重型燃气轮机工业的发展与展望

重型燃气轮机工业的发展与展望

0我国跨界竞争现状简而言之，无论类型的航空气气中气、新兴气、重型（发电）气、车辆和工业气、船舶和各种小型气的总称。自1939年世界第1台发电用重型燃气轮机在瑞士诞生以来,重型燃气轮机制造和发电产业在全球迅速发展,目前基于燃气轮机及联合循环电站的发电量约占全球发电总量的22%,且还在稳步增加。迄今为止重型燃气轮机主要燃用天然气和燃油,同时也在大力开发燃用煤气化合成气等富氢燃气乃至纯氢的燃气轮机,以扩大重型燃气轮机燃料的范围;与此同时,表征重型燃气轮机技术水平的燃气温度和压比及热效率还在不断提高,单机容量继续加大。目前最先进的重型燃气轮机单循环和联合循环的热效率已分别达到了40%-41%和60%~61%,成为所有热–功转换发电系统中效率最高的大规模商业化发电方式。国内外科技界与产业界已认识到,重型燃气轮机将是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备。我国重型燃气轮机行业进入了大发展的新阶段我国重型燃气轮机产业建立于20世纪50年代,与发达国家相比起步并不晚,但是六十多年来行业的发展基本呈马鞍型,目前与发达国家差距很大。在早期阶段(1950—1970),我国在消化吸收前苏联技术的基础上自主设计、试验和制造燃气轮机,开发出200~25000kW多种型号的燃气轮机,包括车载燃气轮机、机车燃气轮机和重型燃气轮机等,培养了我国第1代燃气轮机核心技术自主研究开发、试验研究、产品制造和工程服务技术队伍,全行业技术水平进步很快;在中期阶段(1980—2000),由于全国油气供应严重短缺,国家不允许使用燃油/燃气发电,重型燃机失去市场需求,全行业进入低潮,全国除保留南京汽轮机厂一家重型燃机制造厂外,其他制造企业全部退出,人员和技术流失,大学燃机专业改行,人才培养和国家研发投入基本停止,与国际水平差距迅速拉大。近期阶段从2002年开始,随着西气东输和进口液化天然气(LNG)的增加,我国启动了重型燃气轮机国内市场需求,通过引进了国外先进的F/E级重型燃机制造技术,并成功实现了国产化制造,满足了我国电力工业的需要,至2013年底全国燃机电站装机超过34000MW,约占全国发电总装机容量的3%。按照我国国民经济发展前景,在未来长时期内我国发电总装机还需要大幅度增加,同时我国电力工业面临的资源、环境压力与日俱增。减少煤炭消耗,增加绿色、可再生、低碳发电的比例,最终达到大幅度减少二氧化碳和污染排放,构建可持续发展的能源电力系统,已经成为全民的共识。在这个历史进程中,重型燃气轮机在我国迎来了前所未有的发展机遇。1中国的电气工业需要大量的机车1.1燃气蒸汽联合循环发电效率较高2013年我国国民经济的总规模名列世界第二,发电设备总装机已经达到12.3亿kW,为世界第一,但人均发电装机和人均用电量大约为美英德法日等发达国家的1/4~1/3。为了实现我国的工业化、城镇化和农业现代化,我国电力工业还将继续扩大规模,据预测到2030年我国发电总装机将再翻一番,约达到25亿kW。燃用天然气的燃气蒸汽联合循环是人类已经掌握的高效洁净发电技术,目前最先进的联合循环电站效率高达60%~61%,NOx排放降低到15mL/m3甚至个位数,没有SOx和粉尘排放,二氧化碳比排放只有超临界燃煤电站的约40%。由燃用天然气的燃气轮机组成的热电冷多联供系统的能源利用效率可达75%,是分布式发电和区域能源系统的主要形式。随着我国国民经济的发展和城镇化的推进,我国电力工业对燃气轮机的需求将是巨大的。1.2燃气蒸汽联合循环电站wy2013年我国天然气消费是2004年的4倍,达到1676亿m3,最近国务院提出到2020年要达到4000亿m3。世界各国使用天然气的现状是发电约占1/3,按照此比例,到2020年,我国天然气工业可以为1.6亿kW燃气蒸汽联合循环电站提供足够的燃料。目前我国正在有序发展煤气化联合循环(IGCC电站)、多联产和煤化工产业,其中也要采用燃气轮机,再加上石油化工和冶金工业生产过程中需要的燃气轮机,未来十年内我国天然气工业和其他工业需要的重型燃气轮机的市场规模可以达到(4000~5000)亿元(人民币)。1.3自主研发能力增加“十二五”期间,我国财政科技投入和全社会研发投入(R&D)持续增长,2013年已经超过12500亿元,占国内生产总值(GDP)的2%左右,在发展中国家处于领先地位。近十年来国家通过设立基础研究、863、973项目等,对燃气轮机的研发投入显著增加。除了中央政府的投入之外,地方政府、企业和社会各界也积极参与到燃机的研发中,从而为发展燃气轮机技术和产业提供强有力的资金保障。2国际能源技术的现状和发展趋势2.1心技术研发燃气轮机研发技术难度大、投资大、周期长,在美德日法等国家,每一代产品的基础研究和核心技术研发都是在政府的资助下,组织相关企业、高等院校和科研机构共同开展的,在核心技术取得突破之后,企业就进一步增加投资和研发力度,并发展为产品。目前燃用天然气的E、F级重型燃气轮机技术已经基本成熟,H、J级产品也已经进入市场,基础研究与核心技术研发的重点是下一代更高温度、超低污染的天然气燃气轮机,以及用于IGCC、多联产、煤化工,以及未来近零排放的二氧化碳捕获利用系统(CCS)中的富氢燃料乃至纯氢燃料燃气轮机(参见图1)。美国能源部(DOE)在2005年同时启动为期6年的“先进IGCC/H2燃气轮机”项目和“先进燃氢透平的发展”项目。这2个项目以NOx排放3mL/m3的燃气轮机为目标,主要研究内容包括:富氢燃料/氢燃料的燃烧、透平及其冷却、高温材料、系统优化等。欧盟2007年在其第七框架协议(FP7)中启动了“高效低排放燃气燃气轮机和联合循环”重大项目,以氢燃料燃气轮机为主要研究对象,预期为未来的近零排放和二氧化碳捕获利用能源系统打下理论基础。欧盟第七框架(FP7)在2008年又把“发展高效富氢燃料燃气轮机”作为一项重大项目,旨在加强针对富氢燃料燃气轮机的研究,为2015年实现其近零排放煤基IGCC系统奠定基础。日本将高效富氢燃料IGCC系统的研究作为未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期28年的“新日光计划”中(WE-NET),以效率大于60%的低污染煤基IGCC系统为目标展开研究。2.2单循环及联合循环效率表征燃气轮机循环热效率的2个主要参数是燃气初温与压气机压缩比。当代F级重型燃气轮机的燃气初温为1400℃左右,单循环效率达到38%,联合循环效率达到57%;先进的G/H/J级燃气轮机燃气初温已经达到1500~1600℃左右,单循环和联合循环效率分别达到40%~41%和60%~61%(表1);未来级重型燃气轮机燃气初温的目标是1700℃,其单循环和联合循环效率将分别达到43%和64%左右。2.3燃烧结构类型随着透平进口温度的提高,同时受到污染物排放的限制,G/H/J级重型燃气轮机燃烧室的技术特征主要体现在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面。表2所示为国外公司燃用天然气燃烧室的技术参数,3家公司在先进燃烧室的结构类型上都选择了环管型燃烧室来保证燃烧的稳定性,同时结合贫预混、多喷嘴和分级燃烧实现在较宽的工作范围内保持较低的污染物排放。为了减少冷却所消耗的冷气量,将空气更好地用于组织燃烧和保证燃烧室出口温度剖面,G/H/J级重型燃气轮机燃烧室均采用了热障涂层和先进的冷却形式来保护燃烧室筒壁、提高冷气利用率。燃烧组织是燃烧室设计的核心,先进燃烧室最大的特点是将旋流器和喷嘴合二为一,GE的Swozzle、西门子的SFI和三菱的VNozzle都是这样的设计,如图2所示。相比于以往的旋流器和喷嘴分离的设计,这种方式能够使得燃料和空气掺混更加均匀,减少火焰中的高温峰值,同时能够更好地稳定火焰。2.4燃气轮机压气机设计压气机作为燃气轮机三大部件之一,其技术参数正向着高负荷、超大流量的方向发展。目前较为成熟的F级燃气轮机压气机都属于中低负荷设计,如三菱的M701F压气机平均级压比为1.181,西门子的V94.3压气机平均级压比为1.194,GE的9FA压气机平均级压比为1.164。下表为GE、西门子、三菱公司最先进的G/H/J级重型燃气轮机压气机的基本参数。从表3中可以看出,G/H/J级重型燃气轮机的压气机级压比基本都已达到1.25左右。高负荷压气机内部存在强逆压梯度,流动极为复杂。负荷的增加使得三维损失问题更加显著,多级匹配和气动布局难度增大,激波、转捩、流动分离等更加不易控制。为了提高压气机负荷同时保证较高的部件效率,国外公司在其先进压气机设计中采取了多种措施,包括采用先进叶型(三菱的MCA、CDA叶型,西门子的HPA叶型)、三维叶片设计理念(尤其是前几级跨音叶片的弯掠三维造型)以及多排可调叶片等等。冷却是透平设计的关键,也是现代重型燃气轮机最关键的核心技术之一,其难点在于透平的热负荷在不断地提高,而冷气量却极为有限。目前应用较为广泛的冷却方式包括内部强化换热和气膜冷却,其几何结构和布置形式的变化都会对冷却效果产生显著影响。图3为三菱公司从D级到J级透平叶片冷却形式的发展过程,可以看到冲击冷却、全覆盖气膜冷却和新型气膜冷却孔被用到了最新的产品中,各家公司都在全力挖掘这些冷却形式的潜力来满足更高温度等级透平冷却的需要。2.5铸造技术的特点材料方面的进展,尤其是高温合金及其加工方式的突破极大地推动了重型燃气轮机的发展。透平叶片的精密铸造技术就是典型的代表,从多晶、定向结晶到单晶,透平叶片能够承受的燃气温度不断上升,燃气轮机整机的效率也不断上升。图4为三菱公司透平叶片材料的发展历史,图4很好地反映了材料发展与燃气轮机产品进化的关系,同时也显示出材料性能革新的难度(其研发周期要远长于燃气轮机产品的更新换代)。2.6燃气轮机的运行环境正越来越丰富燃气轮机不仅是21世纪天然气发电的主要设备,同时也是许多高效洁净能源动力系统的核心动力装备,如IGCC发电与多联产、分布式发电与热电冷联供、工业系统中余热余能回收、高/焦炉煤气、煤层气、伴生气、炼化尾气等中低热值燃气发电、高温气冷堆核电等。燃气轮机的工质、循环及参数、燃料类型、功率大小和运行环境等正在迅速多样化。例如:闭式循环、间冷、回热、再热等复杂循环燃气轮机,蒸汽冷却燃气轮机,以各种中低热值富氢燃料乃至氢为燃料的燃气轮机,单机功率为300MW以上的超大功率和仅为几百瓦的超小型燃气轮机,在极端环境(沙漠、极地、核反应堆内等)下运行的燃气轮机,以氦、湿化空气和其他特殊气体为工质的燃气轮机等。这些都有赖于对燃气轮机的核心技术及相关交叉学科进行更为广泛和深入的研究,科技界与产业界都面临挑战。3当前和水平：中国3.1国外燃气轮机制造技术的借鉴与示范为了满足国内对燃气轮机电站建设的迫切需求,增大燃气轮机设备本地制造的比例、减少工程造价和降低运营成本,从2003年3月起国家发展与改革委员会组织了3次F等级(~260MW)和E等级(~120MW)燃气轮机的“打捆招标”工作,总容量达20000MW(60多台套)。国内四大重型燃气轮机制造企业借此引进了3家国外燃气轮机公司的E级和F级重型燃气轮机制造技术,并均完成了机组总装和厂内空负荷试车(三菱和西门子燃气轮机不需要厂内空负荷试车)。这促进了近几年我国燃气轮机工业的发展,但引进的机种和国外先进水平相比还有很大差距,国外燃气轮机制造企业通过提供热端部件维修、备件以及其他技术服务获取了巨额利润,而我国制造企业由于没有掌握燃气轮机核心技术、不具备产品的自主研发和设计能力以及热端部件的制造核维修能力,全行业处于产业链的低端,整体上不具备与国外企业竞争的能力。有鉴于此,“十五”期间,国家科技部通过863计划支持开展了R0110(110MW)重型燃气轮机设计研制,目前已完成首台R0110燃气轮机的设计、制造和带负荷发电实验,初步建立了重型燃气轮机的设计、制造、材料、标准化体系。“十一五”期间,又通过863计划支持开展了“中低热值燃料R0110燃气轮机研制及其在IGCC电站中的工程应用示范”和“F级中低热值燃料燃气轮机关键技术与整机设计研究”,目前已经完成了燃气轮机的总体方案设计,正在进行部件的试验和制造。3.2燃气轮机基础实验研究平台取得了一批不符合国外先进水平在基础研究方面,“十一五”期间国家973计划部署实施了2个大型研究项目。一是“燃气轮机的高性能热-功转换关键科学技术问题研究”项目,通过该项目的实施,在国内建设了一批测量技术先进的机理性实验研究平台,开展了燃气轮机相关基础研究,获得了一批基础实验研究数据,在多级轴流压气机、燃烧室和空气冷却透平的流动、燃烧、传热机理以及设计理论等方面解决了一批关键科学问题,缩短了与国际先进水平的差距;二是“大型动力装备制造基础研究”项目,该项目研究了蒸汽/空气双工质超强冷却的机理,研制出F级透平高温动叶片,初步构建了盘式拉杆组合透平转子系统设计体系,建成了重型燃气轮机转子综合试验系统。这两个基础研究项目虽然都取得了重要的成果,但还远不能满足我国重型燃气轮机行业发展对核心技术的需要。3.3大型试验设施建设亟待完善我国燃气轮机试验设施总体上与世界先进水平的差距非常大,远不能满足自主研发的需要。在基础与应用基础研究试验设施方面,过去几十年基本上处于各大学和科研机构自发建设状态,而且以小型低参数的机理性基础研究实验设施为主,投资少、水平低,并存在大量的重复建设,大型、高参数、测量技术先进、用于关键技术验证的实验研究设施十分稀缺。我国燃气轮机制造企业十分需要在设计参数条件下对自主研发的压气机、燃烧室和透平部件的设计性能进行实验验证,但是这些试验设施投资巨大、设计建设技术难度很大、运行维护成本很高,建设和运营这一类大型试验设施是全行业面临的巨大挑战。近年来随着自主研发的逐步深入,我国在大型试验设施建设方面也取得了可喜进展,如中船重工集团703所和东方汽轮机公司都建成了驱动功率为25MW等级的多级轴流压气机实验台,也在规划建设全尺寸燃烧室和透平冷却高温实验台等。此外,我国航空发动机设计研究所已经建成了压气机、燃烧室和透平等部件的大型试验设施,这些试验台的流量、温度、压力等参数虽然可以满足航空发动机部件的试验需要,但是试验台架不能与重型燃气轮机实现通用。综上所述,我国目前的燃气轮机试验装置分散且不成体系,还没有形成从基础研究到关键技术验证,直至部件性能试验验证的完整的试验设施平台。4中国重机车发展4.1基础和应用基础研究是自主产品研制的基石由于历史原因,我国燃气轮机基础研究的水平和规模、核心技术储备和人才培养能力还比较薄弱,还不足以支撑行业的可持续发展。因此我国重型燃气轮机发展需在基础研究先行的前提下,加快我国重型燃气轮机自主创新体系的建设,同时在此基础上构建具有竞争力的燃气轮机产业体系。半个多世纪世界各国发展燃气轮机产业的历史经验表明,只有在基础和应用基础研究上取得了突破,真正掌握了核心技术,才具有自主开发产品的能力;只有基础和应用基础研究达到世界先进水平,才有可能研制出世界先进水平的产品,要自主发展燃气轮机,基础和应用基础研究必须先行。从行业发展战略和重点型号的技术要求出发,要科学合理地制定和落实基础和应用基础研究计划;要按照国际通用的技术成熟度概念,确定不同基础和应用基础研究工作内容、深度和验收标准,做好基础和应用基础研究与产业化应用的对接,确保基础和应用基础研究成果的科学价值和实用效果,为下一步开展自主产品研制提供核心技术和人才储备。此外,还要根据学科发展趋势,鼓励燃气轮机学科前沿的探索性、前瞻性课题的基础研究,力争在燃气轮机新概念、新方法、新技术、新材料的原始创新方面有所突破。4.2械内流气动力学与计算燃气轮机技术复杂涉及面广,从基础和应用基础研究角度可以划分为如下10个学科及其交叉学科:燃气轮机系统和工程热力学、声学、叶轮机械内流气动热力学与计算流体力学、传热学、燃烧学、固体力学与转子动力学、控制科学、材料科学、机械制造学和测量技术。根据我国重型燃气轮机行业对核心技术的需求,基础与应用基础研究的重点应围绕热端部件(燃烧室、透平)和控制系统的核心技术进行,包括部件的机理和性能、设计方法和设计准则、试验研究与测量技术、高温与耐热涂层材料及其加工工艺、热端部件疲劳与寿命评估、热端部件维修核心技术等。4.3项目建设内容2013年国务院发布了《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》,其中把“洁净高效燃气轮机实验装置”列为“十二五”启动的项目之一。结合我国实际情况,该项目的内容可包括如下3方面:1)建设燃气轮机三大部件(压气机、燃烧室、透平)的基础和应用基础研究的实验设施,进一步深入研究与探索三大部件的机理和关键技术,重点发展叶轮机械内流气动热力学与计算流体力学、传热学、燃烧学、声学等学科。2)建设燃气轮机多学科和交叉学科的基础和应用基础研究的实验设施,促进燃气轮机系统和工程热力学、固体力学与转子动力学、控制科学、材料科学、机械制造学和测