国内外燃气轮机发展研究及对策建议

时间：2024-10-23 理论教育版权反馈

【摘要】：国内外燃气轮机发展研究及对策建议一、燃气轮机简介（一）燃气轮机概念燃气轮机是燃气涡轮发动机的简称，是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。发达国家计划2020年左右推出燃烧氢能的燃气轮机。

国内外燃气轮机发展研究及对策建议

一、燃气轮机简介

（一）燃气轮机概念

燃气轮机是燃气涡轮发动机的简称，是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

（二）燃气轮机结构及分类

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和燃气透平等关键部件和启动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等附属系统和设备组成，一般分为重型、轻型、微型或微小型三类。

重型燃气轮机:部件较厚重，有较长检修周期，运行寿命可达10万小时以上，并能燃用多种燃料，主要用于发电。

轻型燃气轮机:结构紧凑而轻，寿命较短，主要用于飞机、船舶及机械驱动等设施装备动力。

微型燃气轮机:是小型热力发动机，其单机功率范围一般为25～300千瓦，主要用于分散式供电、热电联供和车辆混合动力等方面。

燃气轮机工作模式:简单循环、回热循环、复杂循环、闭式循环以及与其他热机相结合的复合循环等。

（三）燃气轮机应用领域

燃气轮机除用于航空发动机外，主要应用于发电、船舶动力、机械驱动力等方面。其中机械驱动力包括应用于军用坦克和装甲车辆以及石油和天然气化工工业领域（在石油和天然气开采、运输及化工流程中作为油田注水、注气、气举采油、输油和输气管道增压等驱动）。

（四）燃气轮机主要特点

作为热功转换的动力装置，燃气轮机与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，有以下显著优点:

（1）结构紧凑，质量轻，单位功率质量小。重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，而轻型燃气轮机一般低于0.2千克/千瓦。

（2）体积小，占地面积小，仅为煤电厂的10%～30%。

（3）启动快，从冷态启动至满负荷只需几分钟时间。

（4）安装周期短，基础设施等准备好，可以较快投入运行。

（5）运行平稳，可靠性高。

（6）热效率高。

（7）污染排放低，二氧化硫排放几乎为零，没有灰渣排放。

（8）耗水少或不用水。

（9）造价低。燃气轮机电站造价约3000元/千瓦，而煤电厂为4500元/千瓦，风电项目为5500～7000元/千瓦。

燃气轮机的主要缺点是:在部分负荷下效率下降快，尤其空载时的燃料消耗量高。

二、燃气轮机核心技术及发展趋势

（一）燃气轮机核心技术

燃气轮机核心技术包括重大部件的设计制造、系统设计优化和成套技术、高性能压气机与透平及高转速机械复杂结构的组合、高温热通道部件的材料制造工艺涂层保护技术及其先进的冷却技术、高效低污染的燃烧技术、长寿命主机结构与先进制造技术、新的材料和隔热涂层技术等。

（二）燃气轮机技术发展趋势

目前，随着新材料和新技术的突破，新的技术特征表现为采用更有效的蒸汽冷却技术，采用定向结晶、单晶叶片等，部分静止件采用陶瓷材料，应用智能型微机控制系统，更重视环保性能。而未来理想机型发动机处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，初温大于1600℃～1800℃，采用革命性新材料，有更好的高温性能。

中国燃气涡轮研究院总设计师江和甫预测:今后20年发动机结构和材料应用方面的发展趋势为组合件零件化如整体叶盘、整体叶环、大型整体精铸机匣、大型复合材料构件；大量使用轻质高强金属材料如TiAl（钛铝）系、TiAlNb（钛铝铌）系等低塑性金属间化合物；各类复合材料在转动件上应用，如有机复合材料制造的整流叶片、纤维增强金属基复合材料用于压气机和涡轮转子；陶瓷材料用于重要零件如涡轮叶片，特种工艺的高效工程应用，如激光焊、各类表面改性；不同性能材料、异类材料的焊接整体结构。上述技术应用依赖于制造技术的工程化和稳定、优质、高效的生产能力。

三、燃气轮机发展前景和经济效益

燃气轮机除了在航空发动机方面具有的军事和经济效益外，在其他方面也具有显著的经济效益和广阔的市场前景。

我国在天然气一次能源中消费的比例约3%，不仅远低于英国的34%，美国的27%，还远低于世界平均比例23%。随着我国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段，我国新世纪四大工程中“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等三大工程均需要大量30兆瓦级工业型燃气轮机。

燃气轮机发电已占全球发电的20%，欧洲21个国家电网装机容量的增量中，81%的份额是采用燃烧天然气的燃气轮机及其联合循环机组。发达国家计划2020年左右推出燃烧氢能的燃气轮机。

20世纪90年代以后，随着高速客货渡船、豪华旅游船的兴起，具有单位重量功率大、启动快、可靠性好、噪声低、污染少、振动小等优点的燃气轮机被广泛采用。

采用英国罗尔斯·罗伊斯（简称“罗罗公司”，下同）公司的MT50燃气轮机来驱动喷水推进器横渡宾夕法尼亚与瑟堡之间大西洋，往返仅需7天时间，其运费仅为空运的25%，航行时间仅为常规海上运输的25%。

液化天然气（LNG）船选用英国罗罗公司Trent30型燃气轮机时，与蒸汽轮机相比，燃气轮机可使船的总长缩短19米，而载重量可增加12%，在整个使用期间可以节约营运成本20%左右。

前瞻网预测:仅中国石油天然气集团公司每年需要的燃气轮机价值可能达到30亿元，国内用于船舶和机械驱动动力的30兆瓦级燃气轮机市场需求将会达到20～45台/年，到2015年，国内燃气轮机的市场容量将达300亿元，而国际市场容量将达到2700亿元。

四、国际燃气轮机行业发展现状

由于不同的历史背景，燃气轮机形成了不同的技术发展道路。一条以英国罗罗公司（R-R）、美国通用电气公司（GE）等公司为代表的用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机（俗称“航改机”）；一条是以德国西门子公司（Siemens）、瑞士ABB（Asea Brown Boveri Ltd）等公司为代表，遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机（俗称“工业机”），主要用于机械驱动和大型电站。世界范围内市场主要被通用电气公司、西门子、西屋、阿尔斯通、ABB、索拉透平公司、罗罗公司、普惠公司、三菱重工、俄罗斯列宁格勒（即圣彼得堡）金属工厂、乌克兰曙光“机器设计”科研生产联合体等企业瓜分。

国外重型燃气轮机制造厂商主要有通用电气公司、西门子公司、阿尔斯通公司、三菱重工公司以及列宁格勒（即圣彼得堡）金属工厂等；世界的轻微型燃气轮机制造业也形成了以通用电气公司、罗罗公司、普惠公司、美国索拉透平公司为主导的企业；通用电气公司、罗罗公司和曙光“机器设计”科研生产联合体是世界上最主要的船用燃气轮机研制单位。

国外燃气轮机主要厂商情况，见附表1。

五、国际燃气轮机产业发展趋势

目前，以100～300兆瓦级燃气轮机为代表的燃用天然气的联合循环发电站已经比较成熟；在此基础上以300～400兆瓦级燃气轮机为代表的燃用合成气的燃气轮机正在发展之中，未来的燃气轮机向着燃用氢气的近零排放燃气轮机发展。

美国、日本、欧盟等国以国家行为统筹，结合产业、高校和科研机构推动了一系列燃气轮机研发项目。

美国能源部（DOE）在2005年同时启动了为期6年的“IGCC^[1]/H₂燃气轮机”项目和“先进燃氢透平的发展”项目。两个项目以2015年达到效率50%、氮氧化物排放小于3×10^-6的100～300兆瓦级先进能源系统为目标，研究内容包括富氢燃料/氢燃料燃气轮机内燃烧、透平/冷却、材料、系统等各个方面。

欧盟2007年在其第七框架协议（FP7）中启动的“高效低排放燃气燃气轮机和联合循环”重大项目，以从稀释氢到100%氢燃料燃气轮机为主要研究对象，预期为燃用低碳燃料具有适应灵活燃料的零排放电站打下理论基础。欧盟第七框架在2008年专门把“发展高效富氢燃料燃气轮机”作为一项重大项目，旨在加强针对富氢燃料燃气轮机的研究，为2015年实现其零排放煤基整体煤气化联合循环发电系统IGCC奠定基础。西门子以SGT6－6000G（W501G）为基础开发燃氢、合成气燃气轮机，提出了详细的路线图，包括压气机加末级、部分压气机排气去空分；燃烧室采用扩散、催化燃烧、蒸汽冷却过渡段；高温透平采用定向结晶透平叶片（CM247LC）、高效冷却、新涂层材料。

日本将高效富氢燃料整体煤气化联合循环发电系统的研究作为未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期28年的“新日光计划”（WE－NET）中，以效率大于60%的低污染煤基IGCC系统为目标展开研究。

六、我国燃气轮机技术行业发展现状

（一）我国发展燃气轮机行业的相关政策

我国高度重视航空动力发展，为加快我国燃气轮机行业发展，曾采取以市场换技术的方式捆绑招标引进23台重型燃气轮机及其制造技术，市场换技术代价为350亿元。

“十五”期间，国家科技部863重大专项——RO110重型燃气轮机设计与研制项目于2002年10月立项。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中明确重点研究重型燃气轮机、重点突破微小型燃气轮机；《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012～2030年）》明确提出“围绕化石燃料高效转化和洁净利用中的气体动力学、燃烧科学和传热传质问题，为实现高压比、高透平温度、高效和近零排放等目标，建设高效低碳燃气轮机试验装置。

国家发改委规划到2020年，全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦；电力工业计划到2015年我国燃气轮机装机容量达到6000万千瓦。

（二）我国燃气轮机行业发展概况

我国的燃气轮机制造业始于20世纪50～70年代，各汽轮机厂都曾研制生产过陆海空用途十几种型号的燃气轮机。但随着国家能源结构调整，天然气供应不足，燃气轮机研制在逐渐停止。20世纪末期，国家能源战略调整，燃气轮机又重新步入发展的快车道。

我国在吸收和引进国外重型和轻型燃气轮机研制技术的基础上，正在逐步实现燃气轮机研发与制造生产的国产化、本地化和知识产权自主化。继成功研制出“昆仑”（涡喷14）、“太行”（涡扇10）军用发动机以后，又成功研制了QD128、QD70、QC185、QD280等一系列的工业与舰船用燃气轮机。

2003年，国家发改委批准在秦皇岛建设燃气轮机生产基地，与美国通用电气公司合作生产MS9001FA型燃气轮机，2004年8月组装了第一台MS9001FA型燃气轮机。

2009年7月，中航工业振兴航空发动机委员会成立，并同时组建航空发动机研究院，明确提出:形成具有自主知识产权的航空发动机和燃气轮机产品系列。

2011年，国家能源局在中船重工集团703所设立国家能源工业燃气轮机研发（试验）中心。

2011年7月，在科学技术部“863”项目支持下，由中国科学院工程热物理研究所、哈尔滨东安集团、西安交通大学三家单位组成的产学研联合体已经完成100kW级微型燃气轮机的样机设计。

2011年7月，上海市与清华大学签署《关于开展燃气轮机领域战略合作的框架协议》，明确将同时研发各种类型的燃气轮机，在燃气轮机人才培养、基础研究、产品设计、部件试验、材料与工艺、整机产品制造及验证、示范工程等全产业链进行合作；在燃气轮机基础技术研究、民船燃气轮机研究等方面开展深入合作。

2012年，科技部与黑龙江省就重型燃气轮机等战略性新兴产业签署框架协议。黑龙江省出台《重点产业发展“十二五”规划》，提出以哈尔滨为重点，加快各种类型燃气轮机总装、整机实验和配套设备平台建设，建成国内唯一的全系列燃气轮机研制生产基地。

2012年12月，经中航工业沈阳黎明航空发动机公司和中海油深圳电力公司等机构联合攻关，RO110重型燃气轮机完成72小时连续带负荷并网发电运行。

RO110是国家863计划重大专项，是我国自主研制的第一台重型燃气轮机。该机输出功率114500千瓦，热效率为36%，主要用途为发电、管道增压和大型舰船的动力装置。RO110的研制成功标志着我国成为世界上除日本、美国、德国以及法国之外的第五个具备重型燃气轮机研制能力的国家，这对于提高我国的综合国力具有实际意义。

七、青岛市燃气轮机技术产业情况

目前，我市尚无研发机构和企业涉足燃气轮机技术产业领域。但青岛捷能汽轮机集团股份有限公司（原青岛汽轮机厂）曾于1972年研制过1500kW卡车电站燃气轮机，但最终没有投入生产。目前，该公司主要生产汽轮机，拥有电站汽轮机和工业拖动汽轮机两大类产品，可用于燃气-蒸汽联合循环，是我国汽轮机行业重点骨干企业。

青岛云路新能源科技有限公司是沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司控股子公司，主要生产非晶合金带材及其衍生品（主要应用于变压器），其利用快速急冷技术孵化出的用于宇航结构和航空发动机叶片、动力环组件等高强度、耐高温部件的非晶钎焊料，目前正处于实验室阶段。

八、青岛市燃气轮机产业发展对策

发展燃气轮机产业符合我市蓝色经济发展需要和海洋发展战略的要求，对于推动我市产业结构调整，技术升级改造，加快我市海洋装备制造业发展，创立新的经济增长点，有着十分重要的意义。目前，我国非航空燃气轮机产业还处在培育期，青岛市应牢牢抓住机遇，推动燃气轮机技术和产业的发展。

（一）统筹规划，确定燃气轮机产业发展目标

将发展燃气轮机产业纳入我市中长期发展计划，并结合我市实际，以优先发展船用燃气轮机和微型燃气轮机为突破口，建立燃气轮机产业化园区，争取美国通用电气公司、美国索拉透平公司、乌克兰曙光“机器设计”科研生产联合体以及中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司、中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司等国内外著名企业入驻园区；依托军民融合产业化示范园区，积极引进国防科工系统相关研发机构和生产企业，建立我市燃气轮机技术产业化基地。

（二）成立燃气轮机研发机构，加快引进高端人才和先进技术

青岛市应积极引导青岛捷能汽轮机集团股份有限公司、青岛云路新能源科技有限公司等单位建立燃气轮机及相关技术研发机构，组建燃气轮机产业技术创新战略联盟，加强与国内外研究机构、企业的技术合作与交流；加快引进国内外燃气轮机专业优秀人才及先进技术，争取在燃气轮机技术及制造等方面取得突破。

（三）建立燃气轮机技术孵化器，鼓励引导燃气轮机配套技术产业发展

建立燃气轮机专业技术孵化器，培育燃气轮机相关科技型企业。针对青岛云路新能源科技有限公司适用于燃气轮机的非晶钎焊料研发技术现状，政府还应从资金、税收、人才、风险投资等诸多方面予以扶持，并积极支持该公司与中科院沈阳金属研究所、沈阳发动机设计研究所、中航工业黎明集团技术中心等加强合作，加快其在非晶钎焊料等方面的技术创新，促进我市燃气轮机相关配套技术产业的持续发展。

附件:

1.附表1　国外燃气轮机主要厂商基本情况

2.附表2　我国燃气轮机主要生产研发单位基本情况

附表1　国外燃气轮机主要厂商基本情况