小型燃气轮机在我国分布式能源系统中应用的市场前景分析.doc
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1、2013 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 版权所有上海电气电站集团 SHANGHAI ELECTRIC POWER GENERATION GROUP 2013-8-29 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 目 录 CONTENTS 第一章 小型燃气轮机的发展现状和行业规模概述 第一节 小型燃气轮机介绍 第二节 小型燃气轮机国外现状 第三节 小型燃气轮机国内现状 第二章 分布式能源系统的发展现状和规模概述 第一节 分布式能源系统介绍 第二节 分布式能源系统优缺点 第三节 国外分布式能源系统发展情况介绍 第四节 国内相关政策介绍 第五节 分布式能源
2、系统国内发版展分权析所有 第三章 小型燃气轮机在分布式能源系统的应用现状概述 第一节 小型燃气轮机在分布式能源中的应用介绍 第二节 国外热电冷联产发展现状及相关政策 第三节 国内热电冷联产发展现状 第四章 国际小型燃气轮机行业产品和技术分析 第一节 国际小型燃气轮机产品和技术概述 第二节 国外主要小型燃气轮机公司及产品介绍 第三节 史上知名燃气轮机的研发和技术分析 第五章 国内(外)小型燃气轮机在分布式能源系统的应用实例分析 第一节 国内热电冷联产项目案例分析之上海浦东国际机场热电冷联?钅?2 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 第二节 国外热电冷联产项目案例分析之
3、美国GE -颜巴赫产品项目 第六章 分布式能源系统的小型燃气轮机行业市场前景与预测分析 第一节 国内小型燃气轮机分布式能源主要市场分布 第二节 国内相关政策分析 第三节 国内天然气对市场的影响 第四节 国内小型燃气分布式能源前景分析 第七章 分布式能源系统的小型燃气轮机技术发展前景与展望分析 第一节 国际小型燃气轮机整体技术水平 第二节 历史上国内外相关技术发展项目介绍 第三节 基于中国现阶段科学技术水平的新技术展望 版权所有3 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 第一章 小型燃气轮机的发展现状和行业规模概述 第一节 小型燃气轮机介绍 定义 小型燃气轮机是一类新近发
4、展起来的小型热力发动机,其单机功率范围20MW以下,基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环。据认为,小型燃气轮机发电技术有可能掀起?电源小型分散化?的技术革新热潮,从而成为21世纪能源技术的主流。 版权所有 先进小型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征,除了分布式发电外,还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等,是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式,无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外,小型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽
5、车)以?熬狄约奥胶叻婪矫婢哂杏攀疲艿矫馈淼染麓蠊墓刈虼耍庸野踩捶剐腿计只彩欠浅匾摹?发展历史 小型燃气轮机的雏形可追溯到60年代,但作为一种新型的小型分布式能源系统和电源装臵的发展历史则较短。1995年在美国动力年会上,AlliedSignal、Capstone4 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 与Elliott公司展示了2575kW小型燃气轮机样机。其后发展迅速,每年(包括其它公司,如NREC等)均有样机推出。 为此,美国能源部(DOE)于1998年12月主持召开了小型燃气轮机技术高峰会(Micro turbine Technology Summit),专门讨
6、论有关小型燃气轮机技术研发以及与政策和市场相关的问题,为制订小型燃气轮机研发计划提供思路和建议。 会议明确指出:小型燃气轮机市场很大,工业应用竞争激烈,其中未来电力市场结构将是影响小型燃气轮机发展因素之一;小型燃气轮机的廉价高效,性能可靠对其发展十分重要,同时,燃料处理。燃气压缩,回热系统以及电力电子技术对提高小型燃气轮机的可靠性及降低造价也很重要,并且,廉价耐用可靠的高温材料将是小型燃气轮机在热效率和环保方面取得进展的关键;小型燃气轮机分布式发电的联网是其特殊技术问题。 美国ASME副主席LeeLangston在1999年度和2000年度燃气轮机工业综述回顾中,专门对小型燃气轮机的发版展进权
7、行评所述和预有测。Langston预计,电力系统放松控制的深入和加速,小型燃气轮机的潜在市场将达到每年80100亿美元。为了对照,给出关于全球燃气轮机市场的一组数据:1997年为240亿美元;1998年为280亿美元,比1997年增长17;1999年达350亿美元,比1998年增长21。 由此可见,小型燃气轮机的发展潜力和市场份额都很大,有专家曾指出:小型燃气轮机在未来电力工业中的地位犹如微机(PC)在曾以大型机为主的计算机工业中的地位。尽管这种比喻不很妥当,但确确实实深刻反映出了小型燃气轮机在未来电力工业中的重要作用和地位。 2000年5月ASMEIGTI(美国机械工程师协会国际燃气轮机研究
8、院)在德国慕尼黑召开的ASME第45届国际燃气轮机和航空发动机大会,展览及用户会议上,首次设立了关于小型燃气轮机的分组会议(SessionM-04:Micro-turbine Operational 5 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 Experiences),其中美国的Capstone Turbine,Elliott Energy Systems,Honeywell Power Systems,Northern Research & Engineering Corp.,Southern California Edison,Oak Ridge Natio
9、nal Laboratory,加拿大的CANMET Energy Technology Centre,以及瑞典的Turbec报告了各自的研发结果和运行经验。IGTI的车用和小型燃气轮机分会主席Mary Gerstner撰写报告指出:1999年小型燃气轮机市场有很大发展,数家公司开始进行商业生产和销售。Capstone的一台客户机组运行已达6000小时的记录。其它公司宣布在2000年开始生产小型燃气轮机。先期产品功率范围在25100kW,近期热电联产机组发展具有代表性,系统总效率可达80%以上。 总之,近年来小型燃气轮机进展显著,特别是美国小型燃气轮机的发展达到高潮,Capstone公司在200
10、0年11月已推出第1000台小型燃气轮机装臵。 主要技术 下图给出了Capstone小型燃版气轮权机发所电装臵有的部件示意图,其主要部件包括离心式压气机,单筒形燃烧室、向心式透平、回热器以及发电机。小型燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装臵,概括来说,它是以径流式叶轮机械为技术特征的。通过采用径流式叶轮机械,即向心式透平与离心式压气机,可使装臵结构简单、紧凑,便于移动。这一类叶轮机械的特点是流量小,功率低,转速高,效率限制因素较多。因此必须采用回热循环才有竞争力。当透平叶轮采用金属材料且非冷却时,透平的进气温度大致为840930,此时装臵效率稍低于或等同于同等功率的柴油机。 6
11、 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 在新一代小型燃气轮饥中,期望通过引人高新技术如陶瓷材料部件(陶瓷叶轮等),以大大提高效率。研究表明进气温版度为权1350所的有小型陶瓷燃气轮机的效率可达40。如:日本通产省于1990年启动的?100kW车用陶瓷燃气轮机?的七年研发计划,透平进口燃气温度为13001400,设计热效率40(100,000r/min),实测试验结果35.6(90,000r/min)。 小型燃气轮机装臵的洁净,可靠,高质量源于以下技术:通过采用贫燃料预混合技术,可使排放降低,通常NOx排放低于12ppm(燃用天然气或丙烷燃料时为9ppm),噪声低于70
12、dB;通过采用空气轴承,不需维修或维修性好,设计大修周期为40,00050,000小时甚至更高;通过采用数字式遥控的联网离网发电变换装臵,可以确保发电质量和电网安全。同时,小型燃气轮机也具有较好的技术经济性,目前售价为250350美元/kW。 进一步,小型燃气轮机可以直接与未来的先进发电方式-燃料电池实现联合发电,7 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 例如采用固体氧化物燃料电池(SOFC)与小型燃气轮机(MGT)结合,其联合装臵效率可达60以上,而NOx排放低于1ppm。这也是目前世界上最为先进的高效洁净发电方式6。1997年以来,美国的Siemens,Westi
13、nghouse,Power Corporation的技术中心进行了有关试验。 2000年1月,至今最为雄心勃勃的SOFC-MGT计划通过初步评审。新型SOFC系统的工作压力为3bar,与一台NREC的50kW小型燃气轮机联合运行,功率可达250kW。由美国能源部和南加州Edison资助,这一系统将于2000年在加州大学的国家燃料电池研究中心进行广泛的试验。据报道,另一座320kW的SOFC-GMT联合电厂将在2001年在德国投运。此外,小型燃气轮机用于混合车辆动力(为电动车提供动力以及为蓄电池补充电力),已成为21世纪?混合动力汽车?的新模式。2001年2月,Capstone宣布该公司生产的用
14、于混合动力汽车的小型燃气轮机刚刚获得CARB(The Cal版权所有ifornia Air Resource Board)颁发的国际第一个证书。据报道,其30kw小型燃气轮机燃天然气时的排放仅为新一轮重型汽车的最低排放标准的80%。 第二节 小型燃气轮机国外现状 目前美国和日本都有多家企业在积极开发制造相应的设备。在美国,卡普斯顿公司已经制造出65千瓦级小型燃气轮机发电装臵,发电效率达到26%,年产量1万台;霍尼威尔公司开发成功了75千瓦级的发电设备,发电效率为28.5%。日本的多家企业,如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司,都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电
15、并用型系统。为促进该技术的发展,日本通产省已计划在明年春减小对小型自用发电业的限制。 目前,开发小型透平的厂商主要集中在北美,欧洲有瑞典和英国。Capstone-Capstone公司90年代初开始开发小型透平发电机元件,1994年研制成8 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 24kW样机,1996年生产了37台样机供现场试验。该发动机为单轴结构,空气轴承支撑,转速为96000转分。整个发动机安臵在一个圆柱形的排气壳内,10米外的噪音60dB,用天然气燃料时,氧化氮排放为9ppm,一氧化碳排放为25ppm。1997年30kW样机进行现场试验,此后又推出60kW发电机组
16、和45kW车用机组,几年后将生产125250kw机组。Capstone估计小型透平安装成本不超过15000美元(每kW500美元)。发电成本每kWh4.55美分。 Capstone公司宣称,它已与Meidensha和Sumitomo两家日本公司达成协议,在日本销售Capstone的小型透平,并成套为电热联产装臵。两家日本公司还负责售后服务,在日本建立一个维修网。Capstone还将许可证转让给日本的Takuma公司,Takuma除了进行系统集成和分销外,还将Capstone330小型透平成套为电热联产装臵,名为TakumaTCP30,用燃气轮机排气生产热水。 美国丹佛附近的一个油田,正版准备权
17、安装一所套能有源回收装臵,利用Capstone小型透平将未经处理的井口废气转化为电。 Ingersoll-Rand能源系统公司现在独立生产和销售Power Works系列小型透平。 Power Works系列的功率范围是30200kW。这一项目始于80年代初,是由NREC的能源系统业务部主持开发的,并得到南加州煤气公司、纽约煤气集团及煤气研究所(GRI)的支持和合作。他们以增压器元件为基础,使燃气轮机的价格能与活塞发动机相匹敌。他们采用纯径流、双轴结构,动力透平轴与燃气发生器轴互相垂直布臵。压气机压比3:1。动力透平驱动发电机(通过减速器)或Rl34a制冷剂压缩机,后者用于制冷系统。燃烧室为单
18、管、贫预混结构,用天然气作燃料时NO。排放低于5ppm,满足南加州苛刻的排放标准。Power Works装臵配备NREC逆流、板翅式回热器,以提高效率。燃烧室与回热器是NREC的专利设计。NREC在回热器技术方面有新的突9 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 破,应用于20kW20MW的燃气轮机发动机上,回热度可达90。常规板翅式回热器上出现的疲劳问题已经克服,初成本和寿命周期成本都具有相当的竞争力。据称,他们是唯一解决了回热器泄漏问题的公司。1999年投入小批量生产。Power Works可加装余热锅炉组成电热联产机组,提供200(的热水或蒸汽。机组电效率超过30
19、,热电总效率超过80。 Power Works应用于住宅发电、采暖、通风、空调、制冷等领域。NREC将市场瞄准煤气与电力部门、分布式电热联产用户,并将与能源服务公司(ESCOs)分享市场。空调与制冷方面的市场将通过与美国、日本及欧洲的HVACOEMs达成销售与配套协议来开拓。 Allied Signal公司1998年底开始生产75kW小型透平发电机。叫做Turbine Generator,1999年开始批量生产,成本预计在22500到30000美元之间(每kw300400美元)。他们力求开版发三权种类型所的小有型透平发电机,分别应用于家庭、商业和工业。 General Electric Pow
20、er Systems与DlionttC0签署了一项备忘录,为Elliott Energy Systems燃机开拓市场,起先为30200kW,最大功率计划为500kW。 Bowman Power Systems Ltd是1994年建立的一家英国公司,公司地址在南安普顿,专门从事小型透平发电机开发,他们将Elliott的小型透平发电机成套后销售欧洲市场。高速发电机与调节控制系统由Bowman公司设计和制造。1999年开始投放45、60、80和200kW机组。下一步将功率范围扩展到500kW。 瑞典的小型透平Turbec是1998年在瑞典成立的一家生产小型透平的公司,ABB和Volvo各拥有50的股
21、份。Volvo70年代开始开发车用燃气轮机。1992年研制成功的40kw小型透平装在Volvo的概念车上,此后又研制了用于货车和大轿车上的10 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 100kW机组。1997年Volvo通过市场调查发现了小型透平发电机组在分布式发电和电热联产的应用前景,但Volvo对这一市场并不熟悉,所以它选择ABB作为合作伙伴。 Turbec的第一个产品是100kW机组(VT100),其原始样机是已经试验过的车用燃气轮机。该机组有9000小时的运行记录,首台产品计划2000年内提供给用户。正在开发的下一个机型是40kw机组。 瑞典开发高速发电(HSG
22、)始于1986年。1993年,HSGI作由发展走向商业化,成立了HSG发展公司,Vattenfal1、ABB和Volvo均拥有该公司的股份。 后来在瑞典的高神伯格建立了一个MTG示范工厂,该工厂1997年开始运行。将进行5年(1997-2002)的评估。在5年内,希望积累2500030000小时的运行经验。 该工厂在供热几季节(9月至4月)每年连续运行5000小时。燃料为北海油田供应的天然气。第一阶段的运行表明版,机权组的所性能比有预期的要好。 全负荷工况污染物排放测量值: 一氧化碳:8mgMJ燃料 氧化氮:14mgNO2MJ燃料 碳氢化合物4.5myMJ燃料Canada(加拿大普惠)的市场研
23、究表明,未来510年内分布式发电的市场将有增长。于是提出了一个发展新一代燃气轮机发动机族ST5的技术验证计划,用于分布式发电。新一代发动机吸取加拿大普惠最新航空发动机PW6XX的技术,执行这一计划的目的是降低运行成本,同时保持具有加拿大普惠同类发动机的可靠性和耐久性。ST5发动机族的功率范围是250600kw,公司将其归于小型透平一类,但比目前小型透平制造商提供的小型透平功率略大。 对加拿大普惠来说这是一个新的起点,通常加拿大普惠先开发航空用的发动机,一11 小型燃气轮机在中国分布式能源系统中应用的市场前景分析 2013 旦发动机通过验证,然后发展其工业用的衍生型。 这一次,加拿大普惠研发的发
24、动机同时考虑航空及工业两方面的应用前景。新发动机有简单循环与回热循环两种类型,既可用于尖端负荷,也可用于基本负荷。发动机将吸取普惠早先高性能小型燃气轮机的试验。 第三节 小型燃气轮机国内现状 众所周知,先进燃气轮机技术是21世纪能源动力系统中的核心关键技术,对于我国相关领域如能源、电力、航空、航天、舰船、车辆、军事等国民经济和国防建设中的高新技术发展和移植有着重大作用,同时也是目前世界上一个国家工业基础先进程度的重要标志,燃气轮机发电技术在我国兴起才十余年,但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,小型燃气轮机轮机作为小型分布式发电技术或动力装臵,具有更
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