燃气轮机的市场分析

张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所　河南洛阳　471023



燃气轮机的市场分析

张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所河南洛阳471023

发展集新技术、新材料、新工艺于一体的燃气轮机，是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一。概述了燃气轮机，分析了燃气轮机民用和军用市场，以及国内大型民用工程燃气轮机叶片的现状，并介绍了我国目前燃气轮机的研究进展。

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燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，具有热效率高、经济性好、机动性好、可靠性高、寿命长等一系列优点。自20世纪40年代问世以来，燃气轮机获得了飞速发展，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。

1　燃气轮机概述

燃气轮机的定义为： 由压气机、加热工质设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备组成，将气体压缩、加热后送入透平中膨胀做功，把一部分热能转变为机械能的旋转原动机。

燃气轮机分为三类： ① 微型燃气轮机，功率为几百瓦，主要替代柴油机用于机车和坦克；② 轻型燃气轮机，功率在1MW以上、50MW以下，应用于循环发电、石油和天然气的管道运输，钢厂的焦炉废气再次燃烧，以及舰船等，欧美舰艇燃气轮机装配率在50%以上；③ 重型燃气轮机，功率在50MW以上，主要用于大型舰船和区域发电。

1939年，瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机。燃气轮机是航空史上的一次动力革命，以燃气轮机作为原动机的发电装置首先在美国得到应用，不少通信局站都采用了燃气轮发电机组作为交流备用电源，如美国索拉公司及DreeSser公司等生产的燃气轮机发电机组已成系列。

日本在20世纪70年代开始应用燃气轮机，据介绍，因为日本是一个多地震国家，为保证安全可靠，大部分通信局站都采用燃气轮机发电机组作为备用电源。川崎重工业株式会社于1970年完成第一台燃气轮机发电机组，现已生产固定备用式、车载式及拖车式多种容量和多种用途的系列产品。

挪威、意大利、法国等不少欧洲国家也都有自己的燃气轮机产品，并得到较普遍的应用，如法国电信公司在20世纪90年代初开始采用燃气轮机发电机组作为通信交流备用电源。

我国在20世纪50年代中期开始仿制苏制军用燃气轮机，并逐步形成了燃气轮机制造工业体系，以满足我国航空工业的需要。

2　燃气轮机民用市场分析

燃气轮机体积小、质量轻、启动快、安装快，用水少或不用水，能使用多种液体和气体燃料，在发电上多用于调峰。此外，燃气轮机在油气开采输送、交通、冶金、化工、舰船等领域也得到广泛应用。

就西气东输管网主干管道而言，由新疆轮南气田到上海市区，全长4000km，沿线约40个增压站。由此可见，天然气长距离输气管线将是燃气轮机的最大用户之一。

西气东输管道工程燃气轮机压缩机组是国内目前功率级别和压力等级最高的机组，综合技术处于国际领先水平，效率高，可靠性高，支持快速维修，控制系统可靠性强。机组由RB211-24G燃气发生器、RT62自由动力涡轮、RF3BB36离心压缩机、PIC控制系统、附属支持系统组成。燃气发生器是整套机组的核心部件，属于航空改型产品，具有高可靠性，其工业机型从20世纪70年代开始研发，20世纪80年代开始大规模应用于油气生产领域。目前该机型已有近400台在世界各地服役，总运行时间接近1300万h[1]。

QD128燃机是中国研制生产的第一种轻型燃气轮机，已成功打入国际市场。2011年7月，经过激烈角逐，两台套QD128燃气轮机发电机组及安装调试工程中标伊拉克米桑油田自备电站项目。QD128燃气轮机发电机组还通过了伊朗能源部首批核心设备技术确认书的审批，与伊朗一化工厂的8台套联合循环发电机组项目合同正在签署中。此外，澳大利亚调峰发电项目目前处于投标中。缅甸、伊朗、古巴、孟加拉国等国也对该燃气轮机表现出浓厚的兴趣，多次派人与中国洽谈。伊拉克为建设N0 EPC/G/IS半移动式12MW燃气轮机发电项目，以及阿富汗、巴基斯坦、土库曼斯坦为建设天然气输气管线工程，都对应用该燃气轮机非常感兴趣，目前正在与中国商谈之中。

QD128燃气轮机成功在国内外市场销售，使我国跻身国际燃气轮机供应商行列，是一个历史性的突破，具有里程碑式的意义，实现了中航工业为世界贡献动力的诺言。

小型燃气轮机主要是400kW～15MW采用涡流式技术的燃气轮机，标志性产品是美国索拉公司的星座系列和加拿大普拉特·惠特尼公司的ST系列，前者是专为地面应用而设计的工业型燃机，后者为小型航空涡轮发动机的地面改型产品，或称轻型燃气轮机。

微型燃气轮机主要是25kW～300kW并采用轴流技术的燃气轮机，标志性产品主要是英国宝曼公司的TG系列微燃机和美国卡伯斯通公司的产品等。

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，即以通用电气(GE)、西门子/西屋、原ABB等公司为主导核心，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。

目前，世界轻型燃气轮机制造业也形成了GE、罗尔斯·罗伊斯、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。

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，系统效率突破60%)，并实施多项大发展计划，如先进动力透平系统(ATS)等。美国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。英国、意大利、法国等国都生产出当今世界性能最好的FA型燃气轮机。英国和法国在航机陆用领域也有很大进展，日本在开发高温陶瓷燃气轮机方面进展也很迅速。

国际燃气轮机的主要生产企业有美国GE公司、法国阿尔斯通公司、美国索拉燃气轮机公司、英国罗尔斯·罗伊斯公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。

国内发电企业采购商有上海闸电燃气轮机发电有限公司和中山嘉明电力有限公司等。

船舶企业采购商有大连船舶重工集团有限公司、上海外高桥造船有限公司、沪东中华造船(集团)有限公司等。

航空企业采购商有中国航空科技工业股份有限公司、西安飞机国际航空制造股份有限公司、成都飞机工业(集团)有限公司等。

燃气轮机行业的领先企业有东方电气集团东方汽轮机有限公司、上海汽轮机有限公司、西安航空发动机(集团)有限公司、杭州汽轮机股份有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限公司、南京汽轮电机(集团)有限公司、青岛捷能汽轮机集团股份有限公司、胜利油田胜利动力机械有限公司等。

近年来，中船重工集团和中航工业集团公司通过消化吸收乌克兰UGT25000燃气轮机技术，已经初步掌握了工业燃气轮机的设计制造技术，有能力研制与管道压缩机配套的高速燃气轮机。

自20世纪50年代末以来，燃气轮机已经成为中大功率天然气管道增压用途中最广泛的驱动机。截至2011年底，我国(包括中亚管道)安装投产的长输天然气管道压缩机组近200台，总装机功率达4335MW，其中燃气轮机驱动的机组为146台，ISO条件下装机总功率已达3549MW。2015年，我国管道用燃气轮机的保有数量超过200台，总装机功率超过5000MW。

华电分布式能源工程技术有限公司已与美国GE公司强强联手，在上海成立华电通用轻型燃机设备有限公司，生产航改型燃气轮机，拓展中国分布式能源市场。GE将转移部分部件在我国国内生产，并逐步提高国产化率。

我国将是世界上最大的燃气轮机潜在市场。在美国，分布式能源已占全部能源总量的30%，而我国在这方面刚刚起步，市场潜力巨大。

3　燃气轮机军用市场分析

舰船动力装置主要有蒸汽动力装置、柴油机动力装置、核动力装置、燃气动力装置和联合动力装置。前两种装置发展得比较早，广泛应用于各类舰船，后三种系近十多年来迅速发展起来的新型动力装置。舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置，它自20世纪50年代末期起，尤其是60年代中期以来，已得到了极其广泛的应用，功率总数日益增长，装舰使用范围日益扩大，已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等。

目前世界上燃气轮机工业强国有两派四国，两派指以英美为代表的欧美西方流派和以前苏联为代表的东方流派，四国指英国、美国、俄罗斯、乌克兰，这些国家的代表性燃气轮机有奥林巴斯、斯贝、LM2500、FT8、UGT-25000、WR-21、MT30等[2]。

英国是第一个将燃气轮机作为舰船动力的国家，也是第一个将航空喷气发动机改为舰船用燃气轮机的国家。1968年，英国海军决定之后发展的大中型水面舰艇全部以燃气轮机为主动力，英国具有代表性的燃气轮机有奥林巴斯、斯贝、WR-21和MT-30型号，分别用在护卫舰、驱逐舰、巡洋舰甚至是航母上，英国的舰用燃气轮机始终处于世界领先水平。

美国的燃气轮机工业建立在英德两国的基础上，其中最具代表性的就是GE公司的LM-2500燃气轮机。普·惠公司是美国的第二大航空发动机制造商，主要从事军民用航空发动机的研制和生产。普·惠公司于20世纪80年代末在成熟的JT8D发动机的基础上开发了FT-8燃气轮机，该机以单机功率大、质量轻、尺寸小、机动性好、系统简单、易于维护、可靠性好、振动噪声小等突出特点在工业应用方面占据很大的份额。

早在1957年前苏联就制定了舰船燃气轮机发展规划，是世界上首先采用全燃气轮机动力装置技术的国家。到1960年，苏联已先后完成第一代M-1、M-2、M-3，及第二代M-5、M-6、M-7两代舰船用燃气轮机的研制生产，并大量装舰。

乌克兰因前苏联时代的工业布局原因，继承了安东诺夫设计局等前苏联遗产，在研制燃气轮机方面实力雄厚。乌克兰除了继续生产前苏联时代的UGT-8000、UGT-16000、UGT-15000等燃气轮机外，还自主研制了UGT-25000燃气轮机。

中航工业动力所近年来发展了QD128、QC185、QC70、R010四款燃气轮机，其中R010为重型燃气轮机，QD128和QC185是中档功率燃气轮机，QC70是小功率燃气轮机。QC185可用于大型驱逐舰，QC70则可用于气垫船，这标志着我国在装备自主研制生产的舰用燃气轮机道路上迈进了关键一步。

目前，全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家，全世界使用的工业燃气轮机约有5万台，而且全球的燃气轮机市场几乎被欧美公司所垄断。

由于不同的历史背景，燃气轮机形成了不同的技术发展道路，一条是以罗尔斯·罗伊斯、普·惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型成工业和船用航改轻型燃气轮机的道路，另一条是以西门子、ABB为代表遵循传统蒸汽轮机理念发展出工业重型燃气轮机的道路。工业机主要用于机械驱动和大型电站。

目前，在研制、生产轻型燃气轮机的同时，沈阳航空发动机设计研究所、沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司和有关单位已着手开发新型燃气轮机，不久，拥有国内自主知识产权的大型、轻型和微型三大系列燃气轮机将陆续走向国内外市场。

4　国内大型民用工程燃气轮机叶片现状

高温材料是先进燃气轮机的关键材料，用以生产重型燃机气缸和压气机动静叶片、环形件、燃气导管等零件。无论是重型还是轻型燃气机，制约发展的关键部件仍旧是燃机叶片部件，目前重型燃机叶片全部采用进口，每年叶片备件费用在l亿美元以上。为满足工业燃气轮机的要求，涡轮叶片和导向叶片的要求更高。为进一步提高涡轮入口温度，导向叶片目前使用定向凝固柱晶和单晶高温合金，国际上已使用第五代单晶合金制造导向叶片。国内生产的燃气轮机叶片存在工艺稳定性差、成品率低、表面防腐、耐高温涂层工艺配套性能不够等问题。

目前一台燃气轮机中工作叶片分为3级，每级有92片工作叶片，共计276片。导向叶片也分为3级，共计108片。由于工作条件比较恶劣，燃气轮机的各级叶片工作寿命平均为15000～24000h，也就是说一台新机投产运行约2a后，其工作叶片及导向叶片将进入更新周期。按照燃气轮机涡轮叶片的总量，一台正常运行的燃气轮机每年需要工作叶片备件110片、导向叶片备件60片。

从目前已运行的燃气轮机情况看，小型燃气轮机每年需要动叶片备件13200片、导向叶片备件7200片；中型燃气轮机每年需要工作叶片备件3200片、导向叶片备件1740片。仅从叶片需求量上就反映出高温合金的市场还是很大的，随着今后燃气轮机装机容量的增加，叶片备件的市场需求更将逐年增加。

燃气轮机是现代制造业的动力之源，其中的涡轮高温叶片是燃气轮机的核心部件之一，上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”在上海大学通过专家验收，这标志着该领域的国产技术已接近国际最高水平。该项目的成功，不仅有助于我国在燃气轮机关键部件方面突破国外封锁，对于国内发电厂来说也是重大利好消息。以重型燃机的1级涡轮为例，一共有96片高温合金叶片，如果采用国外厂商的产品，一片叶片的制造成本在40万元左右，市场售价达100万元；但如果采用国产叶片，制造成本只有10万元左右，仅为国外价格的1/4，这无疑将大大降低电厂、大型客机、特种船舶等使用燃气轮机领域的成本。当然，国产单晶叶片投入市场还有3～5a的路程要走。

据统计，目前全世界每年需叶片约3500套，而目前的产能约2000套，存在市场空缺，空缺市值30亿美元以上。亚太地区目前每年需求约700套，约有300套的市场空缺，市值9亿美元，而且以10%～15%的速度增长。

燃气轮机叶片的制造公司主要有无锡鼎元精工机械有限公司、四川成发航空科技股份有限公司、通华燃气轮机服务有限公司。上海电气已制造出国际上最先进的F级256MW重型燃气轮机涡轮高温叶片。

定向凝固镍基柱晶高温合金DZAl7G是我国先进的第三代航空发动机的低压一、二级涡轮叶片材料，DZ417G合金是在K417G合金基础上研发成功的具有自主知识产权的专利合金。

近年来，中国科学院金属研究所高温合金研究部研制了K444、K435、K452、K446和GH4413等5种抗热腐蚀高温合金，其最大特点是抗热腐蚀性能优异，力学性能稳定性良好，适于制造舰船和工业燃气轮机(如R0110重型燃气轮机)用涡轮叶片、导向叶片和整流支柱等高温结构件。这5种合金在微量元素的种类和数量控制上具有创新，且具有自主知识产权。此外，科研机构还研制了高强抗热腐蚀定向合金DZ411，用于10MW级燃气轮机和300MW级重型燃气轮机的高压涡轮叶片；研制了目前国内强度水平最高的抗热腐蚀单晶合金DD10，正在准备进行20MW级燃气轮机的叶片考核；发展了磷和硼复合强化的GH4169G合金，并已经在航空工业中获得了重要应用[3]。

5　我国目前燃气轮机的研究进展

21世纪，发电设备和重要军事设备动力以燃气轮机及其联合循环为主，未来舰船动力和坦克动力均采用燃气轮机将是趋势，燃气轮机产业水平将成为一个国家产业先进程度的标志。发达国家工业燃气轮机与航空发动机的销售额比例为2∶3，而工业燃气轮机中航空改型的轻型燃气轮机所占比例不断上升，即使是重型燃气轮机也正在逐步采用航空发动机的技术。目前我国发动机行业工业燃气轮机的比例还很小。

国家高技术研究发展计划(863计划)先进能源技术领域微型燃气轮机重点项目课题“1MW级微型燃气轮机及其供能系统研制”已在株洲通过了国家科技部组织的课题验收，标志着我国首台高性能1MW级燃气轮机研制成功。

我国管道用燃气轮机的应用特点如下[4-6]：

(1) 以进口机组为主，型号集中。目前管道应用较多的主要有GE、罗尔斯·罗伊斯公司的航改型燃气轮机，索拉、西门子等公司的中小型重型燃气轮机，以及乌克兰、俄罗斯等国家的一系列燃气轮机。目前国内管道用燃气轮机全部为进口机组，市场被GE、罗尔斯·罗伊斯和索拉三家供应商所占有，PGT25+和RB211两款航改型燃气轮机分享了30MW级燃气轮机市场，而索拉公司则垄断了20MW以下级燃气轮机市场。因此，国内管道应用中保有机组型号比较集中，目前数量最多的为PGT25+、RB211和Titanl30三种机型。

(2) 以机组备用方式为主。

(3) 以大功率机组为趋势。根据天然气管道运行的特点，适用燃气轮机的功率等级大致可分10MW以下、15MW、20MW～30MW等几个等级。近年来，效率更高、驱动功率更大的燃气轮机也开始在天然气管道，特别是海底管道中得到了应用。

我国从国外引进了一批中小型燃气轮机发电机组，主要以美国GE公司的6B、瑞士ABB的13D等燃气轮机发电机组为主。

石油化工行业包括油田、海上平台、气田的发电、增长、注水、注气，已经开工的西气东输管线增压站需要2万kW等级燃气轮机作为压缩机的动力。

舰船用燃气轮机总量呈增长趋势，未来主要有4000kW、10000kW、25000kW、33000kW等4种功率等级的燃机，4000kW和33000kW功率等级已有WJ6G型和FF8型，其余两种功率等级产品有待研发。

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，其功率为1000kW～5000kW。

当前我国燃气轮机产品的主要发展目标如下： 重型燃气轮机在批量生产40MW等级的基础上，争取近期内能批量生产100MW和200MW等级的大功率、高效率燃气轮发电机组，并组成相应的燃气/蒸汽联合循环电站，初步形成燃气轮发电机组系列产品，满足我国发电市场的需要；争取在5～10a内批量生产7MW、15MW～20MW和25MW三种功率等级的舰用燃气轮机，以满足我国海军现代化的需要；争取近期内批量生产10MW～25MW的机械驱动用燃气轮机，以满足输气输油管线和高原机车动力市场的需求。

6　结束语

在“西部大开发”国家战略的指引下，西气东输工程全面启动，被誉为绿色电力的燃气轮机日益受到重视，特别是燃气/蒸汽联合循环技术逐渐成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，以及世界范围内水资料的紧缺，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位已发生了明显的变化。燃气轮机发电行业必定会促使电力系统取得良好的经济效益和长足的发展，我国将成为世界上最大的燃气轮机市场。

[1] 孙启敬.燃气轮机压缩机组在西气东输管道上的应用[J].燃气轮机技术，2006，19(1): 30-32.

[2] 火心.世界燃气轮机工业巡礼[J].中国经贸导刊,2012(18)： 85-87.

[3] 郭建亭，周兰章，袁超，等.我国独创和独具特色的几种高温合金的组织和性能[J].中国有色金属学报,2011,21(2): 237-250.

[4] 徐铁军.燃气轮机在我国天然气管道行业的应用现状[J].燃气轮机技术,2012，25(1): 12-16.

[5] 施培丽，李海伟.燃气轮机鼓筒的热应力分析及结构优化[J].上海电气技术，2015，8(1)： 31-35.

[6] 沈永根，蔡振铭.燃气轮机中间缸制造技术的研究[J].装备机械，2015(3)： 21-27.

The development of the gas turbine industry integrating new technologies, new materials and new process in onepiece is an important symbol to show national high-tech level and the strength of science and technology. An overview of the gas turbine was gived with an analysis on civil and military markets as well as the status of gas turbine blades applied to domestic large-scale civil engineering and an introduction on the progress of current development of the gas turbine.

Gas Turbine； Blade; Market； Analyses

2015年11月

张文毓(1968—)，女，学士，高级工程师，主要从事情报研究工作，

E-mail： ZWY68218@163.com

TM611.24；TK471

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1674-540X(2016)02-078-05