燃氣輪機廣泛應(yīng)用于發(fā)電、船艦和機車動力、管道增壓等能源、國防、交通領(lǐng)域,是關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展的高技術(shù)核心裝備,屬于市場前景巨大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。燃氣輪機技術(shù)水平是代表一個國家科技和工業(yè)整體實力的重要標(biāo)志之一,被譽為動力機械裝備領(lǐng)域"皇冠上的明珠"。正是基于燃氣輪機在國防安全、能源安全和保持工業(yè)競爭能力領(lǐng)域的重大地位,發(fā)達國家高度重視燃氣輪機的發(fā)展,世界燃氣輪機技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,目前重型燃氣輪機已基本形成以GE、西門子、三菱、阿爾斯通等公司為主導(dǎo),航空燃氣輪機(包括工業(yè)輕型燃氣輪機)以GE、P&W、R&R等航空公司為主導(dǎo)的格局。
我國發(fā)展燃氣輪機發(fā)展雖然已經(jīng)有50年的歷史,但30年的發(fā)展斷層讓我國燃氣輪機技術(shù)錯過了國外高速發(fā)展的時期,迅速與水平拉大了差距。隨著我國天然氣資源大規(guī)模開發(fā)利用,西氣東輸、近海天然氣開發(fā)、液化天然氣(LNG)引進、可燃冰開發(fā)、煤層氣的綜合利用、分布式電源建設(shè)等工程進展,國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已進入實施階段,燃氣輪機在我國迎來了前所未有的發(fā)展機遇。
1燃氣輪機工作原理與特點
1.1燃氣輪機定義
燃氣輪機是一種以連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械,是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機,其典型結(jié)構(gòu)如圖1。
1.2燃氣輪機的工作原理
壓氣機從外部吸收空氣,空氣從燃氣輪機進氣口進入,通過壓氣機葉片將其壓力升高,壓縮后送入燃燒室,同時燃料(氣體或液體燃料)也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合,在定壓下進行燃燒。生成的高溫高壓煙氣燃燒受熱后膨脹,進入透平區(qū)經(jīng)過一級一級的葉片,推動動力葉片高速旋轉(zhuǎn),直至從出氣口排出,成為廢氣,廢氣排入大氣中或再加利用(如利用余熱鍋爐進行聯(lián)合循環(huán))。
葉片轉(zhuǎn)動后帶動軸也轉(zhuǎn)動,軸帶動負荷的機械轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)熱能和機械能的轉(zhuǎn)換。通常,將壓氣機、燃燒室、透平稱為燃氣輪機的三大核心部件。
1.3燃氣輪機特點
燃氣輪機產(chǎn)品本身具有以下特點:
效率,優(yōu)效益。隨著高溫材料的不斷進展,以及渦輪采用冷卻葉片并不斷提高冷卻效果,透平前燃氣的初溫逐步提高,加之研制級數(shù)不斷減少壓縮比越來越高的壓氣機和各個部件效率的提高,使燃氣輪機效率不斷提高。
體積較小,使用便捷。燃氣輪機動力部件設(shè)計構(gòu)造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置,結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。與傳統(tǒng)設(shè)備相比,燃氣輪機設(shè)備規(guī)模、體積比傳統(tǒng)的鍋爐、蒸汽輪機小,占地面積小,便于移動。
減少燃煤,清潔環(huán)保。燃氣輪機可以采用天然氣、丙烷、油井氣、煤層氣、沼氣、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃氣輪機通過在燃燒過程中控制NOx的生產(chǎn),或在NOx生成后排入余熱鍋爐時進行尾部煙氣脫硝,達到超低的NOx排放效果,而且能夠?qū)崿F(xiàn)資源充分循環(huán)利用,真正達到零排放。
噪聲小,安全可靠。燃氣輪機運行時產(chǎn)生的低頻份量很低。而且可以通過采用數(shù)字式遙控的聯(lián)網(wǎng)離網(wǎng)變換裝置,彌補其它設(shè)備在安全穩(wěn)定性方面的不足。
2燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)
從燃氣輪機研發(fā)的角度來分析,當(dāng)代燃氣輪機主要關(guān)鍵技術(shù)難點如下:
2.1燃氣輪機基礎(chǔ)技術(shù)方面:
燃氣輪機總體技術(shù),高效高負荷壓氣機設(shè)計應(yīng)用技術(shù),高效穩(wěn)定低污染燃燒室設(shè)計技術(shù)、高效流動、高效換熱、高壽命透平設(shè)計技術(shù),燃氣輪機設(shè)計軟件技術(shù),燃氣輪機現(xiàn)代控制理論與技術(shù),燃氣輪機振動、壽命與可靠性關(guān)鍵技術(shù)。
2.2燃氣輪機設(shè)計體系的規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫方面:
燃氣輪機總體、燃氣輪機壓氣機、燃氣輪機燃燒室、燃氣輪機渦輪、燃氣輪機換熱器、燃氣輪機控制系統(tǒng)、燃氣輪機附屬系統(tǒng)、燃氣輪機裝置、燃氣輪機可靠性、燃氣輪機仿真、燃氣輪機試驗等的規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫。
2.3燃氣輪機共性關(guān)鍵技術(shù)
1)壓氣機關(guān)鍵技術(shù)
氣動高負荷高效率設(shè)計技術(shù);氣動性能高穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù);氣動多級匹配設(shè)計技術(shù);整機多級氣動性能數(shù)值模擬與驗證技術(shù);轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計技術(shù)。
2)燃燒室關(guān)鍵技術(shù)
燃燒場組織設(shè)計與測試技術(shù);火焰筒壁結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù);噴嘴設(shè)計與測試技術(shù);高溫零部件冷卻、防護、強度設(shè)計技術(shù);低排放燃燒設(shè)計與試驗技術(shù);寬范圍穩(wěn)定燃燒設(shè)計與試驗技術(shù);燃燒場數(shù)值模擬與驗證技術(shù)。
3)透平關(guān)鍵技術(shù)
動葉、導(dǎo)葉、輪盤空氣冷卻設(shè)計與試驗技術(shù);葉片蒸汽冷卻設(shè)計與試驗技術(shù);葉片和輪盤的溫度場、應(yīng)力場與強度壽命分析和試驗技術(shù);摻混冷卻氣流的渦輪級性能分析設(shè)計技術(shù);冷卻葉片多物理場數(shù)值模擬與驗證技術(shù);轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計技術(shù)。
4)燃氣輪機重要系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
冷卻空氣系統(tǒng)設(shè)計、性能分析和調(diào)試技術(shù);控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)部件、控制器和控制規(guī)律;起動系統(tǒng)技術(shù);軸承和滑油系統(tǒng)技術(shù)。
5)燃氣輪機材料技術(shù)方面:
主要包括:強抗熱腐蝕定向和單晶高溫合金的研制;高溫合金材料體系的完善;高溫材料5000~10000小時近使役條件下性能測試;大尺寸鑄件近使役條件下力學(xué)性能研究;大尺寸鑄件抗氧化、抗熱腐蝕性能研究;拉桿用CrMoV高強鋼;
6)燃氣輪機工藝技術(shù)
主要包括:復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷型芯制造技術(shù);高強抗熱沖擊陶瓷模殼制造技術(shù);大尺寸定向結(jié)晶、單晶葉片定向凝固技術(shù);高溫透平葉片加工、焊接、熱處理、檢測等工藝;葉片涂層技術(shù);燃氣輪機葉片的工程化研究;燃氣輪機葉片制造規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn);大型渦輪盤的制造技術(shù);高強鋼拉桿制造工藝;燃燒器制造技術(shù)。
3國內(nèi)外際燃氣輪機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
3.1燃氣輪機技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
當(dāng)今世界70年來重型燃氣輪機燃氣溫度由早期的550℃提高到1600℃,單循環(huán)效率由17%提高到40%,單機功率由1.5MW到460MW,實現(xiàn)了巨大的技術(shù)跨越。世界重型燃氣輪機制造業(yè)目前已形成了高度壟斷的局面,基本形成了以GE、西門子、三菱、ALSTOM公司為主的重型燃氣輪機產(chǎn)品體系,基本代表了當(dāng)今世界燃氣輪機制造業(yè)的水平。
3.2國內(nèi)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
總體來說,60年來我國重燃氣輪機行業(yè)呈"馬鞍型"發(fā)展。中國燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀是:起步不晚,進展不快;性能不高,拐棍難扔;投入不大,搖擺不定;機型不少,所占市場份額不大。
我國重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)制造方面,分別以哈電集團、上電集團、南京汽輪電機(集團)有限公司為核心,形成了相應(yīng)的燃氣輪機制造產(chǎn)業(yè)群,目前全行業(yè)具備了年產(chǎn)四十套左右燃用天然氣的F和E級重型燃氣輪機以及與之配套的燃氣~蒸汽聯(lián)合循環(huán)全套發(fā)電設(shè)備的能力,可以基本滿足我國電力工業(yè)的市場需求。
我國輕型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
我國輕型燃氣輪機在研制開發(fā)能力方面,具備初步配套的部件性能、強度和各系統(tǒng)、整機試驗設(shè)施以及相應(yīng)的測試手段,基本可滿足輕型燃氣輪機試驗的需要。在制造方面,基本具備了研制生產(chǎn)航改機和輕型燃氣輪機的能力,但同類機型在主要性能指標(biāo)上與國外仍存在較大差距。我國燃氣輪機工業(yè)的輕型燃氣輪機集中在航空系統(tǒng),發(fā)展了5大類燃氣輪機:
1)航機改工業(yè)燃氣輪機,有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G等。60年代技術(shù)水平,已經(jīng)生產(chǎn)上百臺。
2)生產(chǎn)航機改工業(yè)燃氣輪機,有斯貝和WZ8,其中斯貝兩種改型燃氣輪機沒有完成研制。另有引進生產(chǎn)許可證的GT25000艦用燃氣輪機。
3)合作生產(chǎn)燃氣輪機,有FT8、QD10B、QY40等。
4)正在改進中的航機改燃氣輪機,有QD128、QD70、QD185等。
5)863燃氣輪機專項,R0110重型燃氣輪機和微型燃氣輪機。
3.3國內(nèi)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)與國外燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的技術(shù)差距
我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展走的是一條分散、重復(fù)、曲折而艱難的道路,缺乏產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ),尚未形成科學(xué)的產(chǎn)業(yè)體系。其差距主要表現(xiàn)在以下方面:
1)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)研發(fā)技術(shù)較弱由于歷史原因,我國至今沒有掌握具有知識產(chǎn)權(quán)的燃氣輪機的設(shè)計與制造技術(shù)。雖然我國發(fā)電設(shè)備制造業(yè)通過打捆招標(biāo)與合資引進天然氣重型燃氣輪機發(fā)電機組制造技術(shù),但外方堅持不轉(zhuǎn)讓燃氣輪機設(shè)計技術(shù)和高溫部件制造等技術(shù),燃氣輪機的核心關(guān)鍵技術(shù)目前還受制于人。
重型燃氣輪機研發(fā)和技術(shù):目前我國重型燃氣輪機總體水平與國外相比差距依然較大,具體表現(xiàn)在:一是未掌握F級/E級燃氣輪機熱端部件制造與維修技術(shù)以及控制技術(shù),熱端部件依賴;二是未形成完善的研發(fā)體系,更不具備G級/H級燃氣輪機以及未來級燃氣輪機產(chǎn)品研發(fā)能力和技術(shù)。
輕型燃氣輪機(包含微型燃氣輪機和中小型燃氣輪機)研發(fā)和技術(shù)與國外相比,中小型工業(yè)燃氣輪機行業(yè)存在較大差距,具體表現(xiàn):一是中小型燃氣輪機研制處于起步階段,雖然研制了幾型產(chǎn)品,市場尚未認可,國內(nèi)市場被國外燃氣輪機壟斷;二是尚未掌握工業(yè)燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù),特別是低排放燃燒室、多種燃料燃燒室和高溫渦輪冷卻葉片等設(shè)計技術(shù),未形成工業(yè)燃氣輪機研發(fā)體系。微型燃氣輪機還未建立設(shè)計、制造和運行的完整體系,微型燃氣輪機部分關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破,產(chǎn)品尚未開始應(yīng)用,高性能微型燃氣輪機目前依賴。
(2)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)能力相對較弱
燃氣輪機的開發(fā)需要具備一套完整的設(shè)計、制造和試驗體系。燃氣輪機輪機開發(fā)體系需要基礎(chǔ)科學(xué)能力、制造工藝水平、材料研發(fā)能力以及試驗技術(shù)的支撐。這些支撐,是燃氣輪機研發(fā)所必須具備的條件能力。我國發(fā)展燃氣輪機的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)力量相對薄弱,在設(shè)計能力、試驗?zāi)芰?、加工能力和材料四大要素中,薄弱的環(huán)節(jié)是設(shè)計能力、試驗驗證能力、高溫合金材料體系和能力,相對較好的是加工能力,但是也缺乏關(guān)鍵核心部件的加工能力。
(3)燃氣輪機產(chǎn)業(yè)配套體系不全
為滿足核心企業(yè)燃氣輪機產(chǎn)品制造的需求,我國對燃氣輪機產(chǎn)業(yè)部分配套能力進行了發(fā)展,主要集中于燃氣輪機制造配套能力建設(shè)方面,以冷端部件制造需求和輔助系統(tǒng)需求方面為主。但是已形成的配套能力中,均不具備關(guān)鍵核心熱部件原材料、鍛件、加工制造配套能力,不具備完整的燃氣輪機研發(fā)設(shè)計配套體系,不具備完整的燃氣輪機材料配套體系。與發(fā)達國家相比,存在巨大的差距。
4燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢
世界重型燃氣輪機技術(shù)發(fā)展遵循熱效率提高的路線,正由當(dāng)代級(E/F)向級(G/H)、未來級(J)發(fā)展,部分國外燃氣輪機制造商的燃氣輪機技術(shù)已達到H級水平,下一步技術(shù)發(fā)展趨勢是:
4.1燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢
提高燃氣輪機參數(shù)(燃氣初溫和壓氣機壓縮比),提高燃氣輪機的效率,燃氣初溫的下一個目標(biāo)是1700℃。拓寬燃料適應(yīng)范圍,進一步降低NOx等污染物排放。燃氣透平要求進汽溫度更高、透平氣動效率更高、功率更大、材料高溫性能,采用更、更復(fù)雜的冷卻技術(shù)。壓氣機朝著級數(shù)少、壓比高、效率高、運行穩(wěn)定性高、喘振裕度大、及流量大的方向發(fā)展。燃燒室要耐更高溫度的燃燒反應(yīng),提高燃燒效率,減少污染排放,減小尺寸。當(dāng)今世界重型燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢如圖2。
4.2燃氣輪機功率發(fā)展趨勢
無論是簡單循環(huán)還是復(fù)雜循環(huán),世界燃氣輪機的功率與效率逐步提高,耗油率不斷降低。簡單循環(huán)燃氣輪機主要通過提高壓比、提高渦輪溫度、提高部件效率等措施提高功率與熱效率并降低耗油率。
4.3燃氣輪機沿著適應(yīng)環(huán)保要求的趨勢發(fā)展
目前,燃氣輪機主要通過采用低污染物排放燃燒技術(shù),低排放燃燒室的采用,將會大大降低NOx、CO、UHC和顆粒狀物等的排放量,隨著節(jié)能減排要求的提出也將會逐步應(yīng)用于艦船燃氣輪機上。
4.4燃氣輪機產(chǎn)品向系列化、譜系化發(fā)展
以基準(zhǔn)航空發(fā)動機為基礎(chǔ),燃氣輪機設(shè)計與制造商改型研制不同類型和不同功率的燃氣輪機,充分體現(xiàn)了"一機為本、衍生多型、滿足多用、形成譜系"的特點,不僅賦予航空發(fā)動機頑強的生命力,達成更新?lián)Q代的良性發(fā)展態(tài)勢,也保證了燃氣輪機的可靠性、性、周期短、風(fēng)險低和成本低。
5發(fā)展我省燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的建議
四川省燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展需要在政府的引導(dǎo)和扶持下,搭建協(xié)同創(chuàng)新平臺,構(gòu)建創(chuàng)新研發(fā)機制,以核心企業(yè)為中心,動員、整合各方面的力量,突破關(guān)鍵共性技術(shù)和工藝技術(shù),按步驟推進四川省燃氣輪機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,是一個長期的過程,需要在各方面予以保障。
5.1創(chuàng)新驅(qū)動燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
搭建四川省燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新平臺,整合產(chǎn)業(yè)發(fā)展科研和制造資源。大力推動燃氣輪機主機企業(yè)從引進消化吸收再創(chuàng)新向創(chuàng)新、集成創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級,支持配套企業(yè)緊密參與重點主機產(chǎn)品創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化過程。著力構(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,鼓勵企業(yè)、高校聯(lián)合組建科研平臺,促進高校、科研院所科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
支持企業(yè)、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)檢測試驗驗證平臺。積推動各類技術(shù)創(chuàng)新主體攻克一批重點領(lǐng)域關(guān)鍵共性技術(shù),形成一批知識產(chǎn)權(quán),為產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展提供動力。
5.2建立燃氣輪機領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同技術(shù)發(fā)展模式
推動燃氣輪機研制企業(yè)、科研院所和高校建立更加緊密的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)體系,積鼓勵和大力支持省內(nèi)研發(fā)力量的強強聯(lián)合,積引入國內(nèi)研發(fā)優(yōu)勢力量,支持省內(nèi)、跨省、跨區(qū)域的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān),提高四川省燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力。
5.3建立省級科技專項,加強財稅政策支持
建立省級科技專項資金,加大燃氣輪機研發(fā)資金投入。落實好技術(shù)企業(yè)稅收減免、研發(fā)費用稅前加計扣除、重大技術(shù)裝備關(guān)鍵零部件及原材料免稅等優(yōu)惠政策。
省級創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)改造、科技成果轉(zhuǎn)化、節(jié)能環(huán)保等專項資金,要向燃氣輪機產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級項目傾斜。采取研制費用和保費補貼等方式,鼓勵裝備制造企業(yè)聯(lián)合高校、科研院所開發(fā)國民經(jīng)濟和國防建設(shè)急需的成臺、成套產(chǎn)品,大力培育和發(fā)展四川省天然氣和燃氣輪機市場,鼓勵省內(nèi)業(yè)主單位使用"四川造"燃氣輪機首臺(套)產(chǎn)品。
5.4抓好燃氣輪機創(chuàng)新要素保障協(xié)調(diào)工作
切實促進燃氣輪機研制重點骨干單位的各類創(chuàng)新要素的集聚和保障,在研發(fā)投入、科研設(shè)施和研發(fā)平臺建設(shè)、高層次研發(fā)人員和團隊等方面做好協(xié)調(diào)和政策支撐。對重大科研項目實行綠色通道制度,對燃氣輪機研制的重點企業(yè)、科研院所等單位的重大燃機研發(fā)和示范項目建設(shè)用地,加大協(xié)調(diào)支持力度,優(yōu)先落實。
5.5加強燃氣輪機產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)與管理機制
建立燃氣輪機行業(yè)人才培養(yǎng)機制,優(yōu)化高校裝備制造學(xué)科和,健全職業(yè)培訓(xùn)與繼續(xù)教育制度,完善在校生培養(yǎng)與裝備制造業(yè)人才需求相適應(yīng)的有效機制。加強企業(yè)間人才協(xié)作,暢通渠道,實現(xiàn)人才共享。完善與市場經(jīng)濟相接軌的人力資源管理機制和政策,滿足燃機研發(fā)對研發(fā)人員多樣性需求,為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施提供智力支撐。
6結(jié)論
鑒于我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)與國外燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的巨大差距,以研制具有知識產(chǎn)權(quán)的燃氣輪機研制為依托,推動燃氣輪機技術(shù)研究發(fā)展,從而,提高重大裝備制造產(chǎn)業(yè)的競爭力,滿足我國能源戰(zhàn)略需求和國計民生對重大裝備需求,已經(jīng)成為我國燃氣輪機領(lǐng)域十分緊迫的重大課題。
原標(biāo)題:【行業(yè)觀察】燃氣輪機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢