中國燃氣輪機突破技術難點迎接市場新曙光
編輯：2024-01-22 10:40:01
今年以來，燃氣輪機行業(yè)動作頻頻，3月四川省成立了燃氣輪機產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將合力突破燃機研發(fā)的技術難關；8月湖南株洲市通過了《株洲市航空發(fā)動機和燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2013-2030）》評審；9月四川省通過《航空與燃機產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作推進方案》種種跡象表明，燃氣輪機作為奠定工業(yè)大國和經(jīng)濟強國的戰(zhàn)略性高技術產(chǎn)業(yè)，在我國的份量越來越重。隨著技術的不斷突破，我國實現(xiàn)了重型燃氣輪機的自主研制，但廣闊的國內(nèi)市場仍對其信心不足，更愿意采購進口設備，我們在聚焦技術突破的同時更要思考市場的考驗。
突出核心優(yōu)勢 開拓廣闊前景
燃氣輪機不僅應用于機械、航空航天、艦船、兵器等軍工領域，還廣泛應用于油田、通信、電力、能源、“西氣東輸”管輸動力等民用領域。作為裝備制造業(yè)高端前沿的代表，燃氣輪機是中國制造亟待突破和提升的主攻方向，加之我國能源市場的發(fā)展和變化，對環(huán)保日益重視，燃氣輪機的前景十分廣闊、地位極其重要、競爭異常激烈。
大效率，優(yōu)效益。隨著高溫材料的不斷進展，以及渦輪采用冷卻葉片并不斷提高冷卻*，透平前燃氣的初溫逐步提高，現(xiàn)在已經(jīng)達到1400℃~1500℃，未來將達到1600℃~1800℃，加之研制級數(shù)不斷減少壓縮比越來越高的壓氣機和各個部件效率的提高，使燃氣輪機效率不斷提高。燃氣輪機的簡單循環(huán)熱效率已由初期的不足20%相應提高到現(xiàn)在的36%~40%，甚至超過50%（燃氫透平）；單機功率由初期的幾千千瓦發(fā)展到100MW以上等級的大機組，如今已達到250~300MW。 而且啟動非?？?，由于整個轉(zhuǎn)子十分輕巧，在起動機幫助下從冷態(tài)啟動至帶滿負荷只需1~2分鐘的時間，通過快速啟動方式啟動時間還可縮短一半。
體積較小，使用便捷。燃氣輪機動力部件設計構造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置，簡單來說，它是以徑流式葉輪機械為技術特征的。通過采用徑流式葉輪機械，即向心式透平與離心式壓氣機，可使裝置結構簡單、緊湊，與傳統(tǒng)設備相比，燃氣輪機設備規(guī)模、體積比傳統(tǒng)的鍋爐、蒸汽輪機小，占地面積小，便于移動。而且微型燃氣輪機由于不需要水，既可以在電網(wǎng)無法覆蓋、地廣人稀、嚴重缺水的邊遠地區(qū)使用，也可以在城市重要場所獨立應用。
減少燃煤，清潔環(huán)保。以煤為主要能源結構使我國的環(huán)境污染日趨嚴重。燃氣輪機可以采用天然氣、丙烷、油井氣、煤層氣、沼氣、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃氣輪機采用貧燃料預混合技術，通過在燃燒過程中控制NOx的生產(chǎn)，或在NOx生成后排入余熱鍋爐時進行尾部煙氣脫硝，達到超低的NOx排放*，使用天然氣或丙烷燃料滿負荷運行時，排放的體積分數(shù)NOx小于9×10-6；使用柴油或煤油燃料滿負荷運行時，排放的體積分數(shù)NOx小于35×10-6；采用油井氣做測試，排放的體積分數(shù)NOx小于1×10-6，而且能夠?qū)崿F(xiàn)資源充分循環(huán)利用，真正達到零排放。
噪聲小可靠。燃氣輪機運行時產(chǎn)生的低頻份量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動當中，產(chǎn)生的噪聲更多是高頻嘯聲。而且可以通過采用數(shù)字式遙控的聯(lián)網(wǎng)離網(wǎng)變換裝置，彌補其它設備在******穩(wěn)定性方面的不足。
借力先進技術 克服制造難度
燃氣輪機被公認為難制造的機械裝備，又稱制造業(yè)“皇冠上的明珠”。傳統(tǒng)汽輪機工作溫度一般是幾百攝氏度，而燃氣輪機工作溫度在1000攝氏度以上。如此高溫，尋常鋼鐵都要融化，而燃氣輪機葉片卻要保證能以每分鐘3000轉(zhuǎn)以上的速度工作。
渦輪高溫葉片是燃氣輪機中極為重要的零件，其質(zhì)量的好壞對燃機整體性能和使用有重要的影響。它在高溫、高速、高應力和高腐蝕的環(huán)境下工作，普遍具有材料特性要求高，毛坯的鍛造工藝復雜；葉片型面復雜，曲率變化大；精度要求高，加工中很難保證；技術要求高，加工檢測難度大等特點。但隨著渦輪高溫葉片設計水平的不斷提高，計算機仿真技術的迅速發(fā)展，三維造型的普遍采用，耐高溫材料的研究進展順利，金屬材料冶煉制造技術的提升，已經(jīng)突破了燃氣輪機核心部件渦輪高溫葉片的制造難度。
燃氣輪機中渦輪發(fā)動機的主要承力件和渦輪轉(zhuǎn)子葉片的載體，解決它的制造難題體現(xiàn)燃氣輪機生產(chǎn)的整體水平。它的工作環(huán)境亦十分惡劣，所受氣體力、熱應力和離心力均很大，而且結構復雜、尺寸精度要求高，加工工藝性較差，對其造成了極大的制造難度。但隨著我國數(shù)控車技術、高速拉削技術、端面弧齒磨削技術、精面精密連接孔的鉆鏜加工技術等實用新技術的發(fā)展，為燃氣輪機渦的制造提供了可靠的保證。
其次是燃氣輪機的控制系統(tǒng)，它決定了燃氣運行的經(jīng)濟性、可用率以及變工況運行的性能等指標，與一般工業(yè)控制系統(tǒng)相比復雜得多，不僅有邏輯控制，還有過程控制、各種嚴格的保護等，設計難度和制造難度非常大。但隨著我國軟件開發(fā)技術、仿真技術、電子技術和微處理器技術的快速發(fā)展，為燃氣輪機控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的制造提供了堅強的后盾。
經(jīng)過了近幾年來的先進技術改造和發(fā)展，我國的燃氣輪機在制造方面已經(jīng)掌握了先進的工藝技術。不僅可以制造渦輪葉片等核心零部件，掌握了先進的控制技術，可以制造先進的燃燒室,火焰筒,內(nèi)外套及噴嘴等零部件，說明我國航空和燃氣輪機系統(tǒng)的制造能力逐漸強大。
面對巨大需求 扶持國產(chǎn)裝備
從一臺燃氣輪機真正制造成功開始，燃機市場就一直被西方巨頭壟斷。據(jù)統(tǒng)計，GE系統(tǒng)的燃氣輪機產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的53%，排名一；三菱公司系統(tǒng)約占19%，排名二；Alstom-ABB系統(tǒng)約占14%，排名三；Siemens-WH系統(tǒng)占9%，排名四。這幾家廠商大公司及其伙伴廠家的產(chǎn)品份額約占總量的80%，這種市場格局自1989年開始就一直沒有發(fā)生太大的變化。
隨著對于低資源消耗，節(jié)能、環(huán)保問題的重視，我國對燃氣輪機的研制開發(fā)、應用探索都投入了巨大的人力物力，使我國燃機市場逐步走活。尤其是近年來隨著我國西氣東輸、石化、電力、通信等重大項目的建設，和分布式能源系統(tǒng)的試點建設，我國燃氣輪機總體需求訂單呈現(xiàn)上升趨勢，但國產(chǎn)燃機所占市場份額仍舊相對較小。GE、阿爾斯通、西門子等國外大公司的產(chǎn)品大約占據(jù)我國燃氣輪機市場份額的80%，我國自主研制燃機只占約20%的份額。
2009年至今，歐美的燃氣輪機市場始終處于增長狀態(tài)，美國燃氣輪機的平均市場規(guī)模增長率為17.7%，英國為15.8%，日本為14.9%。目前，我國燃氣輪機的平均市場規(guī)模增長率為13.8%，但隨著我國工業(yè)轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排的進一步深入，燃氣輪機的使用范圍將更廣，增長空間十分廣闊，我國燃氣輪機的進口總量自2005年來一直處于增長狀態(tài)，就是明顯的例證。
燃氣輪機只有通過長期的使用才能發(fā)現(xiàn)不足并不斷改進。不少國內(nèi)用戶在采購時只考慮滿足自身需求，更傾向于直接采購國外現(xiàn)成的設備。而對處于試用或者還在推廣中的國產(chǎn)裝備信心不足，從而讓國產(chǎn)裝備無法在使用和市場實踐中持續(xù)改進更新。作為中國工業(yè)的推進者，國內(nèi)用戶有責任和義務幫助我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)在使用實踐中不斷完善。
燃氣輪機與航空渦輪發(fā)動機都屬高溫高壓渦輪機械裝備，工作原理相同，核心技術相似，燃氣輪機產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中與航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展有很多共性。航空發(fā)動機的發(fā)展也促進了燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的進步，如QD-128燃氣輪機的前身是“昆侖”航空發(fā)動機。
燃氣輪機不僅更具有多樣性、復雜性的技術特點，其應用領域較之航空發(fā)動機也更為廣泛。發(fā)展燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，提高國產(chǎn)燃機的使用推廣也有助于國產(chǎn)航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。燃氣輪機的發(fā)展更關系到能源、交通、環(huán)保等國計民生的發(fā)展。在制造技術有所突破的背景下，通過市場、經(jīng)濟、財政扶持國產(chǎn)裝備的推廣，先用起來，在長期的使用中逐步提高性能，同等條件下優(yōu)先采購，在實際應用和政策扶持的雙重支撐下促進我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
