瓦楞筒消声结构在分布式能源动力装置上的应用展望

2020-03-04 17:03 [科技论文] 来源于：国网牡丹江供电公司作者：刘福贵\李善军\刘磊

导读：瓦楞筒消声结构在分布式能源动力装置上的应用展望 ----高性能关键零部件技术刘福贵，李善军，刘磊，孙岩 (国网牡丹江供电公司黑龙江牡丹江 157000) 摘要：分布式能源的主要动力装置之一是微型燃气轮机，分析国内外微燃机市场开发情况进而找出制约我国微

瓦楞筒消声结构在分布式能源动力装置上的应用展望
----高性能关键零部件技术

刘福贵，李善军，刘磊，孙岩

(国网牡丹江供电公司黑龙江牡丹江 157000)

摘要：分布式能源的主要动力装置之一是微型燃气轮机，分析国内外微燃机市场开发情况进而找出制约我国微燃机产业化技术之一是回热器，本文主要介绍瓦楞筒消声换热结构用作回热器而构成的微能源动力结构装置的三种方式原理，同时介绍了高效紧凑瓦楞筒消声换热结构的制造情况，并展望分布式能源在能源装备领域的应用前景。

关键词：分布式能源；动力装置；微燃机；回热器；消声器

分布式能源动力装置发展概述。分布式能源动力装置主要是指单机功率范围为300kW左右及以下的微型燃气轮机（以下简称“微燃机”）, 基本技术特征是采用全径流式叶轮机械(离心式压气、向心式透平)和回热循环，主要由压气机、燃烧室、空气轴承、涡轮、回热器、高速交流发电机及变频电控部分组成,以沼气等生物质和化石能源为燃料；与内燃机比，它体积小、重量轻、适应燃料范围广及低噪声、低排放、低维修率并可遥控和诊断等先进技术特点；它除用于分布式能源的冷热电联产外，还用于航天航空和舰艇等重要装备的供电电源、单兵电源、电动汽车的增程器以及与燃料电池等先进技术联合发展下一代能源系统。

微燃机发电相对于燃煤发电技术，在热效率和环境保护等方面均具有明显的技术经济效益和社会效益，还可以结合清洁能源与可再生能源的利用，建立相对独力稳定的供电系统，实现更为灵活、安全、洁净、廉价的发电和热（冷）电联供方式，符合对能源供给多样化的发展需求和能源综合利用。同时，由于微燃机发电机组通常具有不需要水、占地面积小、无需机房等特点，对于水资源、土地资源、建材等耗用较少。所有这些都特别符合我国21世纪可持续发展的战略思想。

国内微燃机发电机组的主要潜在应用市场十分广阔，用于建筑楼宇、小区、医院、车站、机场、金融、信息中心等国家重要设施，用于化工、木材加工、纺织等工艺用电、用热、用冷和用汽，用于边防基地、海岛、军事设施等国防部门，用于西部边远地区和其它缺电地区以及用电安全性要求高的地方供电，用于城市垃圾处理场沼气发电；此外，通过模块式组装的微燃机群体形成中型电站，其还可与燃料电池等先进技术联合发展下一代能源系统等。

分布式热（冷）电联供能源系统的用能优势与市场需求形成快速推动微燃机发电机组发展的重要力量。国内微燃机发电机组及分布式热（冷）电联供能源系统需求的总走势与国外相似，即随经济发展水平提高、环保高效用能需求也加快，如国内一线城市和江苏等多个经济发达地区的需求已经出现，并随着我国天然气供应量的不断增加及可再生能源应用技术的成熟，分布式发电及热（冷）电联产系统将得以大力推广，这也将对我国微燃机发电机组的发展起到重要的推动作用。鉴于微燃机发电机组的众多优势，国家有关部门对发展我国的微燃机发电机组相当重视，微燃机发电机组应用前景非常明朗，开发先进微燃机发电机组及其分布式热电联产机组势在必行。

国外微燃机发展现状。微燃机作为一类新型的小型分布式能源系统和电源装置的发展历史较短，现已有多家公司研制和生产微燃机。目前，国际上微燃机的先进技术和产品研发主要集中在北美、欧洲和日本，他们针对微燃机的未来发展，都制订了相应的战略发展规划，以期在未来的分布式能源市场中抢占先机。

美国能源部在未来燃料电池和燃料电池与微燃机联合循环系统以及以天然气为燃料的系统效率提高到75%以上,SOx和NOx的排放接近于0。

多家日本公司都在积极开发不同功率等级的高效率微燃机产品,其陶瓷微燃机开发计划也是以节能和环保为目标,主要发展过程经历了900℃的金属涡轮、1200℃的陶瓷涡轮、1350℃的陶瓷涡轮三个阶段,并正在向工程实用化方向发展。

欧共体研发微燃机的基本方向是燃料电池与微燃机联合循环技术、低NOx技术、适应多种燃料的微燃机技术，欧共体各国开展了高效微燃机能源系统、高效联合循环系统、汽车用先进微燃机、生物质能微燃机等多项研发计划。

目前世界各研究机构和厂商进行商业化应用研究方向主要是固体氧化物燃料电池/微燃机混合系统，并朝着输出功率更大的方向发展。

我国微燃机研究情况及发展瓶颈。目前，国内市场上使用的微燃机发电机组几乎均为国外进口，大多使用在分布式热（冷）电联供系统中。进入中国市场的微燃机发电机组品牌主要为美国的凯普斯通公司（占80%）和英格索兰公司及瑞典的Turbec公司的产品为主。至今为止，国内一些单位对微燃机发电机组和其设计、制造、应用技术进行了大量的研发工作，部分企业已生产出商品但与国外同类产品的技术相比还有很大差距。

哈尔滨东安发动机有限公司、中科院工程热物理所和西安交通大学等单位开展的863计划专项“l00kW级微型燃气轮机研制”课题，经十余年的联合研发、攻克解决了微型燃气轮机的压气机、涡轮机、燃烧室和电力变换控制系统等核心技术并完成验证机的设计和制造，于2011年7月启动点火试验，该机功率达虽已达到设计指标100kW，但发电效率和热电联供综合效率未达目标。

除参与国家863计划的各单位之外，我国微燃机研发、设计和生产主要以航空航天企业为主以及其他高等院校、科研院所和企业也都不失时机地开展了微燃机相关产品的研制工作。

上海航天能源股份有限公司（中国航天科技集团下属公司）与美国公司长期合作，开展微燃机发电机组零部件设计制造，所制造产品已稳定出口美国公司；同时与中国燃气控股有限公司和哈尔滨工业大学成立研究室，对微燃机发电机组的应用技术进行研究；与上海交通大学合作，开展低热值燃烧的微燃机发电技术研究；当前正在从事开展微燃机发电装置作为不间断电源的设计开发。

北京航天科工三院31所及海鹰集团也正在开发30kW、200kW 微燃机发电机组，对于微燃机核心技术有了大量的基础研究。目前该样机已经完成，处于试验阶段。

中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司微燃机项目于2001年启动，生产的功率为95kW的DW095型微燃机应用大量高新技术，其压气机、涡轮选用J80涡轮增压器叶轮，并采用高速永磁电机技术、低污染燃烧技术、高效回热技术等，极大优化了机主的性能。

中国航空动力机械研究所（608所）测绘仿制了俄罗斯产75kW军用微燃机机组，研制工作已通过交付验收。

沈阳航天新光集团与俄罗斯合作开发的高科技自主供电设备—75kW微燃机组，参展2009年第八届中国国际装备制造业博览会。

上海交通大学为上海市分布式供能基地，长期从事微燃机研究，小批量生产37 马力水泵用微燃机，并研制成功20kW 野战炮车用微燃机，同时与上海航天能源股份有限公司和澳大利亚联邦研究院在低热值燃气稳定燃烧技术研究上进行了长期合作，研制了30kW、50kW 低热值（1-5MJ/m3）微燃机发电装置；和上海理工大学建成以微燃机为核心的能源岛供能系统试验研究基地。

沈阳工业大学、南京航空航天大学和浙江大学共同承担的国家重点自然科学基金项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”也已正式启动。

上海泛智能源装备有限公司自主研发的100kW微型燃气轮机，在2016年7月20日“十二五”期间重大标志性科技创新成果展中亮相。位于奉贤区桥南镇的该公司历经5年磨砺，研发出一级离心压气、二级轴流涡轮的100kW微燃机，核心部件国产化率100%，项目优化后进行示范，近日将投入生产、每千瓦成本8千元左右。

泰克鲁斯.腾风自主研发了“航空动力增程式电动汽车”（TREV动力系统），已经拥有了“空气轴承”等高新技术储备，其高性能跑车“至仁RS”于2016年至2018年三次参加日内瓦车展，该车搭载了一台36kW微型涡轮轴发动机和六台电动机（126kW）的曾程式电动车，微涡轴发动机采用涡轮和压气均为轴流式并带回热技术。2017年6月，腾风公司聘请陈清泉院士担任落户北京未来科技城的新能源汽车技术研究院院长，正在进行商业及载客车辆使用的各型号微燃机核心部件及整体微燃机的开发、测试工作；2018年3月，腾风公司聘请杨裕生院士为集团首席专家，将在电池技术、小型车和大型民用车的增程技术应用、军用车辆的增程技术应用等方面进行合作，共同推进增程式电动车的应用推广。此外，为了实现航空动力增程式动力系统的广泛应用，近年来，腾风公司与国内多家企业展开合作、洽谈组建合资公司，与深圳五洲龙汽车股份公司研究解决大型新能源客车电池负载重和里程忧虑等问题，与深圳市比克科技有限公司研究降低电动物流车的电池成本问题及联合开发TREV系统驱动的高性能、高性价比的轻型商务车，与中车集团研发智能轨道快运系统的增程器问题及中车先进的电动驱动技术应用到新能源汽车领域和其它形式的大众交通工具中。

上海璞剑航空技术有限公司经17年非常规拼搏，研制出8个型号全动压气体轴承，产品参加了“2016第十一届中国国际航展”、“2017法国巴黎航展”和“2018第二届中国创新挑战赛即中关村首届科技军民融合专题赛”，目前已落户北京中关村石景山园开发3千瓦微燃机单兵电源。

目前总体而言，我国微燃机研制与世界先进水平差距较大，还没有商业化应用的主要原因是未研制出制造微燃机设备的成熟的分模块技术和它们的总成平台。微燃机的回热器做为分模块技术之一，其材料必须选择超纯铁素体不锈钢做基体，结构上选择原表面的高效紧凑式并与主机一体化，以实现紧凑和高效。国家863计划专项的100kW微燃机的回热器样机体积庞大，其换热性能远不满足微燃机的需求，而且在加工制造工艺方面仍难以保证回热器的可靠性能。所以，高性能紧凑式回热器已成为我国微燃机发展的主要瓶颈。

解决回热器的技术方案及应用其的微能源动力装置国产化展望。我国微燃机研发虽然与国外相比差距很大，但通过近年国家科技政策的引领和多方面技术攻关，已有相对较好的技术储备和工作基础。对于径流式叶轮机械，经过再努力完全有可能在微燃机的先进径流式叶轮机械研发方面达到国际水平；在高温材料和高温高速轴承以及低污染燃烧室方面，国内也有非常出色的研究工作基础和实验条件以及满意的成果；对于高效紧凑回热器的研究和研发，国内尚没有开展深入的工作，特别是高效紧凑式回热器，国际上在这一领域的竞争十分激烈，有关研究报道十分少见。针对我国微燃机研究现状，本人经多年苦心专研终于在高性能紧凑式回热器技术上有所突破，但还要积极推进成熟的模块化制造技术。

微燃机回热器的技术要求。微燃机的回热器是气与气之间进行热交换的换热器。热工质燃气进入回热器的温度为600—800°C、压力约一个大气压，其排出回热器的温度为200—350°C之间且越低越好；从离心压气机出来的冷工质空气的温度为170°C左右、压力为4—6bar之间，在回热器中其温度被加热至500--620°C之间排出。由此对微燃机的回热器的技术性能指标要求为：1.回热有效度接近或超过0.9；2.紧凑度高、体积小、重量轻；3.压力损失小于5%；4.可靠性高、热变形小、寿命长；5.造价低（不超过原材料价格的1.5倍）；6.易于加工，可连续地自动化制造。
实现微燃机回热器的技术性能指标对回热器所用材料应满足以下几个要求：

1.长时间耐高温；2.适宜熔接或焊接；3.材料的朔性可实现冲压、模压或折叠；4．抗热变形好，抗腐蚀性好；5.费用低。

微燃机的回热器结构的选择确定。因微燃主机采用离心压气和向心涡轮的全径流式，离心压气机的出口与同轴的向心涡轮的入口是在径向均与转轴之间有一定距离的圆环形，为使微燃机整体结构紧凑和性能高效，有必要将回热器与主机一体化设计；此外，进入回热器的空气在压气前已经被滤清净化，回热器运行中的尘埃污染物等主要来自热端排气，且燃烧优良的排气是不用考虑清洁回热器的由此，回热器的形状最好也应为圆环形并与主机同轴套装。

板翅式结构的回热器，因不易围成圆环形，即使成圆环形也因冷热工质出入口不易设置且与主机之间衔接不理想，故应采用主表面形式。目前，国外试验研究的微燃机的回热器具体结构参数并不公开报道，生产的微燃机的回热器对外严加保密，公开发表的环形微燃机的回热器很少，仅有美国Capstone公司生产的30kW微燃机的回热器和船舶重工711研究所所属的上海齐耀动力技术有限公司研制的热气机的空气预热器（异形板翅式换热器芯子专利）是圆环形，它们换热性能好、结构比较完整，但是不能批量生产，因而只有较高的单机费用，限制了微燃机的普及应用。

德国研制、并已试验的新型主表面回热器—“手风琴式”换热器和上述圆环形回热器及空气预热器给我们很多启发，我们给新开发的回热器结构定义为瓦楞筒消声换热结构。瓦楞筒是由折叠成瓦楞状的金属带弯曲围成的筒状体，瓦楞筒的瓦楞槽通道两端口可由翅带封堵，使两端的内外瓦楞槽通道口相互独立，被翅带封堵的瓦楞槽通道口开在侧面，即金属带两端上或下的封条按该端出入口方式进行设置并与金属带一同折叠冲压，保证成园筒后的“手风琴式”折叠金属带两端的冷热工质独立。因其圆环形且一次表面为交叉波纹并径向弯曲以补偿直径变化带来的体积变化的特点，所以该设备微小型化和大型化都对加工制造设备的精密度和原材料规格带来挑战，优点是其易实现自动化制造并满足回热器造价低廉的商品化要求，同时外瓦楞槽通道做为排气热工质通道是有利于定期清洁。

瓦楞筒回热器构成的微能源动力结构。瓦楞筒回热器用于微燃机的回热器并与径流式叶轮机械、燃烧室等紧凑组合，其作用是利用微燃机排气中的废热来加热压缩空气以代替部分燃料，使排气温度降低，从而提高微燃机的效率。

瓦楞筒回热器构成的微能源动力结构主要有三种，一是叶轮机分布在瓦楞筒回热器两端的微燃机动力结构，二是燃烧室设置在瓦楞筒内的微燃机消声换热结构；三是瓦楞筒结构技术用于涡轴发动机的回热器并与涡轮机、压气机、燃烧室等紧凑组合。涡轴发动机是属于带压气的涡轮发动机，其特点是输出的动力涡轮与压气涡轮无机械连接，动力涡轮（自由涡轮）是专为输出功率用的涡轮、而压气涡轮仅带动压气机不输出功率。

作者简介：刘福贵（1962.--），男，国网牡丹江供电公司高级工程师。

（编辑：东北亚）

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