1.前言
燃气轮机是以气体作为工质，将燃料燃烧时释放出来的热量转变为有用功的、高速回转的叶轮式动力机械。与目前其他普遍应用的动力装置相比，燃气轮机的主要优点是重量轻和体积小，此外还具有设备简单、可不用水和起动加速快的优点。由于燃气轮机所具有的显著优点以及较大的发展潜力，随着技术的不断发展，性能的不断改进，具有广阔的发展前景。
从容量上看，目前大中型燃气轮机占市场主要份额，小型燃气轮机以备用为主。随着社会对电力供给的依赖日益加剧，对电网安全性的要求越来越高，分布式能源作为电网的补充，可以提高用户用电的可靠性，因此开始引起广泛的关注【1-3】。分布式能源是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近。当今的分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的微型/小型燃气轮机、内燃机、各种工程用的燃料电池以及可再生能源。
虽然可再生能源是取之无尽的洁净能源，但是相对于化石能源而言，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差;而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源是主要方向。小型/微型燃气轮机由于环保、高效，而且便于能源的综合利用，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到越来越广泛的应用。
2.小型/微型燃气轮机原理
燃气轮机根据负荷容量分为大中型燃气轮机、小型燃气轮机和微型燃气轮机：大于20000kW的属于大中型燃气轮机;而1000～20000kW的被称为小型燃气轮机;小于1000kW的则是微型燃气轮机。小型和微型燃气轮机与分布式能源密切相关，本文主要介绍这两种形式的机组。
2.1微型燃气轮机
微型燃气轮机尚处于发展的初期，虽然有很多公司提供了产品，但目前的价格仍然比较昂贵，为800～1200$/kW。为了满足低成本的要求，设计中均采用了尽可能简单的布置形式：离心压气机、向心透平、直接驱动的高速空冷发电机、适用于多种燃料的燃烧室(传统的或催化的)、紧凑高效的回热器以及简单的控制系统【4】。此外，为了支撑高速的电动机，空气轴承被采用，从而消除了润滑油泄漏的可能。
与大中型燃气轮机的轴流式压气机和轴流式透平不同，微型燃气轮机采用的离心压气机以及向心透平在比较小的尺寸时仍有相当高的空气动力学效率，这是较小的叶片高度、雷诺数、较小的叶片顶部间隙等综合作用的结果。由于微型燃气轮机尺寸较小，叶片的冷却十分困难，因此透平进口温度完全取决于材料技术的发展。
由于透平进口温度受到了很大的限制，目前对于简单循环布置的微型燃气轮机发电效率很难达到20%。为了改善微型燃气轮机的性能，回热器被采用，在这种情况下，发电效率可达30%甚至更高。预计到2010年，随着陶瓷技术的发展，陶瓷可以在微型燃气轮机的高温部件上得到大量应用，微型燃气轮机的发电效率可达50%。
微型燃气轮机的转速可达每分钟几万转甚至10多万转，远高于大中型燃气轮机。为了避免采用沉重、昂贵的减速箱，微型燃气轮机采用了直接驱动的发电机，通过变频装置获得所需的电流。大中型燃气轮机的变工况通常采用定转速调节的形式;而微型燃气轮机可以考虑采用变转速的形式，通过变频装置稳定电力频率的输出【5】。
下表为一些微型燃气轮机的性能参数：
从上表中可看到，目前的微型燃气轮机的压比在4.0左右，因此采用单级离心压气机即可。由于没有叶片冷却，透平进口温度均在1000℃以下，明显低于大中型燃气轮机的温度。由于压比较低，透平的出口烟温达到650℃。在布置了回热器后，回热器出口烟温降到320℃以下。由于燃烧室的燃烧温度较低，NOx排放很低。
2.2小型燃气轮机
小型燃气轮机相对微型燃气轮机而言技术比较成熟，与大中型燃气轮机几乎完全相同：采用轴流式压气机和轴流式透平，叶片的冷却模式与大中型机组相同。由于技术成熟，目前的价格相对较低，为350～600$/kW;此外，小型燃气轮机的发电效率与大中型机组相比也相差无几，ISO工况电效率目前多为27.0～39.0%【6】。小型燃气轮机的发电效率较高，为了便于尾部烟气的综合利用，同时使系统比较简单，在实际应用中小型燃气轮机大多采用简单循环的布置形式;只有少量对发电效率有特殊要求的场合使用回热循环或注蒸汽循环。由于采用了干低NOx燃烧技术、采用注水、注蒸汽技术或是在烟气中使用选择性还原技术，小型燃气轮机的NOx排放可以被严格控制。预计到2010年，小型燃气轮机的性能将进一步提高，NOx排放将低于5ppm，而连续运行时间将超过8000h，而增加的成本将不会超过10%。
2.3燃气轮机与内燃机的对比
燃气轮机与内燃机是在分布式能源中使用最多的两种动力系统，而且都是使用气体或液体燃料，但由于各自的性质有着不同的适用范围：
燃气轮机的发电效率与内燃机相比略低，小型/微型燃气轮机ISO工况的发电效率为27.0～39.0%，而(柴油)内燃机发电效率为30.0～45.0%左右【7】。在冷热电联产系统中，内燃机构成的系统的冷(热)电比将小于燃气轮机构成的联产系统。在建筑领域，用户对电力的需求通常小于对冷热的要求，因此燃气轮机系统更容易满足用户的需求。
小型燃气轮机的排烟温度通常为450～550℃;而内燃机排气的温度通常为400～450℃左右，包含的能量为输入能量的15～35%，另外冷却用的缸套水带走了25～45%的输入能量，出口温度一般在55～90℃。内燃机系统中缸套水热量占有较大的比重，这部分热量由于温度太低，比较适合于供热，用于制冷时效果较差。与内燃机系统相比，燃气轮机系统烟气中所包含的热量更多，而且温度较高，因此更利于冷热电联产系统中供热、制冷子系统的回收利用。
燃气轮机中燃料的燃烧为扩散或预混火焰，燃烧区温度场相对比较均匀，;而内燃机为爆燃式设备，燃烧温度可达到很高的水平，因此热力型NOx的生成量显然较高。因此燃气轮机与内燃机相比在污染物的排放上有一定的优势。
燃气轮机为高速旋转设备，所产生的噪音为高频噪音，很容易被吸收屏蔽，传播距离很近;而内燃机为往复式机械，产生的低频噪音很难消除。燃气轮机的装置轻小，重量和所占体积通常只有内燃机的几分之一，因此消耗材料也较少。但目前燃气轮机的制造成本略高于内燃机。内燃机为往复式机械，有更多的活动部件，维修成本较高。根据内燃机的技术特点，其主要适用于对排放、噪音、场地要求不是很高的场合。
3.小型燃气轮机在分布式能源领域中的应用
由于可再生能源技术发展尚不够完善，目前的分布式能源还是以化石能源为主。根据循环方式不同，可分为燃气轮机方式、内燃机方式、蒸汽轮机方式和燃料电池方式等。蒸汽轮机的效率与规模有着直接的关系，而分布式能源又限制了蒸汽轮机的规模，此外蒸汽轮机系统复杂，因此在分布式能源中很少得到应用。燃料电池目前还没有进入大规模的商业应用。燃气轮机和内燃机是在分布式能源中使用最广泛的两种形式，其中燃气轮机由于便于能量综合利用、环保、安装方便、起停快捷，在市场中占有较大优势。
根据用户需求的不同，分布式能源可分为电力单供、热电联产和冷热电联产方式。目前用户只需要电力的情况比较罕见，很多情况下还需要制冷、供暖、通风、热水、除湿等其他相关负荷。电力单供系统中，输入能量的大部分未被利用就被排向环境，因此能源利用率很低。将动力系统排向环境的热量部分回收用于供热，即构成传统的热电联产系统。传统的热电联产系统有一个严重的制约因素：其热能的实际利用不够充分，特别是在夏季对热的需求很少甚至没有热需求，因此它的经济性和使用效率受到很大的影响，使用受到很大的限制。利用吸收式制冷技术和除湿技术，用热为驱动力获得制冷量和除湿能力，从而大大扩展了热电联产的适用范围，即构成了冷热电联产系统。冷热电联产系统与热电联产系统相比，因为增加了热的用途，系统的能源利用率和利用时间都大幅度增加，经济性和性能都明显改善。以下为几种采用小型燃气轮机的冷热电联产系统布置形式【8-10】。把小型燃气轮机换为微型燃气轮机，以下系统同样可以很好的运行，只是由于微型燃气轮机的排烟温度较低，为了较好的工作，可能需要对燃气轮机的烟气进行补燃以增加一些热量。
3.1燃气轮机-蒸汽型溴化锂吸收式联合循环冷热电联产
该方案燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧，高温烟气先进入透平膨胀作功;透平排气进入余热锅炉，回收余热生成蒸汽或高温热水;余热锅炉的输出，在冬季直接供暖，在夏季驱动蒸汽双效式吸收式机组制冷。在燃气轮机停运或所需供热、制冷热量不足的情况下，在余热锅炉中补燃提供所需额外的热量。因存在独立的锅炉系统，需要水处理设备，投资成本也相对较大;但蒸汽的利用相对比较容易，蓄热也比较方便，这种形式目前使用比较广泛。制冷系统和供热系统是串联回路，由于制冷系统所需的热量通常高于供热所需，因此这种布置形式可以较多的回收烟气中的热量。
3.2燃气轮机-余热型溴化锂吸收式联合循环冷热电联产
这种方案也是燃料先通过燃气轮机发电，不同的是烟气中的余热直接通过余热溴化锂吸收式机组回收利用，去掉了余热锅炉这一环节，设备成本大幅度降低。在燃气轮机停用或供热、制冷所需热量不够的时候，在溴化锂机组中补燃提供所需驱动热量。因为省掉了余热锅炉及相关系统，系统比较简单。但受到制冷设备自身的限制，溴化锂机组的排烟温度较高，通常在170～200℃。为了提高燃料的能源利用率，可以考虑在溴化锂机组后面增加一级换热器，进一步回收烟气中的余热，但这将略微增加设备的成本。
3.3STIG联合循环
方案1在冷、热负荷需求不大的情况下，如果燃气轮机满负荷运行，余热锅炉将产生过量的过热蒸汽。将这些蒸汽通入燃气轮机的燃烧室，进入透平膨胀作功，这样可以增加发电量，同时增加在热、冷负荷较低时的热效率。这种方案在运行中优先满足热(冷)负荷。在冷、热负荷为额定负荷时，全部蒸汽用于供热、制冷，没有蒸汽注入燃气轮机燃烧室，此时运行情况与方案1相同。随着冷、热负荷的降低，越来越多的蒸汽注入燃气轮机的燃烧室，也就成了注蒸汽燃气轮机循环。在整个热负荷变动范围内，燃气轮机进口温度基本可以保持不变，这对热效率有利【11】。由于水蒸汽注入燃烧室，在一定程度上可以抑制NOx的生成。
方案3通过调节注入燃气轮机燃烧室的蒸汽量，能够较好地适应冷、热负荷的变化，变工况性能较好。其它方案在冷、热负荷降低时，需要相应地降低发电量，否则多余的热能无法充分利用，将降低整个系统的效率。由于系统的使用情况取决于冷、热负荷，而它们在一年中的变化很大，在某些时段里甚至没有冷、热需求，因此整个系统的使用率将受到影响。
4.冷热电联产系统在实际工程中的应用
目前，冷热电联产系统在欧美等发达国家已经达到了一定的规模和水平，冷热电联产系统已达到可对100万平米以上的建筑提供冷热电资源，联供能力达到兆瓦以上。如美国麻省理工学院的冷热电联产中心，制冷能力达到32.5MW，燃机容量达到24.6MW;马来西亚吉隆坡城市中心联供站制冷能力可达105.3MW，装机容量达25.8MW。我国冷热电联产的推广应用目前尚属起步阶段，但政府政策上的支持和西气东输工程的建设都起到了巨大的推动作用，如北京市近期将有燃气指挥调度大楼和燃气次渠门站等项目投入实际应用。以下为两个拟建中的具有代表性的项目：
4.1中关村国际商城清洁能源项目新建工程【12】
该项目为中关村国际商城一期工程35万平方米的商业、休闲娱乐及附属建筑提供所需的全部空调、采暖和生活热水，并供应部分电力。项目采用由燃气轮机、烟气余热补燃型溴化锂吸收式冷温水机组组合构成的冷热电联产系统方案，系统流程见图4。图系统流程图。
燃料先进入燃气轮机发电。燃气轮机排烟直接驱动烟气余热型溴化锂冷温水机组，余热型溴化锂机组对外提供的热量通过高压发生器中的蒸汽加热得到。当驱动热源热量不足时，额外的热量通过在溴化锂机组中补燃得到。按照商城的总体规划，与商城建设同步配套建设一座污水处理厂。为综合利用水资源，采用中水作为夏季溴化锂机组的冷却水的补水。为了确保中水供应的可靠及减少中水储存用地，计划利用商城内的明渠作为中水储存池，从而减少投资。
4.2奥运能源展示中心的构想【13】
2008年将在北京举办夏季奥运会，该项目计划在奥林匹克公园内建设奥运能源展示中心，为附近的国家体育场、国家游泳中心、信息大厦等共41万平方米的场馆建筑提供所需的全部空调、采暖和生活热水，并供应部分电力。根据奥运的特殊要求、场馆的负荷情况以及周边条件，本项目将燃气轮机、热泵、太阳能光热、地热、蓄冷等进行高度集成。图5和图6分别为其方案在制冷工况和制热工况下的系统流程图。
在夏季制冷工况运行时，燃料先进入燃气轮机发电。燃气轮机排烟直接驱动余热型双效溴化锂吸收式机组制冷;利用游泳池水和少量的自来水充当溴化锂机组的冷却水，一方面可以减少冷却水的需求，另一方面可以为游泳池水加温和提供部分生活热水;由于附近有中水管线，利用其作为冷却水，可以减少对冷却塔的需求。离开吸收式机组的烟气，进入热交换器，进一步回收余热产生热水，用于驱动吸收式除湿装置。压缩式机组主要作用是利用低谷电和系统提供的多余电力蓄冷，提高系统的经济性。
图6奥运能源展示中心供热工况流程图
在冬季制热工况下运行时，燃气轮机排烟进入溴化锂机组，溴化锂机组按热泵工况运行，中水、太阳能充当低温热源。由于地热和中水温度较低，溴化锂机组无法直接应用，因此采用吸收/压缩复叠式热泵技术。压缩式机组也按热泵工况运行，中水和地热先充当其低温热源，产生的高温水与太阳能的热量混和，然后充当溴化锂机组的低温热源。此时低温余热锅炉所产生的热水直接用于供暖和提供生活热水。溴化锂机组后的热交换器进一步回收热量直接供热。
此方案将太阳能、地热、中水资源与燃气轮机冷热电联产系统有机整合，具有多能源(天然气与可再生能源)的综合互补和能源高效洁净利用的特征。与常用的分产能源系统相比，该方案夏季节能率超过30%，而冬季超过35%;即使与最新的冷热电联产系统相比，节能率也超过10%。
5.结论
冷热电联产系统作为分布式能源的一个主要发展方向，更加符合能的梯级利用原则，通过各种热力过程的有机结合，使系统内的中、低温热能得以合理利用，相对于常规系统能源利用率可以大幅度提高;由于效率提高导致的排放的下降及自身性能的改善使排放的下降，使冷热电联产系统的环保性能优良。作为分布式能源的最主要组成部分，它因灵活的变负荷性、低的初投资、很高的供电可靠性和很小的输电损失等特点在世界范围内越来越受到重视。毫无疑问，冷热电联产系统将成为能源领域的一个重要的新方向，在商业、建筑能源系统中将得到广泛的应用。
小型燃气轮机由于高效、环保、便于能量综合利用等特点，在冷热电联产系统的动力系统中占有较大的优势，而且随着分布式能源的普及以及燃气轮机技术的发展，小型燃气轮机将有更大的发展空间。小型燃气轮机应用于冷热电联产系统时间还不是很长，对由其构成的能源系统的研究尚不够充分。正确地处理好电与冷、热各部分之间能量的匹配关系，才能更好的发挥小型燃气轮机的作用，才能使分布式能源系统取得应有的效果。到目前为止，小型燃气轮机冷热电联产系统仍在不断发展之中：系统内部的深层原因尚未完全阐明，所蕴含的关键科学问题需要进一步解答;同时，原有的子系统也在不断发展，还不断有新的技术出现。为了更充分的利用能源和减少污染，在冷热电联产的分布式能源系统中还要进行大量的研究工作。
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