我国微小型燃气轮机的发展概况与国产化对策

杜坤杰

（上海新能源科技成果转化与产业促进中心，上海 200001）

0 引言

燃气轮机全称燃气涡轮发动机，是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，是能源装备的最高端产品，具有功重比大、体积小、污染小、便于维护保障等诸多优点，自20 世纪40 年代问世以来，获得了快速发展。燃气轮机按结构为分重型、轻型两种；按照功率等级可分为大型、中型、小型和微型四种类型，发电功率在10 MW 以上统称为大中型燃气轮机，10 MW以下称为微小型燃气轮机（其中300 kW 以下为微型，300 kW ～10 MW 为小型）[1]。与中型、大型燃气轮机相比，微小型燃气轮机的应用面更广、需求量更大，是小型分布式发电及冷热电联供的最佳方式，并广泛应用于工业驱动、移动电源和车船动力等领域。“十五”时期以来，我国将燃气轮机列入国家重点发展领域，出台了一系列扶持政策，国内燃气轮机得到较快发展。本文从政策环境、研究进展方面总结了我国微小型燃气轮机发展概况，梳理微小型燃气轮机关键技术，分析国内外技术差距，提出国产化发展对策。

1 发展概况

1.1 政策环境

“十二五”期间，随着我国经济高速增长和对分布式发电的需求，燃气轮机受到各界的关注，被国家纳入产业和科技的多项发展规划，得到政策支持。2011年，国家四部委印发《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，提出到2015 年微小型燃气轮机等核心装备自主化率达到90%的目标；2016 年，微小型燃气轮机被纳入《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》《中国制造2025—能源装备实施方案》等国家级专项规划。“十三五”之后，国家实施两机重大专项、能源技术创新规划、燃气轮机创新发展示范工程等，我国燃气轮机产业进入了快速发展期，技术研发和工程应用取得了长足进步。

“十四五”期间，国家继续推进中小型燃机自主化研发，着力突破燃机设计和验证技术，开展国产燃机在工业驱动、分布式能源、海上油气平台等应用示范；建设完善通用性的小、微型燃机试验平台，加快我国微小型燃气轮机的发展进程。

1.2 国内外进展

1.2.1 国外发展进展

微小型燃气轮机起步时间较大型、中型燃机晚。早期的微小燃机产品发电效率低，需要采用笨重的齿轮减速器降速后与发电机相连使用，无法与内燃机相竞争。随着紧凑式回热器技术的突破，以及高速发电机从军用走向民用，微型燃气轮机发电效率显著提高。20 世纪90 年代，美国凯普斯通（Capstone）公司率先推出全球第一台30 kW 微燃机，用于商业运行，之后欧美日的多家公司相继推出不同功率等级的产品，在分布式供能、油气田开采、移动电源和军用方面，得到越来越广泛的应用。

目前发达国家的微小型燃气轮机技术已经成熟，形成各具特色的产品系列和完善的配套体系。美国是全球领先者，凯普斯通公司处于微型燃气轮机的绝对领先地位，占有世界微型燃气轮机市场80%以上的份额；索拉透平（Solar Turbines）公司是世界上最大的工业用燃气轮机企业，生产的10 MW 以下小型燃气轮机组占据世界60%以上的市场份额[1-2]。日本、欧洲在部分技术领域领先，日本在高温陶瓷燃气轮机研发方面有很强优势，三菱公司在微小型燃机的材料及制造工艺上世界领先；欧洲方面，德国西门子及英国的罗罗（Rolls-Royce）公司在燃料灵活性、航改型燃气轮机上具有较强的技术优势。另外，韩国、印度等国家也在积极布局，加速追赶。

1.2.2 国内发展进展

国内微小型燃气轮机的研发始于2002 年。出于市场需求和国家能源安全的考虑，科技部经过多次论证，将微小型燃气轮机科技攻关列入“十五”和“十一五”的863 计划专项。2002 年，由中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司牵头承担国家863 计划“100 kW 微型燃气轮机重点项目”，2011 年，首台具有自主知识产权的机样点火成功；2009 年，中国南方航空工业（集团）有限公司牵头承担863 计划“1 MW级微型燃气轮机及其供能系统研制”课题，成功研制了MW 级燃气轮机样机，2013 年该项目通过验收。上海交通大学与上海航天能源股份有限公司、澳大利亚联邦研究院合作，研制了30 kW、50 kW 低热值微型燃气轮机发电装置[3]。但是这些项目基本停留在研究或示范阶段，没有形成可商业化的产品，未能实现市场化的“最后一公里”跨越。

除了上述机构外，国内有较强科研能力的单位还有清华大学、西安交通大学、北京理工大学、中国科学院工程热物理研究所、中国科学院上海高等研究院、中国科学院金属研究所、中航工业航空动力机械研究所等，研发力量分布在我国的东北、北京、西北、西南和长三角地区，形成了“五大研发”基地。近十年来，在市场需求的带动下，还吸引了一批有实力的企业介入。目前国内正在研制或者已经有产品的公司有：新奥能源动力科技（上海）有限公司（原上海泛智能源装备有限公司）（100 kW、300 kW、2 MW）、上海和兰透平动力技术有限公司（1.2 MW、2 MW）、永旭腾风新能源动力科技有限公司（15 ～45 kW）、深圳智慧能源技术公司（200 kW）、中科合肥微小燃气轮机研究院（800 kW、4 MW）、中国航发燃气轮机有限公司（2 MW、7 MW）以及中船重工703 研究所和中国航发西安发动机有限公司（30 MW）等。有少数产品已经完成研发和生产制造，并在工业园区、油田、海洋石油平台等项目上应用，实现了小批量的商业化，但大部分产品还处于设计、试制和示范阶段，尚需试验验证与市场认可。目前国内燃气轮机市场基本上还是被国外垄断。

2 关键技术

燃气轮机通常由压气机、燃烧室、透平和控制系统四大部件组成，要在高温、高速和高腐蚀的恶劣工况环境下保持系统良好运转，存在设计及制造工艺、热端部件材料、污染物控制等诸多技术难题。微小型燃气轮机由于其尺寸小、转速高的特点，还需要开发紧凑式回热器、高速空气轴承和高速电机等，带来一些特有的技术难点。

2.1 目前的关键技术

目前微小型燃气轮机产业发展的关键技术主要集中在两个方面：一是多种燃料的高效低污染燃烧技术。通过研究不同种类和不同热值的燃料在各种工作参数的燃烧稳定性能，研制多燃料、低污染、高效燃烧室，解决局部超温、污染物排放等问题。二是提高机组的可靠性、长寿命技术。开发高效低噪声压气机、变工况性能良好的透平；优化压气机、透平与燃烧室结构参数的匹配特性；开发远程监控与故障诊断服务系统技术，建立适应于不同功率机组开发的试验平台体系。

2.1.1 多种燃料的清洁高效燃烧技术

高效低污染燃烧技术始终是研究热点，通过拓宽燃料适应范围，进一步降低NOx 等污染物排放[4]。开展燃烧理论及调控方法研究，包括稀态预混燃烧技术、富燃一悴熄一稀态燃烧技术、催化燃烧技术和无焰燃烧等，其中稀态预混燃烧技术已在工业燃气轮机上得到成功应用[5]。

2.1.2 高性能紧凑式回热器

回热器要具备高效低成本寿命长和良好抗疲劳、防泄漏和防沾污性能，并适应分布式热冷电联供系统负荷变化需要，主要采用高换热系数、低流动损失的板翅式或三元无定向翅片管回热器设计技术。使用高效回热器后，燃气轮机的效率可从18%提高到30%以上[6]。

2.1.3 高性能压气机

压气机要在满足高效率的同时，拓宽高效区和稳定工作区范围。核心技术是一套复杂的设计技术，主要包括叶型和通道的气动力学优化、涡流发生器、时序效应、叶顶泄露流与主流的优化及轴流转子的串联叶片和分流叶片设计。

2.1.4 以高温透平叶片为代表的高温部件材料、涂层、冷却技术

材料技术：具有优良的高温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能的高温合金，适合制造燃气轮机燃烧室、过度导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮盘等部件。

涂层技术：具有抗高温腐蚀功能和有效隔热性能的防护材料。目前防护涂层已经开发了四代：铝化物扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层、热障涂层。第四代热障涂层采用陶瓷材料，具有较低的导热系数、良好的抗热腐蚀性能和隔热性能。

冷却技术：提高燃机的循环热效率，延长燃气轮机使用寿命，与二次空气系统成为燃气轮机高温部件设计的关键问题之一，主要包括气膜冷却、内部冷却等

2.1.5 远程监控与故障诊断服务系统技术

针对总体性能及部件运行的远程监控与故障诊断分析，开发燃机远程诊断及专家支持系统，包括设备大数据传输、存储与计算平台建设技术、大数据挖掘及其智能分析技术等核心关键技术。

2.2 下一代微小燃机的关键技术

绿色、高效及安全是燃气轮机的发展方向，以氢气及人造气为燃料的发电机组以及燃料电池-微型燃气燃气轮机循环系统为下一代微小燃机的研究重点。

2.2.1 氢燃气轮机

氢能在未来能源行业有着极为广阔的应用前景，全球主要燃机厂商都在加紧研发氢气燃机，日本的研究走在世界前列。2020 年9 月，日本新能源与产业技术综合开发机构（NEDO）开展“超越传统技术的高效氢日本能发电技术研发”研究课题，开发1400 ℃级氢燃气轮机，系统发电效率高达68%。项目由NEDO 主导，三菱重工和川崎重工分别研制大型氢燃气轮机与中小型氢燃气轮机[7]。技术路线有三条：掺氢燃烧、纯氢燃烧、纯氢+纯氧燃烧，但无论哪一条，都要解决氢燃烧速度快、回火燃烧、火焰稳定性等问题，核心是高富氢燃料燃烧室的设计技术，研究机构要具备先进的实验条件与高精度数值模拟能力。

2.2.2 微型燃气燃气轮机-燃料电池联合发电

燃气轮机与燃料电池联合发电的理论发电效率可以达到60%以上[8]，是目前最为先进的高效环保发电方式之一。燃料电池可以直接将燃料化学能转化为电能，其能量转换效率不受卡诺循环限制，效率高达80%。燃气轮机与燃料电池联合发电，将燃料电池与燃气轮机的优缺点进行互补，能够大幅提高系统的发电效率，同时利用燃气轮机可以让联合发电系统快速启动，并具有更好的变工况性能。目前燃气轮机与燃料电池联合发电的研究主要集中在如何提高发电效率，以及提高发电系统的启动与变工况性能等。

3 国内外技术差距

燃气轮机产业链长，涉及机械制造、冶金材料、电子信息等诸多领域，涵盖了气动力学、工程热力学、燃烧学等学科。我国燃气轮机研制起步晚，整体水平较国际先进水平落后20～30 年，目前的差距主要在以下几方面。

3.1 总体设计经验不足，研究基础薄弱

燃气轮机的总体设计涉及基础理论、设计规范、软件和数据库等诸多要素。目前，国内虽然研制了不少型号的微小型燃气轮机产品，也建立了一些整机试验平台以及相应的测试手段，初步具备研制开发能力，但尚未掌握设计、制造和运行的成套技术，未形成完整的研发体系。各型号样机研制尚处于探索阶段，缺乏总体设计经验，存在气动设计落后、污染物排放较高、可靠性差等问题，在主要性能指标上与国外仍存在较大差距。

3.2 受到技术封锁，关键技术尚未掌握

燃气轮机是研发周期很长的战略产业。长期以来，发达国家投入巨资研发，同时移植航空发动机积累的各种新技术、新材料，收到投资少、周期短、见效快的效果。

我国燃气轮机目前仍处于基础研究、样机试制阶段。以近年来专利申请的比较为例，美国申请的专利最多，达到专利总数的31%，其次是日本、英国、德国等，中国仅占总数的4%。从专利的内容看，美欧日等国家的专利热点集中在压气机、透平、发电机、空气轴承、燃烧室等关键部件，而我国专利申请多是基础技术研究、工程样机、进口技术改造等方面[9]。国内企业有一系列关键核心技术尚待突破，如燃机小型化设计、设备可靠性和长寿命技术、高温高强度材料、清洁高效燃烧技术、高性能紧凑式回热器、高温高速轴承、自动控制等。

3.3 研究力量分散，产业配套不够完善

由于历史原因，国内燃气轮机领域的基础研究力量较为薄弱，研究和产业力量分散在机械、能源、航天航空、船舶等不同行业。同时，对配套产业链的培育还不够，有能力提供核心零部件加工的企业数量很少，特别是缺少关键核心热部件原材料、锻件、加工制造配套能力；已形成的配套企业的技术不够成熟，对承接小批量、难度高的部件加工业务积极性不高。

4 国产化对策

4.1 整合资源，形成发展合力

一是坚持构建以企业为主体、市场为导向、产学研用投相结合的技术创新体系，培育一批具有核心竞争力的龙头企业，打造一批专精特新的燃机企业，由龙头企业牵头建设产业链，支持配套企业紧密参与主机产品创新及产业化过程。二是发挥举国体制优势，设立微小燃机重大攻关项目，制定微小燃机的重大科学问题、工程技术难题、产业瓶颈问题清单，聚集力量联合攻关，以有组织科研模式引导“五大研发”基地发展成为各自区域的产业技术创新集群，龙头企业联合行业伙伴建设国产化生态圈。三是以“大科技、大协作”的思路，鼓励组建科研联合体，支持高校、科研院所向社会开放资源，将一批内部平台转型为行业共性技术研发平台、行业检测试验平台，为产业发展提供创新动力。

4.2 聚焦重点，突破制约瓶颈

一是集中力量突破关键技术，包括总体设计技术，多种燃料的低污染高效燃烧技术，高速永磁电机与逆变技术，空气轴承技术，高效紧凑型回热技术，先进高温材料和气动冷却技术等，加快形成国产化解决方案。二是以工程应用项目为牵引，打通基础研究、设计制造、试验测试、示范运行等全过程，强化国产化落地实践，构建国际先进的微小型燃机设计、制造与应用结合的产业化平台，为建立国内具有自主可控的微小型燃机产业打下坚实基础。三是针对“3060”碳达峰碳中和愿景目标，前瞻性布局氢燃料燃气轮机等前沿技术，为在未来的市场竞争中赢得先机。

4.3 设立微小型燃机产业发展基金

综合运用项目扶持、股权投资、风险补偿等有效方式，建立多元化投融资体系，吸引各类社会资本参与，融合政府和社会力量支持微小型燃机研发，促进产业持续健康的发展。

5 结语

微小型燃机在我国天然气分布式发电领域应用前景广阔，但核心装备严重依赖进口，国产微小型燃机的技术、产品和服务尚未成熟，面临卡脖子技术制约，市场竞争力不足。经过近年来国家相关政策支持，我国已具备一定的研发基础和条件，产业化步伐也在加快。要进一步利用产业、科技、金融等政策措施，充分激发相关企业、高校、科研院所的力量，加快开展联合攻关，尽快形成我国自主的先进微小型燃机研究制造体系和创新机制，为产业化铺平道路，保障国家能源与国防安全。