微型燃气轮机(【解构_整机制造】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)

微型燃气轮机
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前言
    第七届亚洲燃气轮机聚焦峰会已于6月初在上海顺利闭幕,燃气轮机聚焦组委会将此次会上分享的内容,整理、编辑后呈现给诸位,希望能给更多的“燃机人”思考与启发。

    本篇内容,是根据新奥能源动力科技(上海)有限公司副总经理李成勤先生在第七届亚洲燃气轮机聚焦峰会演讲内容整理而来。

    关于演讲视频及详细PPT资料,请联系组委会17317123771(同微信)获取~
一、新奥能源动力科技(上海)有限公司简介

    新奥能源动力科技(上海)有限公司简称新奥动力,2013年10月创立于上海,专注于微、小型燃气轮机的研发及产业化。新奥动力以100千瓦微型燃气轮机为切入点,从2012年正式立项,经过了6年左右的发展,于2017年底完成首台示范机正式出厂交付客户,标志着首个国产微型燃气轮机实现商业化应用。经过6年的锤炼,通过100千瓦微燃机的研发,新奥动力形成了一支学科完整、专业齐全的研发团队,建造了完善的微型燃机研发平台,具备了微型燃机从设计、零件加工、部件实验到整机装配、调试以及生产的全周期开发能力。

在此期间,新奥动力承担了国家973科技专项及多项上海市重大科技攻关专项,按照生产一代、开发一代、预研一代的思路,持续进行系列化微、小燃机产品研发及技术迭代升级。公司产品如下图所示,其中E150R和E160F都是100千瓦系列的技术升级产品;300千瓦系列的E390型号已经开始量产;600千瓦及2兆瓦系列型号正在进行样机调试。

为了加快产业化进程,新奥动力于2018年在河北廊坊建立了国际一流的微燃机智能制造基地,主要进行100千瓦和300千瓦系列微燃机的量产,年产能1000台;2019年,新奥动力在上海临港开工建设系列化微小燃机研制基地,主要进行系列化微小燃机的研发及600千瓦和2兆瓦系列燃机的量产,设计年产能1000台。

二、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。

三、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
我们在进行产品路线时,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,我们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。我们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。我们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。

生物质气定制应用案例
以下是一个生物质气定制的案例,根据气体组分和热值,一方面需要定制燃烧室,满足高效燃烧和低排放要求;另一方面,还需要根据总体性能,进行压气机和涡轮流量匹配,保证压气机工作在最佳效率点并且具有充足的喘振裕度。

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。
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手机:+86 173 1712 3771 (同微信)
邮箱:[email protected]
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