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。

（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，也许陶瓷材料是一种选择。

美国工业燃气轮机在总体上处于世界领先地位，已开发出“FA”型产品，正在开发“G”型和“H”型（透平初温1430℃，单机功率280MW，单机联合循环功率480MW，系统效率将突破60%），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“FA”型燃气轮机，但都沿用外国的技术。

英国和法国有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。

注：
⑴美国IHPTETT和ATS计划：在国际市场上，美国燃气轮机在技术水平和产量方面均具有领先地位，是其在贸易方面保持大量顺差的主要产业之一。

为了保持在军务和商业竞争方面的领先地位，美国
对下一代燃气轮机的发展，正在投入大量资金，实施多项大的发展计划。

如：
·IHPTET计划：这项为期16年（1987～2003年）的计划是针对航空的要求提出的，要使航空发动机的推重比现有最高水平的基础翻一番，达到20。

该项计划的投资为45亿美元。

除此之外，近年来美国还有4～5个大中型航空发电动机研制项目。

这些，都为美国先进燃气轮机技术的发展提供了技术基础。

·ATS计划：即先进透平动力系统（Advanced Tubine Systems）计划。

由美国能源部主持，政府与工业界共同投资7亿美元历时8年（1992～2000年）的计划，主要目标是：透平初温1427℃，系统效率约60%，以煤为燃料，更好的RAM性能，低水耗，低污染（Nox<9ppm，CO<10ppm）。

⑵美国和欧洲合作的CAGT计划：即先进燃气轮机（Collaborative Advanced Gas Turbine）合作计划。

是一项由美国牵头，美、欧22个部门和公司参加的多国计划，主要是将波音777飞机配装的三种超级风扇发动机（GE90，PW4000和Trent）改为先进的燃气轮机。

当前首要项目是ICAD（中间冷却）方案，透平转子前温度为1700～1755K，简单循环效率为45～47%。

ICAD是实现更先进的循环-HAT的第一步。

HAT循环的热效率可达61～63%。

⑶欧共体EC-ATS计划：从80年代中期起，欧共体赞助研究新一
代高效率（简单循环效率为40%，联合循环效率为＞60%）的先进燃气轮机（EC-ATS）计划。

其研究内容和美国ATS计划的第1和2阶段研究内容相仿。

这个计划由一个叶轮机械研究协会（Turbo AG）来协调和组织，成员包括ABB，BMW，Daimler Benz,Rolls-Royce,和Siemens。

⑷日本发展高效率燃气轮机：一九七八年，日本通产省工业技术院制订了主要内容为能源技术研究和开展“月光计划”，共有五个项目，第一个就是“先进燃气轮机”。

日本的燃气轮机是靠与美国进行技术协作发展起来的，即购买生产许可证仿制美国的产品，而“月光计划”研制的高温高效燃气轮机则完全依靠日本自己掌握的技术来赶超国际水平了，这是日本燃气轮机行业的一个新的起点。

另外，日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。

二、我国燃气轮机工业现状
1、我国重型燃气轮工业的现状
我国重型燃气轮机制造业始于五十年代末。

六十年代至七十年代初，上海汽轮机厂股份有限公司（原上汽厂）、哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（原哈汽厂）、东方汽轮机厂和南京汽轮电机（集团）有限责任公司（原南汽厂）都曾以厂所校联合的方式，自行设计和生产过燃气轮机，透平进气初温为700℃等级，与当时的世界水平差距不大。

典
型机型有1MW、1.5MW、3MW、6MW发电机组，6MW船用机组，3500hp、4500hp机车用机组。

七十年代中期，为配合川沪输气管线的建设，由国家计委批准，以南汽为基础，投资1.4亿，并将各地燃机专业人员200余人调入南汽，建设了我国重型燃气轮机科研生产基地。

并由原第一机械工业部负责在南汽组织了由全国近百个单位参加的“2万3千千瓦燃机”大会战，透平进气初温990℃等级。

于1978年成功地完成了第一台全国产化样机的试制工作并通过了国家鉴定，这是我国当时最大功率的燃气轮机。

之后，共生产同型号机组3套用于发电，目前仍在役。

“2万3燃机大会战”充实和壮大了重型燃气轮机设计和科研队伍，到目前为止，仍是我国重型燃气轮机工业的技术基础。

70年代后期，哈汽厂、上汽厂、东汽厂和南汽厂按国家川沪输气管线计划，联合设计了17.8MW驱动用燃气轮机。

由于国家能源政策的调整，未能投入生产。

八十年代南汽厂在原机械电子工业部的主持下，与美国GE公司合作生产透平进气初温1100℃等级的MS6001B型燃气轮机，单机功率40MW，效率32%，是世界上该功率等级的主力机型，国产化率约60%-70%。

该品于1988年通过国家鉴定，迄今已生产22套，其中出口国外占一半，实现了替代进口的目标，其合作生产的方式是：（1）燃机核心部件由美国GE公司提供，如：a.压气机—透平转子；
b.燃机控制系统；
c.燃烧室和喷嘴；
d.静叶及压气机可转导叶。

（2）国内生产有困难的配套件可向GE公司采购。

（3）由南汽生产的燃机的其余部分部件和零件按GE公司提供的图纸、标准进行生产，组装和试车。

（4）整机性能参数经GE公司认可后出厂。

（5）技术改进产品更新与GE公司同步。

由此保证了该合作生产产品的质量和性能与美国GE公司产品相当。

近年来，为解决冶金企业高炉煤气的利用，南汽厂与美国GE公司合作，在MS6001B的基础上，开发了以高炉煤气为主要燃料的低热值6B-L型燃气轮机，可以烧1300大卡/NM3低热值燃料。

在科研能力方面，南京燃气轮机研究所、上海发电设备成套设计研究所、国电公司热工研究院、中国船舶工业总公司703研究所、中科院工程热物理研究所、清华大学、西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等单位都有一定数量的科研人员和试验研究设备，取得了一些科研成果，如东风Ⅰ型、红旗Ⅰ型和360等叶型，低热值煤气燃烧室等。

但设备比较分散，多数性能现在已不太先进。

虽然取得了一些成果，但要形成设计先进燃机的完整资料，还需要进行大量的工作。

在制造能力方面，机械系统的企业以南汽厂为代表经八五、九五改造，拥有大型制造厂房，大型数控加工设备和精密测试设备，除高温合金叶片、燃烧室、特殊涂层等少数关键设备、工艺外，生产大型
燃气轮机的能力缺口不大。

六、七十年代我国自行研制燃气轮机取得了一些成功的经验，主要有：国家领导部门的支持；产学研联合科研和设计；许多单位的联合攻关和协作等。

这些都可供今后自主开发燃气轮机时借鉴。

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100多台套，用于油田、石化、邮电等部门。

1983年国家经委等下达由中船总703所与航空部614所、430厂跨部联合，承担斯贝航机舰改任务，并确定今后轻型燃气轮机走航改道路。

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，约占整机工作量的30%。

到目前为止，该机组在国
内销售9套，国外销售的100多台机组中也有我国生产的零部件，主要用于发电和管线驱动。

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，目前正在试制过程中。

目前，606所与410厂合作，在先进航空发动机基础上，改型研制功率为7MW，热效率为31%的轻型燃气轮机。

航空发动机工业在研究开发能力方面，有一个部件预研所、两个型号设计所和一个电子调节监控系统研究设计所。

有成套的部件性能、强度和整机试验设备，可以满足航空及轻型燃气轮机的试验需要。

两个型号设计所具备了开发现代航空燃气轮机的能力，正在开制的有A 型、WPX和40号等先进航空发动机和燃气轮机。

在制造方面，经过了近几年来的技术改造，已经掌握了制造先进燃气轮机的工艺技术，除有成套的精密机加设备外，还配齐了现代燃气传输线机的特种工艺设备，可以制造各种压气机和内腔较复杂的定向结晶、单晶等气冷涡轮叶片。

还可制造先进的燃烧室、火焰筒、内外套及喷嘴等零部件，以及重型燃气轮机的部分核心零部件。

我国航空和轻型燃气轮机系统的制造能力是比较强大的。

3、对我国燃气轮机工业现状的评价
由于近20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。

我国发展燃气轮机的基础力量虽然相对薄弱，但认真分析，缺口不是很大，尤其是综合了机械和航空两个部门的能力后。

在设计能力、试验能力、加工能力和材料四大要素中，基础最好的是加工能力，最薄弱的环节是设计能力和高温材料。

在加工能力方面，除大型定向结晶叶片的工艺和设备、大型轮盘超速应力处理工艺和设备尚不具备能力外，其它均可使用现有设备制造。

其中：航空部门在叶片、火焰筒、过渡段、一次测控元件、液压件制造及特殊工艺（例如特殊形面成型、特种焊接、激光加工、涂镀）方面拥有优势，机械部门在大型轴类件、盘类件、缸体、焊接结构件制造、装配及成套能力方面拥有优势。

如果可以成功地组织起全国的力量，完成样机试制应只需添加有限的设备。

其次是试验能力。

综合两部及科研院所、大专院校现有的试验设备，部件试验多数可以进行，包括研究性试验及工业性试验。

需增加的主要是压气机整机模化试验台、燃烧室全尺寸高参数试验台、燃气轮机辅机/整机试车台等工业性试验台位。

这也是机械部门关五五期间未完成的建设项目。

在设计能力中，机械部门、航空部门和中科院、有关院所拥有先进的热力、气动、强度、振动计算方法和手段，在结构设计、系统设计、工艺方法方面拥有一定的能力。

目前最缺乏的是
独立设计经验、先进的设计数据库和资金投入，其次是人才流失和不能很好地组织各方面的力量，取长补短，有效地开展工作。

三、我国工业燃气轮机的发展前景
1、我国燃气轮机的应用现状
近年来，由于我国经济快速发展，燃机的应用已经起步并较快增长。

截止1999年底，我国燃气轮机的装机总容量为5939MW（不包括港澳台地区），占当年全国发电装机容量的1.99%,其中，重型燃气轮机4734.6MW,占79.7%。

并且，已从八十年代的简单循环为主逐步过渡到联合循环为主。

据初步统计，在发电用重型燃气轮机中，已有77.5%组成了联合循环发电机组。

其中，30MW以上的联合循环发电机组有42套，有4套已达300MW等级，标志着我国燃气轮机电站已迈入大容量高效率的发展阶段。

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、增压以及舰船和坦克动力。

按发电千瓦计，国产部分只占约7%。

2、可供燃气轮机使用的能源状况
以煤为主的能源结构使我国的环境污染日趋严重，目前，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，主要措施有：
（1）加强国内天然气的勘探和开发。

据专家预测，我国天然气总储量约38万亿m3。

截止1995年探明储量22495亿m3，主要分布在四川、陕甘宁、新疆、青海、海南等地。

我国天然气产量近年来增长较快，2010年可达700～800亿m3。

（2）从周边国家进口天然气：主要从俄罗斯或中亚诸国（土库曼、乌兹别克、哈萨克斯坦等）进口管道天然气和从印尼、马来西亚和澳大利亚等国进口液化天然气（LNG）。

预计至2010年我国进口管道天然气将达400～600亿m3。

计划中的输气管道有:①俄罗斯西西伯利亚或中亚诸国到上海，年供气量300亿m3；②俄罗斯东西伯利亚到山东（分输至韩国），年供气量300亿m3；③俄罗斯远东地区（萨哈林）到沈阳，年供气量100～150亿m3。

我国东南沿海LNG一期工程初步选定深圳大鹏湾，容量300万吨/年，预计2005年建成。

二期工程约600万吨/年，2010年前后建成。

⑶开发利用煤层气：煤层气是煤层中伴生的可燃气体，俗称“瓦斯”，主要成份为甲烷，是一种较好的气体燃料，许多国家已较好地利用。

我国是世界第一产煤大国，但煤层气的利用率比较低，只占世界总利用量的4.81%。

据估计，我国埋深2000米以浅范围的煤层气总量约30～35万亿m3，大体与我国天然气总储量相当，有较大的开发
利用潜力。

⑷发展洁净燃煤技术：IGCC电厂的建设投资、发电成本等已接近常规汽轮机电厂的水平，并有更好的环保性和节能性。

我国已立项建造大型IGCC和PFBC示范电厂，一旦示范成功，加上预期的这类电厂造价大幅度下降，这两类洁净燃煤的电厂将会在我国迅速推广。

由于我国能源结构调整，至2010年，估计我国天然气消费可达1200亿m3，假设1/3用于发电，可增加燃气轮发电机组26900MW，或联合循环发电机组41900MW，用作电网调峰和基本负荷发电。

推广洁净燃煤发电技术可增加IGCC和PFBC机组约3100MW。

这些多数是大功率高效率的重型燃气轮发电机组。

此外，石油、天然气开采和输送需要约3000MW燃气轮机，以中、小型驱动用燃气轮机为主。

还将需要约100MW的舰船和机车燃气轮机。

总之，未来10年我国对燃气轮机的需求数量比较大，总数达34000MW左右，市值约100亿美元，平均每年约10亿美元。

需求的高峰期将在2005年左右到来。

能源和动力是国民经济发展的基础，每一代动力机械的兴起，都直接促进人类社会生产和科学技术的发展。

18世纪末蒸汽机的出现带动了世界第一次产业革命；往复式内燃机、放置式汽轮机的发展，为二十世纪初开始的现代交通和电气化创造了条件；二十世纪中叶开始的燃气轮机喷气发动机和火箭的发展，则为高速航空和宇航年代奠定
了基础。

大量研究表明，燃气轮机及其总能系统将成为跨世纪的主要动力。

3、我国燃气轮机的发展前景和动态
随着国内能源市场的发展与变化，国家对环保的日益重视，以及燃气轮机技术的进步，燃气轮机的市场前景十分广阔。

石油化工行业包括油田、海上平台、气田的发电、增长、注水、注汽，已经开工的西气东输输气管线增压站需要2万千瓦等级燃气轮机作为压缩机的动力。

舰船用燃机呈增长的趋势，主要为4000、10000、25000、33000马力等4种功率等级的燃机，大小二头已有WJ-6G和FF8，中间两种功率的有待开发。

发电领域不论是调峰还是基本负荷，不论是纯发电还是热电联产，随着天然气的开发和煤气化技术的发展将会得到快速的发展。

主要的需要品种为4万和10万、20万千瓦功率等级的重型燃机产品。

另外，随着西气东输工程的实施，以小型燃气轮发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，在天然气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。

其品种应在1000～5000千瓦。

当前我国燃气轮机产品的主要发展目标是：
⑴重型燃气轮机在已经能批量生产40MW等级的基础上，争取在。