整机丨燃气轮机的关键技术与发展，以及能源行业燃机发展思考

天然气发电具有清洁、高效、低碳、灵活的突出优势,发展气电对于改善大气环境质量、积极应对气候变化、实现“碳达峰”“碳中和”,促进天然气能源有效利用和发展、保障电力系统能源平稳供应,具有重要的意义。中国的燃气轮机制造技术起步较晚,发展曲折,由于关键技术仍被国外企业垄断,因此实现燃气轮机国产化是发展气电行业的首要关键[1-6]。

1 燃气轮机的工作原理和关键技术

燃气轮机作为涡轮航空发动机的工业化改型,广泛应用于天然气发电、船用动力、天然气管道增压等领域,是关系军事安全以及能源安全的重要高科技机电装备。虽然燃气轮机机械结构相较于往复式机械结构简单,但对材料、加工工艺、机电一体化程度、自控水平有着极高的要求,代表了一个企业乃至国家的工业化程度水平,所以被誉为工业“皇冠上的明珠”。

1.1 燃气轮机的工作原理

燃气轮机是一种将化学能通过燃烧转换为机械能的旋转式机械,主要工作原理是通过压气机将外部空气进行压缩,其中压气机分为轴流式压气机和离心式压气机。一般微型燃气轮机采用离心式压气机较多,主要功率在1.5 MW以下。中型、大型燃气轮机采用轴流式压气机,由多级压气叶片完成空气的压缩。以索拉透平公司生产的Titan 130燃气轮机为例,在通过13级叶片压缩后,将空气压力从大气压提高约14倍,通过轴流式压气机出口导流片和扩散器降低空气流速,进一步提高空气压力,进入燃烧室。同时燃料(气体或液体燃料)也通过燃料喷嘴喷入燃烧室,与高压空气进行混合后燃烧。燃烧生成的高温、高压烟气受热后膨胀,经过导流后与一级叶片接触,气体在接触过程中逐渐膨胀,推动透平叶片带动主轴旋转。从一级透平叶片流出后,气体继续膨胀,分别与第二级和第三级透平叶片接触做功,最后从出气口排出大气或者进入后续换热器进行循环利用。通常双轴型燃气轮机的一级透平叶片与压气机轴连接,与压气机同速旋转,用以带动压气机工作。二级透平叶片与三级透平叶片同属动力透平轴,与后端被驱动设备(压缩机、发电机等)通过联轴器以及齿轮变速箱相连,可以独立于压气机轴进行旋转,从而实现自由调速以及轻便启动的功能。通常燃气轮机用于驱动压气机的压缩气体功率占总功率的40%。随着高温材料的研发和单晶透平叶片的性能提高,以及中空叶片制造工艺的不断升级,动力透平叶片的耐受温度不断提升，燃气轮机主要控制温度之一的动力透平进口温度不断提升,带来燃气轮机功率以及燃烧效率的提高。在安全运行的前提下,动力透平进口温度的提升意味着必须寻找研发更耐高温的合金材料、更强悍的叶片涂层(主流为陶瓷材质),以及更高效的空气冷却方案。燃气轮机与传统的往复式发动机、蒸汽轮机相比,具有结构简单、可靠性高、占地少、启动迅速等特点,故大量用于调峰发电、海上发电,以及带动泵、压缩机等设备。燃气轮机发电机(索拉透平)见图1。

图1 燃气轮机发电机图(索拉透平)

Fig.1 Gas turbine generator(Solar Turbines)

1.2 燃气轮机的关键技术

燃气轮机实际上是航空发动机在工业上的应用与拓展,属高科技范筹,其关键技术几乎涉及了所有工业技术的难点。

1)压气机方面:压气机气动高负荷、高效率、高转速设计技术,气动性能高稳定性设计技术,整机气动性能模拟与实验技术,转子强度与振动设计技术等。

2)燃烧室方面:燃料燃烧模拟设计与验证技术,火焰筒壁涂层与多层结构设计技术,气体燃料与液体燃料喷嘴设计与测试技术,高温零部件气体冷却、陶瓷涂层防护、抗旋转与振动强度设计技术,富氧燃烧低排放燃烧设计与试验技术,宽范围燃料组分稳定燃烧设计与试验技术等。

3)透平方面:动叶片、静叶片、轮盘冷却设计与试验技术,叶片单晶制造技术,叶片中空铸造及冷却技术。

4)材料方面:强抗热腐蚀定向和单晶高温合金体系,高温合金材料体系,陶瓷涂层材料技术等。

5)系统设计方面:叶片冷却空气系统设计、性能分析和调试技术,控制系统自动控制,可调静叶片自动控制,起动系统技术,轴承和滑油系统技术。

6)系统工艺技术方面:复杂中空结构铸造技术,高强抗热冲击陶瓷涂层壳制造技术,大尺寸定向结晶、单晶叶片定向凝固技术,高温透平叶片加工、焊接、热处理、检测等工艺,叶片涂层技术,燃气轮机叶片的工程化研究,燃气轮机叶片制造规范和验收标准,大型涡轮盘的设计制造技术,高强钢拉杆制造工艺,燃烧器设计制造技术等。

1.3 燃气轮机的类型

燃气轮机和航空发动机的工作原理基本相同,将化学能通过燃烧转化为机械能,最终通过被驱动设备转化为动力或者是电能。无论是轻型或重型燃气轮机,均与航空发动机技术有关:1)轻型航改机,由成熟的航空发动机进行工业化改型,功率主要在50 MW以下,用于调峰发电、分布式能源、海上动力、天然气压缩等场景；2)重型燃气轮机则完全利用原型机平台重新设计,为满足城市电网电力需求,功率在50 MW以上。由于具有功率密度大、启动快、带负荷能力强、污染小、噪音小、安全可靠等技术特点,随着能源结构以及环保要求的逐渐提升,燃气轮机的应用和制造技术也得到不断发展。

燃气轮机按燃烧温度分级(100 ℃为一级别),其中E级、F级、G级燃气轮机的透平转子进口温度分别在1 200 ℃、1 300 ℃、1 400 ℃。按功率大小，又可分为4个类别,其中微型、小型、中型燃气轮机属轻型燃气轮机，大型燃气轮机属重型燃气轮机，见表1。

表1 燃气轮机的类型与应用表

Tab.1 Classification and application of gas turbine

1.4 燃气轮机的应用

1.4.1 军用船舶、坦克和装甲车

燃气轮机具有功率密度大、启停灵活、噪音低频分量低的优势,符合军用舰船对动力系统的性能要求。欧美国家和日本的水上舰艇早已将其作为装备动力；美国和俄罗斯还将燃气轮机用于装备军用坦克、装甲车的动力(表1中小型、微型燃气轮机)。

1.4.2 发电

在发电行业,负荷发电基本以大功率(大型)燃气轮机为主,调峰发电则以航改燃(中型、小型、微型)燃气轮机为主。天然气发电稳定可靠、经济性能高，可节省土地和水资源。它具有效率高、污染少、启动快、清洁环保等特点,是可再生能源的有效补充,具有调峰调频的灵活能力。例如,2007年以来,美国发展气电和可再生能源,使碳排放量下降了三分之一(表1中大型、中型、小型燃气轮机均可应用)。

1.4.3 油气输送

石油、天然气通常采用管道输送,设立增压站是保证石油、天然气连续输送的必要措施。对于外电供应受限场合,中、小型输气增压站一般常用天然气发动机,而大型输气增压站采用燃气轮机驱动压缩机是最佳选择,尤其是当功率大于6 MW时,采用燃气轮机驱动离心压缩机可以发挥最佳的工作效能(表1中小型燃气轮机)。

2 燃气轮机的发展

2.1 世界燃气轮机的发展成果

由于燃气轮机可用于军事用途,欧美国家和日本用了50～60年的时间,用大量的资金支持燃气轮机发展。如今燃气轮机已广泛应用于发电、舰船动力、机械驱动等重要领域。目前先进的燃气轮机简单效率已超过40%,联合循环效率已超过60%,燃气蒸汽联合循环逐步成为所有热循环效率最高的大规模商业化发电方式。2018年全球气电装机达180×104 MW,占全球发电总装机量的四分之一,其中北美地区气电装机占比41.2%,欧洲地区气电装机占比27.9%,中东地区气电装机占比66.4%[7](中国无统计数据)。2021年中国气电装机占比仅为4.5%[8]。2018年全球燃气轮机市场竞争格局[9]见图2。

图2 2018年全球燃气轮机市场竞争格局图

Fig.2 Global competitive landscape of gas turbines in 2018

2.2 中国燃气轮机的发展情况

2.2.1 燃气轮机发展初期

中国燃气轮机设计制造起步于20世纪60年代,曾生产透平进气初温为700 ℃等级的燃气轮机,有1 MW、1.5 MW、3 MW、6 MW等型号。70年代后期中国成功完成透平进气初温999 ℃等级的23 MW燃气轮机的研制和生产,并设计了17.8 MW驱动用燃气轮机。此后由于国家能源政策调整,中国燃气轮机工业陷于停滞,直至2001年该工业几乎无明显的发展。

2.2.2 燃气轮机发展中期

2002—2011年,中国调整战略决策,为促进燃气轮机技术及燃气轮机产业的发展,陆续通过三批集中招标和附加后续项目,引进先进燃气轮机联合循环发电机组。希望通过购买换技术的模式,获得部分燃气轮机的设计制造技术,从合作制造开始,逐步增加本地化和自主化比例,直至自己拥有完全独立制造燃气轮机的能力。中国制造商与国外制造商合作制造的F级燃气轮机有:哈尔滨电气集团&通用电气(HEC & GE)、东方电气集团&三菱重工(DEC & MISUBISHI)、上海电气集团&西门子(SEC & SIEMENS)等。另外,哈尔滨电气集团与阿尔斯通有限公司签署了《E级(GT13 E2)燃气轮机技术转让协议》，期间中国用于大中型燃气轮机制造的大型、特种、专用加工装备均已达到世界同类企业的水平,形成以南京汽轮电机集团公司为核心的燃气轮机制造产业群,具备了年产约40套F级和E级燃气轮机联合循环成套设备的能力。2012年11月6日,中国第一套煤气化联合循环发电系统(Integrated Gasification Combined Cyde,IGCC)示范电站整套机组成功运行，至2012年底,发电装机容量达到114 491×104 kW,其中天然气发电3 827×104 kW,约占全部装机容量的3.3%[10]。

2.2.3 燃气轮机发展现状

2011年后,随着中国天然气产业的持续发展,天然气储量和生产能力不断提高,西气东输、北气南调、进口天然气量和进口LNG逐步增加,环境保护对综合碳排放量的要求不断提升,国家开始调整战略决策和优化电力工业结构,将发展燃气发电和燃气—蒸汽联合循环发电作为战略调整的重要组成部分,相继出台了一系列扶持政策,加大了气电发展的资金投入。

2012年后,国家和地方能源公司分别涉入气电产业,气电装机量逐年上升。其中中国华能集团有限公司(以下简称华能)、中国华电集团有限公司(以下简称华电)、中国大唐集团有限公司(以下简称大唐)、国家电投集团公司(以下简称电投)和中国能源有限公司(以下简称国家能源)约占全国气电装机量的50%。2019 年底,华电和华能的气电装机量分别达到1 509×104 kW 和1 042×104 kW,占全国气电装机量的16.7%和11.5%;中国海洋石油集团有限公司依托海上天然气资源优势,拥有846×104 kW 的气电装机容量；北京京能集团、广东粤电集团、浙江能源集团和深圳能源集团等地方发电企业气电装机量也分别达到了506×104 kW、465×104 kW、403×104 kW和225×104 kW[11]。

2021年1月18日,中国气电装机量突破1×108 kW(“十三五”规划完成1.1×108 kW),进入了一个新的里程碑,约占总装机量的4.5%[12]。中国的气电装机量主要集中在珠三角、长三角和京津地区,装机量最大的是广东省。

3 中国能源行业燃气轮机市场发展条件

目前,中国的天然气资源供应稳定,天然气输配基础设施建设完善,为燃气轮机未来市场发展提供了坚实的保障。

3.1 天然气资源供应保障

2020年，中国天然气消费量3 259.1×108 m3,同比增加7.5%;天然气年产量1 925.00×108 m3,同比增长9.8%;进口LNG量6 713×104 t,同比增长11.5%;进口气态天然气量3 453×104 t,同比下降4.9%;天然气对外依存度接近41.2%[8]。

根据国家统计局公布数据[13],截至2019年底，天然气探明储量达59 666×108 m3,新增探明地质储量8 091×108 m3。

中国的煤层气和页岩气十分丰富,页岩气储量在世界排名前列。据自然资源部统计,2019年中国煤层气产量244.78×108 m3,新增探明地质储量64.08×108 m3[14]；页岩气累计探明地质储量1.805 9×1012 m3,可采资源量31.6×108 m3,探明率5.72%,仍然处于勘探开发初期,上升空间很大[15]。

3.2 天然气输配基础设施建设

截至2020年底,中国建设天然气管道约14.4×104 km,构建了覆盖全国的五横两纵天然气基干管网,形成西气东输、北气南下、就近外供、海气登陆的供气大格局。天然气进口管道、LNG接收站、跨区域骨干输气网和配气管网的建设,已基本形成资源多元、调度灵活、供应稳定的管网体系。

3.3 天然气产业发展规划

当前,常规天然气、煤层气和页岩气的快速开发,以及一定规模的进口天然气和LNG燃料的补充,为燃气轮机发电行业在中国形成规模市场提供了原料保障。预计到2025年,中国天然气产量将达到2 500×108 m3,页岩气年产量65×108 m3,为满足4 500×108 m3的天然气市场需求量,还需进口 2 000×108 m3天然气,对外依存度接近45%。预计到2023年,中国煤层气年产量将达到127.8×108 m3。预计到2035年左右,中国天然气消费量达到峰值6 500×108 m3,之后有5～10年的平台期,2050年下降至约5 500×108 m3,2060年仍有约4 300×108 m3的消费空间[16]。

3.4 燃气轮机发展的制约因素

当前,中国的制造产业群已具备年产约40台燃用天然气F、E级重型燃气轮机联合循环配套发电设备的能力,中国的研发也初见成效(中国东方电气集团有限公司自主研发出F级50 MW F级燃气轮机,中国联合重型燃气轮机技术有限公司完成 300 MW F级燃气轮机的初步设计)。但对燃气轮机部件的一些核心设计技术,特别是热端部分的设计制造技术以及燃气轮机的控制技术还有待于进一步完善和提升。目前遇到的难题如下。

1)国内在重型燃气轮机的设计能力、制造能力、试验能力、维修技术等方面均还有欠缺。在热通部件与其它重要备品备件损坏或寿命到期时,依赖国外制造商维修更换，费用昂贵。

2)少数现役燃气轮机在设计、加工制造上存在缺陷,仍需付高额的维修费用给国外商家。

3)热通道部件的维修和更换周期、维修与更换评定标准和工艺、维修技术和其它专业技术服务(如燃烧调整、控制系统及参数设定、维修指标等)均由国外制造商控制。

4 中国发展燃气轮机的建议

中国未来一段时间仍会继续装机IGCC以及基于IGCC的多联产系统,对天然气发电设备有着巨大的技术和设备需求。为尽快打破国外的技术垄断,确保国家二次能源的安全,研发具有自主知识产权的先进燃气轮机及装备已刻不容缓，为此提出如下建议。

1)为克服中国燃气轮机制造技术发展的瓶颈,结合现有的基础和能力,建议在政府的主导下,建立燃气轮机研发和制造示范项目,整合国内各大燃气轮机制造商、冶金材料厂、发电行业及相关的科研院所与高校技术力量,重点突破关键技术瓶颈。

2)重点攻克高温材料、高温部件技术、热障涂层技术、透平叶片冷却技术、大流量高压比高效压气机设计技术、高适应性低污染燃烧室设计技术、燃气轮机技术及系统、热通道部件维修技术等方面的课题。在研发制造具有自主知识产权的重型燃气轮机时,要特别加强中、低热值燃烧技术和燃烧室的开发。

3)通过政策导向、政策扶持,加快重型燃气轮机及其相关核心技术的研发。根据国际上燃气轮机开发的成功经验,建议依托用户,建立长期运行的试验验证平台和示范试验基地,以便在长期示范及验证试验中不断改进完善相关技术。

4)考虑适当的鼓励政策,比如在安全考核和调度措施上作出一定的倾斜,鼓励中国天然气发电行业逐步采用国产燃气轮机部件,以推动燃气轮机设备国产化及热通道部件维修国产化的进展。燃气轮机易损部件的国产化选择要准确,切实保证质量。

5)打破国外公司对国内市场的垄断,统一采购燃气轮机设备,集中存储,调配备品备件,吸纳技术人才,研究设备运维、检修的核心技术,开展优化运行，自主检修,以降低运行成本。

6)提倡燃气轮机用户参与技术研究,把燃气轮机的运用经验及时反馈到研发部门。燃气轮机最易损部件是燃烧室、一级喷嘴,其次是辅助设备(油泵、风机)轴承等，因此工艺操作相对稳定、严格执行工艺指标是延长部件寿命的关键。要提高对故障的测试能力,加强对火焰温度波动的监测,以及各部件状态的监测,避免突发事件。建立运行与事故档案,对部件的剩余寿命进行评估,制定损坏部件的修复、更换计划,掌握燃气轮机的运行规律。

7)定期检修是提高燃气轮机经济效益的保证。燃气轮机的工况变化和负荷波动对高温零部件的运行影响很大。燃气轮机需要定期检修:小修周期一般为20 000～25 000 h,主要检查火焰筒、燃烧室等(也可以根据生产需要和设备的实际情况临时检查);中修周期一般为24 000～32 000 h,主要是检查燃烧室、过渡段和一级喷嘴;大修周期一般为32 000～36 000 h,主要检查轴承、转子等全部零部件。另外,为提高压气机叶片和涡轮的寿命,选择适合运行条件的进气过滤系统很关键[17]。

8)对分布式燃气轮机进行集约化管理。充分发挥分布式燃气轮机规模小、布局灵活、运营高效的特点,实现区域集群式管理、集中式调度、集约化运营,最大限度降低维保成本,逐步提高维保技术,提升项目综合效益贡献度。

9)燃料成本、上网电价、利用小时数是决定燃气轮机组运行和盈利能力的关键参数。当前中国多数地区的气电上网电价尚不能对气电市场化形成激励机制。建议国家对气电实行多元化的定价措施,充分考虑气电运行成本,以及对减少碳排放的贡献、对调峰的贡献所付出的生产成本。将气电纳入中央或地方财政环保专项资金补贴范围。实行清洁电力优先上网的政策,保障气电机组利用小时数,以降低气电成本。探讨辅助服务市场和碳市场运行新模式[18-22]。

10)继续推广国家主张的“自发自用、余量上网、电网调节”的运营模式。鼓励有条件的工业园区、商场、机场、交通枢纽、数据存储中心和医院推广建设分布式能源项目。支持工业企业加快建设余热、余压、余气和瓦斯等发电项目。

11)拓展分布式燃气发电站在油气井钻采工程中的应用。美国开发页岩气的经验是“以气打气,气电结合,流水作业,工厂化生产”。将分布式燃气发电站以模块的形式安装在拖车上,利用其灵活移动、噪声低、振动小、启动快、耗水低、低排放、功率调幅宽和功率输出稳定等特点,对钻机作业、压裂作业、混砂作业和废水处理等实行电驱化,可大幅降低钻采综合成本。例如,根据压裂对电力功率的设计要求,配置相应规模的燃气轮机机组,可以为油气井压裂提供集中爆发式灵活持续电力服务,使油气井压裂达到最佳技术效果,大幅提升油气井产量。

5 结论