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中国燃气轮机突破技术难点迎接市场新曙光

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    今年以来,燃气轮机行业动作频频,3月四川省成立了燃气轮机产业联盟,将合力突破燃机研发的技术难关;8月湖南株洲市通过了《株洲市航空发动机和燃气轮机产业发展规划(2013-2030)》评审;9月四川省通过《航空与燃机产业发展工作推进方案》……种种迹象表明,燃气轮机作为奠定工业大国和经济强国的战略性高技术产业,在我国的份量越来越重。随着技术的不断突破,我国实现了重型燃气轮机的自主研制,但广阔的国内市场仍对其信心不足,更愿意采购进口设备,我们在聚焦技术突破的同时更要思考市场的考验。

突出核心优势 开拓广阔前景
 
       燃气轮机不仅应用于机械、航空航天、舰船、兵器等军工领域,还广泛应用于油田、通信、电力、能源、“西气东输”管输动力等民用领域。作为装备制造业最高端最前沿的代表,燃气轮机是中国制造亟待突破和提升的主攻方向,加之我国能源市场的发展和变化,国家对环保日益重视,燃气轮机的前景十分广阔、地位极其重要、竞争异常激烈。
 
       最大效率,最优效益。随着高温材料的不断进展,以及涡轮采用冷却叶片并不断提高冷却效果,透平前燃气的初温逐步提高,现在已经达到1400℃~1500℃,未来将达到1600℃~1800℃,加之研制级数不断减少压缩比越来越高的压气机和各个部件效率的提高,使燃气轮机效率不断提高。燃气轮机的简单循环热效率已由初期的不足20%相应提高到现在的36%~40%,甚至超过50%(燃氢透平);单机功率由初期的几千千瓦发展到100MW以上等级的大机组,如今已达到250~300MW。 而且启动非常快,由于整个转子十分轻巧,在起动机帮助下从冷态启动至带满负荷只需1~2分钟的时间,通过快速启动方式启动时间还可缩短一半。
 
       体积较小,使用便捷。燃气轮机动力部件设计构造衍生于涡轮增压器和辅助动力装置,简单来说,它是以径流式叶轮机械为技术特征的。通过采用径流式叶轮机械,即向心式透平与离心式压气机,可使装置结构简单、紧凑,与传统设备相比,燃气轮机设备规模、体积比传统的锅炉、蒸汽轮机小,占地面积小,便于移动。而且微型燃气轮机由于不需要水,既可以在电网无法覆盖、地广人稀、严重缺水的边远地区使用,也可以在城市重要场所独立应用。
 
       减少燃煤,清洁环保。以煤为主要能源结构使我国的环境污染日趋严重。燃气轮机可以采用天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、汽油、柴油、煤油、酒精等煤炭以外的燃料。而且燃气轮机采用贫燃料预混合技术,通过在燃烧过程中控制NOx的生产,或在NOx生成后排入余热锅炉时进行尾部烟气脱硝,达到超低的NOx排放效果,使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时,排放的体积分数NOx小于9×10-6;使用柴油或煤油燃料满负荷运行时,排放的体积分数NOx小于35×10-6;采用油井气做测试,排放的体积分数NOx小于1×10-6,而且能够实现资源充分循环利用,真正达到零排放。
 
       噪声最小,安全可靠。燃气轮机运行时产生的低频份量很低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频啸声。而且可以通过采用数字式遥控的联网离网变换装置,弥补其它设备在安全稳定性方面的不足。
 
借力先进技术 克服制造难度
 
       燃气轮机被公认为世界上最难制造的机械装备,又称制造业“皇冠上的明珠”。传统汽轮机工作温度一般是几百摄氏度,而燃气轮机工作温度在1000摄氏度以上。如此高温,寻常钢铁都要融化,而燃气轮机叶片却要保证能以每分钟3000转以上的速度工作。
 
       涡轮高温叶片是燃气轮机中极为重要的零件,其质量的好坏对燃机整体性能和使用安全有重要的影响。它在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作,普遍具有材料特性要求高,毛坯的锻造工艺复杂;叶片型面复杂,曲率变化大;精度要求高,加工中很难保证;技术要求高,加工检测难度大等特点。但随着涡轮高温叶片设计水平的不断提高,计算机仿真技术的迅速发展,三维造型的普遍采用,耐高温材料的研究进展顺利,金属材料冶炼制造技术的提升,已经突破了燃气轮机核心部件涡轮高温叶片的制造难度。
 
        涡轮盘作为燃气轮机中涡轮发动机的主要承力件和涡轮转子叶片的载体,解决它的制造难题体现燃气轮机生产的整体水平。它的工作环境亦十分恶劣,所受气体力、热应力和离心力均很大,而且结构复杂、尺寸精度要求高,加工工艺性较差,对其造成了极大的制造难度。但随着我国数控车技术、高速拉削技术、端面弧齿磨削技术、精面精密连接孔的钻镗加工技术等实用新技术的发展,为燃气轮机涡轮盘的制造提供了可靠的保证。
 
       其次是燃气轮机的控制系统,它决定了燃气运行的经济性、安全性、可用率以及变工况运行的性能等指标,与一般工业控制系统相比复杂得多,不仅有逻辑控制,还有过程控制、各种严格的保护等,设计难度和制造难度非常大。但随着我国软件开发技术、仿真技术、电子技术和微处理器技术的快速发展,为燃气轮机控制系统和保护系统的制造提供了坚强的后盾。
 
       经过了近几年来的先进技术改造和发展,我国的燃气轮机在制造方面已经掌握了先进的工艺技术。不仅可以制造涡轮叶片和涡轮盘等核心零部件,掌握了先进的控制技术,确保燃气轮机的安全。可以制造先进的燃烧室,火焰筒,内外套及喷嘴等零部件,说明我国航空和燃气轮机系统的制造能力逐渐强大。
 
面对巨大需求  扶持国产装备
 
        从第一台燃气轮机真正制造成功开始,燃机市场就一直被西方巨头垄断。据统计,GE系统的燃气轮机产量约占全世界总产量的53%,排名第一;三菱公司系统约占19%,排名第二;Alstom-ABB系统约占14%,排名第三;Siemens-WH系统占9%,排名第四。这几家厂商大公司及其伙伴厂家的产品份额约占世界总量的80%,这种市场格局自1989年开始就一直没有发生太大的变化。
 
       随着国家对于低资源消耗,节能、环保问题的重视,我国对燃气轮机的研制开发、应用探索都投入了巨大的人力物力,使我国燃机市场逐步走活。尤其是近年来随着我国西气东输、石化、电力、通信等重大项目的建设,和分布式能源系统的试点建设,我国燃气轮机总体需求订单呈现上升趋势,但国产燃机所占市场份额仍旧相对较小。GE、阿尔斯通、西门子等国外大公司的产品大约占据我国燃气轮机市场份额的80%,我国自主研制燃机只占约20%的份额。
 
       2009年至今,欧美发达国家的燃气轮机市场始终处于增长状态,美国燃气轮机的平均市场规模增长率为17.7%,英国为15.8%,日本为14.9%。目前,我国燃气轮机的平均市场规模增长率为13.8%,但随着我国工业转型和节能减排的进一步深入,燃气轮机的使用范围将更广,增长空间十分广阔,增长速度也有望追上发达国家。我国燃气轮机的进口总量自2005年来一直处于增长状态,就是明显的例证。
 
       燃气轮机只有通过长期的使用才能发现不足并不断改进。不少国内用户在采购时只考虑满足自身需求,更倾向于直接采购国外现成的设备。而对处于试用或者还在推广中的国产装备信心不足,从而让国产装备无法在使用和市场实践中持续改进更新。作为中国工业的推进者,国内用户有责任和义务帮助我国燃气轮机产业在使用实践中不断完善。
 
       燃气轮机与航空涡轮发动机都属高温高压涡轮机械装备,工作原理相同,核心技术相似,燃气轮机产业在发展过程中与航空发动机产业发展有很多共性。航空发动机的发展也促进了燃气轮机产业的进步,如QD-128燃气轮机的前身是“昆仑”航空发动机。
 
       燃气轮机不仅更具有多样性、复杂性的技术特点,其应用领域较之航空发动机也更为广泛。发展燃气轮机产业,提高国产燃机的使用推广也有助于国产航空发动机产业的发展。燃气轮机的发展更关系到国家能源、交通、环保等国计民生的发展。在制造技术有所突破的背景下,通过市场、经济、财政扶持国产装备的推广,先用起来,在长期的使用中逐步提高性能,同等条件下优先采购,在实际应用和政策扶持的双重支撑下促进我国燃气轮机产业的发展。