【深度分析】燃氣輪機產業現狀與技術發展趨勢發布時間：2016-7-29??

導讀：燃氣輪機(以下簡稱燃機)產業是國家戰略性高技術產業，發展燃機產業，對于推動國家產業結構調整與轉型升級，提升經濟發展質量和效益具有重大戰略意義。在介紹燃氣輪機工作原理和特點的基礎上，論述了燃氣輪機主要關鍵技術。通過綜述國內外燃氣輪機產業的發展現狀，總結了我國燃氣輪機產業的主要差距，論述燃氣輪機技術發展趨勢，提出了我省燃氣輪機產業發展的措施建議。

燃氣輪機廣泛應用于發電、船艦和機車動力、管道增壓等能源、國防、交通領域，是關系國家安全和國民經濟發展的高技術核心裝備，屬于市場前景巨大的高技術產業。燃氣輪機技術水平是代表一個國家科技和工業整體實力的重要標志之一，被譽為動力機械裝備領域"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競爭能力領域的重大地位，發達國家高度重視燃氣輪機的發展，世界燃氣輪機技術及其產業發展迅速，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，航空燃氣輪機(包括工業輕型燃氣輪機)以GE、P&W、R&R等航空公司為主導的格局。

我國發展燃氣輪機發展雖然已經有50年的歷史，但30年的發展斷層讓我國燃氣輪機技術錯過了國外高速發展的時期，迅速與國際水平拉大了差距。隨著我國天然氣資源大規模開發利用，西氣東輸、近海天然氣開發、液化天然氣(LNG)引進、可燃冰開發、煤層氣的綜合利用、分布式電源建設等工程進展，國家能源結構調整已進入實施階段，燃氣輪機在我國迎來了前所未有的發展機遇。

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流動的氣體作為工質、把熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機，其典型結構如圖1。

 

圖1 燃氣輪機典型結構

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，進入透平區經過一級一級的葉片，推動動力葉片高速旋轉，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合循環)。

葉片轉動后帶動軸也轉動，軸帶動負荷的機械轉動，實現熱能和機械能的轉換。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

燃氣輪機產品本身具有以下特點：

最大效率，最優效益。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計構造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置，結構簡單、緊湊。與傳統設備相比，燃氣輪機設備規模、體積比傳統的鍋爐、蒸汽輪機小，占地面積小，便于移動。

減少燃煤，清潔環保。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，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，而且能夠實現資源充分循環利用，真正達到零排放。

噪聲最小，安全可靠。燃氣輪機運行時產生的低頻份量很低。而且可以通過采用數字式遙控的聯網離網變換裝置，彌補其它設備在安全穩定性方面的不足。

2 燃氣輪機關鍵技術

從燃氣輪機研發的角度來分析，當代燃氣輪機主要關鍵技術難點如下：

2.1 燃氣輪機基礎技術方面：

燃氣輪機總體技術，高效高負荷壓氣機設計應用技術，高效穩定低污染燃燒室設計技術、高效流動、高效換熱、高壽命透平設計技術，燃氣輪機設計軟件技術，燃氣輪機現代控制理論與技術，燃氣輪機振動、壽命與可靠性關鍵技術。

2.2 燃氣輪機設計體系的規范、軟件和數據庫方面：

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、燃氣輪機附屬系統、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范、軟件和數據庫。

2.3 燃氣輪機共性關鍵技術

1) 壓氣機關鍵技術

氣動高負荷高效率設計技術;氣動性能高穩定性設計技術;氣動多級匹配設計技術;整機多級氣動性能數值模擬與驗證技術;轉子結構與強度設計技術。

2) 燃燒室關鍵技術

燃燒場組織設計與測試技術;火焰筒壁結構設計技術;噴嘴設計與測試技術;高溫零部件冷卻、防護、強度設計技術;低排放燃燒設計與試驗技術;寬范圍穩定燃燒設計與試驗技術;燃燒場數值模擬與驗證技術。

3)透平關鍵技術

動葉、導葉、輪盤空氣冷卻設計與試驗技術;葉片蒸汽冷卻設計與試驗技術;葉片和輪盤的溫度場、應力場與強度壽命分析和試驗技術;摻混冷卻氣流的渦輪級性能分析設計技術;冷卻葉片多物理場數值模擬與驗證技術;轉子結構與強度設計技術。

4)燃氣輪機重要系統關鍵技術

冷卻空氣系統設計、性能分析和調試技術;控制系統先進調節部件、控制器和控制規律;起動系統技術;軸承和滑油系統技術。

5)燃氣輪機材料技術方面：

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

主要包括：復雜結構陶瓷型芯制造技術;高強抗熱沖擊陶瓷模殼制造技術;大尺寸定向結晶、單晶葉片定向凝固技術;高溫透平葉片加工、焊接、熱處理、檢測等工藝;葉片涂層技術;燃氣輪機葉片的工程化研究;燃氣輪機葉片制造規范和驗收標準;大型渦輪盤的制造技術;高強鋼拉桿制造工藝;燃燒器制造技術。

3 國內外際燃氣輪機技術發展現狀

3.1 國際燃氣輪機技術發展狀況

當今世界70 年來重型燃氣輪機燃氣溫度由早期的550℃提高到1600℃，單循環效率由17%提高到40%，單機功率由1.5MW到460MW，實現了巨大的技術跨越。世界重型燃氣輪機制造業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品體系，基本代表了當今世界燃氣輪機制造業的最高水平。

3.2 國內燃氣輪機產業技術發展現狀

總體來說，60年來我國重燃氣輪機行業呈"馬鞍型"發展。中國燃氣輪機的發展現狀是：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業技術發展現狀

國內重型燃氣輪機產業制造方面，分別以哈電集團、上電集團、東方 電氣集團、南京汽輪電機(集團)有限公司為核心，形成了相應的燃氣輪機制造產業群，目前全行業具備了年產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～蒸汽聯合循環全套發電設備的能力，可以基本滿足我國電力工業的市場需求。

我國輕型燃氣輪機產業技術發展現狀

我國輕型燃氣輪機在研制開發能力方面，具備初步配套的部件性能、強度和各系統、整機試驗設施以及相應的測試手段，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上與國外仍存在較大差距。我國燃氣輪機工業的輕型燃氣輪機集中在航空系統，發展了5大類自主燃氣輪機：

1)航機改工業燃氣輪機，有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G 等。60 年代技術水平，已經生產上百臺。

2)專利生產航機改工業燃氣輪機，有斯貝和WZ8，其中斯貝兩種改型燃氣輪機沒有完成研制。另有引進生產許可證的GT25000艦用燃氣輪機。

3)合作生產燃氣輪機，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 國內燃氣輪機產業與國外燃氣輪機產業的技術差距

我國燃氣輪機產業發展走的是一條分散、重復、曲折而艱難的道路，缺乏產業發展基礎，尚未形成科學的產業體系。其差距主要表現在以下方面：

1)燃氣輪機產業研發技術較弱由于歷史原因，我國至今沒有掌握具有自主知識產權的燃氣輪機的設計與制造技術。雖然我國發電設備制造業通過打捆招標與合資引進天然氣重型燃氣輪機發電機組制造技術，但外方堅持不轉讓燃氣輪機設計技術和高溫部件制造等技術，燃氣輪機的核心關鍵技術目前還受制于人。

重型燃氣輪機研發和技術：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以及控制技術，熱端部件依賴進口;二是未形成完善的研發體系，更不具備G級/H級燃氣輪機以及未來級燃氣輪機產品研發能力和技術。

輕型燃氣輪機(包含微型燃氣輪機和中小型燃氣輪機)研發和技術與國外相比，中小型工業燃氣輪機行業存在較大差距，具體表現：一是中小型燃氣輪機研制處于起步階段，雖然研制了幾型產品，市場尚未認可，國內市場被國外燃氣輪機壟斷;二是尚未完全掌握工業燃氣輪機的關鍵技術，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計技術，未形成工業燃氣輪機研發體系。微型燃氣輪機還未完全建立設計、制造和運行的完整體系，微型燃氣輪機部分關鍵技術尚未取得突破，產品尚未開始應用，高性能微型燃氣輪機目前完全依賴進口。

(2)燃氣輪機產業能力相對較弱

燃氣輪機的開發需要具備一套完整的設計、制造和試驗體系。燃氣輪機輪機開發體系需要基礎科學能力、制造工藝水平、材料研發能力以及試驗技術的支撐。這些支撐，是燃氣輪機研發所必須具備的條件能力。我國發展燃氣輪機的產業基礎力量相對薄弱，在設計能力、試驗能力、加工能力和材料四大要素中，薄弱的環節是設計能力、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，但是也缺乏關鍵核心部件的加工能力。

(3)燃氣輪機產業配套體系不全

為滿足核心企業燃氣輪機產品制造的需求，我國對燃氣輪機產業部分配套能力進行了發展，主要集中于燃氣輪機制造配套能力建設方面，以冷端部件制造需求和輔助系統需求方面為主。但是已形成的配套能力中，均不具備關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設計配套體系，不具備完整的燃氣輪機材料配套體系。與發達國家相比，存在巨大的差距。

4 燃氣輪機技術發展趨勢

世界重型燃氣輪機技術發展遵循熱效率提高的路線，正由當代級(E/F)向先進級(G/H)、未來級(J)發展，部分國外燃氣輪機制造商的燃氣輪機技術已達到H級水平，下一步技術發展趨勢是：

4.1燃氣輪機技術發展趨勢

提高燃氣輪機參數(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是1700℃。拓寬燃料適應范圍，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、材料高溫性能優越，采用更先進、更復雜的冷卻技術。壓氣機朝著級數少、壓比高、效率高、運行穩定性高、喘振裕度大、及流量大的方向發展。燃燒室要耐更高溫度的燃燒反應，提高燃燒效率，減少污染排放，減小尺寸。當今世界重型燃氣輪機技術發展趨勢如圖2。

 

圖2 重型燃氣輪機技術發展趨勢示意圖

4.2燃氣輪機功率發展趨勢

無論是簡單循環還是復雜循環，世界燃氣輪機的功率與效率逐步提高，耗油率不斷降低。簡單循環燃氣輪機主要通過提高壓比、提高渦輪進口溫度、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燃氣輪機沿著適應環保要求的趨勢發展

目前,燃氣輪機主要通過采用低污染物排放燃燒技術，新型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，隨著節能減排要求的提出也將會逐步應用于艦船燃氣輪機上。

4.4燃氣輪機產品向系列化、譜系化發展

以基準航空發動機為基礎，燃氣輪機設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，不僅賦予航空發動機頑強的生命力，達成更新換代的良性發展態勢，也保證了燃氣輪機的可靠性、先進性、周期短、風險低和成本低。

5 發展我省燃氣輪機產業的建議

四川省燃氣輪機產業技術發展需要在政府的引導和扶持下，搭建協同創新平臺，構建創新研發機制，以核心企業為中心，動員、整合各方面的力量，突破關鍵共性技術和工藝技術，按步驟推進四川省燃氣輪機技術和產業的發展，是一個長期的過程，需要在各方面予以保障。

5.1創新驅動燃氣輪機產業的發展

搭建四川省燃氣輪機產業技術發展協同創新平臺，整合產業發展科研和制造資源。大力推動燃氣輪機主機企業從引進消化吸收再創新向自主創新、集成創新轉型升級，支持配套企業緊密參與重點主機產品創新及產業化過程。著力構建以企業為主體、市場為導向、產學研用投相結合的技術創新體系，鼓勵企業、高校聯合組建科研平臺，促進高校、科研院所科技成果轉化和產業化。

支持企業、高校、科研院所向社會開放資源，將一批內部平臺轉型為行業共性技術研發平臺、行業檢測試驗驗證平臺。積極推動各類技術創新主體攻克一批重點領域關鍵共性技術，形成一批自主知識產權，為產業后續發展提供動力。

5.2建立燃氣輪機領域的產學研協同技術發展模式

推動燃氣輪機研制企業、科研院所和高校建立更加緊密的產學研協同攻關體系，積極鼓勵和大力支持省內研發力量的強強聯合，積極引入國際國內研發優勢力量，支持省內、跨省、跨區域的產學研協同攻關，提高四川省燃氣輪機產業技術創新能力。

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，加大燃氣輪機研發資金投入。落實好高新技術企業稅收減免、研發費用稅前加計扣除、重大技術裝備關鍵零部件及原材料進口免稅等優惠政策。

省級創新驅動、技術改造、科技成果轉化、節能環保等專項資金，要向燃氣輪機產業轉型升級項目傾斜。采取研制費用和保費補貼等方式，鼓勵裝備制造企業聯合高校、科研院所開發國民經濟和國防建設急需的成臺、成套首創產品，大力培育和發展四川省天然氣和燃氣輪機市場，鼓勵省內業主單位使用"四川造"燃氣輪機首臺(套)產品。

5.4抓好燃氣輪機創新要素保障協調工作

切實促進燃氣輪機研制重點骨干單位的各類創新要素的集聚和保障，在研發投入、科研設施和研發平臺建設、高層次研發人員和團隊等方面做好協調和政策支撐。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、科研院所等單位的重大燃機研發和示范項目建設用地，加大協調支持力度，優先落實。

5.5加強燃氣輪機產業人才培養與管理機制

建立燃氣輪機行業人才培養機制，優化高校裝備制造學科和專業，健全職業培訓與繼續教育制度，完善在校生培養與裝備制造業人才需求相適應的有效機制。加強企業間人才協作，暢通渠道，實現人才共享。完善與市場經濟相接軌的人力資源管理機制和政策，滿足燃機研發對研發人員多樣性需求，為創新驅動發展戰略的實施提供智力支撐。

6 結論

鑒于我國燃氣輪機產業與國外燃氣輪機產業的巨大差距，以研制具有自主知識產權的燃氣輪機研制為依托，推動燃氣輪機技術研究發展，從而，提高重大裝備制造產業的國際競爭力，滿足我國能源戰略需求和國計民生對重大裝備需求，已經成為我國燃氣輪機領域十分緊迫的重大課題。

(作者：徐慧寧 董潔 殷國富 趙秀粉，四川大學先進制造技術四川省高校重點實驗室，成都，610065)

來源：以創新驅動為引領，加快"中國制造2025"戰略實施研討會暨2016年第六屆全國地方機械工程學會學術年會論文集

原標題:燃氣輪機產業現狀與技術發展趨勢