論微型燃?xì)廨啓C(jī)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(tuán)有限公司,北京 100074)

論微型燃?xì)廨啓C(jī)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(tuán)有限公司,北京 100074)

先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)是一類新型熱機(jī),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(guān)注和迅速發(fā)展。本文從微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究現(xiàn)狀出發(fā),通過對比分析微型燃?xì)廨啓C(jī)與傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn),從軍民兩用市場展望了微型燃?xì)廨啓C(jī)在我國的應(yīng)用前景。

微型燃?xì)廨啓C(jī) 柴油發(fā)電機(jī) 軍民兩用市場 應(yīng)用前景

1 引言

微型燃?xì)廨啓C(jī)(簡稱微燃機(jī))是一類新型熱機(jī)，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(guān)注和迅速發(fā)展。相比于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)，微燃機(jī)可以提供快速起動(dòng)、清潔、安靜與高效的電力，并且體積小、重量輕而又便于移動(dòng)，機(jī)動(dòng)性好，除了用于軍用車輛的輔機(jī)電站外，帶有回?zé)崞鞯母咝⑷紮C(jī)發(fā)電機(jī)組還可用于分布式發(fā)電、冷熱電聯(lián)供、車輛混合動(dòng)力裝置等領(lǐng)域，因此市場前景非常廣闊。本文從微燃機(jī)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，通過對比分析微燃機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，從軍民兩用市場展望了微燃機(jī)在我國的應(yīng)用前景。

2 微燃機(jī)研究現(xiàn)狀

微燃機(jī)是指單機(jī)容量在25～500kW的燃?xì)廨啓C(jī)裝置[1]，是近幾十年來迅速發(fā)展的技術(shù)密集型高科技產(chǎn)品，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020》中將基于化石能源的微小型燃?xì)廨啓C(jī)及新型熱力循環(huán)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)列入先進(jìn)能源技術(shù)中的前沿技術(shù)。

圖1 各種方案安裝和運(yùn)行發(fā)電成本比較

早在20世紀(jì)40～60年代，功率為數(shù)百kW的燃?xì)廨啓C(jī)就已發(fā)展和應(yīng)用了，當(dāng)時(shí)稱為小型或小功率燃?xì)廨啓C(jī)，用于發(fā)電和驅(qū)動(dòng)。60年代以后，美國為滿足軍事裝備上的需要，堅(jiān)持研發(fā)軍用車輛、航天飛機(jī)上使用的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置。到90年代初，緊湊的板翅式回?zé)崞髟谥圃旃に嚭偷统杀痉矫娴耐黄茷槲⑿腿細(xì)廨啓C(jī)帶來生機(jī)。與此同時(shí)，伴隨著高速發(fā)電機(jī)從軍用走向民用，出現(xiàn)了不用減速齒輪，將高速交流發(fā)電機(jī)與微型燃?xì)廨啓C(jī)同軸，設(shè)計(jì)成為一體的先進(jìn)的新型微型燃?xì)廨啓C(jī)[2]。此外，微燃機(jī)自身技術(shù)的進(jìn)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(dòng)了微燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。地面用帶回?zé)崞鞯奈⑷紮C(jī)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(jī)也相當(dāng)重視，科技部也多次研討論證。在“九五”期間，北京理工大學(xué)和裝甲兵裝備技術(shù)研究所開展了對基于微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的研究，成功設(shè)計(jì)了一臺(tái)帶有動(dòng)力渦輪的雙軸微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組[3]“。十五”期間，由哈爾濱東安集團(tuán)公司和中科院工程物理研究所、西安交通大學(xué)等單位組成的聯(lián)合體承擔(dān)了國家863計(jì)劃重大專項(xiàng)“100kW級(jí)微型燃?xì)廨啓C(jī)研制”課題，開展了微燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，計(jì)劃推出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。目前已經(jīng)完成了100kW微型燃?xì)廨啓C(jī)驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和整機(jī)測試工作[4]。由沈陽工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和浙江大學(xué)共同承擔(dān)的國家重點(diǎn)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微型燃?xì)廨啓C(jī)——高速發(fā)電機(jī)分布式發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究”也已正式啟動(dòng)[5]。此外，上海理工大學(xué)、上海交通大學(xué)，已經(jīng)建設(shè)以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的能源島供能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究基地[6]。這些表明，我國也正在積極致力于獨(dú)立研制開發(fā)以微燃機(jī)為核心機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)。

目前，北京、上海、廣州已有一批采用微型燃?xì)廨啓C(jī)的分布式熱、電、冷工程投入運(yùn)行，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。所采用的均為國外產(chǎn)品。國際上主要的微燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)制造廠商已經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，國產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)仍有很大的市場空間。

3 微燃機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)的分析對比

燃?xì)廨啓C(jī)是旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，它取得機(jī)械能是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)獲得，而葉輪取得動(dòng)能又是依賴于高溫，高壓燃?xì)獾霓D(zhuǎn)換。柴油發(fā)電機(jī)就不同了，它是往復(fù)式機(jī)械，它取得機(jī)械能是因?yàn)橛幸惶坠β瘦敵龅幕钊B桿在汽缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而促使它們作往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(jī)械能產(chǎn)生的方式上的完全不相同的。

表1 微燃機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)劣勢

目前微燃機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)存在一定的競爭關(guān)系，而由于應(yīng)用領(lǐng)域、功率范圍的不同，微燃機(jī)目前的核心競爭對手是柴油發(fā)電機(jī);與微燃機(jī)相比，柴油發(fā)電機(jī)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(biāo)高;2)一般每400h～750h要更換機(jī)油、火花塞，且每次大修的工作量較大，維護(hù)成本比較高。

而微燃機(jī)相對柴油發(fā)電機(jī)存在以下技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)劣勢，見表1。

目前，微燃機(jī)的購買成本高于柴油發(fā)電機(jī)，低負(fù)荷時(shí)的熱效率還低于同等功率的柴油發(fā)電機(jī)，但在整個(gè)發(fā)電成本中相對維修費(fèi)用并不重要，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其購買成本將接近于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)。

未來微燃機(jī)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(nèi)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域擠占一部分市場份額，從技術(shù)發(fā)展趨勢來看微燃機(jī)將面對成熟柴油發(fā)電機(jī)的激烈競爭。

4 微燃機(jī)在民用市場的發(fā)展

微燃機(jī)伴隨著世界范圍內(nèi)分布式能源建設(shè)中的冷熱電聯(lián)產(chǎn)的興起和發(fā)展起來，其用途逐漸擴(kuò)展到安全備用電源領(lǐng)域，其典型的應(yīng)用有五種方式：CCHP、CHP、SP、BG、OG。

CCHP：Combined Cooling，Heating amp; Power冷熱電聯(lián)產(chǎn)。用于分布式電源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)較為典型(BHCP);CHP：Combined Heat and Power熱電聯(lián)產(chǎn)。用于分布式能源的熱電聯(lián)產(chǎn);SP：Secure Power 安全備用電源。廣泛應(yīng)用用于工業(yè)、商業(yè)、軍事的安全備用、獨(dú)立、移動(dòng)電源;BG：Resource Recovery：Biogas生物質(zhì)氣和沼氣利用。用于沼氣等生物質(zhì)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(jìn)行發(fā)電，用于陸地、海洋鉆進(jìn)平臺(tái)和油田。

經(jīng)濟(jì)效益因素是用戶選擇發(fā)電設(shè)備的重要因素，傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組的價(jià)格占有絕對優(yōu)勢，以康明斯30kW等級(jí)的柴油機(jī)組為例，市場售價(jià)4.2萬元人民幣，500～1000小時(shí)進(jìn)行一次維護(hù)，維護(hù)價(jià)格在300～800元人民幣之間，保修期10年，因此進(jìn)入民用傳統(tǒng)柴油機(jī)市場難度極大。可以預(yù)計(jì)在未來相當(dāng)長的時(shí)間里，柴油發(fā)電機(jī)將在該領(lǐng)域占有絕對的壟斷地位。

從設(shè)備安裝成本來看，微燃機(jī)處于劣勢，但從運(yùn)行成本來看，微燃機(jī)具備優(yōu)勢，尤其是應(yīng)用于CHP領(lǐng)域，如圖1分析。

在獨(dú)立式發(fā)電領(lǐng)域(備用電源與獨(dú)立供電)以柴油發(fā)電機(jī)為主流設(shè)備，微燃機(jī)適用功率范圍一般，成本較高，不僅要努力打破成熟柴油機(jī)的市場領(lǐng)先地位，還面臨燃料電池的后續(xù)替代威脅。微型燃?xì)廨啓C(jī)在這個(gè)領(lǐng)域不具備突出的競爭優(yōu)勢。

綜合來看，微燃機(jī)在同類設(shè)備中處于夾層狀態(tài)。微燃機(jī)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(nèi)微燃機(jī)的銷售來看具有以下三個(gè)特定：重點(diǎn)銷售項(xiàng)目為各類CHP/CCHP/BCHP項(xiàng)目;以中國的重點(diǎn)城市為主(廣州、北京、上海);主要的項(xiàng)目需求功率范圍在60～250kW之間。

5 微燃機(jī)在軍用市場的發(fā)展

快節(jié)奏和突然性是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的特點(diǎn)之一，軍用電站的快速機(jī)動(dòng)能力已成為攻、防作戰(zhàn)中的普遍要求，也是提高高技術(shù)條件下作戰(zhàn)效能的重要內(nèi)容。為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求，武器裝備的機(jī)動(dòng)性越來越高，自行武器系統(tǒng)的大量出現(xiàn)，電站與主裝備一體化武器系統(tǒng)，如“辛迫林”雷達(dá)、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(zhì)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(zhì)量受到嚴(yán)格的限制。在此情況下，對小型燃?xì)廨啓C(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等為動(dòng)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(jī)作為電站動(dòng)力源，柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為一次成本低，但體積大、壽命低、噪聲大、長期工作和維護(hù)成本高，使用燃料單一，很難滿足獨(dú)立發(fā)電和小型化等軍事需求。微燃機(jī)作為軍用動(dòng)力具有重要的軍事價(jià)值，它不但可應(yīng)用在小型獨(dú)立動(dòng)力或電源方面，而且在軍用運(yùn)載工具方面超過現(xiàn)在的常規(guī)柴油機(jī)組或蓄電池柴油機(jī)組，具有重要的軍事前途。

軍用燃?xì)廨啓C(jī)電站應(yīng)用領(lǐng)域包括：(1)分體式雷達(dá)系統(tǒng)的便攜供電設(shè)備;(2)坦克輔機(jī)和軍用飛機(jī)等大型軍用設(shè)備的輔助動(dòng)力裝置;(3)野戰(zhàn)軍地面指揮系統(tǒng)移動(dòng)供電設(shè)備;(4)艦艇用的應(yīng)急供電系統(tǒng);(5)移動(dòng)式導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的地面供電設(shè)備(如美愛國者導(dǎo)彈發(fā)電設(shè)備);(6)軍用飛機(jī)維修保障的應(yīng)急供電設(shè)備;(7)軍用后勤冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)。

作為高性能、強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)代表的國際新一代軍用微型燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站正向下面幾個(gè)方面發(fā)展：(1)具有精確穩(wěn)定的供電能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)現(xiàn)低噪音;(4)能夠使用多種燃料，方便原料供應(yīng);(5)開放式的標(biāo)準(zhǔn)接口，能快速聯(lián)接供電和受電雙方。可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)多元并聯(lián);(6)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制功能，讓前方現(xiàn)場與后臺(tái)指揮融為一體。

此外，國外軍事專家認(rèn)為在新的21世紀(jì)中軍用運(yùn)載工具需求新型動(dòng)力，它應(yīng)具有高的功率密度和低的燃料消耗率，以大幅度減少補(bǔ)給鏈，使運(yùn)載工具有強(qiáng)大的運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)部隊(duì)的快速部署和調(diào)動(dòng)。同時(shí)認(rèn)為，近期內(nèi)用高能蓄電池與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)組成的混合動(dòng)力將用于運(yùn)載工具中。顯然，由于微型燃?xì)廨啓C(jī)體積小、重量輕，以及今后功率的增大和效率的進(jìn)一步提高，使之用于混合動(dòng)力中將比用柴油發(fā)電機(jī)更具生命力。因此，微燃機(jī)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用前途廣闊。

6 政策及建議

從國家層面，需要制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，加大對微燃機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長期穩(wěn)定投入，要有適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)保護(hù)政策，推進(jìn)微燃機(jī)國產(chǎn)化和自主化。構(gòu)建以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系;然后要通過建設(shè)示范工程，加快微燃機(jī)產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)成果驗(yàn)證和推廣應(yīng)用，最后以市場為依托，走專用設(shè)計(jì)技術(shù)與改造并舉的發(fā)展道路，采用軍民結(jié)合的方式，拓寬市場，將創(chuàng)新技術(shù)向微型燃?xì)廨啓C(jī)民用領(lǐng)域應(yīng)用推廣，制定我國微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品衍生策略，努力找準(zhǔn)技術(shù)途徑、產(chǎn)品與市場定位，做到海陸兼容，聚焦核心產(chǎn)品(功率范圍60～250kW)，以贏得中國微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展新空間。

7 結(jié)語

微燃機(jī)對提高武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性有著十分重要的意義，以天然氣為燃料、以微燃機(jī)為核心的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)的微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)，在國內(nèi)分布式能源項(xiàng)目中也得到了廣泛應(yīng)用。軍用技術(shù)和民用技術(shù)從來就不是獨(dú)立發(fā)展的，先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是21世紀(jì)能源動(dòng)力系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵技術(shù)，對于我國相關(guān)領(lǐng)域如能源、電力、航空、航天、軍事等國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的高新技術(shù)發(fā)展和移植有重大作用。

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