论微型燃气轮机在军民两用市场的发展前景

【摘 要】 先进微型燃气轮机是一类新型热机，作为一种清洁高效、低成本高可靠的供能系统，得到了高度关注和迅速发展。本文从微型燃气轮机的研究现状出发，通过对比分析微型燃气轮机与传统柴油发电机的技术特点，从军民两用市场展望了微型燃气轮机在我国的应用前景。

【关键词】 微型燃气轮机 柴油发电机 军民两用市场 应用前景

1 引言

微型燃气轮机（简称微燃机）是一类新型热机，作为一种清洁高效、低成本、高可靠的供能系统，得到了高度关注和迅速发展。相比于传统柴油发电机，微燃机可以提供快速起动、清洁、安静与高效的电力，并且体积小、重量轻而又便于移动，机动性好，除了用于军用车辆的辅机电站外，带有回热器的高效微燃机发电机组还可用于分布式发电、冷热电联供、车辆混合动力装置等领域，因此市场前景非常广阔。本文从微燃机的研究现状出发，通过对比分析微燃机与传统柴油机的技术特点，从军民两用市场展望了微燃机在我国的应用前景。

2 微燃机研究现状

微燃机是指单机容量在25～500kW的燃气轮机装置[1]，是近几十年来迅速发展的技术密集型高科技产品，国务院的《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020》中将基于化石能源的微小型燃气轮机及新型热力循环的能源转换技术列入先进能源技术中的前沿技术。

早在20世纪40～60年代，功率为数百kW的燃气轮机就已发展和应用了，当时称为小型或小功率燃气轮机，用于发电和驱动。60年代以后，美国为满足军事装备上的需要，坚持研发军用车辆、航天飞机上使用的微型燃气轮机发电装置。到90年代初，紧凑的板翅式回热器在制造工艺和低成本方面的突破为微型燃气轮机带来生机。与此同时，伴随着高速发电机从军用走向民用，出现了不用减速齿轮，将高速交流发电机与微型燃气轮机同轴，设计成为一体的先进的新型微型燃气轮机[2]。此外，微燃机自身技术的进步，整体制作工艺的成熟，低排放燃烧器和空气轴承的使用，极大地推动了微燃机发电技术的发展。地面用带回热器的微燃机重新引起人们的重视，得到了迅速的发展。

我国政府对发展微燃机也相当重视，科技部也多次研讨论证。在“九五”期间，北京理工大学和装甲兵装备技术研究所开展了对基于微燃机发电机组的研究，成功设计了一台带有动力涡轮的双轴微燃机发电机组[3]。“十五”期间，由哈尔滨东安集团公司和中科院工程物理研究所、西安交通大学等单位组成的联合体承担了国家863计划重大专项“100kW级微型燃气轮机研制”课题，开展了微燃机发电系统的设计与研发工作，计划推出具有自主知识产权的国产微燃机发电机组。目前已经完成了100kW微型燃气轮机验证机的设计、制造和整机测试工作[4]。由沈阳工业大学、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[5]。此外，上海理工大学、上海交通大学，已经建设以微型燃气轮机为核心的能源岛供能系统实验研究基地[6]。这些表明，我国也正在积极致力于独立研制开发以微燃机为核心机的发电系统。

目前，北京、上海、广州已有一批采用微型燃气轮机的分布式热、电、冷工程投入运行，取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。所采用的均为国外产品。国际上主要的微燃机发电系统制造厂商已经开始抢占中国市场。但是由于我国分布式电源市场巨大且尚不成熟，只要能够尽快在关键技术上实现突破，国产微型燃气轮机发电系统仍有很大的市场空间。

3 微燃机与柴油发电机的分析对比

燃气轮机是旋转式机械，它取得机械能是通过叶轮的旋转获得，而叶轮取得动能又是依赖于高温，高压燃气的转换。柴油发电机就不同了，它是往复式机械，它取得机械能是因为有一套功率输出的活塞，连杆在汽缸中作往复运动。而促使它们作往复运动的是由于汽缸中的高压空气因喷入燃油燃烧而爆发高压燃烧气体所致。故而两者在机械能产生的方式上的完全不相同的。

目前微燃机与柴油发电机、燃气轮机存在一定的竞争关系，而由于应用领域、功率范围的不同，微燃机目前的核心竞争对手是柴油发电机；与微燃机相比，柴油发电机主要有以下不足：1）噪声大，排放不够清洁，氮氧化物与一氧化碳的排放指标高；2）一般每400h～750h要更换机油、火花塞，且每次大修的工作量较大，维护成本比较高。

而微燃机相对柴油发电机存在以下技术优势和技术劣势，见表1。

目前，微燃机的购买成本高于柴油发电机，低负荷时的热效率还低于同等功率的柴油发电机，但在整个发电成本中相对维修费用并不重要，随着技术的进步，其购买成本将接近于柴油机发电机。

未来微燃机将凭借环保、多燃料（特别是天然气清洁能源）在小功率范围内的多个应用领域挤占一部分市场份额，从技术发展趋势来看微燃机将面对成熟柴油发电机的激烈竞争。

4 微燃机在民用市场的发展

微燃机伴随着世界范围内分布式能源建设中的冷热电联产的兴起和发展起来，其用途逐渐扩展到安全备用电源领域，其典型的应用有五种方式：CCHP、CHP、SP、BG、OG。

CCHP：Combined Cooling，Heating & Power冷热电联产。用于分布式电源的冷热电联产，楼宇冷热电联产较为典型（BHCP）；CHP：Combined Heat and Power热电联产。用于分布式能源的热电联产；SP：Secure Power 安全备用电源。广泛应用用于工业、商业、军事的安全备用、独立、移动电源；BG：Resource Recovery：Biogas生物质气和沼气利用。用于沼气等生物质气的利用，能源的回收利用；OG：ResourceRecovery：Oil and Gas石油伴生气。用于石油开采行业，利用石油伴生气进行发电，用于陆地、海洋钻进平台和油田。

经济效益因素是用户选择发电设备的重要因素，传统柴油发电机组的价格占有绝对优势，以康明斯30kW等级的柴油机组为例，市场售价4.2万元人民币，500～1000小时进行一次维护，维护价格在300～800元人民币之间，保修期10年，因此进入民用传统柴油机市场难度极大。可以预计在未来相当长的时间里，柴油发电机将在该领域占有绝对的垄断地位。

从设备安装成本来看，微燃机处于劣势，但从运行成本来看，微燃机具备优势，尤其是应用于CHP领域，如图1分析。

在独立式发电领域（备用电源与独立供电）以柴油发电机为主流设备，微燃机适用功率范围一般，成本较高，不仅要努力打破成熟柴油机的市场领先地位，还面临燃料电池的后续替代威胁。微型燃气轮机在这个领域不具备突出的竞争优势。

综合来看，微燃机在同类设备中处于夹层状态。微燃机未来凭借环保、多燃料（特别是天然气清洁能源）的优势将抢占一部分市场份额。

从目前国内微燃机的销售来看具有以下三个特定：重点销售项目为各类CHP/CCHP/BCHP项目；以中国的重点城市为主（广州、北京、上海）；主要的项目需求功率范围在60～250kW之间。

5 微燃机在军用市场的发展

快节奏和突然性是现代战争的特点之一，军用电站的快速机动能力已成为攻、防作战中的普遍要求，也是提高高技术条件下作战效能的重要内容。为适应现代战争的要求，武器装备的机动性越来越高，自行武器系统的大量出现，电站与主装备一体化武器系统，如“辛迫林”雷达、4―25自行高炮系统、P56火控系统等逐步增加，要求电站的体积和质量尽可能要小，尤其是自行武器装备总体布置上的困难，提供安装电站的空间和质量受到严格的限制。在此情况下，对小型燃气轮机、转子发动机等为动力的轻小型电站的需求十分迫切，急待解决。

目前，我军多采用柴油发电机作为电站动力源，柴油机发电系统优点为一次成本低，但体积大、寿命低、噪声大、长期工作和维护成本高，使用燃料单一，很难满足独立发电和小型化等军事需求。微燃机作为军用动力具有重要的军事价值，它不但可应用在小型独立动力或电源方面，而且在军用运载工具方面超过现在的常规柴油机组或蓄电池柴油机组，具有重要的军事前途。

军用燃气轮机电站应用领域包括：（1）分体式雷达系统的便携供电设备；（2）坦克辅机和军用飞机等大型军用设备的辅助动力装置；（3）野战军地面指挥系统移动供电设备；（4）舰艇用的应急供电系统； （5）移动式导弹发射系统的地面供电设备（如美爱国者导弹发电设备）； （6）军用飞机维修保障的应急供电设备；（7）军用后勤冷、热、电联供系统。

作为高性能、强战术代表的国际新一代军用微型燃气轮机移动电站正向下面几个方面发展：（1）具有精确稳定的供电能力，并能够实现快速供电；（2）耐极限环境，特别是低温高海拔等极限条件；（3）小型化，体积小，重量轻，并实现低噪音；（4）能够使用多种燃料，方便原料供应；（5）开放式的标准接口，能快速联接供电和受电双方。可以实现多机并联扩容；也可以与火控系统的蓄电池、二次电源等协同供电实现多元并联；（6）可实现实时的远程监控、远程控制功能，让前方现场与后台指挥融为一体。

此外，国外军事专家认为在新的21世纪中军用运载工具需求新型动力，它应具有高的功率密度和低的燃料消耗率，以大幅度减少补给链，使运载工具有强大的运输能力，实现部队的快速部署和调动。同时认为，近期内用高能蓄电池与常规发动机组成的混合动力将用于运载工具中。显然，由于微型燃气轮机体积小、重量轻，以及今后功率的增大和效率的进一步提高，使之用于混合动力中将比用柴油发电机更具生命力。因此，微燃机在军事领域中的应用前途广阔。

6 政策及建议

从国家层面，需要制定产业发展政策，加大对微燃机产业发展的长期稳定投入，要有适当的产业保护政策，推进微燃机国产化和自主化。构建以企业为主体、产学研用相结合的技术创新体系；然后要通过建设示范工程，加快微燃机产品研发和技术成果验证和推广应用，最后以市场为依托，走专用设计技术与改造并举的发展道路，采用军民结合的方式，拓宽市场，将创新技术向微型燃气轮机民用领域应用推广，制定我国微型燃气轮机产品衍生策略，努力找准技术途径、产品与市场定位，做到海陆兼容，聚焦核心产品（功率范围 60～250kW），以赢得中国微型燃气轮机发展新空间。

7 结语

微燃机对提高武器系统的机动性有着十分重要的意义，以天然气为燃料、以微燃机为核心的冷热电三联产的微燃机分布式能源系统，在国内分布式能源项目中也得到了广泛应用。军用技术和民用技术从来就不是独立发展的，先进的燃气轮机技术是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、军事等国民经济和国防建设中的高新技术发展和移植有重大作用。

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