燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀分析前景預測.doc

燃氣輪機行業(yè)現(xiàn)狀調研分析及市場前景預測報告一、基本介紹近年，在中國能源發(fā)展“十三五”時期，著力推動能源生產利用方式變革， 建設清潔低碳、 安全高效的現(xiàn)代能源體系， 是能源發(fā)展改革的重大歷史使命。在新一輪能源革命蓬勃興起背景下，中國燃氣輪機行業(yè)企業(yè)有所增長，企業(yè)投資熱情高漲。燃氣輪機廣泛應用于發(fā)電、船艦和機車動力、管道增壓等能源、國防、交通領域，是關系國家安全和國民經濟發(fā)展的高技術核心裝備，屬于市場前景巨大的高技術產業(yè)。燃氣輪機技術水平是代表一個國家科技和工業(yè)整體實力的重要標志之一，被譽為動力機械裝備領域“皇冠上的明珠”。正是基于燃氣輪機在國防安全、能源安全和保持工業(yè)競爭能力領域的重大地位，發(fā)達國家高度重視燃氣輪機的發(fā)展，世界燃氣輪機技術及其產業(yè)發(fā)展迅速，目前重型燃氣輪機已基本形成以GE、西門子、三菱、阿爾斯通等公司為主導，航空燃氣輪機（包括工業(yè)輕型燃氣輪機）以通用電氣(GE)、普拉特惠特尼(P&W)、羅爾斯羅伊斯(R&R)等航空公司為主導的格局。二、燃氣輪機工作原理及特點1、 燃氣輪機定義燃氣輪機是一種以連續(xù)流動的氣體作為工質、把熱能轉換為機械功的旋轉式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發(fā)動機，其典型結構如圖1。圖1 燃氣輪機典型結構2、 燃氣輪機的工作原理壓氣機從外部吸收空氣，空氣從燃氣輪機進氣口進入，通過壓氣機葉片將其壓力升高，壓縮后送入燃燒室，同時燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進行燃燒。生成的高溫高壓煙氣燃燒受熱后膨脹，進入透平區(qū)經過一級一級的葉片，推動動力葉片高速旋轉，直至從出氣口排出，成為廢氣，廢氣排入大氣中或再加利用（如利用余熱鍋爐進行聯(lián)合循環(huán)）。葉片轉動后帶動軸也轉動，軸帶動負荷的機械轉動，實現(xiàn)熱能和機械能的轉換。通常，將壓氣機、燃燒室、透平稱為燃氣輪機的三大核心部件。3、燃氣輪機特點燃氣輪機產品本身具有以下特點：最大效率，最優(yōu)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效果，透平前燃氣的初溫逐步提高，加之研制級數(shù)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。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，結構簡單、緊湊。與傳統(tǒng)設備相比，燃氣輪機設備規(guī)模、體積比傳統(tǒng)的鍋爐、蒸汽輪機小，占地面積小，便于移動。減少燃煤，清潔環(huán)保。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排放效果，而且能夠實現(xiàn)資源充分循環(huán)利用，真正達到零排放。噪聲最小，安全可靠。燃氣輪機運行時產生的低頻份量很低。而且可以通過采用數(shù)字式遙控的聯(lián)網離網變換裝置，彌補其它設備在安全穩(wěn)定性方面的不足。三、燃氣輪機關鍵技術從燃氣輪機研發(fā)的角度來分析，當代燃氣輪機主要關鍵技術難點如下：1、 燃氣輪機基礎技術方面燃氣輪機總體技術，高效高負荷壓氣機設計應用技術，高效穩(wěn)定低污染燃燒室設計技術、高效流動、高效換熱、高壽命透平設計技術，燃氣輪機設計軟件技術，燃氣輪機現(xiàn)代控制理論與技術，燃氣輪機振動、壽命與可靠性關鍵技術。2、燃氣輪機設計體系的規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫方面燃氣輪機總體、燃氣輪機壓氣機、燃氣輪機燃燒室、燃氣輪機渦輪、燃氣輪機換熱器、燃氣輪機控制系統(tǒng)、燃氣輪機附屬系統(tǒng)、燃氣輪機裝置、燃氣輪機可靠性、燃氣輪機仿真、燃氣輪機試驗等的規(guī)范、軟件和數(shù)據(jù)庫。3、燃氣輪機共性關鍵技術1） 壓氣機關鍵技術氣動高負荷高效率設計技術；氣動性能高穩(wěn)定性設計技術；氣動多級匹配設計技術；整機多級氣動性能數(shù)值模擬與驗證技術；轉子結構與強度設計技術。2） 燃燒室關鍵技術燃燒場組織設計與測試技術；火焰筒壁結構設計技術；噴嘴設計與測試技術；高溫零部件冷卻、防護、強度設計技術；低排放燃燒設計與試驗技術；寬范圍穩(wěn)定燃燒設計與試驗技術；燃燒場數(shù)值模擬與驗證技術。3）透平關鍵技術動葉、導葉、輪盤空氣冷卻設計與試驗技術；葉片蒸汽冷卻設計與試驗技術；葉片和輪盤的溫度場、應力場與強度壽命分析和試驗技術；摻混冷卻氣流的渦輪級性能分析設計技術；冷卻葉片多物理場數(shù)值模擬與驗證技術；轉子結構與強度設計技術。4）燃氣輪機重要系統(tǒng)關鍵技術冷卻空氣系統(tǒng)設計、性能分析和調試技術；控制系統(tǒng)先進調節(jié)部件、控制器和控制規(guī)律；起動系統(tǒng)技術；軸承和滑油系統(tǒng)技術。5）燃氣輪機材料技術方面主要包括：強抗熱腐蝕定向和單晶高溫合金的研制；高溫合金材料體系的完善；高溫材料500010000小時近使役條件下性能測試；大尺寸鑄件近使役條件下力學性能研究；大尺寸鑄件抗氧化、抗熱腐蝕性能研究；拉桿用CrMoV 高強鋼；6）燃氣輪機工藝技術主要包括：復雜結構陶瓷型芯制造技術；高強抗熱沖擊陶瓷模殼制造技術；大尺寸定向結晶、單晶葉片定向凝固技術；高溫透平葉片加工、焊接、熱處理、檢測等工藝；葉片涂層技術；燃氣輪機葉片的工程化研究；燃氣輪機葉片制造規(guī)范和驗收標準；大型渦輪盤的制造技術；高強鋼拉桿制造工藝；燃燒器制造技術。四、國內外燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀1、國內燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀我國燃氣輪機發(fā)展雖然已經有50年的歷史，但30年的發(fā)展斷層讓我國燃氣輪機技術錯過了國外高速發(fā)展的時期，迅速與國際水平拉大了差距。尚未形成真正的產業(yè)。諸多領域動力落后的狀態(tài)，已成為制約國民經濟發(fā)展的“瓶頸”，其技術僅被世界上少數(shù)幾個發(fā)達國家所控制，先進的燃氣輪機在西方國家仍然限制對華出口。 總體來說，50年來我國重燃氣輪機行業(yè)呈“馬鞍型”發(fā)展。中國燃氣輪機的發(fā)展現(xiàn)狀是：起步不晚，進展不快；性能不高，拐棍難扔；投入不大，搖擺不定；機型不少，所占市場份額不大。我國重型燃氣輪機產業(yè)技術發(fā)展現(xiàn)狀國內重型燃氣輪機產業(yè)制造方面，分別以哈電集團、上電集團、東方電氣集團、南京汽輪電機（集團）有限公司為核心，形成了相應的燃氣輪機制造產業(yè)群，目前全行業(yè)具備了年產四十套左右燃用天然氣的F和E級重型燃氣輪機以及與之配套的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)全套發(fā)電設備的能力，可以基本滿足我國電力工業(yè)的市場需求。我國輕型燃氣輪機產業(yè)技術發(fā)展現(xiàn)狀我國輕型燃氣輪機在研制開發(fā)能力方面，具備初步配套的部件性能、強度和各系統(tǒng)、整機試驗設施以及相應的測試手段，基本可滿足輕型燃氣輪機試驗的需要。在制造方面，基本具備了研制生產航改機和輕型燃氣輪機的能力，但同類機型在主要性能指標上與國外仍存在較大差距。我國燃氣輪機工業(yè)的輕型燃氣輪機集中在航空系統(tǒng)，發(fā)展了5大類自主燃氣輪機。1）航機改工業(yè)燃氣輪機，有WP6G、WJ5G、WJ6G、WZ6G 等。60 年代技術水平，已經生產上百臺。2）專利生產航機改工業(yè)燃氣輪機，有斯貝和WZ8，其中斯貝兩種改型燃氣輪機沒有完成研制。另有引進生產許可證的GT25000艦用燃氣輪機。3）合作生產燃氣輪機，有FT8、QD10B、QY40等。4）正在改進中的航機改燃氣輪機，有QD128、QD70、QD185等。5）863燃氣輪機專項，R0110重型燃氣輪機和微型燃氣輪機。 2、國外燃氣輪機現(xiàn)狀當今世界70 年來重型燃氣輪機燃氣溫度由早期的550提高到1600，單循環(huán)效率由17%提高到40%，單機功率由1.5MW到460MW，實現(xiàn)了巨大的技術跨越。世界重型燃氣輪機制造業(yè)目前已形成了高度壟斷的局面，基本形成了以GE、西門子、三菱、ALSTOM公司為主的重型燃氣輪機產品體系，基本代表了當今世界燃氣輪機制造業(yè)的最高水平。五、燃氣輪機在坦克上的利用在坦克裝甲車輛上，發(fā)動機是動力之源，其重要性不僅在于提供驅動功率，決定車輛的機動性，而且在于它的外形尺寸、燃油經濟性以及在車輛上的安裝位置與戰(zhàn)車的生存力有著密切的關系。自坦克誕生以來，各軍事大國都集中力量優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)斗車輛的高性能發(fā)動機，戰(zhàn)車的發(fā)動機基本上經過了汽油機、柴油機、燃氣輪機的發(fā)展歷程。 1、燃氣輪機在國外坦克上的裝備歷程對于國內車輛，特別是對坦克裝甲車輛來說，燃氣輪機是一種全新的動力裝置。但是在國外，它與活塞式發(fā)動機一樣，已被廣泛應用干船舶、航空、機車、發(fā)電和坦克裝甲車輛上。盡管燃氣輪機到上世紀80年代初才首次裝備在美國的M1坦克，但其研究工作很多年前就已開始。第二次世界大戰(zhàn)結束后聯(lián)邦德國就進行了坦克燃氣輪機的研究，法國率先在坦克上安裝燃氣輪機進行了試驗。英國在1954年舉辦的一個軍事技術裝備樣品展覽會上展出了一輛安裝有帕森斯公司研制的735千瓦燃氣輪機的試驗型重型坦克。1948年，蘇聯(lián)已開始軍用履帶式車輛燃氣輪機的研制工作。20世紀60年代，蘇聯(lián)進行了燃氣輪機的裝車試驗，70年代初研制的燃氣輪機坦克曾在烏克蘭哈爾科夫野外試驗中心試驗。1984年裝備的T-80坦克采用了約735千瓦的燃氣輪機。1997年，俄羅斯又研制了功率為1103千瓦的燃氣輪機，作為新型“黑鷹”主戰(zhàn)坦克的動力。美國于1965年提出坦克和重型車輛用1103千瓦燃氣輪機的發(fā)展計劃，1979年底，萊卡明公司交付了第一臺生產型AGT-1500燃氣輪機，1983年該燃氣輪機達到新發(fā)動機驗收規(guī)范的要求，現(xiàn)已大量裝備美國的M1主戰(zhàn)坦克。繼M1坦克用的AGT-1500燃氣輪機以后，美國還研制了幾種車用燃氣輪機，如LV100燃氣輪機推進系統(tǒng)是美國為研制第四代主戰(zhàn)坦克動力裝置的先進整體式推進系統(tǒng)(AIPS)規(guī)劃的一部分。 2、燃氣輪機在國產坦克上的裝備歷程我國從上世紀70年代起，對從國外引進的燃氣輪機進行了裝車試驗，以研究燃氣輪機在坦克上的應用前途及存在的問題。19741977年，科研人員開始研究燃氣輪機裝車的相關技術問題，并于19771978年進行了摸擬裝車系統(tǒng)的臺架試驗。在這個基礎上，1978年2月，確定了燃氣輪機試驗坦克的總體方案，即將ST6J-771燃氣輪機橫置于69式中型坦克上，作為該坦克的動力裝置。為此，專門設計了傳動箱、起動電機傳動箱、超速離合器、起動控制裝置、進氣裝置、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。同年9月底試制成了我國第一臺燃氣輪機試驗坦克。 3、燃氣輪機在坦克上裝備的優(yōu)越性 1）體積小、功率大和重量輕 由于工質在循環(huán)過程中連續(xù)不斷的高速流動和高轉速，所以坦克燃氣輪機具有功率大、體積小和重量輕的優(yōu)點?，F(xiàn)今坦克燃氣輪機的單位體積功率（P）達1200kW/m，比重量（G）達0.6kg/kW。2）良好的扭矩特性和高的扭矩儲備系統(tǒng) 由于坦克燃氣輪機是由其動力渦輪輸出功率，而動力渦輪與燃氣發(fā)生器為氣動連系，所以當發(fā)動機在低轉速或部分負荷工況下，仍可從燃氣發(fā)生器獲取充分能量來提高其扭矩。坦克燃氣輪機的扭矩特性與柴油機相比，目前坦克柴油機的扭矩儲備系數(shù)T達1.101.32而燃氣輪機的ET達1.62.2（全負荷轉速以800r/min計）。優(yōu)異的起動性能 研制樣機對比試驗的結果表明，在常溫和低溫狀態(tài)下，坦克燃氣輪機同柴油機相較有著良好的起動性能。3）運轉平穩(wěn) 旋轉-往復運動的質量引起活塞往復式發(fā)動機出現(xiàn)不平衡力和力矩，并引起扭轉振動的產生；而燃氣輪機所有的運動件都是旋轉件，且都經過預先平衡的高速旋轉件。因此，運轉的高平穩(wěn)性和良好的平衡性，提高了發(fā)動機的工作可靠性。4）相對小的動力裝置尺寸 沒有滑動摩擦，而僅為滾動摩擦，且燃燒產物不與潤滑油接觸；因此，燃氣輪機的機油消耗量低，機油箱的容積小，為柴油機油箱的1/3。同時，燃氣輪機沒有柴油機所必需的冷卻系統(tǒng)；從而縮小了動力裝置的尺寸，簡化了使用和減少了保養(yǎng)時間和工作量。5）低的熱特征 柴油機為間歇燃燒，燃氣輪機為連續(xù)燃燒。由于兩種機型燃燒過程的差異，致使柴油機在燃燒的火焰中，含有燃燒產物的硬顆粒，它們具有高的溫度且是強大的熱輻射源；而燃氣輪機在燃燒時，有著相當大的過余空氣量，以保證燃料幾乎完全燃燒，并且排出氣體的溫度較低而具有低的熱特征。6）小的動力艙上裝甲窗口面積燃氣輪機燃燒用空氣流動約為柴油機的2倍，但若將用于發(fā)動機冷卻的空氣流量考慮在內，則采用柴油機時所用的空氣量大于燃氣輪機，空氣耗量的差異，影響著車輛動力艙上甲板開窗口面積的大小，安裝燃氣輪機坦克上甲板窗口面積僅為柴油機的3040。7）高的可靠性和耐久性與柴油機相比，燃氣輪機的零件少30，易損件少60，且無往復摩擦運動；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均優(yōu)于柴油機。4、燃氣輪機在坦克上裝備的不足和問題1）燃油的耗量大坦克燃氣輪機的燃油消耗率高于柴油機的50%70%；而至本世紀初LV100的燃油消耗率僅高21%。根據(jù)蘇軍裝備的不帶回熱器的GTD-1000的燃氣輪機T-80和T-64A（裝5TDF二沖程柴油機）和T-72（V-46坦克柴油機）三種車型試驗結果表明：坦克每小時的燃油耗量燃氣輪機高于柴油機65%68%；行駛每千米的燃油耗量則高40%45%。這是由于坦克在使用過程中坦克經常處于停車或下坡行駛狀況，而致使燃氣輪機常常怠速或渦輪噴嘴反向轉動實施發(fā)動機制動的結果。2）在高溫，高海拔環(huán)境下功率損失大據(jù)資料報導，坦克在環(huán)境溫度為4050下使用，GTD燃氣輪機的功率損失是柴油機的1.6倍。在3000m的高原使用，坦克柴油機的功率損失為9%10%（二沖程機高于四沖程機）；GTD-1000坦克燃氣輪機的功率損失為15%。美國的AGT1500和LV100坦克燃氣輪機的功率損失未見報導，但由于渦輪葉片可承受的高溫高于GTD機型的渦輪葉片。為此，從理論分析AGT1500和LV100的功率損失要小于GTD燃氣輪機。3）容易被燒熔顆粒沉積物的影響T-80坦克在沙漠使用中發(fā)現(xiàn)在燃氣輪機后部的通道中有粘稠的顆粒熔化沉積物存在，從而導致發(fā)動機性能惡化或不可工作的情況。經查系在土庫曼沙漠中一種未被濾清的顆（925熔化）熔化后未能排出而沉積的結果。專家張均享認為，問題的出現(xiàn)乃是T-80坦克燃氣輪機采用了單級旋風筒空氣濾清器，其效率為98%，而使直徑2的顆粒進入發(fā)動機的結果。5、坦克燃氣輪機的未來1）軍事需求據(jù)資料報導，在對坦克的系統(tǒng)、部件通過改進、升級后，俄羅斯保有的T-80系列坦克仍采用GTD燃氣輪機使用至2020年，美軍保有的M1A1、M1A2坦克將更換LV100燃氣輪機繼續(xù)使用至2030年。據(jù)專家推測，此間電熱化學炮有望用于主戰(zhàn)坦克，則需求發(fā)動機的功率1470kW，這將給燃氣輪機帶來擴大使用的空間。如果電磁炮、電裝甲和主動懸掛等新的系統(tǒng)和設備應用于主戰(zhàn)坦克,則坦克發(fā)動機的功率將超過2000kW，與柴油機相比，燃氣輪機仍具有優(yōu)勢。智能坦克有望用于實戰(zhàn)，但是否能全部替代主戰(zhàn)坦克仍是探討之題。2）技術進步石油資源的日趨減少和作戰(zhàn)后勤供應，坦克燃氣輪機燃油耗量大已成為爭論的焦點。但是，美軍卻強調繼續(xù)采用燃氣輪機為主戰(zhàn)坦克的動力；俄、美均使用燃氣輪機與電傳動進行試驗研究；加之裝用燃氣輪機的坦克所獲得高的平均速度、集群大縱深行動的戰(zhàn)術、技術速度，短的沖擊時間和高的戰(zhàn)場生存能力，這些或許是坦克燃氣輪機繼續(xù)使用的原因。進一步降低坦克燃氣輪機的燃油消耗量，可通過下述的三個方面。第一，可燃冰未來可作為燃氣輪機能源替代品?？扇急且环N把天然氣包裹在冰狀晶格下的固體晶體物質，多為白色、淡黃色、琥珀色和暗褐色。由于含有大量甲烷氣體，可燃冰極易燃燒?？扇急哂心芰棵芏雀摺⒄加皿w積小的特點，在同等條件下，可燃冰燃燒產生的能量比煤、天然氣、石油要多出數(shù)十倍，而且燃燒后不產生任何殘渣和廢氣，避免了污染問題。據(jù)了解，1立方米可燃冰可以分解釋放出160立方米以上天然氣。同時，可燃冰資源量大。據(jù)估算，在世界各大洋中，可燃冰的總資源量是全球已知煤、石油、天然氣總儲量的2倍。儲量巨大、高效清潔、燃燒值高等特點，使得可燃冰被譽為21世紀最具商業(yè)開發(fā)前景的綠色清潔戰(zhàn)略能源，能夠解決燃氣輪機燃油消耗量大的短板。第二，從發(fā)動機本身：提高渦輪前燃氣的溫度；提高燃氣輪機的壓比，同時并解決與回熱器回熱度的匹配問題；采用中冷、補燃循環(huán)。第三，采用混合動力系統(tǒng)由車輛發(fā)動機、傳動裝置和其輔助部件（進氣、潤滑、冷卻及電子控制等）組成的將能量轉換和傳遞（液體、機械和電）的動力系統(tǒng)，由于采用部件性能的差異，而存在著傳遞功率損失的不同?；旌蟿恿ο到y(tǒng)是向坦克的各部件提供需求能量的動力源。由發(fā)動機同帶有自動解脫離合器的高效能發(fā)電機、起動電機集成為一體的混合動力裝置、變流器、直流電源總線、驅動電機、緊湊型大容量脈沖電源，控制和熱管理裝置等組成。所以未來坦克燃氣輪機的研究還有很大的發(fā)展空間。六、燃氣輪機的未來燃氣輪機屬于重大核心裝備，如果長期依賴進口，在關鍵技術上受制于人，不利于我國燃氣輪機動力產業(yè)及相關產業(yè)的健康、快速發(fā)展。隨著我國天然氣資源大規(guī)模開發(fā)利用，西氣東輸、近海天然氣開發(fā)、液化天然氣