重型燃气轮机现状与发展趋势

潘琦 沈弘

摘要：重型燃气轮机是一种高效进行能源转换的装备，其具有高效性、清洁性、安全性的特点，成为我国发电和驱动领域的核心设备，对于我国经济和能源电力行业的发展，提供了重要的支持。本文主要对重型燃气轮机的现状进行分析，并结合经济和能源电力行业发展的需求，提出重型燃气轮机的发展趋势。

Abstract： Heavy duty gas turbine is a kind of efficient energy conversion equipment， which has the characteristics of high efficiency， cleanliness and safety. It has become the core equipment in the field of power generation and drive in China， and has provided important support for the development of China's economy and energy and power industry. This paper mainly analyzes the current situation of heavy-duty gas turbine， and puts forward the development trend of heavy-duty gas turbine in combination with the needs of economy and energy and power industry development.

关键词：重型燃气轮机;现状;发展趋势

Key words： heavy duty gas turbine;the status quo;the development trend

中图分类号：TK479                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0180-02

0  引言

燃气轮机发动机是内燃机的一种。从本质上讲，发动机可以看作是一种能量转换设备，将储存在燃料中的能量以旋转动力的形式转换成有用的机械能。术语“气体”是指进入发动机并在能量转换过程中作为工作介质的环境空气。这些空气先被吸入发动机，在其中进行压缩，与燃料混合并点燃。由此产生的热气体高速膨胀通过一系列翼型叶片，将燃烧产生的能量传递给输出轴。高温尾气中的残留热能可用于各种工业流程，例如通过余热锅炉进行汽轮机冲转，提高整体能源利用效率。因此，重型燃气轮机已经成为能源转换的重要工具，对于我国发展具有重要的意义。

1  重型燃气轮机发展现状

1.1 重型燃气轮机的优势  重型燃气轮机的优势主要体现在以下几个方面：一是更高的可靠性和可用性;二是运营成本更低;三是利用清洁和其他可再生燃料;四是减少排放;五是高质量的废气热流可用于其他工艺;六是高能量密度;七是广泛的套装发电机模块;八是减少建造成本;九是易于运输和快速启动;十是提升可靠性、易于获得许可。因此，重型燃气轮机具有广阔的发展前景[1]。

1.2 重型燃气轮机基本构件  重型燃气轮机的基本构件主要分为以下几个方面：一是压气机，吸入外面的空气并压缩。二是燃烧室，燃料添加到压缩空气中并点燃。三是透平，通过膨胀将高速气体的能量转化为旋转动力。四是输出轴和变速箱，向驱动设备提供旋转动力。五是排气口，将低排放的废气排出透平部分。

1.3 重型燃气轮机发展现状  虽然我国科技和经济的快速发展，重型燃气轮机的发展也逐步得到了提升，满足了我国发电及工业生产的需求[2]。但是，重型燃气轮机在我国的发展现状还存在一定的问题，主要体现在以下幾个方面：一是技术水平不足。由于我国重型燃气轮机发展时间较晚，并没有进行核心技术的掌握，导致重型燃气轮机核心技术主要掌握在国外企业手中，不利于我国重型燃气轮机的发展。二是维修能力不足。由于重型燃气轮机核心技术掌握不足，导致重型燃气轮机在实际应用过程中，出现故障固件问题时，国内没有相匹配的部件和软件进行更换升级，需要与国外厂家进行联系，不仅导致设备维修的成本增加，也不利于我国发电、工业行业的有序发展。三是控制技术不足。目前，我国重型燃气轮机的研究，尚处于初步探索和发展阶段，并不能结合实际应用的需求，进行控制技术的完善，导致重型燃气轮机研发与生产技术落后，不利于我国相关行业的可持续性发展。

2  重型燃气轮机技术分析

以西门子燃气轮机为例，分析重型燃气轮机技术发展现状与趋势。HL级燃气轮机以西门子成熟的H级燃气轮机技术（SGT-8000H）为基础进行开发。通过融合一系列已经被验证的全新技术和之前设计中的优秀特性，我们从而达到了更高的效率和性能。HL级燃气轮机的联合循环发电净效率水平可突破63%！

西门子全新的HL级燃气轮机包含三款机型：SGT5-9000HL、SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在单循环工作模式下，空冷式SGT-9000HL燃气轮机的发电量分别为545兆瓦（50Hz市场）和374兆瓦（60Hz市场）。SGT5-8000HL在单循环工作模式下的发电量为453兆瓦。三款燃气轮机都可实现超过63%的联合循环效率。为实现卓越性能，这三款燃气轮机均需要在高燃烧温度下工作。为此，西门子开发了先进的燃烧技术、创新的多层涂层、超高效率的内部冷却技术以及经过优化的水-蒸汽循环。此外，经过优化的密封技术可最大限度减少冷却介质和空气泄露。与此同时，革新的3D打印叶片可为压缩机带来更高的气动效率。预定义的和预制的解决方案组件以及预先选择的供应商和产品可大大缩短项目建设时间，使项目迅速实现投产。

由此可见，西门子燃气轮机在不断发展的过程中，结合科学技术的发展，进行燃气轮机功能的不断完善，不仅为发电、工业行业的发展，提供低耗能能源转换设备的支持，降低了发电、工业行业的能耗;还为重型燃气轮机的发展提供了科学的发展方向，有助于重型燃气轮机的进一步发展[3]。

3  重型燃气轮机的发展趋势

由于我国燃气轮机研究存在难度大、周期长、投资多的缺点，导致重型燃气轮机的发展出现一定难度。但是，重型燃气轮机对于我国发电和工业行业生产的发展具有重要的影响，因此，重型燃气轮机在我国具有广阔的市场，重型燃气轮机的发展趋势主要体现在以下几个方面：

3.1 强化政策支持  国家政策的支持，对于重型燃气轮机的发展具有重要的作用。特别是在“3060”碳减排的大环境下，国内目前主力的60万亚临界燃煤机组将在未来10-15年内陆续停役。因此，未来重型燃机轮机将迎来一个重要的发展期，我国政府应当加大对重型燃气轮机研究发展的重视，不断结合发电、工业行业发展的需求，进行重型燃气轮机产业扶持政策的调整，以便为重型燃气轮机的发展，创造有利的外部条件。一方面国家发改委和能源局应当增加对重型燃气轮机在发电工业行业中应用情况的调查，不断结合发电和供应行业的发展，进行重型燃气轮机及扶持政策的调整，以便为重型燃气轮机在新时期的发展提供更多的支持。另一方面国家发改委和能源局可以结合重型燃气轮机燃发现状，给予相关企业政策与税收方面的扶持，为相关企业进行重型燃气轮机研发工作的开展，进行成本的节约，不仅可以激发相关企业进行重型燃气轮机研发的积极性，还有助于重型燃气轮机功能的不断完善，从而促进我国发电和工业生产的进一步发展。

3.2 强化研发技术  由于我国重型燃气轮机研发力量分散，导致重型燃气轮机的发展受到了制约。因此，我国相关企业应当结合重型燃气轮机发展的需求，进行研发力量的集中，不断进行重型燃气轮机研发技术的突破，从而促进重型燃气轮机的进一步发展。首先，设计、制造、装配、加工、试验等环节是重型燃气轮机生产的整体流程，重型燃气轮机相关厂家应当结合重型燃气轮机在我国发展的需求，进行重型燃气轮机产业链的搭建，强化重型燃气轮机各环节的联系，从而为重型燃气轮机的发展，提供健全的产业链支持。其次，重型燃气轮机相关企业在进行产业链搭建后，可以不断对重型燃气轮机存在的各方面技术问题进行集中突破，分析问题产生的原因，并结合发电、工业生产等行业实际应用的需求，进行问题的有效解决，从而促进重型燃气轮机技术的提升，为重型燃气轮机的发展提供技术保障。最后，为了进行重型燃气轮机生产和运行能源的节约，相关产业在进行重型燃气轮机技术突破过程中，可以增加新型技术在重型燃气机中的应用，不仅可以促进重型燃气轮机生产和运行能源的节约，还有助于各企业进行资源的高效配置，从而为我国能源保护工作的开展提供更多的支持。

3.3 拓宽燃料范围  随着重型燃气轮机应用范围的逐渐增大，相关企业在进行燃气轮机研发和生产的过程中，可以基于环境保护需求，进行燃料适应范围的拓宽，不仅可以降低重型燃气轮机的污染物排放，保障全球大气质量污染程度降低;还可以提高重型燃气轮机的能源适用范围，为重型燃气轮机的科学应用，提供更多的支持。因此，相关企业在进行重型燃气轮机研发的过程中，可以结合现阶段主要运行的重型燃气轮机能源使用情况，进行重型燃气轮机燃烧室特征的分析，并在特征分析的基础上，以提高重型燃气轮机燃烧稳定性、低排放性需求，进行相关研发技术突破工作的开展，不断进行燃气轮机燃料适用范围的拓宽。

3.4 提高部件性能  重型燃气轮机部件性能的提高，不仅可以促进重型燃气轮机负荷的提高，还为重型燃气轮机能量转化工作，提供了更多的支持。因此，相关厂家可以结合发电和工业企业生产的需求，进行重型燃气轮机部件综合性能的提升，从而提高重型燃气轮机压气机和透平部件性能。

3.5 研发高温材料  由于重型燃气轮机在运行过程中，会随着运行时间的增加，导致温度逐渐上升，导致重型燃气轮机运行故障隐患存在，不利于重型燃气轮机的安全运行。为了提高重型燃气轮机运行的稳定性，相关企业在进行重型燃气轮机发展的过程中，应当进行高温材料研发工作的开展，不断结合重型燃气轮机的实际情况，进行高温合金及其加工方式的突破，从而为重型燃气轮机提供高质量部件，保证重型燃气轮机的穩定运行。例如，GE公司在透平叶片材料研发过程中，不断结合重型燃气轮机的实际运行温度变化，进行透平片承载温度变化的分析，并总结了其在规律。在全面分析的基础上，GE公司结合重型燃气轮机发展的需求，进行透平片材料的研发，进行了透平片材料性能的改革，不仅提高了透平片材料的温度承载能力，还有助于重型燃气轮机产品的更新换代，满足了发电及工业生产实际应用的需求。

3.6 减小运行负荷  重型燃气轮机在发电和工业生产中需要长期运行，导致重型燃气轮机的运行负荷增加，增加了对部件的磨损，不利于重型燃气轮机的稳定运行。因此，相关企业可以结合重型燃气轮机稳定运行的需求，进行不仅运行负荷的降低，从而促进重型燃气轮机使用寿命的延长。相关企业在重型燃气轮机部件研发环节，进行冲击冷却、全覆盖气膜冷却和新型气膜冷却孔技术的应用，提高重型燃气轮机部件的抗高温性能，强化相关部件的冷却能力，从而降低重型燃气轮机运行的温度，降低重型燃气轮机故障出现的概率，保证重型燃气轮机的稳定运行。

4  结束语

综上所述，重型燃气轮机对于我国发展具有重要的作用。因此，相关企业应当对重型燃气轮机的现状进行分析，结合发电及工业生产的实际需求，搭建重型燃气轮机产业链，提高重型燃气轮机研发技术，在提高重型燃气轮机整体性能基础上，降低重型燃气轮机的能耗，促进我国重型燃气轮机的长久发展，缩短我国与发达国家之间的差距。

参考文献：

[1]刘展鹤.重型燃气轮机现状与发展趋势[J].内燃机与配件，2020（09）：241-242.

[2]邓清华，胡乐豪，李军，丰镇平.大型发电技术发展现状及趋势[J].热力透平，2019，48（03）：175-181.

[3]伍赛特.重型燃气轮机研究现状与技术发展趋势展望[J].机电产品开发与创新，2019，32（02）：65-67.