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国内燃气轮机产业现状及行业需求

已有 4037 次阅读 2019-8-22 12:18 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 燃气轮机, 技术发展, 产业现状, 行业需求, 重型燃气轮机

国内燃气轮机产业现状及行业需求

伍赛特

 

0 研究背景

    1939年燃气轮机诞生以来,经过80年来的发展,燃气轮机效率由17%提高到40%,压比由10左右发展到30左右,重型燃气轮机功率发展到260 MW

随着燃气轮机技术的发展,燃气初温基本以每年20 ℃的速度提高,由550 ℃提高到1 600 ℃;随着环保要求的提高,NOx排放指标南20世纪70年代的75 ppm发展到21世纪初的不高于25 ppm,美、日等国如今将排放标准限制在9 ppm

 

1 技术发展概况

在过去几十年中,英、美、日、德、俄等国家均将先进的燃气轮机技术研究作为国家攻关项目,部署实施了一系列国家研究发展规划(先进透平系统计划、高性能涡轮发动机综合计划、新日光计划等)。通过这些规划的实施,它们建成了支撑可持续发展的燃气轮机能力条件,并凭借相应的基础研究、技术研发、产品应用及改进提高,相继研发出先进成熟的系列化燃气轮机产品,从而垄断了全球的燃气轮机市场。

目前,燃气轮机正朝着大功率、高效率、低排放、燃料多样化及长寿命方向发展,其发展趋势集中体现在:

1)提高压比和涡轮初温,提高整机性能:目前先进燃气轮机基本达到了单级压比接近1.3的水平,进口多级高效跨音设计,整机的全工况稳定裕度不小于15%,压气机压比达到30以上,效率达到90%以上。

2)拓宽燃料适应性,实现多种能源高效、低碳利用;采用新型燃烧技术,降低污染物排放,满足环保要求;发达国家已经掌握了多燃料低污染燃气轮机燃烧室核心技术,并成功开发出多种不同型号燃气轮机,最低NOx排放仅为58 ppm

3)采用先进循环和设计技术,部件及整机效率不断提高。

4)研制新型高温材料,采用先进冷却技术,提高热端部件的性能和可靠性。随着涡轮进口温度的不断提高,涡轮叶片材料在耐热合金及金属基复合材料的基础上,发达国家已将低密度、耐高温、抗氧化复合材料的开发及应用列入了其国家的高技术发展计划。世界各大燃气轮机生产商对热端部件冷却技术进行了集中科研攻关,发展了蒸气冷却技术等先进高效冷却技术,初温超过1 600 ℃,并成功得到工业应用。

 

2 产业现状

我国国家发展和改革委员会于2001年发布了《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》,采用以市场换取部分制造技术的方式,并相应进行了3次捆绑招标,引进美国通用电气、德国西门子和日本三菱重工3F级大型单轴燃气轮机机组共54套,全部建成后总装机容量超过20 000 kW。日本三菱重工的10台燃气轮机有8台为350 MW,分别提供给4座电厂。美国通用电气的13台燃气轮机为GE9 FA型,供给另外6座电厂,用于总价值9亿美元的联合循环发电系统。哈尔滨动力集团和美国通用电气组成的联合体共同生产109 FA机型;东方电气集团和日本三菱重下组成的联合体共同生产M701F机型;上海电气集团与德国西门子组成的联合体共同生产V93.4A机型,几乎超越了9E系列燃气轮机发展过程,直逼9F系列。

2020年,我国将建成约60 000 MW的天然气发电装机容量,除去目前已建和在建的26 000 MW规模,今后还将建设35 000 MW左右的燃气轮机电站。如果再考虑综合气化联合循环(Integrated GaSification Combined CvcleIGCC)等燃煤、燃气、蒸汽联合循环等洁净燃煤技术的开发和应用,应该说我国重型燃气轮机产业的市场前景广阔。

目前,中国的重型燃气轮机市场主要被美国通用电气、德国西门子和日本三菱重工占领,我国虽然以市场换技术取得了一些突破,但是关键的核心技术还没掌握,大部分要依靠进口。据悉,迄今为止,美国通用电气已成为中国最大的燃气轮机供应商,累计装机容量达15 000 MW

为提高我国燃气轮机关键核心技术的自主开发能力,于近年来,国家科技部在“863”计划中部署开展了R0110重型燃气轮机设计研制、中低热值燃料R0110燃气轮机设计研制和F级中低热值燃料燃气轮机关键技术研究与整机研制等课题。早在200210月即已开始实施“十五”国家“863”计划能源技术领域燃气轮机重大专项,以“产学研”联合体的形式重点开展R0110重型燃气轮机(输出功率114.5 MW)核心部件及关键技术的研发,为进一步的自主研制、形成国产重型燃气轮机产业奠定技术基础;继续实施“863”计划先进能源技术领域微型燃气轮机重点项目”和“863”计划先进能源技术领域重型燃气轮机关键技术及系统重大项目”计划,开展燃气轮机的自主研发工作。

为了提高燃气轮机相关基础研究水平,国家科技部计划实施了“燃气轮机的高性能热一功转换科学技术问题”和“大型动力装备制造基础研究”两个项目。通过这两个项目的实施,系统地建设了测量技术先进的机理性实验平台,建成了重型燃气轮机全尺寸转子综合试验系统。鉴于天然气分布式能源高效、节能、环保,目前许多发达国家已将分布式能源综合利用效率提高到90%以上。我国《关于发展天然气分布式能源的指导意见》指出,天然气分布式能源在国际上发展迅速,但我国天然气分布式能源尚处于起步阶段。推动天然气分布式能源,具有重要的现实意义和战略意义。2012年,国家相关部门又公布了首批4个天然气分布式能源示范项目名录;目前,多个示范项目正在稳步推进。

由于“西气东输”、“西电东送”和沿海经济发达地区能源结构调整,以分布式能源发展的需要,一个全新的以燃气轮机为动力源的发电设备市场开始出现,发展天然气分布式能源除了加强低压配电网信息化控制、微电网智能管理与控制系统等微电网关键技术研究,尽快突破微电网自愈控制、智能互动用电与需求响应等技术外,还必须加快燃气轮机关键技术研发,尽快突破燃气轮机热端部件和联合循环运行控制技术等核心技术。天然气分布式能源的关键设备燃气轮机成本占项目总投资的40%左右,要发展这个产业,必须从降低关键设备成本做起,因此,国务院拟将航空发动机和燃气轮机技术发展列为国家第17个重大科技专项,其投资将接近千亿元,目前已处于审批阶段。

此外,各地区也积极出台相关政策以促进燃气轮机的快速发展,例如,20117月,上海市与清华大学签署的《关于开展燃气轮机领域战略合作的框架协议》,双方就深入贯彻落实国家战略,建立跨区域“产学研用”相结合的产业化体系达成共识,明确将重型燃机、轻型燃机和微型燃机并举;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;在承担国家重大任务、燃气轮机基础技术研究、关键技术攻关、试验资源共享和建设、民船燃气轮机研究、专业技术人才交流培养等方面开展深入合作、2012年,黑龙江省出台了《重点产业发展“十二五”规划》,提出以哈尔滨为重点,加快重型和中小型燃气轮机总装、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,保持黑龙江燃气轮机装备在国内的领先地位。

 

3 行业需求

在制造技术方面,目前我国重型燃气轮机实现了70%的本土化制造能力,但仍不掌握热端部件制造技术;在关键技术上,重型燃气轮机由于采用与国外合作的生产模式,基本不掌握核心技术和整机设计技术;国内的重型燃气轮机的基础理论研究非常薄弱,对前沿技术的研究探索不足,尤其在高效、低排放、低碳基础技术等方面的基础理论研究严重缺乏,无法支撑重型燃气轮机关键技术的突破和先进产品的研制。

发达国家发展高效、低碳重型燃气轮机的装备体系清晰,掌握关键技术,基础研究扎实与之相比,我国只是近年来在生产能力和设计技术方面得到较大提升,但在理论基础研究、核心能力形成与产品研制应用方面没有取得实质性突破。

我国的重型燃气轮机基础薄弱,过去国家投入很少且分散,很难形成发展的合力,并且缺少国家级的共性基础技术和试验设施平台。由于基础薄弱、投入严重不足,基础技术、关键技术、产品研制和产业发展的各个环节一直没能形成有机结合、良性互动的体系架构,各环节的脱节及部分环节的缺失或薄弱,使产业发展缺乏体系支撑,最终没能走出受制于人的被动局面。因此,我们面临着在补全历史欠账的同时,争取同步跨越发展高效、低碳重型燃气轮机产品的严峻考验。因此,产品制造能力、关键技术突破、基础理论研究需要并行同步开展,设施条件统筹结合建设。

 

参考文献

[1] 杨铁军. 产业专利分析报告 燃气轮机[M]. 北京:知识产权出版社, 2014.05.




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1 杨正瓴

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