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(diào)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(chǎn)利用方式變革， 建設(shè)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(lǐng)域，是關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展的高技術(shù)核心裝備，屬于市場前景巨大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。燃氣輪機技術(shù)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(lǐng)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(lǐng)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(shù)及其產(chǎn)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(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機，其典型結(jié)構(gòu)如圖1。圖1 燃氣輪機典型結(jié)構(gòu)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(jīng)過一級一級的葉片，推動動力葉片高速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動后帶動軸也轉(zhuǎn)動，軸帶動負荷的機械轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)熱能和機械能的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shè)計構(gòu)造衍生于渦輪增壓器和輔助動力裝置，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，燃氣輪機設(shè)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(chǎn)，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?qū)崿F(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(chǎn)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(wǎng)離網(wǎng)變換裝置，彌補其它設(shè)備在安全穩(wěn)定性方面的不足。三、燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)從燃氣輪機研發(fā)的角度來分析，當代燃氣輪機主要關(guān)鍵技術(shù)難點如下：1、 燃氣輪機基礎(chǔ)技術(shù)方面燃氣輪機總體技術(shù)，高效高負荷壓氣機設(shè)計應用技術(shù)，高效穩(wěn)定低污染燃燒室設(shè)計技術(shù)、高效流動、高效換熱、高壽命透平設(shè)計技術(shù)，燃氣輪機設(shè)計軟件技術(shù)，燃氣輪機現(xiàn)代控制理論與技術(shù)，燃氣輪機振動、壽命與可靠性關(guān)鍵技術(shù)。2、燃氣輪機設(shè)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(guān)鍵技術(shù)1） 壓氣機關(guān)鍵技術(shù)氣動高負荷高效率設(shè)計技術(shù)；氣動性能高穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù)；氣動多級匹配設(shè)計技術(shù)；整機多級氣動性能數(shù)值模擬與驗證技術(shù)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計技術(shù)。2） 燃燒室關(guān)鍵技術(shù)燃燒場組織設(shè)計與測試技術(shù)；火焰筒壁結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；噴嘴設(shè)計與測試技術(shù)；高溫零部件冷卻、防護、強度設(shè)計技術(shù)；低排放燃燒設(shè)計與試驗技術(shù)；寬范圍穩(wěn)定燃燒設(shè)計與試驗技術(shù)；燃燒場數(shù)值模擬與驗證技術(shù)。3）透平關(guān)鍵技術(shù)動葉、導葉、輪盤空氣冷卻設(shè)計與試驗技術(shù)；葉片蒸汽冷卻設(shè)計與試驗技術(shù)；葉片和輪盤的溫度場、應力場與強度壽命分析和試驗技術(shù)；摻混冷卻氣流的渦輪級性能分析設(shè)計技術(shù)；冷卻葉片多物理場數(shù)值模擬與驗證技術(shù)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計技術(shù)。4）燃氣輪機重要系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)冷卻空氣系統(tǒng)設(shè)計、性能分析和調(diào)試技術(shù)；控制系統(tǒng)先進調(diào)節(jié)部件、控制器和控制規(guī)律；起動系統(tǒng)技術(shù)；軸承和滑油系統(tǒng)技術(shù)。5）燃氣輪機材料技術(shù)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(shù)主要包括：復雜結(jié)構(gòu)陶瓷型芯制造技術(shù)；高強抗熱沖擊陶瓷模殼制造技術(shù)；大尺寸定向結(jié)晶、單晶葉片定向凝固技術(shù)；高溫透平葉片加工、焊接、熱處理、檢測等工藝；葉片涂層技術(shù)；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(shù)；高強鋼拉桿制造工藝；燃燒器制造技術(shù)。四、國內(nèi)外燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀1、國內(nèi)燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀我國燃氣輪機發(fā)展雖然已經(jīng)有50年的歷史，但30年的發(fā)展斷層讓我國燃氣輪機技術(shù)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(chǎn)業(yè)。諸多領(lǐng)域動力落后的狀態(tài)，已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”，其技術(shù)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(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)重型燃氣輪機產(chǎn)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(chǎn)業(yè)群，目前全行業(yè)具備了年產(chǎn)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(shè)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(chǎn)業(yè)技術(shù)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(shè)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(chǎn)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(shù)水平，已經(jīng)生產(chǎn)上百臺。2）專利生產(chǎn)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(chǎn)許可證的GT25000艦用燃氣輪機。3）合作生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(qū)動功率，決定車輛的機動性，而且在于它的外形尺寸、燃油經(jīng)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(guān)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(jīng)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(nèi)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(jié)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(guān)技術(shù)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(chǔ)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(shè)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(zhì)在循環(huán)過程中連續(xù)不斷的高速流動和高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速以800r/min計）。優(yōu)異的起動性能 研制樣機對比試驗的結(jié)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(zhuǎn)平穩(wěn) 旋轉(zhuǎn)-往復運動的質(zhì)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(zhuǎn)振動的產(chǎn)生；而燃氣輪機所有的運動件都是旋轉(zhuǎn)件，且都經(jīng)過預先平衡的高速旋轉(zhuǎn)件。因此，運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，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(jié)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(jīng)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(zhuǎn)動實施發(fā)動機制動的結(jié)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(jīng)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(jié)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(jié)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(shè)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(shù)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(diào)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(shù)、技術(shù)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(zhì)，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?、占用體積小的特點，在同等條件下，可燃冰燃燒產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(guān)鍵技術(shù)上受制于人，不利于我國燃氣輪機動力產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)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