轻型燃气轮机调研分析报告.doc

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1、轻型燃气轮机调研报告目 录轻型燃气轮机调研报告1一、概述41.1 燃气轮机的基本原理51.2 燃气轮机的分类61.3 轻型燃气轮机的起源及发展61.4 燃气轮机技术优势及应用前景91.5 燃气轮机产业概况13二、研制燃气轮机的目的、意义142.1 国外相关技术发展过程152.2 国家燃气轮机的相关发展计划172.3 国际及国家能源战略安全需要192.4 轻型燃机的市场分布及用户群202.5 燃气轮机的经济性考量212.6 调研目的及意义27三、技术发展现状及趋势273.1 透平涡轮设计及制造技术273.2 压气机部件的设计、制造及试验283.3 高温合金材料研制293.4 高速无油支承技术31

2、3.5 多燃料燃烧室技术353.6 回热器设计、制造和试验技术363.7 电力电子逆变技术363.8 高速永磁发电机技术373.9 系统集成及控制技术413.10 国内相关燃气轮机技术成果43四、燃气轮机生产厂家及产品技术特点444.1 概述444.2 索拉公司（Solar）444.3 阿尔斯通公司 (Alstom)464.4 GE公司474.5德国西门子公司(Siemens)494.6日本三菱514.7日本日立524.8 国内燃气轮机及配件生产厂家53五、研制工作的模式和流程565.1 研制工作的模式565.2 研制工作的基本流程57六、相关附件及参考资料57一、项目概述 天然气是一种埋藏于

3、地下的可燃性气体，无色无味，主要成分中8595%为甲烷（CH4），比重轻于空气，极易挥发，并在空气中扩散迅速。天然气与空气混合浓度在515%时遇明火或大于天然气燃点530时即燃烧，属可燃可爆性气体。在-162常压下可液化，称液化天然气（LNG），液化后体积缩小到1/600。天然气属于清洁燃料，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低。如果将天然气的温室效应系数定为1，则石油为1.85，煤为2.08。 地球上已探明的天然气地质储量超过140万亿立方米，年开采2万多亿立方米，可采68年。而天然气的勘探、开采和利用还又许多工作可做。专家们证实，占天然气主要

4、成份的甲烷不仅可以有机生成，也可以无机合成。早在地球形成之初，甲烷就已经存在于地壳之中，天文学家也发现一些星球可能是被甲烷大气层包围着，这一理论大大拓展了天然气资源的勘探领域。此外，海洋学家发现在大洋深处的海底由于海水的压力作用，可能存在着大量的液态甲烷，其数量之大将可支撑人类数百年的文明。天然气作为一种清洁高效的能源，在世界能源需求中占有较大的比重，非常规天然气由于其巨大的资源潜力和经济效益而被各国政府及能源公司所重视。非常规天然气在发达国家能源结构中的贡献在逐步增大，随着勘探开发技术的进步，其必将成为新一代环保、高效的优质替代能源。非常规天然气相对于常规天然气而言，是指储量大、难以开发，必

5、须依靠大规模增产措施或者特殊的开发方法以及先进勘探开发技术才能以有经济价值的产量生产的天然气藏。通常所说的非常规天然气包括致密砂岩气、煤层气、页岩气、天然气水合物（可燃冰）等。中国正致力于提高天然气在能源结构中的比例，也在大力发展页岩气，这些因素都为轻型燃气轮机以及分布式能源的发展提供了良机。2012年前7个月，国内生产天然气623亿立方米，同比增长5.9%；进口天然气233亿立方米，增长38.6%；国内总消费量828亿立方米，增长12.8%。在进口快速增长的情况下，前7个月天然气对外依存度达到28%。在天然气消费量上升，依存度升高的背景下，国内开发非常规油气资源也逐渐成为我国有关部门的重点。

6、美国开采页岩气成功的经验激励着国内业界。今年3月份发布的页岩气“十二五”规划提出2015年页岩气开采65亿立方米的目标。传统上，中国是“缺油少气”的国家，就目前数据衡量，“十二五”页岩气开发目标一旦达到，占到天然气消费量的比例还很低。不过国家能源局此前释放的消息称，“十二五”主要是寻求开采技术突破，为将来打好基础。1.1 燃气轮机的基本原理燃气轮机整个系统由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成。燃气轮机动力装置由压气机、燃烧室和透平三个基本部分组成，如图。图1 燃气轮机工作原理图图2 燃气轮机结构简图 空气首先进入叶轮式压气机中，压缩到一定压力，从压气机出来的高压空气先在回热

7、器内接受透平排气的预热燃烧室，和燃料混合燃烧，燃气温度通常可高达18002300K，这时二次冷却空气（约占总空气量的6080%）与高温燃气混合，使混合气体降低到适当的温度，而后进入燃气轮机。在燃气轮机中混合气先在由静叶片组成的喷管中膨胀，形成高速气流，然后冲入固定在转子上的动叶片组成的通道，形成推力推动叶片，使转子转动而输出机械功。燃气轮机作出的功除用以带动压气机外，剩余部分（净功量）对外输出。燃气轮机可与余热锅炉、蒸汽轮机、烟气轮机配合使用获得更高的效率。从燃气轮机排出的废气可直接进入大气环境，对环境几乎不造成影响。1.2 燃气轮机的分类燃气轮机分类方式很多：各厂家的划分各不相同。以下提供了

8、几种比较常见的分类方法。1、按结构分类。根据“GB/T 15135-2002燃气轮机词汇”这一标准的规定，燃气轮机可分为单轴燃气轮机、多轴燃气轮机、箱式燃气轮机、航空派生（衍生）燃气轮机、注蒸汽燃气轮机、变几何燃气轮机。2、根据功率可大致分为微形、轻型、重型燃气轮机。微型燃气轮机功率通常在30500kW范围内，轻型燃气轮机功率通常在100050000kW范围内，重型燃气轮机功率通常在50000kW（50MW）以上。3、按进口温度分类：按进口温度大致为：900为 A级、1000 B级、1100的C级、1200级的D型（如：三菱M701D）燃气轮机，1300级的E型和1400级的F型（如：三菱M5

9、01F/M701F，西门子SGT5-2000E/SGT5-4000F，GE的PG6111FA/PG9171(9E)/PG9351(9F)，Alstom的GT11N2(E)/GT26(F)）燃气轮机，以后还有采用回收型蒸汽冷却燃烧器、进口温度1500级别的G型（如：三菱M501G/M701G，西门子SGT6-6000G）燃气轮机，在此基础上还开发出1500级H型（如：三菱M701H，西门子SGT5-8000H，GE的9H(H)）燃气轮机。1.3 轻型燃气轮机的起源及发展1.3.1 国外轻型燃气轮机发展1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机。燃气轮机的问世，是工业进程中的一次动力革命

10、。轻型燃气轮机（含微型燃气轮机，下同）的发展最早还是得益于军工需求。首先因为它重量轻、体积小、功率大、可靠性高，作为飞机的动力源得到了迅速的发展。其后，以燃气轮机作为原动机的发电装置，首先在美国得到应用。如美国索拉公司及DreeSser 公司等生产的燃气轮机发电机组。早期的燃气轮机耗油（气）率较高，机组的经济性较差。随着技术的发展，燃气轮机的结构发生了很大变化。90年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮机发电机组，大大简化了结构，机组的尺寸大大减小，重量大大减轻，成本也降低很多。与此同时，采用空气轴承代替滚动轴承，由于空气轴承不需要润滑系统，导致机组零件大幅度地减

11、少，制造成本也进一步降低。高效紧凑型回流换热器以及新型材料的研究和应用提高了机组的热效率。新技术的引入导致了燃气轮机的研究蓬勃发展。在当前全球范围内能源紧缺、能源结构调整以及环保要求的严峻形势下，燃气轮机受到了前所未有的重视和关注。早在1998年12月，美国能源部（DOE）就专门召开轻型燃气轮机技术高峰会议（microturbine technology summit），讨论有关轻型燃气轮机技术研发及与政策和市场相关的问题，为制订轻型燃气轮机研发计划提供思路和建议。美国ASME副主席Langston在1999年度燃气轮机工业回顾中指出：轻型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机（PC）在计算

12、机工业中的地位，由此可见其重要性。美国、日本、德国以及俄罗斯许多公司都在积极从事轻、微型燃机装备的开发和制造，并进行广泛应用。目前轻型燃气轮机在天然气可到达城市的厂矿企业、办公楼、宾馆、商场、医院、学校等较分散而有一定规模的建筑群中逐步推广使用，其品种多在10005000千瓦。2012年日本的三菱重工业公司与美国飞机发动机生产企业普惠发动机公司（Pratt&Whitney，P&W）的母公司、美国联合技术公司（United Technologies）签定了合同，将收购PW中开展中小型燃气轮机业务的独立部门Pratt & Whitney Power Systems公司（PWPS）。由此，三菱重工将

13、把业务领域从大容量燃气轮机扩展到中小型。日本IHI公司日前开发出了台式机大小的小型燃气轮机发电机组，并成功地进行了自动发电实证实验。利用便携式小型燃气轮机自动发电，这在全球尚属首次。图3 便携式小型燃气轮机国外已经广泛应用的微型燃气轮机其设备大小犹如一台电冰箱；可以使用各种油、气作燃料；在发电时产生的废热还能够被再利用,构成“热电冷联供系统”,从而提高能源综合利用效率；废气排出少,对环境污染程度轻微；适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。 图4 国外新研制的轻型燃气轮机1.3.2 我国轻型燃气轮机工业的现状我国轻型燃气轮机工业主要集中在航空系统，40多年来航空发动机工业已经建成了7个制造厂

14、和4个研究设计所，拥有14万职工的航空发动机产业。研制生产了20多个型号的航空发动机，5万多台。七十年代开始，410厂、331厂、120厂等在航空发动机基础上改型生产了WJ-5G、WJ-6G、WP-6G、WZ-6G等型号的工业燃气轮机，并用于油田、石化、邮电等部门。1985年国家计委、经委批准在航空部成立“中国轻型燃气轮机开发中心”，统一归口轻型燃气轮机的规划、研制、生产、成套和引进工作。1986年国家计委、经委批准航空部与美国普惠公司合作开发FT-8燃气轮机，功率25MW，效率38.4%，是世界上同功率等级中效率最高的。我国负责制造低压压气机、动力涡轮、燃烧室、机匣、成套件等零部件，约占整机

15、工作量的30%。90年代，国家决定引进乌克兰的GT25000舰用燃气轮机，由430厂负责燃气发生器国产化，哈汽厂制造动力透平，703所负责成套。由于近30年来组织不力，缺乏投入，我国的燃气轮机工业可以说至今未形成严格意义上的产业。我国燃气轮机技术的现状可以归结为：起步不晚，进展缓慢，基础尚可，力量分散，面对机遇，亟待突破。为此从2002年起我国在经过充分论证的基础上，启动了包括重型、微型燃气轮机的国家“863高科技计划”，开始对重型和微型燃气轮机进行分类立项研究。重型燃机参研单位：沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司（主体承担单位）、中国航空工业沈阳发动机设计研究所、清华大学、中国科学院工程

16、热物理研究所、上海交通大学、中国燃气涡轮研究院、中国船舶重工业集团公司第703研究所、上海汽轮机厂有限公司、沈阳重型机器有限责任公司、沈阳鼓风机股份有限公司、哈尔滨汽轮机有限责任公司。微型燃机参研单位：哈尔滨东安发动机（集团）有限公司（主体承担单位）、中科院工程热物理所、西安交通大学。我国现有的燃气轮发电机组主要分布在沿海经济高速发展的地区、大中城市和油气田等处。我国现有燃气轮机绝大多数为进口机组，主要用于发电，少部分用于油气田的注水、注气、管道增压以及舰船和坦克动力。1.4 燃气轮机技术优势及应用前景1.4.1 技术优势：1、效率比较高，简单循环发电效率已达26%40%。如果采用燃机热电联产

17、等技术，其综合热电效率可高达6080%，可实现能源从高品位到低品位的合理梯级利用，因而高效节能，十分符合当今节能型社会的发展方向。燃煤火电厂的最高效率一直停留在42% 以下。2、尺寸小、重量轻，在同等重量的情况下功率超过柴油机3到4倍。安装空间也小得多，外形和吨位大为下降，转速、功率、效率大幅提升。我国海军多采用的全柴主动力PA6-280系列柴油机，其最大持续功率为1770 KW，外形尺寸(长-宽-高)为3607-1567-2678mm，重达11.2T，而额定转速却只有1000 r/min。 美国GE公司从1975年开始将LM2500燃气轮机用于“斯普鲁恩斯”级首舰，服役使用已有多年的历史。3

18、1艘“斯普鲁恩斯”级、4艘“基德”级、27艘“提康德罗加”级和“阿利伯克”级先后均选用LM2500组成的联合使用的COGAG全燃动力，美国通用电气公司的LM-2500燃气轮机，每台燃气轮机额定功率2506030000KW。我国海军自从在112和113两舰上使用LM2500燃气轮机以来深刻的感受到燃气轮机的优越性，其后即使是因为种种原因只能使用性能稍差的DN80也在所不惜。图5 舰用燃气轮机图片3、 节约用水。甲烷（CH4）中的氢和空气中的氧燃烧还原成二氧化碳和水，每燃烧1立方米天然气理论可回收约1.53公斤水，每公斤LPG理论可回收2.2公斤水，足以满足电厂自身的用水。4、由于没有煤和灰的堆放

19、，又可使用空冷系统，占地节省， 5、设备灵活。它具有起停迅速，出力调节变化范围较大的优势，就技术而言其出力调节范围可从0-110%，对于边远地区或比较分散的城市周边的用电峰谷差压力有一定的缓解作用。 6、环境代价低：它没有燃煤火电厂的多元污染，没有水电站的移民和淹没农田问题以及自然生态的负面影响，没有核电站的运行风险和反应堆退役后的存放难题。7、燃料适应性广，可方便地燃用气体燃料和柴油、煤油等。8、维护费用低廉，其运行维护费用大大低于柴油机。1.4.2 应用前景由于其自身的诸多优点，轻、微型燃气轮机有着广阔的应用前景：1、分布式供电（包括热电冷三联供）：它是将发电机组按需要安装在用户的一旁就近

20、供电与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能：非常适合对乡村、油田、矿区、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可维持重要用户的供电。 在常规的集中供电方式中，能量形式相对单-

21、。当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用：而分布式供电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。2、燃气轮机可作为军用舰艇和民用船舶的动力。在石油、天然气开采、运输和化工流程中，作为油田注水、注气、气举采油、输油和输气管道增压等的机械驱动动力。3、备用电源、辅助动力：燃气轮机尺寸小、重量轻和起动快等，很适用于邮电、电信等领域。4、燃气轮机就近利用能源。微型燃气轮机可方便地利用一些较难收集的分散能源，例如油田中一些油井

22、的伴生气，农村的生物质能沼气，煤矿瓦斯气、焦炉气等，这样不仅充分利用了能源，而且能向这些偏远地区供电。5、特种电源：主要是军事装备用电源，例如坦克、自行火炮等用的电源，用燃气轮机发电机组显著优于柴油机发电机组。6、燃料电池/燃气轮机联合系统：将燃料电池与燃气轮机联合在一起组成的系统，亦称燃料电池联合循环。这将对汽车动力领域产生积极影响。7、可再生能源/燃气轮机联合系统：将太阳能、风能、地热能和生物质能等可再生能源与燃气轮机联合在一起组成的系统。这不仅可以推广可再生能源，节能降耗；还可以提高发电系统稳定性。1.4.3 应用实例由于天然气分布式能源可以达到很高的能量利用效率，所以在国外发展非常迅速

23、。从上个世纪70 年代末期开始发展，到现在美国已经有6000 多座分布式能源站，仅大学校园就有200 多个。英国只有5000 多万人口，但是分布式能源站就有1000 多座。英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10 号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。美国现有校园热电厂200多座，几乎每一所有一定规模的大学都有一座热电厂，个别学校有还拥有两个热电厂。这些学校的热电厂大多是以天然气和0号柴油作为燃料，采用燃气轮机联合循环热电联产技术，主要解决校园的采暖、制冷、生活热水供应和部分电力供应，同时为学校提供了教学、科研环境。有30所热电厂装机容量超过10MW，如威斯康星大学热电厂的装机容量达到288MW，

24、生产的电力不仅满足学校，还将剩余电力出售给公共电网赢利。日本由于资源比较缺乏，所以对三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2000年底已建冷热电三联供系统1413个，平均容量477kW，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其它一些综合设施当中进行区域冷热供应。现对麻省理工学院（MIT）和罗德格斯（Rutgers）大学的热电厂的情况简略介绍如下：1、麻省理工学院热电厂 麻省理工学院燃气轮机热电厂地处波士顿市中心，是在一燃油热力厂基础上改造建设成的。采用一台ABB GT-10 工业燃气轮机，功率24.6MW，简单循环发电效率34.2%，燃耗9,970Btu/kWh

25、，转速7,700转/分，压缩比14:1，排气量284.4吨/时，排烟温度534。机组采用了EV低氮氧化物燃烧嘴，NOx 排放量25ppm。热电厂实际发电净出力21MW，供电效率为30%。电厂使用天然气和#2号柴油两种燃料。热电厂采用了前置循环热电联产方式，没有安装用于发电蒸汽轮机。与燃气轮机配套的是一台装有补燃设备和可调变速水泵的余热锅炉，每小时生产100,000磅蒸汽，约合45吨/h。启动补燃系统余热锅炉最大出力为165,000磅/h，约合75吨/h。余热锅炉供热能力为56MW，热电联合循环总热效率为85%。与之配套的还有三台蒸汽锅炉，其中80,000磅/h油气炉两台，100,000磅/h油

26、气炉一台，作为事故备用和调峰锅炉。麻省理工学院热电厂冬季主要以蒸汽向校园供暖，将蒸汽通过管道输送到各个热力交还交换站置换热水采暖。夏季利用余热锅炉蒸汽推动蒸汽涡轮机压缩氟立昂制冷生产4冷水，通过冷水管道对全校进行集中制冷。厂内共有5台制冷机，制冷能力为6.5MW。NOx的排放量为0.0001kg/kWh， 15ppm，CO1ppm。天然气平均价格为$4.15美元/百万Btu，折合1.148元人民币/立方米。热电厂年运行8,000小时以上，发电量为1.25亿kWh，全校年耗电量为1.5亿/kWh。生产电力的成本为7美分/kWh，如果减去蒸汽成本，实际成本为4美分/kWh，而从电网购入电能的成本为

27、9美分/kWh。蒸汽价格为10美元/千磅，折合182.6元/吨。年生产82万吨蒸汽，50%用于采暖，另50%用于制冷。冷水价格为18美分/吨，供冷水量为2万吨/h。麻省理工学院热电厂管理费用（包括：工资和备件等费用）为280万美元/年，检修费用平均100万美元/年。2、罗德格斯大学的热电厂Rutgers 大学燃气轮机热电厂是从一个燃油热力厂基础上改造的，采用三台Solar Turbines公司的Centaur50轻型燃气轮机，功率4.345MW，简单循环发电效率29.24%，燃耗12,314kJ/kWh，转速14,950转/分，排气量68.5吨/时，排烟温 度492。机组采用了EV低氮氧化物燃

28、烧嘴，NOx 排放量25ppm。热电厂实际发电净出力13MW，供电效率为29%,热电联产效率77%，补燃后的效率85%以上。电厂使用管道天然气和#2号柴油两种燃料。 Rutgers燃气轮机热电厂采用前置循环热电联产，冬季主要以蒸汽向校园供暖，将蒸汽通过管道输送到各个热交还交换站置换热水采暖。夏季利用余热锅炉蒸汽推动蒸汽涡轮机压缩氟立昂制冷生产4冷水，通过冷水管道对全校进行集中制冷。虽然热电联产在我国已经广泛应用，但是小型燃气冷热电三联供的应用尚处于起步阶段，而且主要集中在上海、北京、广州等地。在相关政府部门和专业公司的推动下，国内已经建成了几个三联供项目，其中影响较大的有北京燃气集团指挥调度中

29、心，浦东国际机场等三联供系统。根据浦东机场项目的经济性分析，在三联供系统合理配置，运行时间足够的情况下，每年可以为用户节省大量的运行费用。当然，也有对三联供技术认识不足而失败的案例，如上海黄浦医院三联供项目失败。上海闵行医院三联供项目延误多年。1.5 燃气轮机产业概况世纪之交，世界动力市场发展的一个显著特点是，燃气轮机及其联合循环装置比例不断增长，已成为世界主要动力设备。从 1998年以后世界年订货量都超过3000万，2000年度突破1亿，创历史最高记录。据统计，近10年内世界新增的发电设备中，燃气轮机及其联合循环约占1/3。 1990年2000年期间，美国新增长的发电设备装机容量为 1.13

30、亿，其中燃气轮机占 44% ,2002年后美国燃气轮机年产量已超过汽轮机的年产量。图6世界发电用燃气轮机订货趋势燃气轮机及其联合循环装置比例不断增长 ,已成为世界主要动力设备。如图四订货趋势图所示 ,从1978年到 2002年的 20多年来 ,非航空燃气轮机订货台数增加了 1倍以上 ,总功率容量则增加了将近9倍。 我国燃汽轮机产业相对其他发达国家有很大差距。目前我国正在进行清洁煤利用（如煤气化技术）和高效的能源动力转换系统(热效率达60%)的研究。但无论是清洁煤利用或是高效的能源动力转换系统都是以先进燃气轮机为核心。不从现在起作长期规划,不持之以恒地投入,我国的清洁煤技术势必将总要处在引进状态

31、。 可以说,我国燃汽轮机行业面临的机遇是,我国有一个潜在的庞大的燃气轮机市场;但挑战却是,我们目前尚无能力在类型、品种、规格等方面满足市场要求。为迎接这种机遇和挑战,战略思想应该是:技术引进、合作生产与自主开发相结合；以合作生产方式挤占市场,以自主开发实现持续发展的战略。 2001-2007六年间，我国以三次“打捆招标、市场换技术”方式，引进了GE、MHI、Siemens 公司的F/E级重型燃气轮机50余套共2000万千瓦，由哈汽-GE、东汽-MHI、上汽-Siemens、南汽-GE四个联合体实行国产化制造,使产品水平能达到国际80 年代末或90 年代初的水平。目前国产化率接近70%。但是外方

32、坚持不转让燃气轮机任何设计技术、热端部件制造技术，更不可能转让先进级（G/H级）燃气轮机的任何技术。 我国航空部门可以重点自主开发10MW级的机组, 用于天然气管线输送、青藏高原大功率机车和分布式热、电、冷联供。中国一航采用乌克兰技术研制R0110（110MW）燃气轮机（E+级参数），现已完成样机厂内空负荷试车。 海军全套引进乌克兰设计舰用燃气轮机GT25000（E+级参数）设计资料和加工工艺，国产化率接近90%，现已小批投产并装备国产驱逐舰。二、研制燃气轮机的目的、意义 最近几年世界上新增加的发电机组中，燃气轮机及其联合循环机组在美国和西欧已占大多数，亚洲平均也已达36%，世界市场上曾出现燃

33、气轮机供不应求的局面。目前，美、英、俄等国的水面舰艇已基本上实现了燃气轮机化，现代化的坦克应用燃气轮机为动力，输气输油管线增压和海上采油平台动力也普遍应用了轻型燃气轮机。先进的轻型燃气轮机简单循环热效率可达41.6%。简单循环热效燃气轮机是一种高技术的动力机械，在一定程度上反映了一个国家的综合国力和工业化水平。即便如此，目前世界上也只有少数几个工业发达的国家有能力研制、开发燃气轮机设备。 燃气轮机是关系到国防、能源、交通、环保等国计民生，有巨大发展前景的高技术产品，西方国家把它作为“国防安全、能源安全和保持工业竞争能力”的战略而列为国家的关键产业。像我国这样一个大国，燃气轮机不应长期依赖进口。

34、通过燃气轮机制造技术的引进，将提高我国燃气轮机专业人员的设计能力，为我国具有独立知识产权的燃机问世准备了条件。在科技创新方针的指引下独立知识产权的燃机将在不远的将来诞生。 针对我国的现状，这一产业要得到发展，首先要从国家和民族工业的角度制定发展燃气轮机产业的政策，充分利用国内已有的基础，调动各方面的积极因素，加以组织和支持。把燃气轮机产业作为我国21世纪的重要产业，开辟新的经济增长点。展望未来，我国燃气轮机的前景将是非常广阔而美好的。2.1 国外相关技术发展过程 燃气轮机是一项多种技术集成的高技术，按技术特征，工业型燃气轮机可分为四代：过去的半个世纪，世界发展了头两代工业燃气轮机，其传统的提高

35、性能途径是：不断地提高透平初温，相应地增大压气机压比和完善有关部件。未来五十年，可能主要利用新材料和新技术的突破，再开发出两代新的燃气轮机。 1、第一代始自四、五十年代 1939年秋，瑞士研制出世界首台4MW燃气轮机发电机组。1949年世界首套燃气蒸汽联合循环发电装置投入运行。五十年代初，透平初温只有600700，那时主要靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10。六十年代后，还藉助于空气冷却技术，透平初温平均每年升20。到了八十年代，已把初温升至8501000。 第一代技术的特点是：单轴重型结构（航空移植除外），初期高温合金，简单空冷技术，亚音速压气机，机械液压式或模拟式电子调节系统。性能参数

36、特征：透平初温小于1000，压比在4-10，简单循环效率小于30%。 2、第二代达到当今最高水平 从七十年代开始，充分吸收先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能，现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它代表着当今工业燃气轮机的最高水平：透平初温达到1260-1300，压比10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。 第二代技术特征：轻重结合结构，超级合金和保护涂层，先进的空冷技术，低污染燃烧，数字式微机控制系统，联合循环总能系统。性能参数特征透平初温小于1430，简单循环效率小于40%，联合循环效率小于60%。 3、第三代正在开制 其主要

37、特征是采用更有效的蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺（定向结晶，单晶叶片等）进一步改善合金性能，部分静部件可能采用陶瓷材料。应用智能型微机控制系统也是一个方向。 燃气初温为1450 1500的H/G/J 级天然气燃气轮机,以及IGCC燃气轮机自本世纪初以来陆续进入市场, 其单循环与联合循环的效率分别达到40%和60%,居目前所有火力发电技术之首。先进级重型燃气轮机还可以燃用煤气化合成气等富氢中低热值燃料.目前全球已经有数十台H/G/J级的重型燃气轮机在多个国家的IGCC 发电站和多联产系统成功地进行商业运行, 为今后进一步扩大应用打下了良好基础。 F120是美国空军F-

38、22先进战术战斗机的候选发动机，GE公司编号为GE37，加力推力15880千克，涵道比是00.35。它是美国空军和海军在19831990年主持的SCR、ATEGG、JTDE和ManTech等一系列计划的产物。它使用现有超级合金和少量可提供的陶瓷材料，透平初温在14001500，短时达到1600。 4、第四代正在构思 对第四代燃气轮机的构思是基于采用革命性的新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，透平初温将大于1600-1800，冷却系统可能被取消，现采用的熔点1200、密度为8g/cm3的超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度（5g/cm3）的、有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是

39、一种选择。第四代目前正在加紧研究开发中, 预计将在2020 年左右进入市场。第四代燃气轮机发电系统可以煤气化合成气重整后得到的氢气为燃料,此时燃气轮机排气是水蒸气,重整过程得到的二氧化碳可进行捕获利用/埋存(CCS)，这就构成了 近零排放煤基能源系统。如果这一技术取得突破并进入商业化运行, 将为全球电力工业最终减少二氧化碳排放和控制全球气候变暖做出巨大贡献。 国际四大燃气轮机公司日本三菱公司、德国西门子公司、美国GE公司、法国阿尔斯通公司近几年已经推出或未来几年将推出单循环效率超过 40% H/J级燃气轮机 所组成联合循环效率超过60%，效率是大规模发电的世界最高水平。美欧等发达国家正在研究燃

40、气初温达1500、压气机压缩比约40、单循环效率43%44%的重型燃气轮机,其联合循环效率将高达65%。燃气轮机性能的提高很大程度上依赖于燃气初温的提高，燃气初温未来的目标是1700。燃气初温的提高依赖于先进的材料技术和冷却技术。 美国工业燃气轮机在总体上处于世界领先地位，正在实施多项大的发展计划，如先进动力透平系统（ATS）等，还和欧洲合作执行将高性能航空发动机改型为先进工业燃气轮机的先进燃气轮机合作计划（CAGT）。欧洲在发电用大型燃气轮机方面不比美国逊色。德国、瑞士和瑞典有自己研制的高性能燃气轮机。日本、英国、意大利、法国等国都生产当今性能最好的燃气轮机，但都沿用外国的技术。英国和法国有

41、航机陆用领域有很大进展。日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。2.2 国家燃气轮机的相关发展计划2.2.1 相关政策 为了提升我国的燃气轮机技术水平，在“十五”和“十一五”期间，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。通过联合攻关初步建立了E级和F级重型燃气轮机的设计平台，突破了部分E级和F级中低热值燃料燃气轮机关键技术，初步形成E级和F级燃气轮机设计能力，正在形成F级重型燃气轮机压气机、燃烧室、透平冷却效果、透平热冲击的试验能力。基本掌握了F级燃气轮机透平叶片抗热腐蚀高温

42、合金材料技术、叶片的无余量精密铸造制造技术和大尺寸定向结晶技术。完成了 E级燃气轮机从原材料制备、加工、组装、空负荷试车的全过程。研制的 R0110燃气轮机已经实现了厂内全转速空负荷运转，但是还没有进行带载运行，产品的设计、制造水平还有待通过全负荷运行考验。 为了提高燃气轮机相关基础研究水平，国家科技部在 “十一五 ”973计划实施了 “燃气轮机的高性能热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。开展了燃气轮机相关基础研究，获得了一批基础实验研究数据。研制出 F级透平

43、高温动叶片，初步构建了盘式拉杆组合透平转子系统设计体系，在燃气轮机基础研究方面缩短了与国际先进水平的差距。 尽管近十年在基础研究、高技术研究、制造技术方面取得了突破，但是我们还没有完全掌握 F级燃气轮机热端部件的制造技术，缺乏先进材料和先进部件的性能验证平台。通过几个燃气轮机型号的研制所形成的设计技术尚未在系列产品上进行充分验证，面向下一代新技术的基础研究设施缺乏，这些都是我国发展燃气轮机的软肋。 2.2.2 发展计划 “十二五”期间，我国还将充分借鉴国外先进经验，建立实施重大技术装备跨区域、跨行业、跨部门的协调机制，统筹制定装备制造业的相关政策，组织协调重大技术装备联合攻关等举措。2008年

44、国家发改委批准组建北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司（燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心，以下简称公司/工程中心）,由清华控股有限公司、东方汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限公司、南京汽轮动力设备有限公司、上海汽轮机厂有限公司、中国船舶重工集团公司第七三研究所和中国电力工程顾问集团公司七家单位出资入股，公司/工程中心的主要任务是通过自主知识产权燃气轮机和IGCC电站的研制和建设，研究开发重型燃气轮机与煤气化联合循环核心技术，为我国能源动力产业提供关键性技术支持，推动行业技术进步。公司/工程中心综合股东的优势资源，按照产学研用结合的原则，积极与燃气轮机行业相关单位合作，努力发

45、展成为研究开发型产业联盟。公司/工程中心包括工程中心（总部）、燃气轮机研究开发部、煤气化研究开发部、IGCC系统研究开发部和IGCC发电试验平台。工程中心（总部）和燃气轮机研究开发部的办公地点位于北京中关村清华科技园；煤气化研究开发部设在清华大学；IGCC系统研究开发部设在中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司；IGCC发电试验平台（广东粤电华清煤气化联合循环发电有限公司）由公司与广东粤电集团合作在广东省建设。公司/工程中心汇集了一批毕业于清华大学、北航、南航、哈工大、西安交大等高等院校的燃气轮机核心技术研发人才，是目前国内最大的重型燃气轮机专业设计研发队伍。2012年，黑龙江省出台了

46、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。2012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，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

47、养等方面开展深入合作。燃气轮机不仅仅用于发电，在整个能源领域也是无处不在，中国必须要发展自己的燃气轮机制造业。“十二五”期间，中国一定要在燃气轮机上有重大的突破。目前，要正确定位现阶段我国燃气轮机的发展水平，从国家层面上制定整体计划，明确目标、任务和进度；制定正确的技术路线，整合全国力量，分工协作；建立共性技术平台，实现资源共享；以大型企业为依托，产学研相结合；建立相应的中试基地，并实现资金配套；加紧燃气轮机专业人才的培养，建立一支稳定的人才队伍。2.3 国际及国家能源战略安全需要2.3.1 天然气是减轻废物污染、保障生存环境的需要 能源是一个国家赖以生存的命脉，没有能源任何现代文明都将无从谈起。就人均资源占有量而言，我国的一次能源非常匮乏。我国是世界最大的燃煤国，但煤炭的探明储量仅占世界的11%，而人口却占世界的21%，全球煤炭探明储量可开采230年，而我仅90年。以煤为主的能源结构使我国的环境污染日趋严重。酸雨覆盖区已占国土面积约40%。因此，国家正采取积极措施改变我国的能源结构和减少燃煤电厂的污染。 与煤炭、石油等黑色能源相比，天然气燃烧过程中，所产生的影响人类呼吸系统健康的氮化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧化硫，而产生导致地球温室效应的二氧化碳的排放为煤的40%左右，燃烧之后也没有废渣、废水。天然气的转换效率高，环境代价