200kW微型燃機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)可行性分析 及開(kāi)發(fā)規(guī)劃

1、200kw微型燃機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)可行性分析及開(kāi)發(fā)規(guī)劃目 錄1. 背景11.1 微型燃機(jī)概述11.1.1 定義11.1.2 特點(diǎn)21.1.3 我國(guó)應(yīng)用前景21.2 國(guó)外概況31.3 國(guó)內(nèi)概況52. 目標(biāo)機(jī)選擇62.1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)機(jī)型62.2 目標(biāo)機(jī)選擇分析62.3 目標(biāo)機(jī)指標(biāo)83. 目標(biāo)機(jī)開(kāi)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(jī)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(diǎn)突破技術(shù)123.3.1 總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱123.3.2 高轉(zhuǎn)速氣動(dòng)軸承1

2、23.3.3 高性能緊湊式回?zé)崞?34. 微型燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)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(duì)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(dú)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(jī)、各種工程用的燃料電池和內(nèi)燃機(jī)。隨著微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷完善，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組已成為分布式供電的主力。近幾年來(lái)，全球范圍內(nèi)1mw以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)銷售成為一個(gè)熱點(diǎn)。1.1 微型燃

3、機(jī)概述1.1.1 定義微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種新發(fā)展起來(lái)的小型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其單機(jī)功率范圍為25300kw，主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、回?zé)崞?、發(fā)電機(jī)及電子控制部分組成，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料?；炯夹g(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械（離心式壓氣機(jī)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(jī)組采用氣動(dòng)軸承，無(wú)需潤(rùn)滑油系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成一體，高速交流發(fā)電機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)同軸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小重量輕。圖1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)1.1.2 特點(diǎn)（1）環(huán)保，超低排放nox，不高于9ppm。（2）壽命長(zhǎng)，首次維修時(shí)間可在8000h以上，日常維護(hù)工作量少。（3）移動(dòng)性好

4、，重量輕，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易拆卸。（4）可靠性高，運(yùn)動(dòng)部件少，故障率低，內(nèi)置式保護(hù)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(hù)簡(jiǎn)單。而且，發(fā)電機(jī)組多采用氣動(dòng)軸承和空氣冷卻，無(wú)需更換機(jī)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(jī)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(yùn)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(guó)應(yīng)用前景國(guó)內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的主要潛在應(yīng)用市場(chǎng)：建筑樓宇、小區(qū)、醫(yī)院、車站、機(jī)

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

6、到5000104 kw，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。國(guó)家還將在財(cái)稅和金融等方面專門出臺(tái)相關(guān)的扶持政策，并考慮在電價(jià)補(bǔ)貼、接入系統(tǒng)投資、節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)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(yùn)行管理體系，從而推動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)。2011年10月，國(guó)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(jiàn)（發(fā)改能源20112196號(hào)）。該意見(jiàn)明確指出：推動(dòng)天然氣分布式能源，具有重要的現(xiàn)實(shí)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(duì)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(guó)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(guó)已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。我國(guó)對(duì)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(diǎn)階段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)分布式能源站總裝機(jī)容量約500104 kw，分布式能源站裝機(jī)容量在我國(guó)的分布情況見(jiàn)表1.1。表1.1 各地區(qū)分布式能源站裝機(jī)容量（2013年統(tǒng)計(jì)）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(guó)家對(duì)天然氣分布式能源系統(tǒng)鼓勵(lì)支持政策的逐步明朗，近期以5家發(fā)電集團(tuán)為

8、代表的大型央企開(kāi)始快速布局。中國(guó)華電集團(tuán)近50個(gè)前期項(xiàng)目正積極推動(dòng)；中國(guó)電力投資集團(tuán)開(kāi)發(fā)了珠海橫琴島、上海高培中心等項(xiàng)目；中國(guó)華能集團(tuán)開(kāi)發(fā)了惠州東江高新區(qū)等項(xiàng)目；中國(guó)大唐集團(tuán)開(kāi)發(fā)了四川廣元等項(xiàng)目；中國(guó)國(guó)電集團(tuán)正在開(kāi)發(fā)深圳、舟山等項(xiàng)目。其他一些大型企業(yè)如中國(guó)海油等也在積極籌備，成立專門公司進(jìn)軍天然氣分布式能源系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，微型燃?xì)廨啓C(jī)必將借助分布式能源大力發(fā)展的契機(jī)在國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)占有一席之地。1.2 國(guó)外概況微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)，主要集中在北美、瑞典和英國(guó)。（1）凱普斯通capstone凱普斯通公司于90

9、年代初開(kāi)始開(kāi)發(fā)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)元件，1994年研制成24kw樣機(jī)，1996年小批量生產(chǎn)了37臺(tái)樣機(jī)供現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1997年30kw樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，之后又推出60kw發(fā)電機(jī)組和45kw車用機(jī)組。2000年左右生產(chǎn)出125200kw機(jī)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(jī)，功率范圍是30200kw，這一系列的微型燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目始于80年代初，是由nrec的能源系統(tǒng)業(yè)務(wù)部主持開(kāi)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(kāi)始生產(chǎn)75kw微型燃?xì)廨啓C(jī)，1999年開(kāi)始批量生產(chǎn)。（4）易利達(dá)

10、elliot易利達(dá)公司開(kāi)發(fā)了3種微型燃?xì)廨啓C(jī)，功率分別為45kw、80kw和200kw，最大功率計(jì)劃為500kw。（5）寶曼bowman寶曼公司是1994年成立的一家英國(guó)公司，起初將易利達(dá)公司的微型燃?xì)廨啓C(jī)成套后銷售到歐洲市場(chǎng)，其中的高速發(fā)電機(jī)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是由寶曼公司設(shè)計(jì)和制造的。1999年開(kāi)始自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)功率分別為45kw、60kw、80kw和200kw的微型燃?xì)廨啓C(jī)，未來(lái)會(huì)將功率范圍擴(kuò)展到500kw。（6）turbecturbec公司是1998年成立的一家瑞典公司，其第一個(gè)產(chǎn)品是100kw機(jī)組，2000年投放市場(chǎng)。之后?；?0kw的機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了st5系列微型燃?xì)廨啓C(jī)，功率范圍是250600kw，比目前市場(chǎng)上多數(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)的功率要大。目前，國(guó)際上微型燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)主要集中在北美、歐洲和日本，針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)的未來(lái)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(lái)的分布式能源市場(chǎng)中搶占先機(jī)。美國(guó)能源部在“version21”中，計(jì)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(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)以其高效、低排放的突出優(yōu)點(diǎn)為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)提供了可能和保證。日本的多家公司都在

12、積極開(kāi)發(fā)不同功率等級(jí)的高效率微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，其陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃也是以節(jié)能和環(huán)保為目標(biāo)，主要發(fā)展過(guò)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(gè)階段，并正在向工程實(shí)用化方向發(fā)展。目前歐共體研發(fā)微型燃?xì)廨啓C(jī)的基本方向是燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)技術(shù)。歐共體各國(guó)開(kāi)展了多項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，如：高效微型燃?xì)廨啓C(jī)能源系統(tǒng)計(jì)劃：該計(jì)劃旨在調(diào)查基于電功率在20kw至200kw的微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組潛在市場(chǎng)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度與其他形式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。高效聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)計(jì)劃：該計(jì)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(jī)機(jī)

13、組。生物質(zhì)能燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃：該計(jì)劃旨在研究生物燃料在微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的前景。汽車用先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃：該計(jì)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(jī)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(jī)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(jì)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(zhǎng)、輸出功率范圍廣，而且可以與燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)組成更大的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于未來(lái)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(guó)更多的重視和發(fā)展。目前世界各研究機(jī)構(gòu)和廠商進(jìn)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(jī)混合系統(tǒng)，并朝著輸出功率更大的方向發(fā)展。因此我國(guó)開(kāi)展高溫燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)聯(lián)合循環(huán)混合系統(tǒng)開(kāi)始。1.3 國(guó)內(nèi)概況我國(guó)的微型燃?xì)廨啓C(jī)大力研制主要借助“十五”期間開(kāi)展的863計(jì)劃專項(xiàng)“l(fā)00kw級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)研制”課題的推動(dòng)。通過(guò)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)和制造了高速渦輪試驗(yàn)臺(tái)、壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、小型燃燒室高溫進(jìn)氣試驗(yàn)臺(tái)、箔片式氣體動(dòng)壓軸承試驗(yàn)臺(tái)、高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)、原表面回?zé)崞髟囼?yàn)臺(tái)、變頻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)、高速永磁電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、整機(jī)平衡試驗(yàn)臺(tái)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供試驗(yàn)

15、臺(tái)等裝置，并完成了核心部件的研發(fā)和性能試驗(yàn)工作，獲取了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)研制要求進(jìn)行了性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成了l00kw微型燃?xì)廨啓C(jī)驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，正在進(jìn)行整機(jī)測(cè)試工作。除參與國(guó)家863計(jì)劃的各單位之外，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的其他高校研究所和企業(yè)也都不失時(shí)機(jī)地開(kāi)展了微型燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)產(chǎn)品的研制工作。中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司正在進(jìn)行功率為95kw的微型燃?xì)廨啓C(jī)研制，其壓氣機(jī)、渦輪選用j80渦輪增壓器葉輪。中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所（608所）測(cè)繪仿制了俄羅斯產(chǎn)75kw軍用微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，研制工作已通過(guò)交付驗(yàn)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(jī)為核心的能源島供

16、能系統(tǒng)試驗(yàn)研究基地。2. 目標(biāo)機(jī)選擇2.1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)機(jī)型目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組幾乎均為國(guó)外進(jìn)口，大多使用在分布式熱（冷）電聯(lián)供系統(tǒng)中。2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)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(jī)屬于量產(chǎn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)應(yīng)用近200臺(tái)；turbec國(guó)內(nèi)應(yīng)用約3臺(tái)；英格索蘭（ingersoll rand）mt250機(jī)型國(guó)內(nèi)應(yīng)用約10臺(tái)，目前已被flex energy能源公司收購(gòu)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以上三種品牌機(jī)型統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表2.1。表2.1 各品牌微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

17、機(jī)組機(jī)型統(tǒng)計(jì)品牌型號(hào)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(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商外，國(guó)際知名微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jí)的微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品。2.2 目標(biāo)機(jī)選擇分析綜合對(duì)比各公司的機(jī)型發(fā)現(xiàn)，在30100kw功率等級(jí)范圍內(nèi)，各公司都有多款不同功率的微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，而且功率等級(jí)間隔小，機(jī)型密集，如30kw、35kw、40kw、50kw、60kw、65kw、75kw、80kw、100kw都有對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，而在100300kw功率等級(jí)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(jī)大功率機(jī)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(jī)的需求可能會(huì)有所增加，而且單臺(tái)大功率微型燃?xì)廨啓C(jī)的建設(shè)成本

19、也要低于多臺(tái)小功率微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)網(wǎng)，這也是大功率微型燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)勢(shì)。 （a）c200 （b）c600（或c800、c1000）圖2.1 capstone微型燃?xì)廨啓C(jī)c200c1000從現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)量和型號(hào)來(lái)看，凱普斯通（capstone）占據(jù)了絕對(duì)高的市場(chǎng)份額而且機(jī)型多樣，表2.1和相關(guān)資料表明，凱普斯通（capstone）單機(jī)最大功率為200kw（型號(hào)：c200），功率600kw、800kw和1000kw是以200kw的c200機(jī)型為單元模塊的并聯(lián)運(yùn)行組合機(jī)型，如圖2.1。我國(guó)在“十五”期間863燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)計(jì)劃中提出的微型燃?xì)廨啓C(jī)功率為100kw，整機(jī)指標(biāo)見(jiàn)表2.2。目前

20、，哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)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(jī)，已經(jīng)進(jìn)入樣機(jī)試驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)將會(huì)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)100kw功率等級(jí)的微型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)。表2.2 “十五”期間863微型燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)功率效率排放噪聲運(yùn)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(jì)指標(biāo)：不低于國(guó)際市場(chǎng)2000年的水平綜合目前對(duì)國(guó)內(nèi)外微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型的分析認(rèn)為，100kw以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型多樣、技術(shù)成熟、競(jìng)爭(zhēng)激烈；100kw左右的微型燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)家項(xiàng)目支

21、持下正處于國(guó)產(chǎn)化后期，研發(fā)、設(shè)計(jì)和加工工藝等方面已有基礎(chǔ)，未來(lái)市場(chǎng)定位明確；100kw以上的微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型相對(duì)較少，結(jié)合單機(jī)大功率建設(shè)成本優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)差異化、避免與國(guó)家項(xiàng)目重復(fù)投資等因素，將未來(lái)所要研發(fā)的微型燃?xì)廨啓C(jī)功率等級(jí)定在200kw，目標(biāo)機(jī)型定為凱普斯通（capstone）c200。2.3 目標(biāo)機(jī)指標(biāo)微型燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)機(jī)以凱普斯通（capstone）c200機(jī)型為參考，具體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2.3。表2.3 200kw微型燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(jì)指標(biāo)： 不低于國(guó)際市場(chǎng)2010年的水平下表我公司樣機(jī)量產(chǎn)后預(yù)計(jì)價(jià)格及凱普斯通公司主要相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格，供以后市場(chǎng)考察參考。表2.4 樣機(jī)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（人民幣）樣機(jī)c30c65ta100c200萬(wàn)元/臺(tái)63-6711-1224.2-25.540-41.570-74元/千瓦3150-33503900-42003700-39504000-41503500-37003. 目標(biāo)機(jī)開(kāi)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(jì)路線為主，試驗(yàn)和合作部分相并行。首先，根據(jù)參考機(jī)型選定目標(biāo)機(jī)參數(shù)，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；以四大核心部件（壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和回?zé)崞鳎┑脑O(shè)計(jì)為先導(dǎo)，之后對(duì)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(jì)，最終完成整機(jī)匹配。在設(shè)計(jì)的同時(shí)，同期開(kāi)展整機(jī)和核心部件試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)，為樣機(jī)試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。在技術(shù)路線發(fā)展的過(guò)程中，不失時(shí)機(jī)地廣泛開(kāi)展國(guó)內(nèi)國(guó)際合作，加快我公司自主研發(fā)微型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)度。在典型樣機(jī)研制成功后，進(jìn)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(guó)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組研發(fā)與國(guó)外相比還存在較大的差距，但已有相

24、對(duì)較好的技術(shù)儲(chǔ)備和工作基礎(chǔ)。特別是從“十五”開(kāi)始，國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)逐漸重視，國(guó)家863計(jì)劃提出了微型燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)，由哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，大力推動(dòng)了國(guó)內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)，主要開(kāi)展氣動(dòng)軸承及其耐溫涂層關(guān)鍵材料、核心部件延壽及提高整機(jī)可靠性、高效緊湊式回?zé)崞骷案咚儆来烹姍C(jī)、微型燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)、特種用途微型燃機(jī)移動(dòng)發(fā)電機(jī)組、微型燃機(jī)與燃料電池混合循環(huán)發(fā)電技術(shù)等幾項(xiàng)關(guān)鍵

25、技術(shù)研究?！笆濉逼陂g，我國(guó)仍著重發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，針對(duì)“十一五”期間研發(fā)的典型機(jī)組，全力解決小型化、可靠性、長(zhǎng)壽命、多燃料低污染燃燒、高效緊湊換熱器和高溫高強(qiáng)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(jī)是我國(guó)首次開(kāi)展擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型燃機(jī)研發(fā)專項(xiàng)課題，其進(jìn)展程度代表了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)微型燃機(jī)的發(fā)展水平，在其整個(gè)研發(fā)過(guò)程中所取得的成果、積累的經(jīng)驗(yàn)和遇到的問(wèn)題都對(duì)我公司研發(fā)200kw微型燃機(jī)具有極其重要的借鑒價(jià)值。由此，在我公司200kw微型燃機(jī)的研發(fā)技術(shù)分析中，特別關(guān)注了當(dāng)前100kw微型燃機(jī)課題的進(jìn)展情況，以此作為未來(lái)200kw微型燃機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)和瓶頸預(yù)測(cè)。3.2.1 離心

26、式壓氣機(jī)微型燃?xì)廨啓C(jī)主要采用離心式壓氣機(jī)，壓比多在3.04.0之間，在滿足高效率的同時(shí)，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(dòng)計(jì)算方法設(shè)計(jì)葉輪及通流部分，壓氣機(jī)樣機(jī)需經(jīng)過(guò)全參數(shù)氣動(dòng)試驗(yàn)。作為100kw微型燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一，離心式壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作從“十五”微型燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)立項(xiàng)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(jī)的研發(fā)工作進(jìn)展順利，成功解決了多項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，已經(jīng)研制出滿足100kw微型燃機(jī)的壓氣機(jī)，并通過(guò)了整機(jī)性能試驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到既定目標(biāo)。3.2.2 向心渦輪微型燃?xì)廨啓C(jī)主要采用向心渦輪。其葉輪成型采用先進(jìn)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，出力滿足設(shè)計(jì)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(jìn)行全參數(shù)氣動(dòng)試驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。100kw微型燃機(jī)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(dòng)、強(qiáng)度及重量綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了向心渦輪氣動(dòng)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，完成了渦輪性能試驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)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(guò)全工況熱態(tài)試驗(yàn)。100kw微型燃機(jī)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(jì)和試驗(yàn)工作（點(diǎn)火試驗(yàn)、燃燒特性試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)和空載試驗(yàn)），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(jì)指標(biāo)。3.2.

28、4 回?zé)崞鞑捎酶邠Q熱系數(shù)、低流動(dòng)損失的板翅式或三元無(wú)定向翅片管回?zé)崞髟O(shè)計(jì)計(jì)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凇⒎佬孤┖头勒次坌阅??；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(jī)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(jī)和部件冷態(tài)阻力測(cè)試試驗(yàn)和部件熱態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果部分滿足設(shè)計(jì)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(jìn)一步優(yōu)化。回?zé)崞餮邪l(fā)仍是100kw微型燃機(jī)在“十二五”期間亟待解決的問(wèn)題之一。3.2.5 軸承主要包括氣膜軸承動(dòng)力特性、氣膜厚度、氣膜穩(wěn)定性和測(cè)試技術(shù)。目前，國(guó)際先進(jìn)微型燃機(jī)都采用氣動(dòng)軸承軸系，

29、但是該種軸承的多項(xiàng)技術(shù)對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖。100kw微型燃機(jī)的軸承研發(fā)由西安交通大學(xué)和中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所共同承擔(dān)，在該項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題上采用了兩種軸承軸系，即滾動(dòng)軸承軸系和氣動(dòng)軸承軸系。兩種軸承軸系均已完成試驗(yàn)臺(tái)的搭建，試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)階段滾動(dòng)軸承軸系能夠在額定轉(zhuǎn)速45000r/min下帶載穩(wěn)定運(yùn)行，高速動(dòng)平衡試驗(yàn)中的彈支應(yīng)變、轉(zhuǎn)子位移、軸承溫度和支座振動(dòng)等參數(shù)均遠(yuǎn)小于限制值；氣動(dòng)軸承軸系未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速16000rpm，主要問(wèn)題集中在箔片和聯(lián)軸器振動(dòng)方面。氣動(dòng)軸承軸系的研發(fā)仍是100kw微型燃機(jī)在“十二五”期間亟待解決的問(wèn)題之一。3.2.6 核心部件工藝包括壓氣機(jī)、渦輪機(jī)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(jī)核心部件工藝由哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司承擔(dān)，從核心部件的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，壓氣機(jī)、渦輪和燃燒室的制造工藝基本達(dá)到100kw微型燃機(jī)需求，但是在回?zé)崞骱附庸に嚪矫嫒源嬖趩?wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生內(nèi)部泄漏；同時(shí)，在渦輪應(yīng)用高溫高強(qiáng)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(hù)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制和系統(tǒng)保護(hù)，滿足系統(tǒng)控制的各項(xiàng)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(jī)的控制和電力變換系統(tǒng)由哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司承擔(dān)，控

31、制系統(tǒng)現(xiàn)已完成與整機(jī)聯(lián)調(diào)，結(jié)果滿足要求。電力變換系統(tǒng)已完成試驗(yàn)室試驗(yàn)，正在進(jìn)行安裝調(diào)試。3.3 重點(diǎn)突破技術(shù)國(guó)內(nèi)二十多年來(lái)，對(duì)微型燃機(jī)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研發(fā)工作，發(fā)展了一整套設(shè)計(jì)理論和方法，提出了新型的設(shè)計(jì)，建立了具有世界先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)和加工設(shè)備，取得了很好的研究業(yè)績(jī)，具有很好的技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)特色，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)再努力完全有可能達(dá)到國(guó)際水平。但是，現(xiàn)階段仍存在較大的差距。通過(guò)對(duì)國(guó)家863計(jì)劃提出的100kw微型燃機(jī)研制現(xiàn)狀的分析認(rèn)為，我公司200kw微型燃機(jī)研發(fā)仍將面對(duì)的主要技術(shù)難題包括總體設(shè)計(jì)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(jì)基礎(chǔ)薄弱總體設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括兩個(gè)方面

32、，即性能總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。其中，性能總體設(shè)計(jì)針對(duì)整機(jī)總體方案、節(jié)點(diǎn)參數(shù)和全工況性能；壓氣機(jī)、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(jì)針對(duì)緊湊、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；進(jìn)排汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)；外形設(shè)計(jì)；整套發(fā)電系統(tǒng)控制核心裝置設(shè)計(jì)等。目前，我國(guó)的100kw微型燃機(jī)尚處于樣機(jī)試驗(yàn)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(wèn)題尚缺乏總體設(shè)計(jì)意識(shí)，而這部分技術(shù)問(wèn)題可能是100kw微型燃機(jī)未來(lái)產(chǎn)品化過(guò)程中即將面對(duì)的難點(diǎn)之一。我公司200kw微型燃機(jī)研發(fā)和產(chǎn)品化同樣面對(duì)總體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題。3.3.2 高轉(zhuǎn)速氣動(dòng)軸承目前，

33、我國(guó)針對(duì)100kw微型燃機(jī)自主研發(fā)的氣動(dòng)軸承所能承受的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，尚不能滿足100kw功率等級(jí)的微型燃機(jī)。所以，我公司200kw微型燃機(jī)研發(fā)和產(chǎn)品化受現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)高轉(zhuǎn)速氣動(dòng)軸承整體研發(fā)水平的限制，仍是需要重點(diǎn)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(jī)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(guó)對(duì)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(jī)使用的成熟產(chǎn)品。100kw微型燃機(jī)的回?zé)崞鳂訖C(jī)體積龐大，其換熱性能遠(yuǎn)不滿足微型燃機(jī)的需求，而且在加工制造工藝方面仍難以保證回?zé)崞鞯男阅堋Ｋ?，高性能緊湊式回?zé)崞魅允俏覈?guó)微型燃機(jī)發(fā)展的瓶頸之一，也是我公

34、司200kw微型燃機(jī)研發(fā)和產(chǎn)品化的瓶頸。4. 微型燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線基于對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用背景的認(rèn)識(shí)、市場(chǎng)機(jī)型的對(duì)比和研發(fā)技術(shù)的分析，我公司200kw微型燃?xì)廨啓C(jī)以凱普斯通（capstone）c200機(jī)型為藍(lán)本，在研發(fā)條件具備時(shí)，可遵循本節(jié)草擬的開(kāi)發(fā)路線開(kāi)展工作。4.1 方針（1）以國(guó)內(nèi)微型燃機(jī)研發(fā)技術(shù)水平為基礎(chǔ)，充分借鑒當(dāng)前微型燃機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)內(nèi)具備微型燃機(jī)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(jī)研發(fā)平臺(tái)，為加快今后微型燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度提供必要的條件。（2）以培養(yǎng)微型燃機(jī)研發(fā)隊(duì)伍為先導(dǎo)，逐步形成我公司自己的具備研發(fā)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、工藝和制造的微型燃機(jī)科研力

35、量，為自主研發(fā)和先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)儲(chǔ)備人才。（3）以國(guó)際合作和技術(shù)引進(jìn)為契機(jī)，通過(guò)合作學(xué)習(xí)優(yōu)秀設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)制造工藝，通過(guò)引進(jìn)彌補(bǔ)短期無(wú)法突破的技術(shù)瓶頸，保障微型燃機(jī)研發(fā)進(jìn)度，加快目標(biāo)機(jī)的成型和制造步伐，盡早達(dá)到國(guó)內(nèi)微型燃機(jī)整體研發(fā)水平。（4）以搶占市場(chǎng)份額為根本，不斷完善和優(yōu)化目標(biāo)機(jī)性能，先開(kāi)發(fā)出一款完備的典型機(jī)型，投放市場(chǎng)，創(chuàng)造業(yè)績(jī)，與此同時(shí)，著手系列化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，豐富產(chǎn)品型號(hào)，拓寬適用范圍。4.2 規(guī)劃微型燃機(jī)的研發(fā)以五年（2015.012020.01）為規(guī)劃時(shí)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(jī)的產(chǎn)品定型。4.2.1 技術(shù)路線（1）2015.012015.06（6個(gè)月）：微

36、型燃機(jī)核心技術(shù)學(xué)習(xí)和概念機(jī)設(shè)計(jì)。主要進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)理論的補(bǔ)充學(xué)習(xí)和樣機(jī)各部件設(shè)計(jì)方案論證，完成概念機(jī)設(shè)計(jì)。（2）2015.072016.12（6個(gè)月）：微型燃機(jī)虛擬機(jī)設(shè)計(jì)和樣機(jī)初期設(shè)計(jì)。主要基于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)將概念機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)體化，進(jìn)行性能匹配的計(jì)算、校核和改進(jìn)，逐漸細(xì)化設(shè)計(jì)，將虛擬機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)渡到樣機(jī)初期設(shè)計(jì)，完成樣機(jī)初期設(shè)計(jì)。（3）2016.012016.12（12個(gè)月）：樣機(jī)核心部件加工制造和試驗(yàn)，完成樣機(jī)設(shè)計(jì)定型。（4）2017.012017.06（6個(gè)月）：定型樣機(jī)加工制造；配套輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和外協(xié)。（5）2017.072017.12（6個(gè)月）：完成樣機(jī)的整機(jī)裝配、調(diào)試和試驗(yàn)。（6）2018.012018.06（6個(gè)月）：完成樣機(jī)的優(yōu)化和產(chǎn)品機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（7）2018.072018.12（6個(gè)月）：生產(chǎn)產(chǎn)品機(jī)和試運(yùn)行。（8）2019.01