重型燃气轮机发展趋势

全球1MW以上发电用重型燃气轮机销售量 （1978-2010年）
总台数：约2.2万台 总容量：约10.5 亿千瓦 发电量占全球约1/5 日本福岛核电事故后全球重型燃机订货大幅度增加
重型燃气轮机技术在过去六十年中的革命性进步 1950年
燃气温度 压气机压缩比 单机功率 NOx/CO 700℃ 5-6 4-6MW 不考虑
燃料适应性：天然气、燃油、中低热 值燃气
燃烧稳定性：任何运行工况下不产生 熄火、爆震 长寿命：检修间隔8000小时（1年） 全寿命2.4万小时以上 关键技术：干式低污染燃烧技术(扩 散、预混、分级、催化燃烧)、冷却 技术、结构与强度设计、全压全温试 验技术
干式低污染多喷嘴燃烧器 气膜冷却火焰筒
空气/蒸汽冷却多级轴流透平
2011第六届中国电工装备创新与发展论坛
2011.08.13-14 北京
重型燃气轮机发展趋势
清华大学 蒋 洪 德
提
纲
1 当代重型燃气轮机基本状况 2 未来重型燃气轮机发展趋势
3 建国以来我国重型燃气轮机发展历程概述
4 结束语
燃气轮机的战略地位
空军/海军/民用航空核心动力装备
重型燃气轮机
分布式热电冷联供
600 630 25/10 41/61
23/15
860 630 25/10 41/61
主要技术特点：燃用天然气、压气机前4级可调叶片、蒸汽冷却燃烧室火 焰筒和透平1-2级静叶片，透平3-4级静叶片与1-3级动叶片Βιβλιοθήκη Baidu采用空气冷 却、透平1-3动叶采用定向叶片 首台商业投运时间 2011年 2015年
当代最先进的重型燃气轮机产品概况—GE公司FB级
18.5/17
636.4 639 25/10 38/57.3
主要技术特点：燃用天然气、燃油、煤气化合成气（ IGCC ），透平采用 空气冷却、1级动叶采用单晶叶片 首台商业投运时间 2002年（天然气） 2014年（IGCC） 2007年（天然气）
未来重型燃气轮机 发展趋势
世界重型燃气轮机发展趋势
7FB（60Hz） 单/联合循环功率（MW） 燃烧室出口温度（℃） 184.4/280 1470 9FB（50Hz） 287.4/413 1470
压比/级数
空气流量（公斤/秒） 排气温度（℃） NOx/CO (ppm) 单/联合循环效率（%）
18.5/17
445.4 626 25/10 38/57.3
级数：3-5级（4级最佳）
高温(1400-1600℃)
大焓降(级压比＞2） 高效率 90-92%
全寿命 4.8-9.6等效运行小时 （大修间隔2-3年）
多晶/定向/单晶超级合金 关键技术：气动热力设计、冷 却设计、超级合金精密铸造、 耐热涂层材料与喷涂、激光与 电加工
当代重型燃机的典型产品等级
表征重型燃气轮机技术等级的特征参数：燃气（透平工作）温度 燃气温度越高、压气机压比也高，效率越高，一般来说机组功率越大
12-14
32-34% 48-52%
17-30
37-38% 57-58%
23-30
40-41% 60-61%
当代最先进的重型燃气轮机产品概况—Siemens公司H级
SGT6-8000H（60Hz） 单/联合循环功率（MW） 燃烧室出口温度（℃） 275/410 1540 SGT5-8000H（50Hz） 375/570 1540
国家主管部门应尽快制定行业发展战略和配套政策
需要建立良性的运行机制和管理体制来促进自主研发 需要制定科学合理、可行性强的自主研发技术路线 全行业要大力加强人才队伍培养 • 外国重型燃机跨国企业已经掌握了大量核心技术（专利）， 自主研发就是获得独立知识产权、必须规避知识产权纠纷
结束语
最近胡锦涛总书记亲自关心我国重型燃气轮机产业发 展，中国科学院和中国工程院在深入调查研究的基础上 ，向党中央国务院建议：将重型燃气轮机自“十二五” 开始列为国家重大专项予以实施 我国重型燃气轮机行业即将进入新的发展阶段 让我们在党中央、国务院的直接关怀和领导下
全行业核心问题是突破核心技术自主研发难关 • 全行业在核心技术上落后发达国家约 30 年，自主研发基本路线 是消化吸收再创新 • 由自主研发到工程化、产业化难度大、投资大、周期长，风险 大。 全行业基本共识是：只有最大限度地集中全行业乃至全国的 优势资源共同研发，才有可能以较小代价、在相对较短时间内取 得成功。 为此
但是，市场换不来核心技术，如果不掌握核心技术全行业的可 持续发展将受到严重制约
我国重型燃气轮机的市场定位
当 前
• 天然气发电：到 2020 年我国天然气 /LNG/ 煤层气产量可达 2500 亿立方米
以上，若1/3用于发电，可供应约1亿千瓦调峰运行机组（3500小时/年）。 随着核电、风电较快发展，燃机作为调峰电站的需求持续增长，部分机组 可带基本负荷运行（5500 小时/ 年）。燃用天然气时 CO2 排放为燃煤机组的 50%，1亿千瓦燃机可减少CO2排放1.83亿吨/年 • 中低热值发电：燃用冶金、化工等行业产生的高炉/焦炉煤气和可燃气体 发电，市场需求很大 • 分布式发电与热电冷联供：能源利用效率可达80%，可带基本负荷运行， 市场需求很大
燃气-蒸汽联合循环电站
IGCC电站
全球发电量1/5来自燃气轮机与联合循环
当代重型燃气轮机 基本状况
重型燃气轮机的诞生地：瑞士
1939年BBC公司研制出世界第一台发电用重型燃气轮机 （功率1.6MW，压比4，燃气温度550℃，效率17.3% ）
多级轴流压气机 + 单管燃烧 室+多级轴流透平 成 为 BBC/ABB/Siemens 重 型 燃气轮机基本结构
重整
分离
H2
CO2 埋 存 利 用
燃氢燃气轮机
空气
排气（N2+水蒸气） 去余热锅炉
未来的近零排放/CO2捕获埋存煤基能源系统
水蒸气+N2 电
燃氢联合循环+CO2注入油田
煤
燃氢燃气轮机 联合循环
油气田/盐水层
燃氢燃气轮机联合循环核心技术
• 燃烧新技术：氢气易爆、火焰传播速度是天然气的7倍，如 何稳定、低污染燃烧？ 目前基本思路是与N2混合后燃烧，需要研发全新的燃烧技 术与燃烧室 • 材料新技术：燃气中含大量水蒸气（40%以上），导致热端 部件传热和腐蚀大幅度增加，如何处理？ 需要研究开发新一代超级合金、低导热系数耐腐蚀涂层和 新一代热端部件冷却技术 • 电站系统新技术：新增合成气重整、CO2分离与埋存利用系 统，比IGCC系统还复杂，如何优化？ 系统在技术上不存在困难，问题是可靠性和成本
国外已经启动燃氢燃气轮机研究开发
美国能源部 《碳捕获煤基动力系统先进燃气轮机计划》 先进燃气轮机开发与验证目标
Siemens公司燃合成气/燃氢燃气轮机开发路线图
以SGT6-6000G(W501G)为基础开发燃氢/合成气燃机
建国以来我国重型燃气轮机 发展历程概述
六十年来我国重型燃气轮机发展的三阶段历程
• 我国四家重型燃机制造企业已经出厂和在制F/E级燃机达112台， 单/联合循环功率为 2076/3115万千瓦。 F/E级重型燃机国产化率 达到70%，余热锅炉、汽轮机、发电机全部国产，为发电设备制造 业和电力工业结构调整作出了重大贡献 • 我国重型燃机产业链基本形成，包括产品销售、主机制造、零 部件制造、系统集成、总装试车、安装调试、售后服务的全套能 力
1.早期(1950-1970s):以前苏联技术为基础，自主研发阶段 •自主设计、实验、制造200-25000kw 燃气轮机,包括200kW车载 燃气轮机、1500kW重型燃气轮机、4000HP机车燃气轮机等
• 主要研制单位：哈汽、上汽、南汽、长春机车、青汽、杭汽 清华、汽锅所等，产学研结合紧密，与当时世界水平差距不大
我国政府已经宣布2020年CO2减排目标
1990年至今CO2 减排成就 • 1990-2005年单位GDP CO2 排放减少 44% • 2006-2010年单位GDP能耗减少20%，相当于CO2排放减少15亿吨 中国2020年温室气体减排目标 • 2020年单位GDP CO2排放 在2005年基础上减少40-45%
高温材料与 特种加工工艺
可靠的结构与 转子动力学设计 DCS 控制系统
多级轴流压气机
级数：13-18 大流量 >600kg/s 高压比 高效率 16-30 ＞ 87%
喘振裕度 ＞ 15% 关键技术：气动热力 设计、结构与强度设 计、性能实验技术
燃烧室
多管-环形布置燃烧室是主流 高工作温度： 出口1400-1600 ℃ 低污染： NOX ＜ 10-25ppm
压比/级数
空气流量（公斤/秒） 排气温度（℃） NOx/CO (ppm) 单/联合循环效率（%）
20/13
605 610 25/10 40/60
19.2/13
815 630 25/10 40/60
主要技术特点：燃用天然气、压气机前 4 级可调叶片、4 级透平均采用空 气冷却、透平一级动叶采用单晶叶片、转子叶片间隙主动控制 首台商业投运时间 2013年 2010年
未
来
• IGCC潜在市场需求大，关键在于通过国产化降低成本
• 未来CO2减排压力巨大，关键在于掌握核心技术争取战略主动
我国重型燃气轮机行业的存在问题
• 未掌握核心设计技术，没有整机自主研发、设计经验
• 未掌握热端部件制造与维修技术
• 没有建立工业规模的部件试验能力（压气机全台试验、燃烧室 全温全压试验、透平叶片热态试验等）
2010年
1600 ℃ 平均提高15℃/年 23-30 320-340MW 10-25ppm
单循环效率
联合循环效率
＜ 20%
/
38-41%
58-61%
目前已经形成以GE、MHI、Siemens、Alstom 四家公司 为代表的当代重型燃气轮机主流派技术和产品系列
重型燃气轮机关键技术
先进高效热力 循环与系统 高性能压气机 与透平 低污染/灵活燃料 燃烧室
煤气化发电+多联 产,燃用合成气 (H2+CO)
联合循环发电 先进级（G/H） 燃用天然气(CH4）
当代级（E/F） 初温 1350 ℃ 年代 2000 1450 ℃ 2010
应对全球气候变暖
减少CO2排放 防止全球气候变暖已经 成为国际社会共识
少数发达国家已经开始 征收碳税 我国已经是全球CO2 排放大国 减排压力与时俱增
2.中期（1980s-2000）：全行业进入低潮 • 除南汽进行测绘仿制、与GE合作生产6B燃机外，其他制造企 业先后下马，人员和技术流失 • 全行业停止自主研发，大学燃机专业该行，人才断档 与国际水平差距迅速拉大。
五十年来我国重型燃气轮机发展的三阶段历程
3. 近期(2002-) :”市场换技术”引进当代先进F/E级技术、消化 吸收再创新，至今：
B/E级 推出年代 燃机功率 (MW) 联合循环功率（MW） 燃烧室出口温度(℃) 1970-80s 42-170 63-250 1200
F级 1990 s 256-270 390-405 1400
H/G/J级 2005320-460 480-670 1500 -1600
压气机压缩比
单循环效率 联合循环效率
2009年12月18日温 家宝总理在哥本哈 根全球气候大会上 宣布我国政府2020 年CO2减排目标
世界重型燃气轮机发展趋势—燃氢联合循环
近零排放
煤气化发电 +CO2捕获利用 燃用氢气（H2） 未来级 煤气化发电+多联 产,燃用合成气 (H2+CO) 联合循环发电 燃用天然气（ CH4 ）
当代级（E/F） 初温 1350 ℃ 年代 2000 1450 ℃ 2010 1700 ℃ 2020 先进级（G/H）
由IGCC到燃氢联合循环
IGCC基本工艺流程
煤 煤气化炉 氧气 燃烧室 压气机 透平 发电机
合成气 H2+CO
IGCC燃气轮机
空气
排气（N2+CO2为主，少量水蒸气） 去余热锅炉
由IGCC到燃氢联合循环
燃氢联合循环基本工艺流程
煤 煤气化炉 氧气 燃烧室 压气机 透平 发电机
合成气 H2+CO
CO2
• 没有建立整机带负荷发电试验平台（电站）
• 人才短缺，尤其是具有设计/工程经验的高级人才十分短缺
近十年来国家加大了对自主研发的支持，政府主管部门安排 了一系列基础研究（973项目等）、高技术研发（863项目等）和 产品研制，虽然取得阶段性成果，但是没有形成完整的研发、设 计能力， 全行业处于自主研发的初期，任务艰巨
当代最先进的重型燃气轮机产品概况—MHI公司J级
M501J（60Hz） 单/联合循环功率（MW） 燃烧室出口温度（℃） 320/480 1600 M701J（50Hz） 460/670 1600
压比/级数
空气流量（公斤/秒） 排气温度（℃） NOx/CO (ppm) 单/联合循环效率（%）
23/15