燃气轮机发展现状分析前景预测.doc

精品燃气轮机行业现状调研分析及市场前景预测报告一、基本介绍近年，在中国能源发展“十三五”时期，着力推动能源生产利用方式变革， 建设清洁低碳、 安全高效的现代能源体系， 是能源发展改革的重大历史使命。在新一轮能源革命蓬勃兴起背景下，中国燃气轮机行业企业有所增长，企业投资热情高涨。燃气轮机广泛应用于发电、船舰和机车动力、管道增压等能源、国防、交通领域，是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备，属于市场前景巨大的高技术产业。燃气轮机技术水平是代表一个国家科技和工业整体实力的重要标志之一，被誉为动力机械装备领域“皇冠上的明珠”。正是基于燃气轮机在国防安全、能源安全和保持工业竞争能力领域的重大地位，发达国家高度重视燃气轮机的发展，世界燃气轮机技术及其产业发展迅速，目前重型燃气轮机已基本形成以GE、西门子、三菱、阿尔斯通等公司为主导，航空燃气轮机（包括工业轻型燃气轮机）以通用电气(GE)、普拉特惠特尼(P&W)、罗尔斯罗伊斯(R&R)等航空公司为主导的格局。二、燃气轮机工作原理及特点1、 燃气轮机定义燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机，其典型结构如图1。图1 燃气轮机典型结构2、 燃气轮机的工作原理压气机从外部吸收空气，空气从燃气轮机进气口进入，通过压气机叶片将其压力升高，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气燃烧受热后膨胀，进入透平区经过一级一级的叶片，推动动力叶片高速旋转，直至从出气口排出，成为废气，废气排入大气中或再加利用（如利用余热锅炉进行联合循环）。叶片转动后带动轴也转动，轴带动负荷的机械转动，实现热能和机械能的转换。通常，将压气机、燃烧室、透平称为燃气轮机的三大核心部件。3、燃气轮机特点燃气轮机产品本身具有以下特点：最大效率，最优效益。随着高温材料的不断进展，以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果，透平前燃气的初温逐步提高，加之研制级数不断减少压缩比越来越高的压气机和各个部件效率的提高，使燃气轮机效率不断提高。体积较小，使用便捷。燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置，结构简单、紧凑。与传统设备相比，燃气轮机设备规模、体积比传统的锅炉、蒸汽轮机小，占地面积小，便于移动。减少燃煤，清洁环保。燃气轮机可以采用天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃气轮机通过在燃烧过程中控制NOx的生产，或在NOx 生成后排入余热锅炉时进行尾部烟气脱硝，达到超低的NOx排放效果，而且能够实现资源充分循环利用，真正达到零排放。噪声最小，安全可靠。燃气轮机运行时产生的低频份量很低。而且可以通过采用数字式遥控的联网离网变换装置，弥补其它设备在安全稳定性方面的不足。三、燃气轮机关键技术从燃气轮机研发的角度来分析，当代燃气轮机主要关键技术难点如下：1、 燃气轮机基础技术方面燃气轮机总体技术，高效高负荷压气机设计应用技术，高效稳定低污染燃烧室设计技术、高效流动、高效换热、高寿命透平设计技术，燃气轮机设计软件技术，燃气轮机现代控制理论与技术，燃气轮机振动、寿命与可靠性关键技术。2、燃气轮机设计体系的规范、软件和数据库方面燃气轮机总体、燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室、燃气轮机涡轮、燃气轮机换热器、燃气轮机控制系统、燃气轮机附属系统、燃气轮机装置、燃气轮机可靠性、燃气轮机仿真、燃气轮机试验等的规范、软件和数据库。3、燃气轮机共性关键技术1） 压气机关键技术气动高负荷高效率设计技术；气动性能高稳定性设计技术；气动多级匹配设计技术；整机多级气动性能数值模拟与验证技术；转子结构与强度设计技术。2） 燃烧室关键技术燃烧场组织设计与测试技术；火焰筒壁结构设计技术；喷嘴设计与测试技术；高温零部件冷却、防护、强度设计技术；低排放燃烧设计与试验技术；宽范围稳定燃烧设计与试验技术；燃烧场数值模拟与验证技术。3）透平关键技术动叶、导叶、轮盘空气冷却设计与试验技术；叶片蒸汽冷却设计与试验技术；叶片和轮盘的温度场、应力场与强度寿命分析和试验技术；掺混冷却气流的涡轮级性能分析设计技术；冷却叶片多物理场数值模拟与验证技术；转子结构与强度设计技术。4）燃气轮机重要系统关键技术冷却空气系统设计、性能分析和调试技术；控制系统先进调节部件、控制器和控制规律；起动系统技术；轴承和滑油系统技术。5）燃气轮机材料技术方面主要包括：强抗热腐蚀定向和单晶高温合金的研制；高温合金材料体系的完善；高温材料500010000小时近使役条件下性能测试；大尺寸铸件近使役条件下力学性能研究；大尺寸铸件抗氧化、抗热腐蚀性能研究；拉杆用CrMoV 高强钢；6）燃气轮机工艺技术主要包括：复杂结构陶瓷型芯制造技术；高强抗热冲击陶瓷模壳制造技术；大尺寸定向结晶、单晶叶片定向凝固技术；高温透平叶片加工、焊接、热处理、检测等工艺；叶片涂层技术；燃气轮机叶片的工程化研究；燃气轮机叶片制造规范和验收标准；大型涡轮盘的制造技术；高强钢拉杆制造工艺；燃烧器制造技术。四、国内外燃气轮机发展现状1、国内燃气轮机发展现状我国燃气轮机发展虽然已经有50年的历史，但30年的发展断层让我国燃气轮机技术错过了国外高速发展的时期，迅速与国际水平拉大了差距。尚未形成真正的产业。诸多领域动力落后的状态，已成为制约国民经济发展的“瓶颈”，其技术仅被世界上少数几个发达国家所控制，先进的燃气轮机在西方国家仍然限制对华出口。 总体来说，50年来我国重燃气轮机行业呈“马鞍型”发展。中国燃气轮机的发展现状是：起步不晚，进展不快；性能不高，拐棍难扔；投入不大，摇摆不定；机型不少，所占市场份额不大。我国重型燃气轮机产业技术发展现状国内重型燃气轮机产业制造方面，分别以哈电集团、上电集团、东方电气集团、南京汽轮电机（集团）有限公司为核心，形成了相应的燃气轮机制造产业群，目前全行业具备了年产四十套左右燃用天然气的F和E级重型燃气轮机以及与之配套的燃气蒸汽联合循环全套发电设备的能力，可以基本满足我国电力工业的市场需求。我国轻型燃气轮机产业技术发展现状我国轻型燃气轮机在研制开发能力方面，具备初步配套的部件性能、强度和各系统、整机试验设施以及相应的测试手段，基本可满足轻型燃气轮机试验的需要。在制造方面，基本具备了研制生产航改机和轻型燃气轮机的能力，但同类机型在主要性能指标上与国外仍存在较大差距。我国燃气轮机工业的轻型燃气轮机集中在航空系统，发展了5大类自主燃气轮机。1）航机改工业燃气轮机，有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G 等。60 年代技术水平，已经生产上百台。2）专利生产航机改工业燃气轮机，有斯贝和WZ8，其中斯贝两种改型燃气轮机没有完成研制。另有引进生产许可证的GT25000舰用燃气轮机。3）合作生产燃气轮机，有FT8、QD10B、QY40等。4）正在改进中的航机改燃气轮机，有QD128、QD70、QD185等。5）863燃气轮机专项，R0110重型燃气轮机和微型燃气轮机。 2、国外燃气轮机现状当今世界70 年来重型燃气轮机燃气温度由早期的550提高到1600，单循环效率由17%提高到40%，单机功率由1.5MW到460MW，实现了巨大的技术跨越。世界重型燃气轮机制造业目前已形成了高度垄断的局面，基本形成了以GE、西门子、三菱、ALSTOM公司为主的重型燃气轮机产品体系，基本代表了当今世界燃气轮机制造业的最高水平。五、燃气轮机在坦克上的利用在坦克装甲车辆上，发动机是动力之源，其重要性不仅在于提供驱动功率，决定车辆的机动性，而且在于它的外形尺寸、燃油经济性以及在车辆上的安装位置与战车的生存力有着密切的关系。自坦克诞生以来，各军事大国都集中力量优先发展战斗车辆的高性能发动机，战车的发动机基本上经过了汽油机、柴油机、燃气轮机的发展历程。 1、燃气轮机在国外坦克上的装备历程对于国内车辆，特别是对坦克装甲车辆来说，燃气轮机是一种全新的动力装置。但是在国外，它与活塞式发动机一样，已被广泛应用干船舶、航空、机车、发电和坦克装甲车辆上。尽管燃气轮机到上世纪80年代初才首次装备在美国的M1坦克，但其研究工作很多年前就已开始。第二次世界大战结束后联邦德国就进行了坦克燃气轮机的研究，法国率先在坦克上安装燃气轮机进行了试验。英国在1954年举办的一个军事技术装备样品展览会上展出了一辆安装有帕森斯公司研制的735千瓦燃气轮机的试验型重型坦克。1948年，苏联已开始军用履带式车辆燃气轮机的研制工作。20世纪60年代，苏联进行了燃气轮机的装车试验，70年代初研制的燃气轮机坦克曾在乌克兰哈尔科夫野外试验中心试验。1984年装备的T-80坦克采用了约735千瓦的燃气轮机。1997年，俄罗斯又研制了功率为1103千瓦的燃气轮机，作为新型“黑鹰”主战坦克的动力。美国于1965年提出坦克和重型车辆用1103千瓦燃气轮机的发展计划，1979年底，莱卡明公司交付了第一台生产型AGT-1500燃气轮机，1983年该燃气轮机达到新发动机验收规范的要求，现已大量装备美国的M1主战坦克。继M1坦克用的AGT-1500燃气轮机以后，美国还研制了几种车用燃气轮机，如LV100燃气轮机推进系统是美国为研制第四代主战坦克动力装置的先进整体式推进系统(AIPS)规划的一部分。 2、燃气轮机在国产坦克上的装备历程我国从上世纪70年代起，对从国外引进的燃气轮机进行了装车试验，以研究燃气轮机在坦克上的应用前途及存在的问题。19741977年，科研人员开始研究燃气轮机装车的相关技术问题，并于19771978年进行了摸拟装车系统的台架试验。在这个基础上，1978年2月，确定了燃气轮机试验坦克的总体方案，即将ST6J-771燃气轮机横置于69式中型坦克上，作为该坦克的动力装置。为此，专门设计了传动箱、起动电机传动箱、超速离合器、起动控制装置、进气装置、燃油供给系统、润滑系统、排气系统等。同年9月底试制成了我国第一台燃气轮机试验坦克。 3、燃气轮机在坦克上装备的优越性 1）体积小、功率大和重量轻 由于工质在循环过程中连续不断的高速流动和高转速，所以坦克燃气轮机具有功率大、体积小和重量轻的优点。现今坦克燃气轮机的单位体积功率（P）达1200kW/m，比重量（G）达0.6kg/kW。2）良好的扭矩特性和高的扭矩储备系统 由于坦克燃气轮机是由其动力涡轮输出功率，而动力涡轮与燃气发生器为气动连系，所以当发动机在低转速或部分负荷工况下，仍可从燃气发生器获取充分能量来提高其扭矩。坦克燃气轮机的扭矩特性与柴油机相比，目前坦克柴油机的扭矩储备系数T达1.101.32而燃气轮机的ET达1.62.2（全负荷转速以800r/min计）。优异的起动性能 研制样机对比试验的结果表明，在常温和低温状态下，坦克燃气轮机同柴油机相较有着良好的起动性能。3）运转平稳 旋转-往复运动的质量引起活塞往复式发动机出现不平衡力和力矩，并引起扭转振动的产生；而燃气轮机所有的运动件都是旋转件，且都经过预先平衡的高速旋转件。因此，运转的高平稳性和良好的平衡性，提高了发动机的工作可靠性。4）相对小的动力装置尺寸 没有滑动摩擦，而仅为滚动摩擦，且燃烧产物不与润滑油接触；因此，燃气轮机的机油消耗量低，机油箱的容积小，为柴油机油箱的1/3。同时，燃气轮机没有柴油机所必需的冷却系统；从而缩小了动力装置的尺寸，简化了使用和减少了保养时间和工作量。5）低的热特征 柴油机为间歇燃烧，燃气轮机为连续燃烧。由于两种机型燃烧过程的差异，致使柴油机在燃烧的火焰中，含有燃烧产物的硬颗粒，它们具有高的温度且是强大的热辐射源；而燃气轮机在燃烧时，有着相当大的过余空气量，以保证燃料几乎完全燃烧，并且排出气体的温度较低而具有低的热特征。6）小的动力舱上装甲窗口面积燃气轮机燃烧用空气流动约为柴油机的2倍，但若将用于发动机冷却的空气流量考虑在内，则采用柴油机时所用的空气量大于燃气轮机，空气耗量的差异，影响着车辆动力舱上甲板开窗口面积的大小，安装燃气轮机坦克上甲板窗口面积仅为柴油机的3040。7）高的可靠性和耐久性与柴油机相比，燃气轮机的零件少30，易损件少60，且无往复摩擦运动；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均优于柴油机。4、燃气轮机在坦克上装备的不足和问题1）燃油的耗量大坦克燃气轮机的燃油消耗率高于柴油机的50%70%；而至本世纪初LV100的燃油消耗率仅高21%。根据苏军装备的不带回热器的GTD-1000的燃气轮机T-80和T-64A（装5TDF二冲程柴油机）和T-72（V-46坦克柴油机）三种车型试验结果表明：坦克每小时的燃油耗量燃气轮机高于柴油机65%68%；行驶每千米的燃油耗量则高40%45%。这是由于坦克在使用过程中坦克经常处于停车或下坡行驶状况，而致使燃气轮机常常怠速或涡轮喷嘴反向转动实施发动机制动的结果。2）在高温，高海拔环境下功率损失大据资料报导，坦克在环境温度为4050下使用，GTD燃气轮机的功率损失是柴油机的1.6倍。在3000m的高原使用，坦克柴油机的功率损失为9%10%（二冲程机高于四冲程机）；GTD-1000坦克燃气轮机的功率损失为15%。美国的AGT1500和LV100坦克燃气轮机的功率损失未见报导，但由于涡轮叶片可承受的高温高于GTD机型的涡轮叶片。为此，从理论分析AGT1500和LV100的功率损失要小于GTD燃气轮机。3）容易被烧熔颗粒沉积物的影响T-80坦克在沙漠使用中发现在燃气轮机后部的通道中有粘稠的颗粒熔化沉积物存在，从而导致发动机性能恶化或不可工作的情况。经查系在土库曼沙漠中一种未被滤清的颗（925熔化）熔化后未能排出而沉积的结果。专家张均享认为，问题的出现乃是T-80坦克燃气轮机采用了单级旋风筒空气滤清器，其效率为98%，而使直径2的颗粒进入发动机的结果。5、坦克燃气轮机的未来1）军事需求据资料报导，在对坦克的系统、部件通过改进、升级后，俄罗斯保有的T-80系列坦克仍采用GTD燃气轮机使用至2020年，美军保有的M1A1、M1A2坦克将更换LV100燃气轮机继续使用至2030年。据专家推测，此间电热化学炮有望用于主战坦克，则需求发动机的功率1470kW，这将给燃气轮机带来扩大使用的空间。如果电磁炮、电装甲和主动悬挂等新的系统和设备应用于主战坦克,则坦克发动机的功率将超过2000kW，与柴油机相比，燃气轮机仍具有优势。智能坦克有望用于实战，但是否能全部替代主战坦克仍是探讨之题。2）技术进步石油资源的日趋减少和作战后勤供应，坦克燃气轮机燃油耗量大已成为争论的焦点。但是，美军却强调继续采用燃气轮机为主战坦克的动力；俄、美均使用燃气轮机与电传动进行试验研究；加之装用燃气轮机的坦克所获得高的平均速度、集群大纵深行动的战术、技术速度，短的冲击时间和高的战场生存能力，这些或许是坦克燃气轮机继续使用的原因。进一步降低坦克燃气轮机的燃油消耗量，可通过下述的三个方面。第一，可燃冰未来可作为燃气轮机能源替代品。可燃冰是一种把天然气包裹在冰状晶格下的固体晶体物质，多为白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色。由于含有大量甲烷气体，可燃冰极易燃烧。可燃冰具有能量密度高、占用体积小的特点，在同等条件下，可燃冰燃烧产生的能量比煤、天然气、石油要多出数十倍，而且燃烧后不产生任何残渣和废气，避免了污染问题。据了解，1立方米可燃冰可以分解释放出160立方米以上天然气。同时，可燃冰资源量大。据估算，在世界各大洋中，可燃冰的总资源量是全球已知煤、石油、天然气总储量的2倍。储量巨大、高效清洁、燃烧值高等特点，使得可燃冰被誉为21世纪最具商业开发前景的绿色清洁战略能源，能够解决燃气轮机燃油消耗量大的短板。第二，从发动机本身：提高涡轮前燃气的温度；提高燃气轮机的压比，同时并解决与回热器回热度的匹配问题；采用中冷、补燃循环。第三，采用混合动力系统由车辆发动机、传动装置和其辅助部件（进气、润滑、冷却及电子控制等）组成的将能量转换和传递（液体、机械和电）的动力系统，由于采用部件性能的差异，而存在着传递功率损失的不同。混合动力系统是向坦克的各部件提供需求能量的动力源。由发动机同带有自动解脱离合器的高效能发电机、起动电机集成为一体的混合动力装置、变流器、直流电源总线、驱动电机、紧凑型大容量脉冲电源，控制和热管理装置等组成。所以未来坦克燃气轮机的研究还有很大的发展空间。六、燃气轮机的未来燃气轮机属于重大核心装备，如果长期依赖进口，在关键技术上受制于人，不利于我国燃气轮机动力产业及相关产业的健康、快速发展。随着我国天然气资源大规模开发利用，西气东输、近海天然气开发、液化天然气（LNG）引进、可燃冰开发、煤层气的综合利