中国燃气轮机产业联盟工作报告

2018-08-07中国燃气轮机产业联盟

电器工业 2018年6期

／中国燃气轮机产业联盟／

2017年11月2日，中国燃气轮机产业联盟成立。联盟的重点工作是研究制定我国燃气轮机产业发展战略和规划，编制中国燃气轮机产业发展报告及发展路线图，协助联盟会员单位组织研究燃气轮机共性技术和核心技术等。今后燃气轮机发展趋势是：进一步提高燃气初温、压气机压比，从而进一步提高机组的功率、效率等性能；适应燃料多样性的需求；改变基本热力循环，采用新工质，完善控制系统，优化总体性能。

一、国内外燃气轮机发展现状

（一）国外燃气轮机发展现状

目前，燃气轮机产业已形成高度垄断的局面，形成了以GE、西门子、三菱为主的重型燃气轮机产品系列，以GE、Solar、Rolls-Royce（RR）、Z-M和川崎等为主的驱动和发电用中小型燃气轮机产品体系，以Capstone、Ingersoll Rand、Turbec和川崎等公司为主的微型燃气轮机产品体系，这些公司基本代表了当今国际燃气轮机制造业的最高水平，其他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。

（1）重型燃气轮机

目前，国际上三大燃气轮机公司——GE、西门子、三菱均是拥有独立设计、试验、制造技术的重型燃气轮机制造企业。其生产的燃气轮机单机效率已达36%～41.6%，最大单机功率已达375MW。组成联合循环机组后，发电效率达55%～60%，联合循环机组已成为发电市场的主流机组。

（2）中小型燃气轮机

中小型工业燃气轮机用于驱动、发电等，主要代表性的制造商是Solar、GE、川崎以及西门子等公司。中小型工业燃气轮机广泛用于石油、化工、天然气输送、冶金以及舰船和坦克驱动等行业，市场需求量较大，仅Solar公司的中小型工业燃气轮机按台数计算就占全球市场份额的23%。

（3）微型燃气轮机

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～500kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。

20世纪40～60年代就有数百台千瓦级燃气轮机，但发电效率低，随着高效回热器的使用，微型燃气轮机的发电效率显著提高。20世纪90年代，有些机组采用了不需要润滑系统的空气轴承，使得微型燃气轮机的结构更为紧凑，美国Capstone公司推出了商业化微型燃气轮机。目前国外微型燃气轮机的主要技术特点有两类，一是采用高速气浮轴承和高速永磁发电机，压气机、涡轮和发电机同轴，回热器和燃烧室一体化，转速高达90000r/min，典型生产厂家有Capstone公司；二是采用油润滑轴承，转速较低，一般大约50000r/min，回热器和燃烧室分离，典型的生产厂家有Turbec、Ingersoll Rand、Elliott和川崎公司。

（4）舰船燃气轮机

1947年，英国研制的G1燃气轮机在英国皇家海军MGB2009高速炮艇上试装成功，揭开了舰船燃气轮机发展的序幕。20世纪60年代末，英国和美国等国家陆续做出“舰船以燃气轮机做动力”的历史性决策。之后，英国、美国、俄罗斯等国家开始大力发展舰船燃气轮机，并广泛应用在各种舰船上。20世纪60年代以来，英国Rolls-Royce公司陆续研制了Tyne RM1、Olympus TM1A、Olympus TM3B、Olympus TM3C、SPEY SM1A、SPEY SM1C/SM2C、WR-21、MT30等舰船燃气轮机；美国GE公司研制了LM2500、LM1600、LM2500+、LM2500+G4和LM6000PC；美国PW公司研制了FT4A、FT8；美国Allison公司研制了Allison 501KF、 Allison 570KF；美国Lycoming公司研制了TF25、TF40、TF50、TF80和TF100；苏联Kuznetsov设计局研制了NK-12MNK-12PT和NK-14PT。

（二）国内燃气轮机发展现状

我国燃气轮机产业主要分布在电气装备行业、航空行业和船舶行业，从地域上看主要分布在东北地区、西北地区和长三角地区，有较强科研能力的单位有清华大学，上海交通大学、西安交通大学以及中国科学院的工程热物理所和沈阳金属所。

（1）黑龙江产业现状

黑龙江是国家重要的工业基地，哈尔滨电气是我国三大动力装备生产基地之一，七零三所是国内舰船动力研制基地。经过“十五”、“十一五”期间的发展，目前黑龙江初步建成了产业配套比较齐全的燃气轮机研发制造基地，具备了一定的燃气轮机自主研发、试验验证和制造能力。

在黑龙江具有燃气轮机研发、设计、制造能力的单位主要有：哈尔滨电气、七零三所、中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学等。

（2）四川产业状况

四川的燃气轮机研究和生产力量以东方电气为主，在国内占有重要的地位。东方电气是我国三大动力装备生产基地之一。

东方电气一直注重创新能力的建设，有一支燃气轮机研发、设计和工艺队伍，引进了大量的开发试验规范方法，并且投入建设了大量的试验验证设施，如重型燃气轮机试验室、高温部件实验室、高温合金试验室、多级透平试验台。高温部件实验室已经完成包括定向结晶炉、自动制壳线、压蜡机、压芯机、陶瓷烧结炉、双室真空熔炼铸造炉等15套设备的安装调试。现已初步建立完成了一条能够用于科研开发的试验线，初步具备了定向/单晶叶片试制能力并试验了F级第3、4级叶片。

（3）上海产业现状

上海市我国重要的动力基地，上海电气是我国三大动力装备生产制造基之一；上海交通大学在燃气轮机整体设计、基础研究、关键技术、高温合金、特种加工等方面取得了一批重要成果；上海发电设备成套研究院在重型燃气轮机开发方面积累了技术基础；上海大学在高温合金制造方面取得了突破；上海还有很强的燃气轮机产业配套能力。

（4）北京产业现状

北京在燃气轮机方面的优势主要体现在具有雄厚的科研能力和人才优势，拥有清华大学（含燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心）、北京航空航天大学、中国科学院工程热物理所和华清公司等一批高校和科研机构。

二、国内外燃气轮机发展趋势

（一）国外燃气轮机的发展趋势

今后燃气轮机发展趋势是：进一步提高燃气初温、压气机压比，从而进一步提高机组的功率、效率等性能；适应燃料多样性的需求；改变基本热力循环，采用新工质，完善控制系统，优化总体性能。

（1）重型燃气轮机

重型燃气轮机不断向高参数、高性能、低污染发展，通过研究和应用新技术、新工艺，专家预测到2020年最高初温可达1700℃，联合循环效率可达65%。

欧、日、美等地区和国家正在探索用于未来级燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。研究新一代超级合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料，研究单晶合金、超级冷却叶片、热障涂层（TBC）、抗氧化和热蚀的涂层等技术。研究综合应用冲击/气膜复合冷却、多孔层板发散冷却、发汗冷却、闭式蒸汽冷却等新型冷却技术，适应新一代燃气轮机更高进口温度的苛刻要求。

采用先进的气动设计技术，进一步提高压气机与透平部件性能。研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，以保证宽广范围内压气机能够高效工作；如压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术，大幅度减少多级轴流压气机的级数/轴向长度/重量，大幅度扩大压气机稳定工作范围。

拓宽燃料适应范围，进一步降低NOX等污染物排放。高效、低污染、稳定燃烧技术始终是燃气轮机的前沿技术，世界各燃气轮机制造商都发展了各自的控制污染排放技术，投入了很大的力量研究开发干式低污染（DLN）燃烧室，并应用于各自的现代燃气轮机产品中。

优化总体性能和完善控制系统。如采用新型热力循环（包括先进湿空气透平循环等）和新工质（包括混合工质等），优化总体性能，完善控制系统，获得更高效率的燃气轮机发电机组。

每一项技术的突破都将是叶轮机械气动热力学的革命性进步，都将带来燃气轮机性能的显著提高。

（2）中小型燃气轮机

中小型燃气轮机的主要发展方向集中在以下几个方面：

提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高机组性能。通过提高燃气初温、改进部件性能等措施，不断提高机组的性能。

一机多用，系列化发展。由于燃气轮机研发费用高、周期较长，因此在设计上力求一机多用，系列化发展。通过局部的设计改动，满足船用、工业驱动和发电等不同应用领域的要求。

采用高效低排放燃烧室。无论是舰船燃气轮机，还是工业驱动和发电燃气轮机，都要求降低燃气轮机的NOX排放，各大公司都致力于低排放燃烧室的研发。

采用先进的复杂循环，提高机组性能。通过回热循环、间冷—回热循环湿空气透平循环（HAT）等方式，提高机组性能。如采用间冷循环的WR-21燃气轮机，不仅额定工况下效率达42%，而且在0.3工况下效率也超过36%。

随着环保意识的增强和国际燃气轮机排放标准的制定，燃气轮机的排放早已得到世界各国的高度重视。目前，燃气轮机主要通过采用贫油直接喷射燃烧系统（LDI）、贫油预混气化燃烧系统（LPW/PY）、富油-猝熄-贫油燃烧系统（RQL）、非绝热燃烧系统以及内置催化稳定燃烧系统（可提供NOX排放低于1×10-6的水平）等低污染吴排放燃烧技术，即在不对燃烧稳定产生不利影响的情况下，降低燃烧区火焰温度，从而降低氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（UHC）等的排放量，并且已经取得明显的效果。这些新型低排放燃烧室的采用，将会大大降低NOX、CO、UHC和颗粒状物等的排放量。

除以上发展方向外，由于中小功率燃气轮机应用范围较广，不同应用领域的燃气轮机有各自发展的特点。

（3）微型燃气轮机

微型燃气轮机的发展方向主要集中在：多燃料、低污染、高效燃烧室研究，开发变工况性能良好的压气机和透平、提高微型燃气轮机发电机组的可靠性。

通过研究不同种类（天然气、低热值合成气、生物质气和燃油）和不同热值燃料燃烧工作参数对燃烧稳定性的影响，解决燃烧过程局部超温问题，研制多燃料、低污染、高效燃烧室。

通过开发高效、低噪声压气机，开发变工况性能良好的向心式透平，优化压气机、透平与燃烧室结构参数的匹配特性，提高微型燃气轮机发电机组的可靠性。

（4）舰船燃气轮机

舰船燃气轮机的发展方向主要集中在以下几方面：

1）功率与热效率逐步提高，耗油率下降。无论是简单循环还是复杂循环，世界舰船燃气轮机的功率与效率逐步提高，耗油率不断降低。简单循环舰船燃气轮机主要通过提高压比、燃气初温和部件效率等措施，提高功率与热效率。目前简单循环的大功率舰船燃气轮机的热效率已经达到40%以上，耗油率已经降低到0.200kg/（kW·h）级。

2）复杂循环舰船燃气轮机主要包括间冷、回热、间冷回热（ICR）、蒸汽回注、燃—蒸联合、湿空气涡轮（HAT）等循环燃气轮机，主要通过改进热力循环来提高热效率，特别是在部分负荷下的性能。未来，采用复杂循环的舰船燃气轮机，其热效率有望进一步提高。

3）可靠性与可维护性不断提高。舰船燃气轮机的可靠性与可维护性也是非常重要的指标。发达国家通过实施先进技术预研计划开发和验证一些综合的燃气轮机技术方案，使舰船燃气轮机燃烧效率与可靠性提高、可维护性改善、环境影响减小、红外/雷达/声学信号降低，进而使目前和未来的海军燃气轮机动力装置的总费用、易损性降低，作战有效性增强。

4）产品向系列化、谱系化发展。以基准航空发动机为基础，燃气轮机设计与制造商改型研制不同类型和不同功率的燃气轮机，充分体现了“一机为本、衍生多型、满足多用、形成谱系”的特点，不仅赋予航空发动机顽强的生命力，达成更新换代的良性发展态势，也保证了燃气轮机的可靠性、先进性以及周期短、风险低和成本低的特点。由于研制和生产燃气轮机的难度大，已成功燃气轮机为基础不断升级改进，提高性能与降低排放，是燃气轮机产品系列化发展的另一发展途径。

（二）国内燃气轮机发展趋势

随着经济社会的快速发展，我国电力工业发展面临着能源需求和环境保护的双重压力。发展高效、洁净、可靠的先进能源动力系统，是未来中国能源体系建设的重要方向，是优化电力结构、加强污染物的控制和保护生态环境的重要举措。燃气轮机技术是复杂的高技术集成，是一个国家综合实力、科技能力以及工业水平的集中体现，是保证国家能源安全和竞争能力的战略保障。

由于历史原因，我国燃气轮机工业体系与美国、德国、日本、法国等国外先进水平相比有很大差距，国内的燃气轮机市场基本被国外品牌机组占领，燃气轮机维修、备品备件的供应也主要依赖国外公司。

近10年来，国家对燃气轮机技术的重视逐步加强。在通过“打捆招标”进行燃气轮机制造技术引进的过程中，国家积极支持“产学研用”结合，推进燃气轮机的本地化和产业化，科技部也将燃气轮机技术纳入“863”计划，支持燃气轮机设计与研制工作。经过多年的努力，国内燃气轮机关键科学技术的基础研究已具备一定实力，且近年来增长很快；同时，国内多家科研院所、高等院校及制造厂家在对引进技术进行消化吸收的基础上，根据重型燃气轮机国产化的需要，围绕燃气轮机关键技术的研发开展了许多研究工作，为掌握这项新技术、形成自我开发能力打下基础。随着“十三五”期间航空发动机及燃气轮机重点专项的实施，可以预见，我国燃气轮机产业将进入发展快车道，迎来蓬勃的发展机遇期。

（1）基础研究与共性技术研究得到进一步加强

燃气轮机的设计技术集多项高新技术于一体，是一种多学科交叉的综合性技术。在独立自主设计国产化燃气轮机进程中，紧密联系当前燃气轮机相关科学技术的发展，在材料学、燃烧学、物理学、转子动力学等基础研究及设计方法、设计开发工具、技术标准等共性技术研发方面将得到进一步加强，促进燃气轮机行业设计水平的提高，为燃气轮机产业发展储备技术、提供支持。

（2）掌握核心部件的制造和维修技术

由于在“打捆招标”过程中，外方不转让燃烧室、高温透平叶片超级合金精密铸造等关键技术以及高温热通道部件的维修技术，高温热通道部件等核心部件的制造掌握在以外方为主导的合资厂内。随着燃气轮机自主化进程的推进，我国燃气轮机企业将逐步掌握核心部件的制造及维修技术，形成自主的维修技术服务体系。

（3）逐步掌握燃气轮机设计技术

随着重大专项的推进实施，我国燃气轮机行业必将逐步打破国际巨头的技术垄断，积累产品设计经验和试验数据，形成完整的试验验证体系，掌握燃气轮机压气机、燃烧室、高温透平等关键部件的设计技术，形成完善的燃气轮机自主研发和设计体系，具备先进燃气轮机可持续研发能力。

通过研发自主品牌燃气轮机，建设示范电站，实现燃气轮机自主化和产业化；我国将形成完整的燃气轮机自主研发、设计、验证、制造、应用和运行维护的科技体系、工业体系和可持续发展能力，跻身世界燃气轮机强国行列。

三、燃气轮机发展风险和机遇

（一）发展风险

燃气轮机产业高度垄断，我国燃气轮机整体水平与国际先进水平相差很大，尚未形成严格意义上的燃气轮机产业，远未形成先进燃气轮机自主开发和制造的能力，总体水平落后约20年。

在我国重型燃气轮机生产方面，我国三大动力集团的汽轮机厂都和国外燃气轮机巨头合作，但目前还没有掌握核心设计技术、热端部件制造维修技术和控制技术。

国产中小型和微型燃气轮机尚无市场广为认可的产品，国内市场基本被国外燃气轮机垄断。

我国燃气轮机发展会遇到下面一些风险：

（1）知识产权风险

目前燃气轮机相关专利共有50028件，美国申请的专利最多，有15361件，约占专利总数的31%。其次是日本、欧洲专利局、德国、英国等国家和组织。中国受理的专利有1984件，约占专利总数的4%。国外燃气轮机巨头掌握了数量巨大的发明专利和商业秘密，有严密的知识产权法律保护体系。而我国基本上没有核心专利，燃气轮机自主研发过程中很可能发生知识产权冲突，如何进行规避的问题会越来越突出。

（2）市场风险

截止2015年，国内燃气轮机的市场容量达到300亿元，国机市场容量则达到2700亿元。我国现有燃气轮机装机容量3400万kW，到2020年新增约5000万kW，到2025年燃气轮机装机容量将为1.2亿kW，5年内新增3600万kW，还有一定规模的国外市场需求。总体上，自主研发燃气轮机要进入市场将要面对国外同类产品的强力挑战。

（3）资源风险

我国天然气产量2013年为1210亿m3，进口量534亿m3，预计2020年产量为1 800～2 000 m3、消耗量为3500亿m3。另一方面我国探明的天然气储量和进口的渠道也快速增加，特别是中亚地区的天然气。非常规气源（包括页岩气、煤气化和多联产产生的合成气等）2020年总量可以达到2300亿m3，因此燃气来源（包括天然气和非常规燃气）是有保障的。

（4）技术风险

燃气轮机的关键技术是买不来的，燃气轮机自主创新必须突破一系列关键技术，尽管难度很大，但要敢于承担风险。

（二）发展机遇

我国有扎实的燃气轮机研发基础，有一批燃气轮机研究、生产制造和产品配套的企业，包括东方电气、哈尔滨电气、上海电气、南汽、杭汽、无锡叶片公司、江苏永瀚公司等，在科研方面有清华大学、上海交通大学、西安交通大学、上海大学、上海发电设备成套设计研究院、南京航空航天大学和浙江大学等。

三大动力基地的燃气轮机产业条件好，为国产燃气轮机试制曾作出许多贡献。还拥有内类齐全的机械、材料、能源、电子信息等各类骨干企业，具有工业产品设计－试验－验证－生产－应用等较为完善的产业链，有很强的燃气轮机产业的上下游配套能力。

我国有专业人才队伍优势，目前已初步集聚形成了一支燃气轮机研制专业人才队伍。在吸引人才方面，上海具有特殊的优势，已吸进了一大批全国乃至全球高端人才落户。

燃气轮机在电力工业中占据重要地位。随着我国经济进一步增长，电力工业进一步发展，发电装机容量仍有很大发展空间。据预测到2030年我国发电总装机将再翻一番，约达25亿kW。燃用天然气的燃气蒸汽联合循环效率高达60%～61%，由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%，是分布式供能系统的主要选择。随着节能减排的推进，燃气轮机发电份额将有更大的提升。

我国天然气产业快速发展为燃气轮机进入市场提供了前提条件。2013年我国天然气消费是2004年的4倍，达到1676 m3，国务院提出到2020年要达到4000m3，可以为1.6亿kW燃气蒸汽联合循环电站提供足够的燃料。据预测，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4000亿～5000亿元。

我国经济实力增强为发展燃气轮机提供资金保障。“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基金、“863”计划、“973”计划等，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气轮机的研发中，为发展燃气轮机技术和产业提供了强有力的资金保障。

四、联盟重点工作和2018年工作计划

（一）联盟重点工作

联盟的重点工作是研究制定我国燃气轮机产业发展战略和规划，编制中国燃气轮机产业发展报告及发展路线图，推进行业自律，代表行业向政府主管部门提出促进燃气轮机产业自主化工作的政策措施建议，开展产业政策宣贯和推广工作，协助联盟会员单位组织研究燃气轮机共性技术和核心技术，开展燃气轮机产业上下游的全产业链的对接、交流好协商，搭建公共服务、信息发布和技术交流平台，协助政府主管部门做好燃气轮机产业生产、经营数据等的统计工作，向政府主管部门定期上报燃气轮机产业运行分析报告。

因此，结合燃气轮机的产业特性，联盟的作用首先是集智集力，搭建一个促进燃气轮机产业发展的平台。主要工作方向建议包括“统计分析、标准路线制定、调研献策、沟通合作、宣传推广”五个方面。

1）统计分析工作，可全面梳理以往的可靠的数据支撑和调研，通过推出令行业认可的数据统计工作，了解当前行业以及所在企业的运行情况，并进行及时的数据分析，这些数据化的资源对以后包括产业间合作，企业间合作、投资决策及金融领域合作都非常有价值。再次基础上依托联盟平台做好产业规划与信息库建设等工作。

2）建立制定标准和路线路。由于三大动力集团过去的产品研制大多建立在于国外燃气轮机巨头合作上的成果，因此发展燃气轮机无可避免首当其冲要面对的风险就是知识产权的风险。国外燃机巨头掌握了数量巨大的发明专利和商业秘密，有严密的知识产权法律保护体系，而我国基本上没有核心专利，燃气轮机自主研发过程中很有可能发生知识产权冲突，如何规避的问题会越来越突出。而且三大家的技术路线各有特色，能否突破边界，互相借鉴，我觉得联盟可以小范围组织专家一起探讨，并在此基础上制定我国自主发展燃气轮机的发展线路图。

此外，联盟需要在国家标准化的改革下，循序渐进推出标准制定工作。在这个过程中，行业团体标准具有重要意义。通过联盟标准被行业龙头企业认可后，还可以上升为行业标准、国家标准。联盟通过将用户与制造商团结在一起，共同参与，搭建平台，发挥两方的优势，有效解决了用户与制造业间的沟通障碍，联盟搭建平台可以促进产业抓标准、抓规范、抓示范，弥补产业发展空白。

3）调研献策工作。通过发布服务于行业的“技术路线图”、“行业研究报告”、“白皮书”等完善对行业的预测预判的科学依据，联盟可以作为第三方机构，帮助完成好这项工作，并汇集各方意见，向主管政府部门进行尽责汇报，反映行业需求。为此，产业联盟组织架构内建立了两个分委会，指导咨询委员会由政府领导担任，保证获得国家层面的支持，专家咨询委员会，即行业内专家做前瞻性研究，保证联盟研究成果的权威性。

4）沟通合作。包括联盟内的合作，制造商和用户间的研讨，技术性的合作，在充分掌握行业各类信息的基础上联盟会员间或联盟与其他机构进行充分合作，共同推动燃气轮机产业向前发展。此外，技术缺乏是燃气轮机发展的主要障碍，之前的市场换技术以及捆绑招标现实效果都不理想，因此专项表明了要走自主研发道路。自主研发不是封闭研发，因此联盟工作开展可以与国外相关协会团体合作交流，帮忙推荐或引进优秀人才为我所用，攻克技术发展瓶颈。

5）宣传推广。可以利用协会资源或是行业媒体资源，宣传推广燃气轮机发展推进工作，营造良好的行业发展氛围和舆论导向。