我国工业燃气轮机的现状

我国工业燃气轮机的现状与前景

南京汽轮电机（集团）有限责任公司薛福培

一、世界工业燃气轮机的发展趋势

1、世界工业燃气轮机的发展途径与现状

自1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机以来，经过60多年的发展，燃气轮机已在发电、管线动力、舰船动力、坦克和机车动力等领域获得了广泛应用。

由于结构上的分野，工业燃气轮机分为重型燃气轮机和轻型燃气轮机（包括航机改型燃气轮机）。

80年代以后，燃气轮机及其联合循环技术日臻成熟。由于其热效率高、污染低、工程总投资低、建设周期短、占地和用水量少、启停灵活、自动化程度高等优点，逐步成为继汽轮机后的主要动力装置。为此，美国、欧洲、日本等国政府制定了扶持燃气轮机产业的政策和发展计划，投入大量研究资金，使燃气轮机技术得到了更快的发展。80年代末到90年代中期，重型燃气轮机普遍采用了航空发动机的先进技术，发展了一批大功率高效率的燃气轮机，既具有重型燃气轮机

的单轴结构、寿命长等特点，又具有航机的高燃气初温、高压比、高效率的特点，透平进口温度达1300℃以上，简单循环发电效率达36%～38%,单机功率达200MW以上。

90年代后期，大型燃气轮机开始应用蒸汽冷却技术，使燃气初温和循环效率进一步提高，单机功率进一步增大。透平进口温度达1400℃以上，简单循环发电效率达37%～39.5%，单机功率达300MW以上。

这些大功率高效率的燃气轮机，主要用来组成高效率的燃气-蒸汽联合循环发电机组，由一台燃气轮机组成的联合循环最大功率等级接近500MW，供电效率已达55%～58%，最高60%，远高于超临界汽轮发电机组的效率（约40%～45%）。而且，其初始投资、占地面积和耗水量等都比同功率等级的汽轮机电厂少得多，已经成为烧天然气和石油制品的电厂的主要选择方案。由于世界天然气供应充足，价格低廉，所以，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%，世界市场上已出现了燃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达41.6%。采用间冷—回热循环的燃气轮机在110%～30%工况

下，热效率下降很少，可保持在41%。现正在开发功率大于40MW，涡轮前温度为1427℃～1480℃，简单循环热效率达45℃～50℃的轻型燃气轮机。微型燃气轮机作为分布式电源也取得显著进展。

近20余年来，洁净燃煤发电技术已取得重要进展，最有希望的两种解决途径为：整体煤气化联合循环（IGCC）和增压流化床联合循环（PFBC），燃气轮机均是其中的关键设备。至今，全世界已投过了10余座各种功率等级的IGCC电厂，还有一批IGCC电厂正在筹建之中，IGCC电厂已开始进入商业化应用阶段。PFBC电站已投运5座，成功地进行了示范运行，正逐步进入商业化运行阶段。

世界重型燃气轮机制造业经过60多年的研制、发展和竞争，目前已形成了高度垄断的局面，即以GE、西门子/西屋、原ABB等主导公司为核心，其它制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。日本的三菱公司值得关注，它最初应用西屋的技术生产燃气轮机，后来发展为与西屋联合开发新型燃气轮机。1998年三菱与西屋分手，成为拥有独立制造技术的世界重型燃气轮机制造企业之一。

燃气轮机与内燃机相比，具有重量轻、体积小、单机功率大、运行平稳、寿命长、维修方便等优点，它早已在飞机发动机中取得了独占地位。由于美、英、俄等国对航空技术高度重视，投入了大量研究开发资金，因此，航空的燃气轮机技术比工业燃气轮机发展更迅速。

目前，世界的轻型燃气轮机制造业也形成了GE、R.R（罗尔斯.罗伊斯）、P&W（普惠）三大主导企业。近年来，俄罗斯、乌克兰等国借助前苏联强大的航空工业基础，也在加紧进行航机改型工作，推出了一批轻型燃气轮机。

2、工业燃气轮机技术发展的四代技术

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600～700℃，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850～1000℃。

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）第二代已达当今最高水平

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。

GE公司的GE37是相当于第三代水平的喷气发动机，正在研制，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1400℃～1500℃，短时达到1600℃。正在研制第三代工业燃气轮机的典型代表是许多公司的H型技术产品，它们采用蒸汽冷却，以保证达到1430℃以上的初温。