秦秀娟 俞凱

(航天科工海鷹集團有限公司,北京 100074)

論微型燃氣輪機在軍民兩用市場的發(fā)展前景

秦秀娟 俞凱

(航天科工海鷹集團有限公司,北京 100074)

先進微型燃氣輪機是一類新型熱機,作為一種清潔高效、低成本高可靠的供能系統(tǒng),得到了高度關注和迅速發(fā)展。本文從微型燃氣輪機的研究現狀出發(fā),通過對比分析微型燃氣輪機與傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的技術特點,從軍民兩用市場展望了微型燃氣輪機在我國的應用前景。

微型燃氣輪機 柴油發(fā)電機 軍民兩用市場 應用前景

1 引言

微型燃氣輪機(簡稱微燃機)是一類新型熱機，作為一種清潔高效、低成本、高可靠的供能系統(tǒng)，得到了高度關注和迅速發(fā)展。相比于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機，微燃機可以提供快速起動、清潔、安靜與高效的電力，并且體積小、重量輕而又便于移動，機動性好，除了用于軍用車輛的輔機電站外，帶有回熱器的高效微燃機發(fā)電機組還可用于分布式發(fā)電、冷熱電聯(lián)供、車輛混合動力裝置等領域，因此市場前景非常廣闊。本文從微燃機的研究現狀出發(fā)，通過對比分析微燃機與傳統(tǒng)柴油機的技術特點，從軍民兩用市場展望了微燃機在我國的應用前景。

2 微燃機研究現狀

微燃機是指單機容量在25～500kW的燃氣輪機裝置[1]，是近幾十年來迅速發(fā)展的技術密集型高科技產品，國務院發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020》中將基于化石能源的微小型燃氣輪機及新型熱力循環(huán)的能源轉換技術列入先進能源技術中的前沿技術。

圖1 各種方案安裝和運行發(fā)電成本比較

早在20世紀40～60年代，功率為數百kW的燃氣輪機就已發(fā)展和應用了，當時稱為小型或小功率燃氣輪機，用于發(fā)電和驅動。60年代以后，美國為滿足軍事裝備上的需要，堅持研發(fā)軍用車輛、航天飛機上使用的微型燃氣輪機發(fā)電裝置。到90年代初，緊湊的板翅式回熱器在制造工藝和低成本方面的突破為微型燃氣輪機帶來生機。與此同時，伴隨著高速發(fā)電機從軍用走向民用，出現了不用減速齒輪，將高速交流發(fā)電機與微型燃氣輪機同軸，設計成為一體的先進的新型微型燃氣輪機[2]。此外，微燃機自身技術的進步，整體制作工藝的成熟，低排放燃燒器和空氣軸承的使用，極大地推動了微燃機發(fā)電技術的發(fā)展。地面用帶回熱器的微燃機重新引起人們的重視，得到了迅速的發(fā)展。

我國政府對發(fā)展微燃機也相當重視，科技部也多次研討論證。在“九五”期間，北京理工大學和裝甲兵裝備技術研究所開展了對基于微燃機發(fā)電機組的研究，成功設計了一臺帶有動力渦輪的雙軸微燃機發(fā)電機組[3]“。十五”期間，由哈爾濱東安集團公司和中科院工程物理研究所、西安交通大學等單位組成的聯(lián)合體承擔了國家863計劃重大專項“100kW級微型燃氣輪機研制”課題，開展了微燃機發(fā)電系統(tǒng)的設計與研發(fā)工作，計劃推出具有自主知識產權的國產微燃機發(fā)電機組。目前已經完成了100kW微型燃氣輪機驗證機的設計、制造和整機測試工作[4]。由沈陽工業(yè)大學、南京航空航天大學和浙江大學共同承擔的國家重點自然科學基金項目“微型燃氣輪機——高速發(fā)電機分布式發(fā)電與能量轉換系統(tǒng)研究”也已正式啟動[5]。此外，上海理工大學、上海交通大學，已經建設以微型燃氣輪機為核心的能源島供能系統(tǒng)實驗研究基地[6]。這些表明，我國也正在積極致力于獨立研制開發(fā)以微燃機為核心機的發(fā)電系統(tǒng)。

目前，北京、上海、廣州已有一批采用微型燃氣輪機的分布式熱、電、冷工程投入運行，取得明顯的經濟效益、環(huán)保效益和社會效益。所采用的均為國外產品。國際上主要的微燃機發(fā)電系統(tǒng)制造廠商已經開始搶占中國市場。但是由于我國分布式電源市場巨大且尚不成熟，只要能夠盡快在關鍵技術上實現突破，國產微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仍有很大的市場空間。

3 微燃機與柴油發(fā)電機的分析對比

燃氣輪機是旋轉式機械，它取得機械能是通過葉輪的旋轉獲得，而葉輪取得動能又是依賴于高溫，高壓燃氣的轉換。柴油發(fā)電機就不同了，它是往復式機械，它取得機械能是因為有一套功率輸出的活塞，連桿在汽缸中作往復運動。而促使它們作往復運動的是由于汽缸中的高壓空氣因噴入燃油燃燒而爆發(fā)高壓燃燒氣體所致。故而兩者在機械能產生的方式上的完全不相同的。

表1 微燃機的技術優(yōu)勢和技術劣勢

目前微燃機與柴油發(fā)電機、燃氣輪機存在一定的競爭關系，而由于應用領域、功率范圍的不同，微燃機目前的核心競爭對手是柴油發(fā)電機;與微燃機相比，柴油發(fā)電機主要有以下不足：1)噪聲大，排放不夠清潔，氮氧化物與一氧化碳的排放指標高;2)一般每400h～750h要更換機油、火花塞，且每次大修的工作量較大，維護成本比較高。

而微燃機相對柴油發(fā)電機存在以下技術優(yōu)勢和技術劣勢，見表1。

目前，微燃機的購買成本高于柴油發(fā)電機，低負荷時的熱效率還低于同等功率的柴油發(fā)電機，但在整個發(fā)電成本中相對維修費用并不重要，隨著技術的進步，其購買成本將接近于柴油機發(fā)電機。

未來微燃機將憑借環(huán)保、多燃料(特別是天然氣清潔能源)在小功率范圍內的多個應用領域擠占一部分市場份額，從技術發(fā)展趨勢來看微燃機將面對成熟柴油發(fā)電機的激烈競爭。

4 微燃機在民用市場的發(fā)展

微燃機伴隨著世界范圍內分布式能源建設中的冷熱電聯(lián)產的興起和發(fā)展起來，其用途逐漸擴展到安全備用電源領域，其典型的應用有五種方式：CCHP、CHP、SP、BG、OG。

CCHP：Combined Cooling，Heating amp; Power冷熱電聯(lián)產。用于分布式電源的冷熱電聯(lián)產，樓宇冷熱電聯(lián)產較為典型(BHCP);CHP：Combined Heat and Power熱電聯(lián)產。用于分布式能源的熱電聯(lián)產;SP：Secure Power 安全備用電源。廣泛應用用于工業(yè)、商業(yè)、軍事的安全備用、獨立、移動電源;BG：Resource Recovery：Biogas生物質氣和沼氣利用。用于沼氣等生物質氣的利用，能源的回收利用;OG：ResourceRecovery：Oil and Gas石油伴生氣。用于石油開采行業(yè)，利用石油伴生氣進行發(fā)電，用于陸地、海洋鉆進平臺和油田。

經濟效益因素是用戶選擇發(fā)電設備的重要因素，傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組的價格占有絕對優(yōu)勢，以康明斯30kW等級的柴油機組為例，市場售價4.2萬元人民幣，500～1000小時進行一次維護，維護價格在300～800元人民幣之間，保修期10年，因此進入民用傳統(tǒng)柴油機市場難度極大。可以預計在未來相當長的時間里，柴油發(fā)電機將在該領域占有絕對的壟斷地位。

從設備安裝成本來看，微燃機處于劣勢，但從運行成本來看，微燃機具備優(yōu)勢，尤其是應用于CHP領域，如圖1分析。

在獨立式發(fā)電領域(備用電源與獨立供電)以柴油發(fā)電機為主流設備，微燃機適用功率范圍一般，成本較高，不僅要努力打破成熟柴油機的市場領先地位，還面臨燃料電池的后續(xù)替代威脅。微型燃氣輪機在這個領域不具備突出的競爭優(yōu)勢。

綜合來看，微燃機在同類設備中處于夾層狀態(tài)。微燃機未來憑借環(huán)保、多燃料(特別是天然氣清潔能源)的優(yōu)勢將搶占一部分市場份額。

從目前國內微燃機的銷售來看具有以下三個特定：重點銷售項目為各類CHP/CCHP/BCHP項目;以中國的重點城市為主(廣州、北京、上海);主要的項目需求功率范圍在60～250kW之間。

5 微燃機在軍用市場的發(fā)展

快節(jié)奏和突然性是現代戰(zhàn)爭的特點之一，軍用電站的快速機動能力已成為攻、防作戰(zhàn)中的普遍要求，也是提高高技術條件下作戰(zhàn)效能的重要內容。為適應現代戰(zhàn)爭的要求，武器裝備的機動性越來越高，自行武器系統(tǒng)的大量出現，電站與主裝備一體化武器系統(tǒng)，如“辛迫林”雷達、4—25自行高炮系統(tǒng)、P56火控系統(tǒng)等逐步增加，要求電站的體積和質量盡可能要小，尤其是自行武器裝備總體布置上的困難，提供安裝電站的空間和質量受到嚴格的限制。在此情況下，對小型燃氣輪機、轉子發(fā)動機等為動力的輕小型電站的需求十分迫切，急待解決。

目前，我軍多采用柴油發(fā)電機作為電站動力源，柴油機發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點為一次成本低，但體積大、壽命低、噪聲大、長期工作和維護成本高，使用燃料單一，很難滿足獨立發(fā)電和小型化等軍事需求。微燃機作為軍用動力具有重要的軍事價值，它不但可應用在小型獨立動力或電源方面，而且在軍用運載工具方面超過現在的常規(guī)柴油機組或蓄電池柴油機組，具有重要的軍事前途。

軍用燃氣輪機電站應用領域包括：(1)分體式雷達系統(tǒng)的便攜供電設備;(2)坦克輔機和軍用飛機等大型軍用設備的輔助動力裝置;(3)野戰(zhàn)軍地面指揮系統(tǒng)移動供電設備;(4)艦艇用的應急供電系統(tǒng);(5)移動式導彈發(fā)射系統(tǒng)的地面供電設備(如美愛國者導彈發(fā)電設備);(6)軍用飛機維修保障的應急供電設備;(7)軍用后勤冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)。

作為高性能、強戰(zhàn)術代表的國際新一代軍用微型燃氣輪機移動電站正向下面幾個方面發(fā)展：(1)具有精確穩(wěn)定的供電能力，并能夠實現快速供電;(2)耐極限環(huán)境，特別是低溫高海拔等極限條件;(3)小型化，體積小，重量輕，并實現低噪音;(4)能夠使用多種燃料，方便原料供應;(5)開放式的標準接口，能快速聯(lián)接供電和受電雙方?？梢詫崿F多機并聯(lián)擴容;也可以與火控系統(tǒng)的蓄電池、二次電源等協(xié)同供電實現多元并聯(lián);(6)可實現實時的遠程監(jiān)控、遠程控制功能，讓前方現場與后臺指揮融為一體。

此外，國外軍事專家認為在新的21世紀中軍用運載工具需求新型動力，它應具有高的功率密度和低的燃料消耗率，以大幅度減少補給鏈，使運載工具有強大的運輸能力，實現部隊的快速部署和調動。同時認為，近期內用高能蓄電池與常規(guī)發(fā)動機組成的混合動力將用于運載工具中。顯然，由于微型燃氣輪機體積小、重量輕，以及今后功率的增大和效率的進一步提高，使之用于混合動力中將比用柴油發(fā)電機更具生命力。因此，微燃機在軍事領域中的應用前途廣闊。

6 政策及建議

從國家層面，需要制定產業(yè)發(fā)展政策，加大對微燃機產業(yè)發(fā)展的長期穩(wěn)定投入，要有適當的產業(yè)保護政策，推進微燃機國產化和自主化。構建以企業(yè)為主體、產學研用相結合的技術創(chuàng)新體系;然后要通過建設示范工程，加快微燃機產品研發(fā)和技術成果驗證和推廣應用，最后以市場為依托，走專用設計技術與改造并舉的發(fā)展道路，采用軍民結合的方式，拓寬市場，將創(chuàng)新技術向微型燃氣輪機民用領域應用推廣，制定我國微型燃氣輪機產品衍生策略，努力找準技術途徑、產品與市場定位，做到海陸兼容，聚焦核心產品(功率范圍60～250kW)，以贏得中國微型燃氣輪機發(fā)展新空間。

7 結語

微燃機對提高武器系統(tǒng)的機動性有著十分重要的意義，以天然氣為燃料、以微燃機為核心的冷熱電三聯(lián)產的微燃機分布式能源系統(tǒng)，在國內分布式能源項目中也得到了廣泛應用。軍用技術和民用技術從來就不是獨立發(fā)展的，先進的燃氣輪機技術是21世紀能源動力系統(tǒng)中的核心關鍵技術，對于我國相關領域如能源、電力、航空、航天、軍事等國民經濟和國防建設中的高新技術發(fā)展和移植有重大作用。

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