目：

4.1中關村國際商城清潔能源項目新建工程【12】

該項目為中關村國際商城一期工程35萬平方米的商業(yè)、休閑娛樂及附屬建筑提供所需的全部空調、采暖和生活熱水，并供應部分電力。項目采用由燃氣輪機、煙氣余熱補燃型溴化鋰吸收式冷溫水機組組合構成的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)流程見圖4。圖系統(tǒng)流程圖。

燃料先進入燃氣輪機發(fā)電。燃氣輪機排煙直接驅動煙氣余熱型溴化鋰冷溫水機組，余熱型溴化鋰機組對外提供的熱量通過高壓發(fā)生器中的蒸汽加熱得到。當驅動熱源熱量不足時，額外的熱量通過在溴化鋰機組中補燃得到。按照商城的總體規(guī)劃，與商城建設同步配套建設一座污水處理廠。為綜合利用水資源，采用中水作為夏季溴化鋰機組的冷卻水的補水。為了確保中水供應的可靠及減少中水儲存用地，計劃利用商城內的明渠作為中水儲存池，從而減少投資。

4.2奧運能源展示中心的構想【13】

2008年將在北京舉辦夏季奧運會，該項目計劃在奧林匹克公園內建設奧運能源展示中心，為附近的國家體育場、國家游泳中心、信息大廈等共41萬平方米的場館建筑提供所需的全部空調、采暖和生活熱水，并供應部分電力。根據(jù)奧運的特殊要求、場館的負荷情況以及周邊條件，本項目將燃氣輪機、熱泵、太陽能光熱、地熱、蓄冷等進行高度集成。圖5和圖6分別為其方案在制冷工況和制熱工況下的系統(tǒng)流程圖。

在夏季制冷工況運行時，燃料先進入燃氣輪機發(fā)電。燃氣輪機排煙直接驅動余熱型雙效溴化鋰吸收式機組制冷;利用游泳池水和少量的自來水充當溴化鋰機組的冷卻水，一方面可以減少冷卻水的需求，另一方面可以為游泳池水加溫和提供部分生活熱水;由于附近有中水管線，利用其作為冷卻水，可以減少對冷卻塔的需求。離開吸收式機組的煙氣，進入熱交換器，進一步回收余熱產(chǎn)生熱水，用于驅動吸收式除濕裝置。壓縮式機組主要作用是利用低谷電和系統(tǒng)提供的多余電力蓄冷，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

圖6奧運能源展示中心供熱工況流程圖

在冬季制熱工況下運行時，燃氣輪機排煙進入溴化鋰機組，溴化鋰機組按熱泵工況運行，中水、太陽能充當?shù)蜏責嵩础Ｓ捎诘責岷椭兴疁囟容^低，溴化鋰機組無法直接應用，因此采用吸收/壓縮復疊式熱泵技術。壓縮式機組也按熱泵工況運行，中水和地熱先充當其低溫熱源，產(chǎn)生的高溫水與太陽能的熱量混和，然后充當溴化鋰機組的低溫熱源。此時低溫余熱鍋爐所產(chǎn)生的熱水直接用于供暖和提供生活熱水。溴化鋰機組后的熱交換器進一步回收熱量直接供熱。

此方案將太陽能、地熱、中水資源與燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有機整合，具有多能源(天然氣與可再生能源)的綜合互補和能源高效潔凈利用的特征。與常用的分產(chǎn)能源系統(tǒng)相比，該方案夏季節(jié)能率超過30%，而冬季超過35%;即使與最新的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，節(jié)能率也超過10%。

5.結論

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為分布式能源的一個主要發(fā)展方向，更加符合能的梯級利用原則，通過各種熱力過程的有機結合，使系統(tǒng)內的中、低溫熱能得以合理利用，相對于常規(guī)系統(tǒng)能源利用率可以大幅度提高;由于效率提高導致的排放的下降及自身性能的改善使排放的下降，使冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)保性能優(yōu)良。作為分布式能源的最主要組成部分，它因靈活的變負荷性、低的初投資、很高的供電可靠性和很小的輸電損失等特點在世界范圍內越來越受到重視。毫無疑問，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將成為能源領域的一個重要的新方向，在商業(yè)、建筑能源系統(tǒng)中將得到廣泛的應用。

小型燃氣輪機由于高效、環(huán)保、便于能量綜合利用等特點，在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的動力系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，而且隨著分布式能源的普及以及燃氣輪機技術的發(fā)展，小型燃氣輪機將有更大的發(fā)展空間。小型燃氣輪機應用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)時間還不是很長，對由其構成的能源系統(tǒng)的研究尚不夠充分。正確地處理好電與冷、熱各部分之間能量的匹配關系，才能更好的發(fā)揮小型燃氣輪機的作用，才能使分布式能源系統(tǒng)取得應有的效果。到目前為止，小型燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仍在不斷發(fā)展之中：系統(tǒng)內部的深層原因尚未完全闡明，所蘊含的關鍵科學問題需要進一步解答;同時，原有的子系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，還不斷有新的技術出現(xiàn)。為了更充分的利用能源和減少污染，在冷熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)中還要進行大量的研究工作。

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