重型燃气轮机发展情况概述

重型燃气轮机发展情况概述

燃气轮机热效率高、污染低、可靠性和维护性好、可用多种燃料、不用或少用冷却水等优点,是多学科和多工程领域综合发展的高科技产品。自20世纪40年代问世以来，燃气轮机技术及产业发展迅速，目前已开始应用蒸汽冷却技术，透平温度达到1400℃，功率和效率更高，H级燃气蒸汽联合循环发电机组，单机联合循环功率已接近50万千瓦，效率已达55%～58%。然而燃气轮机制造涉及多学科一系列高技术的组合，一些发达国家对其部件出口和技术交流均有限制，虽然通过多年努力我们在燃气轮机技术上已取得了显著成效，但是仍需进一步攻克核心技术，取得燃气轮机关键技术、设备自主设计和制造能力。

一、大力发展燃气轮机的必要性和可行性

1. 燃气轮机是调整能源结构和推动工业发展的广泛需求

2010年，我国一次能源产量达到28.5亿吨标准煤，居世界第一，消费总量达到32.5亿吨标准煤。电力装机翻倍增长，总装机规模达到9.65亿千瓦，居世界第二；自2005年起，我国装机每年跨越一亿千瓦的平台，陆续实现了历史性跨越，迈上了一个又一个新台阶。五年新增发电装机规模，相当于建国至2002年50多年的总和，也相当于英国、法国、意大利三个发达国家电力装机的总和，创造了世界电力发展史上的奇迹。但以煤为主的能源结构造成大气严重污染，世界银行估计空气污染每年给中国造成的直接损失占国内生产总值的8%～12%。因此，发展清洁能源势在必行。世界新增的发

电容量中有35%左右是由燃气轮机联合循环机组提供的。多数专家估计，在未来20年，亚洲将越来越依靠天然气发电，到2020年天然气发电的比例将占15％，发展燃气轮机技术对于提高天然气等清洁燃料的应用比例、优化能源结构具有重要作用。

燃气轮机的用途广泛，在电力领域和其他工业领域都有重要应用。除用于基本负荷发电外，燃气轮机启停方便、功率较大，还可用于备用电站、热电联产、尖峰负荷发电等，是电网调峰、提供清洁可靠、高质量发电及热电联供的最佳方式。

燃气轮机除可利用天然气、液化石油气等高热值燃料外，还可以利用高炉煤气、整体煤气化联合循环（IGCC）合成气、焦炉煤气等中低热值燃料，对调节能源结构起到促进作用。如20世纪90年代后，美国、西欧就相继建成了数座20～30万千瓦的大型IGCC示范电站，并投入商业化运行，许多国家都加快了IGCC等洁净煤发电技术的发展步伐。

除发电外，燃气轮机还广泛用于驱动压缩机和泵等机械的动力源。目前，天然气长输管线压缩机和大型输油管线增压泵的驱动只能采用燃气轮机或

电动机，如我国“西气东输”工程加气站用的燃气轮机基本由英国“罗罗”公司和GE公司中标，其产品价格昂贵且不转让技术；化工工业以及舰船、机车驱动等也都广泛用到燃气轮机。

此外，分布式发电系统采用的微型燃气轮机是一类新型发动机，近年来，随着全球范围内的能源与动力需求结构以及环境保护等要求的变化，微型燃

气轮机得到了电力和动力等有关部门的高度关注。国外有专家预测微型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机（PC）在计算机工业中的地位。小型备用电源、机动电源或辅助电源、分布式电源均需要微型燃气轮机。国内从20世纪50年代起就研制过小型燃气轮机，已经具备了发展的技术基础，差距主要在系统设计和关键部件及其优化配置方面。

2.发展燃气轮机是保障电网安全稳定的需要

为适应国内核电、风电、太阳能发电快速发展和电网稳定的需要，急需发展调峰机组。水电和气电具有良好的调峰性能，但大力发展水电也面临移民、环保等一系列问题，抽水蓄能电站也受地理条件约束。发达国家为保障电网安全运行，一般配备15%～20%燃气轮机调峰机组。美国和西欧新增加的发电机组中，重型燃气轮机已占60%以上。

3.我国资源可以满足燃气轮机发展所需

作为发电用燃气轮机目前最大的限制是燃料来源问题。迄今为止，我国油气资源评估天然气资源量达47万亿m3，可采储量预测可达14万亿m3，目前，国内天然气处于早期勘探阶段，探明储量仍将大幅度增长。境外油气资源开发也取得重大进展。

煤层气发展潜力巨大,中国陆上埋深300～2000米的煤层气资源量为36万亿m3，居世界第三，可采资源总量约10万亿m3。全国大于5000亿m3的含煤层气盆地(群)共有14个，资源主要分布在华北和西北地区。每年随煤炭开采而排空的煤层气130亿m3以上。2010年，全国煤层气(煤矿瓦斯)产

量达100亿m3，其中，地面抽采煤层气50亿m3，井下抽采瓦斯50亿m3。

未来10～15年，LNG供应来源将增加。我国第一个进口液化天然气（LNG）试点项目—广东LNG接收站（一期工程建设规模为370万吨/年）已经建成，标志国内LNG项目顺利启动。国家计划在广东、福建、浙江、上海、山东、江苏、河北和辽宁建设LNG项目。

我国还在煤炭富集地区适度开展了煤制天然气示范，已批准三个示范工程，预计在“十二五”末可形成年产300～400亿m3的产业规模。

每套E级燃气轮机消耗天然气约3万m3/小时，每台F级机组消耗天然气约7万m3/小时，按年运行3500小时计算，目前已有装机年消耗200亿

m3左右。预计2020年天然气消费将达到2500亿m3，反过来推算，如果⅓（830亿m3）用于发电，则可建设燃气发电机组1.2亿千瓦。

二、燃气轮机特点及四大生产商的技术特点对比

燃气轮机循环的固有特点是：功率密度较高、效率较高、排放水平较其他竞争机型低。燃气轮机性能受燃烧温度的影响，而燃烧温度与单位出力成正比，与每千瓦出力的燃料消耗成反比。也就是说，提高燃烧温度就能提高效率（降低每千瓦出力的燃料消耗），同时提高单位出力（提高通过机组每公斤空气的出力）。因此衡量燃气轮机的主要参数是燃烧初温和压缩比，这两个参数将主要决定燃气轮机的简单循环以及联合循环的效率。随着燃气轮机技术不断升级，现有的燃气轮机主要可以分为4个级别，其参数特点见下表。

从表1可以看出，随着技术的发展，燃气轮机的燃烧初温和压缩比逐渐提高，燃气轮机效率也随之提高。同时值得注意的是，材料工艺和蒸汽循环的工艺也在不断改进。F级到G级的改变主要依靠可靠的新合金材料，而G 级到H级的转变则主要改变了蒸汽的循环工艺流程。H级的燃气轮机是抽出蒸汽来降低燃烧温度，而不是抽出高压空气，这样降低了压气机的抽气损失，并可减小因叶片冷却而导致的燃气温度下降。

为了能合理地设计燃气轮机电站或IGCC系统，我们有必要了解目前世界上正在被广泛使用的燃气轮机的型号、性能，结构特点以及业绩，以便根据我国的用能需要、运行方式、燃料种类及上网电价等实现条件进行合理选择。国际实力雄厚的燃气轮机系统供应商有：通用电气（GE）、西门子（Siemens）、阿尔斯通（Alstom）以及三菱（Mitsubishi）公司。主要运行的燃气轮机为E级和F级，参数对比见表2。