燃氣輪機技術(shù)及發(fā)展*

翁一武，聞雪友，翁史烈??

①上海交通大學(xué)能源研究院，上海 200240；②中國船舶重工集團公司703研究所，哈爾濱 150030

燃氣輪機技術(shù)及發(fā)展*

翁一武①?，聞雪友②??，翁史烈①???

①上海交通大學(xué)能源研究院，上海 200240；②中國船舶重工集團公司703研究所，哈爾濱 150030

介紹了先進燃氣輪機的發(fā)展?fàn)顩r，分析了重型燃氣輪機的技術(shù)性能，并結(jié)合中國發(fā)展戰(zhàn)略，提出中國燃氣輪機的發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)路線。

燃氣輪機；技術(shù)性能；發(fā)展目標(biāo)；技術(shù)路線

燃氣輪機是一個涉及國家能源的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是能源動力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品。發(fā)展燃氣輪機對我國先進制造業(yè)和先進能源技術(shù)的研究至關(guān)重要，而且對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展有很大的推動作用。

燃氣輪機有著極其廣泛的應(yīng)用。它不僅是國防裝備中極其關(guān)鍵的設(shè)備，在國民經(jīng)濟的電力、能源開采和輸送、分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域中，燃氣輪機也有著不可替代的戰(zhàn)略地位和作用。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，燃氣輪機已經(jīng)達到了很高的水平。目前，先進的J級燃氣輪機的最大功率為460 MW，初溫為1 600 ℃，單循環(huán)效率接近41%，聯(lián)合循環(huán)效率超過60%。燃氣輪機產(chǎn)業(yè)已經(jīng)高度壟斷，形成了以GE 、西門子、三菱、阿爾斯通公司為主的重型燃氣輪機產(chǎn)品體系。

我國三大動力集團的哈爾濱電氣和美國通用電氣(GE)、東方電氣和日本三菱、上海電氣集團與德國西門子合資生產(chǎn)重型燃氣輪機，但沒有掌握核心設(shè)計技術(shù)。目前我國燃氣輪機整體水平與國際先進水平相差很大，尚未形成嚴格意義上的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，遠未具備先進燃氣輪機自主開發(fā)和制造的能力，總體水平落后20～30年。

1 先進燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 燃氣輪機的發(fā)展歷程

1906年第一臺效率為3%的燃氣輪機問世。20世紀40年代起燃氣輪機開始進入工業(yè)的各個領(lǐng)域并得到了較為迅速的發(fā)展。例如：1939年誕生于瑞士BBC公司的燃氣輪機，功率1.5 MW，初溫550 ℃，效率17.3%。進入20世紀80年代后，燃氣輪機單機容量有很大程度的提高，特別是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)日漸成熟。隨著世界范圍內(nèi)天然氣資源的大力開發(fā)，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)在世界電力系統(tǒng)中的地位發(fā)生了明顯的變化，不僅可以作為緊急備用電源和調(diào)峰機組使用，而且還能用于帶基本負荷機組。

經(jīng)過不斷應(yīng)用最新的研究成果，提高技術(shù)水平，目前正在研究最大功率達460 MW、燃氣初溫達1 600 ℃、壓氣機壓縮比約40、單循環(huán)效率為43%～44% 的重型燃氣輪機，其聯(lián)合循環(huán)效率將高達65%；同時也在著手研究未來更加先進的燃氣輪機，燃氣初溫的目標(biāo)是1 700 ℃，見圖1。

圖1 先進重型燃機的發(fā)展

目前燃氣輪機單機效率已達36%～41.6%，最大單機功率已達375 MW。組成聯(lián)合循環(huán)機組后，發(fā)電效率達55%～60%。聯(lián)合循環(huán)機組已成為發(fā)電市場的主流機組。日本三菱公司研制的M501J型燃氣輪機組成的聯(lián)合循環(huán)在50%負荷工況下效率依然可以達到55%。阿爾斯通公司的新GT26在40%負荷工況下NOx的排放依然低于25 ppm(這里1 ppm=10-6)。

1.2 燃氣輪機技術(shù)發(fā)展趨勢

今后燃氣輪機發(fā)展趨勢是：①進一步提高溫度、壓力，從而進一步提高機組的功率效率等性能；②適應(yīng)燃料多樣性的需求；③改變基本熱力循環(huán)，采用新工質(zhì)，完善控制系統(tǒng)，優(yōu)化總體性能。

重型燃氣輪機不斷向高參數(shù)、高性能、低污染發(fā)展。通過研究和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，專家預(yù)測到2020年最高初溫可到1 700℃，聯(lián)合循環(huán)效率可達65%。

探索用于未來級燃氣輪機的新一代高溫材料與冷卻技術(shù)。研究新一代超級合金、粉末冶金材料、金屬基/陶瓷基復(fù)合材料，研究單晶合金、超級冷卻葉片、熱障涂層(TBC)、抗氧化和熱蝕的涂層等技術(shù)。例如：GE公司H型產(chǎn)品第一級透平葉片采用超級合金(CMSX-4)單晶技術(shù)，而后三級透平葉片采用超級合金(GTD111)定向結(jié)晶鑄造技術(shù)。研究綜合應(yīng)用沖擊/氣膜復(fù)合冷卻、多孔層板發(fā)散冷卻、發(fā)汗冷卻、閉式蒸汽冷卻等新型冷卻技術(shù)，適應(yīng)新一代燃氣輪機更高進口溫度的苛刻要求。如德國正在研究以超級合金為骨架、表面為粉末冶金多孔材料和發(fā)散冷卻的下一代透平葉片，日本曾經(jīng)研究過透平靜/動葉片以及轉(zhuǎn)子的蒸汽冷卻，并已經(jīng)取得了階段性成果。

采用先進的氣動設(shè)計技術(shù)，進一步提高壓氣機與透平部件性能。研究可控渦設(shè)計、自由渦設(shè)計、掠彎扭葉片技術(shù)、多圓弧葉型、可控擴散葉型、間隙流動控制等技術(shù)，減小各類損失。如采用壓氣機多級可調(diào)葉片技術(shù)，以保證寬廣范圍內(nèi)壓氣機能夠高效工作；如壓氣機附面層抽吸技術(shù)、流動穩(wěn)定性被動與主動控制技術(shù)，大幅度減少多級軸流壓氣機的級數(shù)/軸向長度/重量，大幅度擴大壓氣機穩(wěn)定工作范圍等。

拓寬燃料適應(yīng)范圍，進一步降低NOx等污染物排放。高效低污染穩(wěn)定燃燒技術(shù)始終是燃氣輪機的前沿技術(shù)。世界各燃氣輪機制造商都發(fā)展了各自的控制污染排放的技術(shù)，投入了很大的力量研究開發(fā)干式低污染(DLN)燃燒室，并應(yīng)用于各自的現(xiàn)代燃氣輪機產(chǎn)品中。

優(yōu)化總體性能和完善控制系統(tǒng)。如采用新型熱力循環(huán)(包括先進濕空氣透平循環(huán)等)和新工質(zhì)(包括混合工質(zhì)等)，優(yōu)化總體性能，完善控制系統(tǒng)，獲得更高效率的燃氣輪機發(fā)電機組。

每一項技術(shù)的突破都將是葉輪機械氣動熱力學(xué)的革命性進步，都將帶來燃氣輪機性能的顯著提高。

1.3 國內(nèi)燃氣輪機與國際先進水平的差距

盡管國內(nèi)燃機水平有一定的發(fā)展，但是由于國外的快速發(fā)展，國內(nèi)燃氣輪機整體水平與國際先進水平相差很大。

目前我國尚未形成嚴格意義上的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，遠未具備先進燃氣輪機自主開發(fā)和制造的能力，總體水平落后20～30年。

我國重型燃氣輪機與國外相比，主要差距是沒有掌握核心設(shè)計技術(shù)、熱端部件制造維修技術(shù)和控制技術(shù)。從核心技術(shù)自主研發(fā)綜合能力角度看，全行業(yè)整體大大落后于國際先進水平。

從專利受理區(qū)域來看，在美國申請的專利最多，有15 361件，約占專利總數(shù)的31%。其次是日本、歐洲、德國、英國等國家或地區(qū)。中國受理的專利有1 984件，約占專利總數(shù)的4%。

2 燃氣輪機的技術(shù)及性能分析

重型燃氣輪機不斷應(yīng)用最新的研究成果，提高其技術(shù)水平，如燃氣初溫、壓氣機壓比技術(shù)指標(biāo)不斷得到提高，簡單循環(huán)效率和聯(lián)合循環(huán)效率也持續(xù)增高，單循環(huán)效率已達40%，聯(lián)合循環(huán)效率已達60%，同時燃氣輪機變工況特性大大改進，實現(xiàn)了快速升降負荷(15 MW/min)以及更寬廣范圍內(nèi)的穩(wěn)定高效清潔運行，實現(xiàn)能源的高效潔凈利用。

2.1 燃氣輪機總體性能

GE公司于1987年制成了首臺60 Hz的MS7001F型燃氣輪機發(fā)電機組，輸出功率135.7 MW，發(fā)電效率32.8%。之后，GE公司與GEC Alsthom公司聯(lián)合開發(fā)，通過MS7001F型燃氣輪機的?；糯螅；禂?shù)1.2，制成了50 Hz的MS9001F型燃氣輪機發(fā)電機組，輸出功率212.2 MW，發(fā)電效率34.1%。其燃氣輪機的所有部件，除軸承和燃燒室以外，都是按1.2的比例進行?；糯?。第一臺MS9001F型燃氣輪機發(fā)電機組于1991年8月在美國南卡羅萊納州的格林維爾(Greenville)廠制造成功并運行良好。接著，GE公司又將其MS7001FA型燃氣輪機?；s小，?；?/3，于1995年末研制成70 MW等級的MS6001FA型燃氣輪機，通過齒輪箱減速，用于50 Hz/60 Hz發(fā)電。

GE公司在21世紀推出的最新產(chǎn)品是H型燃氣輪機，有3 600 r/min的MS7001H和3 000 r/min的MS9001H兩種型號。其壓氣機是CF6-80C2航空發(fā)動機壓氣機的放大型(MS7001H放大系數(shù)為2.6，MS9001H放大系數(shù)為3.1)，有18級，壓比達23。除進口導(dǎo)葉可調(diào)外，還增加了4級可調(diào)靜葉，以優(yōu)化部分負荷工況性能。透平為4級，全是三維氣動設(shè)計的航空透平葉型，第一級動葉和噴嘴為鎳基超級合金單晶鑄件，消除了晶界，改善了高溫疲勞性能，并且涂有氧化鋯穩(wěn)定的釔陶瓷隔熱涂層。后三級動葉應(yīng)用定向結(jié)晶鑄件，第二級動葉還增加了隔熱涂層。2～4級靜葉應(yīng)用單晶材料，其中2、3級靜葉加了隔熱涂層。

西門子公司于1974年開發(fā)出90 MW的V94型燃氣輪機，1977年生產(chǎn)了當(dāng)時世界上最大的113 MW單軸燃氣輪機，1984年采用114 MW的V94.2型燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)裝置，1990年開發(fā)出第一臺103 MW的V84.2型燃氣輪機，從而逐步形成了60 Hz的V84和50 Hz的V94為主的燃氣輪機型號系列產(chǎn)品。其具體結(jié)構(gòu)特點見圖2。V94.3A型燃氣輪機長10.82 m，寬5.04 m，高4.95 m，重308 t。

三菱重工(MHI)的燃氣輪機技術(shù)主要是在西屋的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。西屋公司在20世紀40年代早期開發(fā)了美國第一臺航空噴氣發(fā)動機，1948年制造出第一臺1 800馬力工業(yè)燃氣輪機(W21)，截止1996年全世界約有1 614臺采用西屋技術(shù)生產(chǎn)的燃氣輪機，總?cè)萘考s為77 300 MW。1998年，西屋公司燃氣輪機部被西門子公司收購。三菱重工(MHI)于1994年開始研發(fā)G型燃氣輪機，首臺60 Hz的501G型機組于1997年出廠，緊接著又造出了相同級別50 Hz的701G型機組。G型機組把燃氣初溫提高到1 427℃，相應(yīng)的壓氣機壓比也提高到20，使簡單循環(huán)凈效率達39.5%，聯(lián)合循環(huán)凈效率達58%。

圖2 西門子公司V94.3A機組的結(jié)構(gòu)圖及設(shè)計特點

2.2 三家公司的燃氣輪機特點比較

將GE、西門子、三菱三家公司的最新燃氣輪機機型性能指標(biāo)及熱端部件用材總結(jié)比較如表1。

表1 燃機總體性能指標(biāo)比較

2.3 重型燃機國產(chǎn)化情況

2003年至2013年，通過三次打捆招標(biāo)以及后續(xù)招標(biāo)，東方、哈爾濱、南京、上海等動力設(shè)備制造企業(yè)分別引進三菱、GE、西門子公司的F/E級重型燃機部分制造技術(shù)，進行本地化制造，經(jīng)過國產(chǎn)化四個階段和合資熱部件企業(yè)，完成重型燃機的整機生產(chǎn)。

3 燃氣輪機發(fā)展技術(shù)路線

3.1 燃氣輪機發(fā)展目標(biāo)

重型燃氣輪機的發(fā)展目標(biāo)是開展F級60 MW、 300 MW燃氣輪機研發(fā)工作。利用5年的時間，研制出F級60 MW燃氣輪機，實現(xiàn)產(chǎn)品化；利用10 年左右的時間，研制出自主品牌的F級300 MW重型燃氣輪機，建成示范電站，實現(xiàn)自主化和產(chǎn)業(yè)化；利用20年左右時間，完成G級、H級重型燃氣輪機技術(shù)自主開發(fā)，實現(xiàn)系列化發(fā)展的目標(biāo)。最終形成完整的燃氣輪機自主研發(fā)、設(shè)計、驗證、制造、應(yīng)用和運行維護的科技體系、工業(yè)體系和可持續(xù)發(fā)展能力，躋身世界燃氣輪機強國行列。

3.2 研究內(nèi)容

燃氣輪機發(fā)展研究內(nèi)容主要包含研發(fā)與設(shè)計、關(guān)鍵部件實驗驗證、基礎(chǔ)與共性技術(shù)研究、總裝與系統(tǒng)總成、高溫部件制造、儀控平臺及控制系統(tǒng)、關(guān)鍵部件制造、調(diào)試與服務(wù)、實驗電站與示范電站建設(shè)等方面。

研發(fā)與設(shè)計包括總體設(shè)計(即總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、總體氣動性能設(shè)計、冷卻與密封空氣系統(tǒng)設(shè)計、運行規(guī)律及調(diào)節(jié)控制方式設(shè)計等)、壓氣機設(shè)計、透平設(shè)計、燃燒室設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、軸系設(shè)計、強度與振動以及可靠性設(shè)計、專用設(shè)計及計算軟件開發(fā)、關(guān)鍵輔助系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵部件實驗驗證主要包括壓氣機整機及中小型實驗臺、燃燒室全參數(shù)及降壓?；囼炁_、透平性能試驗臺、高溫葉片冷卻技術(shù)試驗臺、燃氣輪機轉(zhuǎn)子動態(tài)試驗臺、燃氣輪機控制裝置半物理仿真試驗平臺。

基礎(chǔ)與共性技術(shù)研究的內(nèi)容是指總體技術(shù)理論與試驗研究、壓氣機設(shè)計理論與實驗研究、低污染燃燒室設(shè)計理論與實驗研究、透平設(shè)計理論與實驗研究、設(shè)計軟件技術(shù)研究、控制理論與技術(shù)研究、振動、壽命與可靠性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究、材料及性能研究、大尺寸定向結(jié)晶與單晶葉片定向凝固技術(shù)、葉片加工及焊接熱處理等技術(shù)工藝研究、熱障涂層技術(shù)。

總裝與系統(tǒng)總成即重型燃氣輪機總裝及樣機制造，重型燃氣輪機廠內(nèi)空負荷試驗。重型燃氣輪機整機總裝設(shè)備包括燃氣輪機總裝臺位、轉(zhuǎn)子裝配臺位、數(shù)控平面磨床、數(shù)控車床、數(shù)控臺式鉆床、砂皮磨床、數(shù)控立式銑床等。重型燃氣輪機廠內(nèi)空負荷試驗臺包括試驗臺位、啟動裝置(6 000 kW的變頻啟動電機)、進排氣系統(tǒng)、氣體和液體燃料模塊、壓縮空氣模塊、潤滑油及控制油模塊、天然氣和燃油供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和起重、運輸設(shè)備及測量控制、安全監(jiān)控系統(tǒng)等。系統(tǒng)集成包括燃氣輪機輔助系統(tǒng)的配套。

高溫部件即燃燒室部件、高溫葉片機械加工及涂層與精密鑄造單晶及定向結(jié)晶高溫葉片。試驗電站與示范電站建設(shè)的任務(wù)包括試驗電站建設(shè)、燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)整機的試驗驗證及試驗平臺能力的擴展、示范電站建設(shè)。

3.3 技術(shù)路線

(1)集中力量突破關(guān)鍵技術(shù)，包括高性能壓氣機技術(shù)，多種燃料的清潔高效燃燒技術(shù)，以高溫渦輪葉片為代表的高溫部件的材料、涂層、冷卻技術(shù)，總體設(shè)計技術(shù)和控制技術(shù)。

(2)走完基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、設(shè)計制造、部件試驗、總裝調(diào)試、示范運行等的全過程，為制造有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃氣輪機打下堅實基礎(chǔ)。

(3)積極開展基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)研究應(yīng)是有針對性，有強烈應(yīng)用背景，為燃氣輪機技術(shù)可持續(xù)發(fā)展提供保證。

(2016年11月14日收稿)

[1] 聞雪友, 翁史烈, 翁一武. 燃氣輪機發(fā)展戰(zhàn)略研究 [M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2016.

[2] 江澤民. 對中國能源問題的思考[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 42(3): 345-359.

[3] 翁史烈, 王永鴻, 宋華芬, 等. 燃氣輪機總體性能[M] . 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2016.

[4] 聞雪友, 翁一武. 長三角地區(qū)燃氣輪機發(fā)展戰(zhàn)略研究報告[R]. 中國工程院, 2015.

(編輯：沈美芳)

Gas turbine technology and development

WENG Yiwu①, WEN Xueyou②, WENG Shilie①
①Institute of Energy Research, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; ②703 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150030, China

This paper introduces the development of advanced gas turbine and analyzes the performance of heavy gas turbine technology. According to the development strategy of China, this paper puts forward the development target and technical route of gas turbine.

gas turbine, technology performance, development target, technology route

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.008

*中國工程院重點咨詢研究項目(2013-XZ-34)資助

?通信作者，E-mail: ywweng@sjtu.edu.cn

??中國工程院院士，研究方向：艦船及工業(yè)燃氣輪機裝置的研究和設(shè)計

???中國工程院院士， 研究方向：熱力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)動態(tài)性能及計算機仿真