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，燃氣輪機行業動作頻頻，3月四川省成立了燃氣輪機產業聯盟，將合力突破燃機研發的技術難關；8月湖南株洲市通過了《株洲市航空發動機和燃氣輪機產業發展規劃（2013-2030）》評審；9月四川省通過《航空與燃機產業發展工作推進方案》種種跡象表明，燃氣輪機作為奠定工業大國和經濟強國的戰略性高技術產業，在我國的份量越來越重。隨著技術的不斷突破，我國實現了重型燃氣輪機的自主研制，但廣闊的國內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展和變化，對環保日益重視，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，現在已經達到1400℃~1500℃，未來將達到1600℃~1800℃，加之研制級數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熱效率已由初期的不足20%相應提高到現在的36%~40%，甚至超過50%（燃氫透平）；單機功率由初期的幾千千瓦發展到100MW以上等級的大機組，如今已達到250~300MW。 而且啟動非常快，由于整個轉子十分輕巧，在起動機幫助下從冷態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，與傳統設備相比，燃氣輪機設備規模、體積比傳統的鍋爐、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，既可以在電網無法覆蓋、地廣人稀、嚴重缺水的邊遠地區使用，也可以在城市重要場所獨立應用。
減少燃煤，清潔環保。以煤為主要能源結構使我國的環境污染日趨嚴重。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，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NOx小于35×10-6；采用油井氣做測試，排放的體積分數NOx小于1×10-6，而且能夠實現資源充分循環利用，真正達到零排放。
噪聲小可靠。燃氣輪機運行時產生的低頻份量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中，產生的噪聲更多是高頻嘯聲。而且可以通過采用數字式遙控的聯網離網變換裝置，彌補其它設備在******穩定性方面的不足。
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“皇冠上的明珠”。傳統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。
燃氣輪機中渦輪發動機的主要承力件和渦輪轉子葉片的載體，解決它的制造難題體現燃氣輪機生產的整體水平。它的工作環境亦十分惡劣，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，它決定了燃氣運行的經濟性、可用率以及變工況運行的性能等指標，與一般工業控制系統相比復雜得多，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技術、仿真技術、電子技術和微處理器技術的快速發展，為燃氣輪機控制系統和保護系統的制造提供了堅強的后盾。
經過了近幾年來的先進技術改造和發展，我國的燃氣輪機在制造方面已經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,內外套及噴嘴等零部件，說明我國航空和燃氣輪機系統的制造能力逐漸強大。
面對巨大需求 扶持國產裝備
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。據統計，GE系統的燃氣輪機產量約占總產量的53%，排名一；三菱公司系統約占19%，排名二；Alstom-ABB系統約占14%，排名三；Siemens-WH系統占9%，排名四。這幾家廠商大公司及其伙伴廠家的產品份額約占總量的80%，這種市場格局自1989年開始就一直沒有發生太大的變化。
隨著對于低資源消耗，節能、環保問題的重視，我國對燃氣輪機的研制開發、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，和分布式能源系統的試點建設，我國燃氣輪機總體需求訂單呈現上升趨勢，但國產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品大約占據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，美國燃氣輪機的平均市場規模增長率為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模增長率為13.8%，但隨著我國工業轉型和節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，就是明顯的例證。
燃氣輪機只有通過長期的使用才能發現不足并不斷改進。不少國內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成的設備。而對處于試用或者還在推廣中的國產裝備信心不足，從而讓國產裝備無法在使用和市場實踐中持續改進更新。作為中國工業的推進者，國內用戶有責任和義務幫助我國燃氣輪機產業在使用實踐中不斷完善。
燃氣輪機與航空渦輪發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，燃氣輪機產業在發展過程中與航空發動機產業發展有很多共性。航空發動機的發展也促進了燃氣輪機產業的進步，如QD-128燃氣輪機的前身是“昆侖”航空發動機。
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動機也更為廣泛。發展燃氣輪機產業，提高國產燃機的使用推廣也有助于國產航空發動機產業的發展。燃氣輪機的發展更關系到能源、交通、環保等國計民生的發展。在制造技術有所突破的背景下，通過市場、經濟、財政扶持國產裝備的推廣，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業的發展。
