0 研究背景

自1939年燃氣輪機誕生以來，經過80多年來的發展，燃氣輪機效率由17%提高到40%，壓比由10左右發展到30左右，重型燃氣輪機功率發展到260 MW。

隨著燃氣輪機技術的發展，燃氣初溫基本以每年20 ℃的速度提高，由550 ℃提高到1 600 ℃；隨著環保要求的提高，NOx排放指標南20世紀70年代的75 ppm發展到21世紀初的不高于25 ppm，美、日等國如今將排放標準限制在9 ppm。

1 技術發展概況

在過去幾十年中，英、美、日、德、俄等國家均將先進的燃氣輪機技術研究作為國家攻關項目，部署實施了一系列國家研究發展規劃（先進透平系統計劃、高性能渦輪發動機綜合計劃、新日光計劃等）。通過這些規劃的實施，它們建成了支撐可持續發展的燃氣輪機能力條件，并憑借相應的基礎研究、技術研發、產品應用及改進提高，相繼研發出先進成熟的系列化燃氣輪機產品，從而壟斷了全球的燃氣輪機市場。

目前，燃氣輪機正朝著大功率、高效率、低排放、燃料多樣化及長壽命方向發展，其發展趨勢集中體現在：

（1）提高壓比和渦輪初溫，提高整機性能：目前先進燃氣輪機基本達到了單級壓比接近1.3的水平，進口多級高效跨音設計，整機的全工況穩定裕度不小于15%，壓氣機壓比達到30以上，效率達到90%以上。

（2）拓寬燃料適應性，實現多種能源高效、低碳利用；采用新型燃燒技術，降低污染物排放，滿足環保要求；發達國家已經掌握了多燃料低污染燃氣輪機燃燒室核心技術，并成功開發出多種不同型號燃氣輪機，最低NOx排放僅為5～8 ppm。

（3）采用先進循環和設計技術，部件及整機效率不斷提高。

（4）研制新型高溫材料，采用先進冷卻技術，提高熱端部件的性能和可靠性。隨著渦輪進口溫度的不斷提高，渦輪葉片材料在耐熱合金及金屬基復合材料的基礎上，發達國家已將低密度、耐高溫、抗氧化復合材料的開發及應用列入了其國家的高技術發展計劃。世界各大燃氣輪機生產商對熱端部件冷卻技術進行了集中科研攻關，發展了蒸氣冷卻技術等先進高效冷卻技術，初溫超過1 600 ℃，并成功得到工業應用。

2 產業現狀

我國國家發展和改革委員會于2001年發布了《燃氣輪機產業發展和技術引進工作實施意見》，采用以市場換取部分制造技術的方式，并相應進行了3次捆綁招標，引進美國通用電氣、德國西門子和日本三菱重工3種F級大型單軸燃氣輪機機組共54套，全部建成后總裝機容量超過20 000 kW。日本三菱重工的10臺燃氣輪機有8臺為350 MW，分別提供給4座電廠。美國通用電氣的13臺燃氣輪機為GE9 FA型，供給另外6座電廠，用于總價值9億美元的聯合循環發電系統。哈爾濱動力集團和美國通用電氣組成的聯合體共同生產109 FA機型；東方電氣集團和日本三菱重下組成的聯合體共同生產M701F機型；上海電氣集團與德國西門子組成的聯合體共同生產V93.4A機型，幾乎超越了9E系列燃氣輪機發展過程，直逼9F系列。

到2020年，我國將建成約60 000 MW的天然氣發電裝機容量，除去目前已建和在建的26 000 MW規模，今后還將建設35 000 MW左右的燃氣輪機電站。如果再考慮綜合氣化聯合循環（Integrated GaSification Combined Cvcle，IGCC）等燃煤、燃氣、蒸汽聯合循環等潔凈燃煤技術的開發和應用，應該說我國重型燃氣輪機產業的市場前景廣闊。

目前，中國的重型燃氣輪機市場主要被美國通用電氣、德國西門子和日本三菱重工占領，我國雖然以市場換技術取得了一些突破，但是關鍵的核心技術還沒掌握，大部分要依靠進口。據悉，迄今為止，美國通用電氣已成為中國最大的燃氣輪機供應商，累計裝機容量達15 000 MW。

為提高我國燃氣輪機關鍵核心技術的自主開發能力，于近年來，國家科技部在“863”計劃中部署開展了R0110重型燃氣輪機設計研制、中低熱值燃料R0110燃氣輪機設計研制和F級中低熱值燃料燃氣輪機關鍵技術研究與整機研制等課題。早在2002年10月即已開始實施“十五”國家“863”計劃能源技術領域燃氣輪機重大專項，以“產學研”聯合體的形式重點開展R0110重型燃氣輪機（輸出功率114.5 MW）核心部件及關鍵技術的研發，為進一步的自主研制、形成國產重型燃氣輪機產業奠定技術基礎；繼續實施“863”計劃先進能源技術領域微型燃氣輪機重點項目”和“863”計劃先進能源技術領域重型燃氣輪機關鍵技術及系統重大項目”計劃，開展燃氣輪機的自主研發工作。

為了提高燃氣輪機相關基礎研究水平，國家科技部計劃實施了“燃氣輪機的高性能熱一功轉換科學技術問題”和“大型動力裝備制造基礎研究”兩個項目。通過這兩個項目的實施，系統地建設了測量技術先進的機理性實驗平臺，建成了重型燃氣輪機全尺寸轉子綜合試驗系統。鑒于天然氣分布式能源高效、節能、環保，目前許多發達國家已將分布式能源綜合利用效率提高到90%以上。我國《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》指出，天然氣分布式能源在國際上發展迅速，但我國天然氣分布式能源尚處于起步階段。推動天然氣分布式能源，具有重要的現實意義和戰略意義。2012年，國家相關部門又公布了首批4個天然氣分布式能源示范項目名錄；目前，多個示范項目正在穩步推進。

由于“西氣東輸”、“西電東送”和沿海經濟發達地區能源結構調整，以分布式能源發展的需要，一個全新的以燃氣輪機為動力源的發電設備市場開始出現，發展天然氣分布式能源除了加強低壓配電網信息化控制、微電網智能管理與控制系統等微電網關鍵技術研究，盡快突破微電網自愈控制、智能互動用電與需求響應等技術外，還必須加快燃氣輪機關鍵技術研發，盡快突破燃氣輪機熱端部件和聯合循環運行控制技術等核心技術。天然氣分布式能源的關鍵設備燃氣輪機成本占項目總投資的40%左右，要發展這個產業，必須從降低關鍵設備成本做起，因此，國務院擬將航空發動機和燃氣輪機技術發展列為國家第17個重大科技專項，其投資將接近千億元，目前已處于審批階段。

此外，各地區也積極出臺相關政策以促進燃氣輪機的快速發展，例如，2011年7月，上海市與清華大學簽署的《關于開展燃氣輪機領域戰略合作的框架協議》，雙方就深入貫徹落實國家戰略，建立跨區域“產學研用”相結合的產業化體系達成共識，明確將重型燃機、輕型燃機和微型燃機并舉；在燃氣輪機人才培養、基礎研究、產品設計、部件試驗、材料與工藝、整機產品制造及驗證、示范工程等全產業鏈進行合作；在承擔國家重大任務、燃氣輪機基礎技術研究、關鍵技術攻關、試驗資源共享和建設、民船燃氣輪機研究、專業技術人才交流培養等方面開展深入合作、2012年，黑龍江省出臺了《重點產業發展“十二五”規劃》，提出以哈爾濱為重點，加快重型和中小型燃氣輪機總裝、整機實驗和配套設備平臺建設，建成國內唯一的全系列燃氣輪機研制生產基地，保持黑龍江燃氣輪機裝備在國內的領先地位。

3 行業需求

在制造技術方面，目前我國重型燃氣輪機實現了70%的本土化制造能力，但仍不掌握熱端部件制造技術；在關鍵技術上，重型燃氣輪機由于采用與國外合作的生產模式，基本不掌握核心技術和整機設計技術；國內的重型燃氣輪機的基礎理論研究非常薄弱，對前沿技術的研究探索不足，尤其在高效、低排放、低碳基礎技術等方面的基礎理論研究嚴重缺乏，無法支撐重型燃氣輪機關鍵技術的突破和先進產品的研制。

發達國家發展高效、低碳重型燃氣輪機的裝備體系清晰，掌握關鍵技術，基礎研究扎實與之相比，我國只是近年來在生產能力和設計技術方面得到較大提升，但在理論基礎研究、核心能力形成與產品研制應用方面沒有取得實質性突破。

我國的重型燃氣輪機基礎薄弱，過去國家投入很少且分散，很難形成發展的合力，并且缺少國家級的共性基礎技術和試驗設施平臺。由于基礎薄弱、投入嚴重不足，基礎技術、關鍵技術、產品研制和產業發展的各個環節一直沒能形成有機結合、良性互動的體系架構，各環節的脫節及部分環節的缺失或薄弱，使產業發展缺乏體系支撐，最終沒能走出受制于人的被動局面。因此，我們面臨著在補全歷史欠賬的同時，爭取同步跨越發展高效、低碳重型燃氣輪機產品的嚴峻考驗。因此，產品制造能力、關鍵技術突破、基礎理論研究需要并行同步開展，設施條件統籌結合建設。

來源: 伍賽特