我國微小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展概況與國產(chǎn)化對策

杜坤杰

（上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心，上海 200001）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)全稱燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，是繼蒸汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的新一代動力裝置，是能源裝備的最高端產(chǎn)品，具有功重比大、體積小、污染小、便于維護(hù)保障等諸多優(yōu)點，自20 世紀(jì)40 年代問世以來，獲得了快速發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)按結(jié)構(gòu)為分重型、輕型兩種；按照功率等級可分為大型、中型、小型和微型四種類型，發(fā)電功率在10 MW 以上統(tǒng)稱為大中型燃?xì)廨啓C(jī)，10 MW以下稱為微小型燃?xì)廨啓C(jī)（其中300 kW 以下為微型，300 kW ～10 MW 為小型）[1]。與中型、大型燃?xì)廨啓C(jī)相比，微小型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用面更廣、需求量更大，是小型分布式發(fā)電及冷熱電聯(lián)供的最佳方式，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動、移動電源和車船動力等領(lǐng)域?！笆濉睍r期以來，我國將燃?xì)廨啓C(jī)列入國家重點發(fā)展領(lǐng)域，出臺了一系列扶持政策，國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)得到較快發(fā)展。本文從政策環(huán)境、研究進(jìn)展方面總結(jié)了我國微小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展概況，梳理微小型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)，分析國內(nèi)外技術(shù)差距，提出國產(chǎn)化發(fā)展對策。

1 發(fā)展概況

1.1 政策環(huán)境

“十二五”期間，隨著我國經(jīng)濟(jì)高速增長和對分布式發(fā)電的需求，燃?xì)廨啓C(jī)受到各界的關(guān)注，被國家納入產(chǎn)業(yè)和科技的多項發(fā)展規(guī)劃，得到政策支持。2011年，國家四部委印發(fā)《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，提出到2015 年微小型燃?xì)廨啓C(jī)等核心裝備自主化率達(dá)到90%的目標(biāo)；2016 年，微小型燃?xì)廨啓C(jī)被納入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》《中國制造2025—能源裝備實施方案》等國家級專項規(guī)劃?！笆濉敝?，國家實施兩機(jī)重大專項、能源技術(shù)創(chuàng)新規(guī)劃、燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新發(fā)展示范工程等，我國燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期，技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用取得了長足進(jìn)步。

“十四五”期間，國家繼續(xù)推進(jìn)中小型燃機(jī)自主化研發(fā)，著力突破燃機(jī)設(shè)計和驗證技術(shù)，開展國產(chǎn)燃機(jī)在工業(yè)驅(qū)動、分布式能源、海上油氣平臺等應(yīng)用示范；建設(shè)完善通用性的小、微型燃機(jī)試驗平臺，加快我國微小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展進(jìn)程。

1.2 國內(nèi)外進(jìn)展

1.2.1 國外發(fā)展進(jìn)展

微小型燃?xì)廨啓C(jī)起步時間較大型、中型燃機(jī)晚。早期的微小燃機(jī)產(chǎn)品發(fā)電效率低，需要采用笨重的齒輪減速器降速后與發(fā)電機(jī)相連使用，無法與內(nèi)燃機(jī)相競爭。隨著緊湊式回?zé)崞骷夹g(shù)的突破，以及高速發(fā)電機(jī)從軍用走向民用，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率顯著提高。20 世紀(jì)90 年代，美國凱普斯通（Capstone）公司率先推出全球第一臺30 kW 微燃機(jī)，用于商業(yè)運(yùn)行，之后歐美日的多家公司相繼推出不同功率等級的產(chǎn)品，在分布式供能、油氣田開采、移動電源和軍用方面，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

目前發(fā)達(dá)國家的微小型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，形成各具特色的產(chǎn)品系列和完善的配套體系。美國是全球領(lǐng)先者，凱普斯通公司處于微型燃?xì)廨啓C(jī)的絕對領(lǐng)先地位，占有世界微型燃?xì)廨啓C(jī)市場80%以上的份額；索拉透平（Solar Turbines）公司是世界上最大的工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)，生產(chǎn)的10 MW 以下小型燃?xì)廨啓C(jī)組占據(jù)世界60%以上的市場份額[1-2]。日本、歐洲在部分技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先，日本在高溫陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)方面有很強(qiáng)優(yōu)勢，三菱公司在微小型燃機(jī)的材料及制造工藝上世界領(lǐng)先；歐洲方面，德國西門子及英國的羅羅（Rolls-Royce）公司在燃料靈活性、航改型燃?xì)廨啓C(jī)上具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。另外，韓國、印度等國家也在積極布局，加速追趕。

1.2.2 國內(nèi)發(fā)展進(jìn)展

國內(nèi)微小型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)始于2002 年。出于市場需求和國家能源安全的考慮，科技部經(jīng)過多次論證，將微小型燃?xì)廨啓C(jī)科技攻關(guān)列入“十五”和“十一五”的863 計劃專項。2002 年，由中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司牽頭承擔(dān)國家863 計劃“100 kW 微型燃?xì)廨啓C(jī)重點項目”，2011 年，首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)樣點火成功；2009 年，中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司牽頭承擔(dān)863 計劃“1 MW級微型燃?xì)廨啓C(jī)及其供能系統(tǒng)研制”課題，成功研制了MW 級燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)，2013 年該項目通過驗收。上海交通大學(xué)與上海航天能源股份有限公司、澳大利亞聯(lián)邦研究院合作，研制了30 kW、50 kW 低熱值微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置[3]。但是這些項目基本停留在研究或示范階段，沒有形成可商業(yè)化的產(chǎn)品，未能實現(xiàn)市場化的“最后一公里”跨越。

除了上述機(jī)構(gòu)外，國內(nèi)有較強(qiáng)科研能力的單位還有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國科學(xué)院工程熱物理研究所、中國科學(xué)院上海高等研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所等，研發(fā)力量分布在我國的東北、北京、西北、西南和長三角地區(qū)，形成了“五大研發(fā)”基地。近十年來，在市場需求的帶動下，還吸引了一批有實力的企業(yè)介入。目前國內(nèi)正在研制或者已經(jīng)有產(chǎn)品的公司有：新奧能源動力科技（上海）有限公司（原上海泛智能源裝備有限公司）（100 kW、300 kW、2 MW）、上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司（1.2 MW、2 MW）、永旭騰風(fēng)新能源動力科技有限公司（15 ～45 kW）、深圳智慧能源技術(shù)公司（200 kW）、中科合肥微小燃?xì)廨啓C(jī)研究院（800 kW、4 MW）、中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司（2 MW、7 MW）以及中船重工703 研究所和中國航發(fā)西安發(fā)動機(jī)有限公司（30 MW）等。有少數(shù)產(chǎn)品已經(jīng)完成研發(fā)和生產(chǎn)制造，并在工業(yè)園區(qū)、油田、海洋石油平臺等項目上應(yīng)用，實現(xiàn)了小批量的商業(yè)化，但大部分產(chǎn)品還處于設(shè)計、試制和示范階段，尚需試驗驗證與市場認(rèn)可。目前國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)市場基本上還是被國外壟斷。

2 關(guān)鍵技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)通常由壓氣機(jī)、燃燒室、透平和控制系統(tǒng)四大部件組成，要在高溫、高速和高腐蝕的惡劣工況環(huán)境下保持系統(tǒng)良好運(yùn)轉(zhuǎn)，存在設(shè)計及制造工藝、熱端部件材料、污染物控制等諸多技術(shù)難題。微小型燃?xì)廨啓C(jī)由于其尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點，還需要開發(fā)緊湊式回?zé)崞?、高速空氣軸承和高速電機(jī)等，帶來一些特有的技術(shù)難點。

2.1 目前的關(guān)鍵技術(shù)

目前微小型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在兩個方面：一是多種燃料的高效低污染燃燒技術(shù)。通過研究不同種類和不同熱值的燃料在各種工作參數(shù)的燃燒穩(wěn)定性能，研制多燃料、低污染、高效燃燒室，解決局部超溫、污染物排放等問題。二是提高機(jī)組的可靠性、長壽命技術(shù)。開發(fā)高效低噪聲壓氣機(jī)、變工況性能良好的透平；優(yōu)化壓氣機(jī)、透平與燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配特性；開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)，建立適應(yīng)于不同功率機(jī)組開發(fā)的試驗平臺體系。

2.1.1 多種燃料的清潔高效燃燒技術(shù)

高效低污染燃燒技術(shù)始終是研究熱點，通過拓寬燃料適應(yīng)范圍，進(jìn)一步降低NOx 等污染物排放[4]。開展燃燒理論及調(diào)控方法研究，包括稀態(tài)預(yù)混燃燒技術(shù)、富燃一悴熄一稀態(tài)燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)和無焰燃燒等，其中稀態(tài)預(yù)混燃燒技術(shù)已在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上得到成功應(yīng)用[5]。

2.1.2 高性能緊湊式回?zé)崞?/p>

回?zé)崞饕邆涓咝У统杀緣勖L和良好抗疲勞、防泄漏和防沾污性能，并適應(yīng)分布式熱冷電聯(lián)供系統(tǒng)負(fù)荷變化需要，主要采用高換熱系數(shù)、低流動損失的板翅式或三元無定向翅片管回?zé)崞髟O(shè)計技術(shù)。使用高效回?zé)崞骱螅細(xì)廨啓C(jī)的效率可從18%提高到30%以上[6]。

2.1.3 高性能壓氣機(jī)

壓氣機(jī)要在滿足高效率的同時，拓寬高效區(qū)和穩(wěn)定工作區(qū)范圍。核心技術(shù)是一套復(fù)雜的設(shè)計技術(shù)，主要包括葉型和通道的氣動力學(xué)優(yōu)化、渦流發(fā)生器、時序效應(yīng)、葉頂泄露流與主流的優(yōu)化及軸流轉(zhuǎn)子的串聯(lián)葉片和分流葉片設(shè)計。

2.1.4 以高溫透平葉片為代表的高溫部件材料、涂層、冷卻技術(shù)

材料技術(shù)：具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和耐腐蝕性能的高溫合金，適合制造燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、過度導(dǎo)管、導(dǎo)向葉片、渦輪工作葉片以及渦輪盤等部件。

涂層技術(shù)：具有抗高溫腐蝕功能和有效隔熱性能的防護(hù)材料。目前防護(hù)涂層已經(jīng)開發(fā)了四代：鋁化物擴(kuò)散涂層、改性鋁化物涂層、包覆涂層、熱障涂層。第四代熱障涂層采用陶瓷材料，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的抗熱腐蝕性能和隔熱性能。

冷卻技術(shù)：提高燃機(jī)的循環(huán)熱效率，延長燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命，與二次空氣系統(tǒng)成為燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件設(shè)計的關(guān)鍵問題之一，主要包括氣膜冷卻、內(nèi)部冷卻等

2.1.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)

針對總體性能及部件運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷分析，開發(fā)燃機(jī)遠(yuǎn)程診斷及專家支持系統(tǒng)，包括設(shè)備大數(shù)據(jù)傳輸、存儲與計算平臺建設(shè)技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘及其智能分析技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 下一代微小燃機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

綠色、高效及安全是燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向，以氫氣及人造氣為燃料的發(fā)電機(jī)組以及燃料電池-微型燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)為下一代微小燃機(jī)的研究重點。

2.2.1 氫燃?xì)廨啓C(jī)

氫能在未來能源行業(yè)有著極為廣闊的應(yīng)用前景，全球主要燃機(jī)廠商都在加緊研發(fā)氫氣燃機(jī)，日本的研究走在世界前列。2020 年9 月，日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）開展“超越傳統(tǒng)技術(shù)的高效氫日本能發(fā)電技術(shù)研發(fā)”研究課題，開發(fā)1400 ℃級氫燃?xì)廨啓C(jī)，系統(tǒng)發(fā)電效率高達(dá)68%。項目由NEDO 主導(dǎo)，三菱重工和川崎重工分別研制大型氫燃?xì)廨啓C(jī)與中小型氫燃?xì)廨啓C(jī)[7]。技術(shù)路線有三條：摻氫燃燒、純氫燃燒、純氫+純氧燃燒，但無論哪一條，都要解決氫燃燒速度快、回火燃燒、火焰穩(wěn)定性等問題，核心是高富氫燃料燃燒室的設(shè)計技術(shù)，研究機(jī)構(gòu)要具備先進(jìn)的實驗條件與高精度數(shù)值模擬能力。

2.2.2 微型燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)-燃料電池聯(lián)合發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池聯(lián)合發(fā)電的理論發(fā)電效率可以達(dá)到60%以上[8]，是目前最為先進(jìn)的高效環(huán)保發(fā)電方式之一。燃料電池可以直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)限制，效率高達(dá)80%。燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池聯(lián)合發(fā)電，將燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)缺點進(jìn)行互補(bǔ)，能夠大幅提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時利用燃?xì)廨啓C(jī)可以讓聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)快速啟動，并具有更好的變工況性能。目前燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池聯(lián)合發(fā)電的研究主要集中在如何提高發(fā)電效率，以及提高發(fā)電系統(tǒng)的啟動與變工況性能等。

3 國內(nèi)外技術(shù)差距

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)鏈長，涉及機(jī)械制造、冶金材料、電子信息等諸多領(lǐng)域，涵蓋了氣動力學(xué)、工程熱力學(xué)、燃燒學(xué)等學(xué)科。我國燃?xì)廨啓C(jī)研制起步晚，整體水平較國際先進(jìn)水平落后20～30 年，目前的差距主要在以下幾方面。

3.1 總體設(shè)計經(jīng)驗不足，研究基礎(chǔ)薄弱

燃?xì)廨啓C(jī)的總體設(shè)計涉及基礎(chǔ)理論、設(shè)計規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫等諸多要素。目前，國內(nèi)雖然研制了不少型號的微小型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品，也建立了一些整機(jī)試驗平臺以及相應(yīng)的測試手段，初步具備研制開發(fā)能力，但尚未掌握設(shè)計、制造和運(yùn)行的成套技術(shù)，未形成完整的研發(fā)體系。各型號樣機(jī)研制尚處于探索階段，缺乏總體設(shè)計經(jīng)驗，存在氣動設(shè)計落后、污染物排放較高、可靠性差等問題，在主要性能指標(biāo)上與國外仍存在較大差距。

3.2 受到技術(shù)封鎖，關(guān)鍵技術(shù)尚未掌握

燃?xì)廨啓C(jī)是研發(fā)周期很長的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。長期以來，發(fā)達(dá)國家投入巨資研發(fā)，同時移植航空發(fā)動機(jī)積累的各種新技術(shù)、新材料，收到投資少、周期短、見效快的效果。

我國燃?xì)廨啓C(jī)目前仍處于基礎(chǔ)研究、樣機(jī)試制階段。以近年來專利申請的比較為例，美國申請的專利最多，達(dá)到專利總數(shù)的31%，其次是日本、英國、德國等，中國僅占總數(shù)的4%。從專利的內(nèi)容看，美歐日等國家的專利熱點集中在壓氣機(jī)、透平、發(fā)電機(jī)、空氣軸承、燃燒室等關(guān)鍵部件，而我國專利申請多是基礎(chǔ)技術(shù)研究、工程樣機(jī)、進(jìn)口技術(shù)改造等方面[9]。國內(nèi)企業(yè)有一系列關(guān)鍵核心技術(shù)尚待突破，如燃機(jī)小型化設(shè)計、設(shè)備可靠性和長壽命技術(shù)、高溫高強(qiáng)度材料、清潔高效燃燒技術(shù)、高性能緊湊式回?zé)崞?、高溫高速軸承、自動控制等。

3.3 研究力量分散，產(chǎn)業(yè)配套不夠完善

由于歷史原因，國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究力量較為薄弱，研究和產(chǎn)業(yè)力量分散在機(jī)械、能源、航天航空、船舶等不同行業(yè)。同時，對配套產(chǎn)業(yè)鏈的培育還不夠，有能力提供核心零部件加工的企業(yè)數(shù)量很少，特別是缺少關(guān)鍵核心熱部件原材料、鍛件、加工制造配套能力；已形成的配套企業(yè)的技術(shù)不夠成熟，對承接小批量、難度高的部件加工業(yè)務(wù)積極性不高。

4 國產(chǎn)化對策

4.1 整合資源，形成發(fā)展合力

一是堅持構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用投相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，培育一批具有核心競爭力的龍頭企業(yè)，打造一批專精特新的燃機(jī)企業(yè)，由龍頭企業(yè)牽頭建設(shè)產(chǎn)業(yè)鏈，支持配套企業(yè)緊密參與主機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化過程。二是發(fā)揮舉國體制優(yōu)勢，設(shè)立微小燃機(jī)重大攻關(guān)項目，制定微小燃機(jī)的重大科學(xué)問題、工程技術(shù)難題、產(chǎn)業(yè)瓶頸問題清單，聚集力量聯(lián)合攻關(guān)，以有組織科研模式引導(dǎo)“五大研發(fā)”基地發(fā)展成為各自區(qū)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新集群，龍頭企業(yè)聯(lián)合行業(yè)伙伴建設(shè)國產(chǎn)化生態(tài)圈。三是以“大科技、大協(xié)作”的思路，鼓勵組建科研聯(lián)合體，支持高校、科研院所向社會開放資源，將一批內(nèi)部平臺轉(zhuǎn)型為行業(yè)共性技術(shù)研發(fā)平臺、行業(yè)檢測試驗平臺，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供創(chuàng)新動力。

4.2 聚焦重點，突破制約瓶頸

一是集中力量突破關(guān)鍵技術(shù)，包括總體設(shè)計技術(shù)，多種燃料的低污染高效燃燒技術(shù)，高速永磁電機(jī)與逆變技術(shù)，空氣軸承技術(shù)，高效緊湊型回?zé)峒夹g(shù)，先進(jìn)高溫材料和氣動冷卻技術(shù)等，加快形成國產(chǎn)化解決方案。二是以工程應(yīng)用項目為牽引，打通基礎(chǔ)研究、設(shè)計制造、試驗測試、示范運(yùn)行等全過程，強(qiáng)化國產(chǎn)化落地實踐，構(gòu)建國際先進(jìn)的微小型燃機(jī)設(shè)計、制造與應(yīng)用結(jié)合的產(chǎn)業(yè)化平臺，為建立國內(nèi)具有自主可控的微小型燃機(jī)產(chǎn)業(yè)打下堅實基礎(chǔ)。三是針對“3060”碳達(dá)峰碳中和愿景目標(biāo)，前瞻性布局氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)等前沿技術(shù)，為在未來的市場競爭中贏得先機(jī)。

4.3 設(shè)立微小型燃機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金

綜合運(yùn)用項目扶持、股權(quán)投資、風(fēng)險補(bǔ)償?shù)扔行Х绞剑⒍嘣度谫Y體系，吸引各類社會資本參與，融合政府和社會力量支持微小型燃機(jī)研發(fā)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。

5 結(jié)語

微小型燃機(jī)在我國天然氣分布式發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但核心裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國產(chǎn)微小型燃機(jī)的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)尚未成熟，面臨卡脖子技術(shù)制約，市場競爭力不足。經(jīng)過近年來國家相關(guān)政策支持，我國已具備一定的研發(fā)基礎(chǔ)和條件，產(chǎn)業(yè)化步伐也在加快。要進(jìn)一步利用產(chǎn)業(yè)、科技、金融等政策措施，充分激發(fā)相關(guān)企業(yè)、高校、科研院所的力量，加快開展聯(lián)合攻關(guān)，盡快形成我國自主的先進(jìn)微小型燃機(jī)研究制造體系和創(chuàng)新機(jī)制，為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路，保障國家能源與國防安全。