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1、,21世纪燃机动力发展趋势,2009年9月,目 录,一、燃气轮机产品技术特点 二、燃气轮机产品分类及应用 三、国外技术现状与发展趋势 四、国内技术现状及发展趋势 五、燃气轮机在船舶应用,一、燃气轮机产品技术特点,燃气轮机是以连续流动的气体为工质推动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机制造业由于其设计、制造、工艺的复杂性，被称为机械制造领域的“皇冠上明珠”。燃气轮机技术含量高、资金投入大、是多种技术集成的高技术，在民用与军事领域均有着广泛的应用，已经成为一个国家科技水平、军事实力、综合国力的重要标志之一。因此长期以来，世界发达国家一直都在政
2、府的引导下，投入巨资研制和开发燃气轮机的新技术，改善和提高燃气轮机的性能和效率，极大地促进了燃气轮机的发展。,1.1燃气轮机组成,燃气轮机由三大类基本部件组成：压气机、燃烧室和涡轮。燃气轮机的工作过程是，压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；燃气透平所发出的功一部分用于带动压气机工作，剩余的功作为燃气轮机的输出功。,1.2特点,与其他热力机械相比较，燃气轮机的特点显著，主要体现在以下诸方面：结构紧凑，质量轻，功率密度很大；体积小、占地面积小；联合循环机组的最高效率已近
3、60%，是目前各种热力机械中所达到的最高效率值；NOx和CO等污染物排放低；启动快、运行平稳、振动小、可靠性高；安装周期短；耗水少或者不用水。,二、燃气轮机产品分类及应用,燃气轮机在民用与军事领域的地位是不可替代的。 在民用发电领域，各国政府从提高效率、保护环境考虑，多采用燃用天然气的燃气轮机联合循环发电，世界上新增的发电容量中有35%左右是由燃气轮机联合循环机组提供的。因此，燃气轮机在能源与电力工业中具有长远的、全局性的、不可替代的战略地位。 在军事领域，燃气轮机已经广泛地应用于海、陆、空的各种军事装备中。目前，美、英、俄等国的水面舰艇已基本上实现了燃气轮机化；现代化的坦克已应用燃气轮机作为
4、动力。几乎所有的军用飞机都以燃气轮机作为其动力装置。 燃气轮机按功率大小可分为微型燃气轮机、中小型燃气轮机、重型燃气轮机三大类。,2.1微型燃气轮机应用,近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构的变化，微型燃气轮机得到了高度关注和迅速发展。先进微型燃气轮机提供了清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式和热电联供能源的最佳方式。 在民用发电领域，微型燃气轮机主要用于分布式能源系统、废气燃烧发电、小型调峰电站、以及需要独立供电的场所。 在军事领域，微型燃气轮机也是十分重要的，主要用于飞机、舰船辅助动力、坦克及军用车辆动力、军营发电设备、武器（导弹）发电设备。,2.2中小型燃气轮机应用,2.2.1 船
5、舶燃气轮机应用 船用燃气轮机的研制始于20世纪40年代，70年代初逐步在技术和生产上趋于成熟。由于功率密度高、机动性好、操作维护简单、低振动噪音等优点，燃气轮机在舰船方面获得了广泛的应用。 燃气轮机特别适用于作为以下三类舰船的主机：常规排水型舰艇，包括轻型航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、两栖攻击舰、高速导弹艇等；特种高性能舰船，包括水翼艇、气垫船、小水线面双体船；快速军辅船，包括快速运输舰、快速支援舰等。 此外，近20年来随着高性能民船的快速发展，综合性能优良的燃气轮机正在进入民船推进领域。燃气轮机主要用于高速渡船、大型旅游船以及LNG运输船。,2.2.2工业驱动燃气轮机 在工业驱动方面，燃
6、气轮机主要用于石油、天然气开采、输运和化工流程，作为油田注水、注气、气举采油、输油、输气等的机械驱动动力，特别是在天然气输送管线方面，燃气轮机被大量用于驱动管线压缩机。,2.2.3发电用燃气轮机 此等功率等级的燃机主要用于发电、热电联产和应急备用电源等。用于发电的燃机机组主要集中在海上平台发电；热电联产燃机机组主要应用于中、高热值焦炉煤气利用；燃机应急备用电源，具有功率密度大、环境友好、可靠性高、维修性好等特点，主要应用于通信应急、城市安全保障、政治保电、军事装备等领域。,2.3重型燃气轮机应用,重型燃气轮机是清洁发电和动力系统的关键设备，是发展以IGCC为代表的下一代洁净煤技术和产业的战略制
7、高点。重型燃气轮机能够带动多学科和领域研发、设计和制造能力的提升与发展。是热力、气动、燃烧、结构与材料、机械设计与制造、自动控制等大量高技术的集成，是国家科技、工业乃至综合国力的重要标志。 在发电领域，由燃气轮机和蒸汽轮机组成燃气蒸汽联合循环发电，具有热效率高、污染低、比投资低、建设周期短、占地和用水量少、启停灵活、自动化程度高等优点，已经成为继蒸汽轮机单循环后的主要动力装置。,三、国外技术现状与发展趋势,目前，世界上生产燃机的厂家约40个，主要有GESiemens、MHI、R-R、Solar、P&W、Zorya-Mashproekt等公司。GE、Siemens、MHI等公司发展了系列化的重型
8、燃气轮机，用于大型电站；以GE、Solar、R-R、Zorya-Mashproekt、Siemens等公司形成了系列发电、船用、机械驱动中小型燃气轮机。目前国外燃气轮机及其技术的主要特点是：产业基础雄厚，设计体系完善；机型种类多，功率覆盖范围大；工业应用广泛，机组可靠性高。,3.1微型燃气轮机国外发展,在微型燃气轮机领域，美国的Capstone公司、Allied Signal公司（后并入Honeywell公司），Elliott公司和英国的Bowman公司是实力最强的。 目前，微型燃气轮机的主要发展方向集中在以下几个方面。 高效单级离心式压气机 日本Kawasaki为了在微型燃气轮机的设计上突破
9、40%效率，1998年研制成功了单级压比高达8的离心式压气机原型机，命名为H型机。 旋转冲压式压气机 美国Ramgen Power System公司，开发了一种“激波增压”的冲压式压气机，并为一台485kW的燃气轮机原型机设计了单级冲压式压气机，设计压比10。根据叶轮材料性能，单级冲压式压气机的压比可以达到15，流量22.5kg/s，相当于3000kW燃气轮机的要求。 高温陶瓷材料的应用 提高燃气初温而不采用冷却,唯一的途径是陶瓷材料。Kawasaki在1450下，设计使用了陶瓷材料的轴流式单级透平，NREC在Kyocera的合作下，开发了1400下使用的Si3N4向心透平，预计采用陶瓷叶轮，
10、透平完全不需要冷却，回热效率可以达到40%。 高速空气轴承 地面微型燃机已有许多机型采用了空气轴承，进而简化了滑油润滑系统并获得了较高的转速。空气轴承发展过程中，先后出现了多叶型箔片轴承、多楔型箔片轴承、平箔型箔片轴承、波箔型箔片轴承、粘弹性箔片轴承、压缩弹簧支承的箔片轴承等结构形式。,3.2中小型燃气轮机国外发展,中小型燃气轮机的主要供应商为GE、Solar、R-R、Zorya Mashproekt、Siemens等公司，其中GE、R-R Zorya-Mashproekt的机组在船用、机械驱动以及工业发电均有应用；Solar和Siemens公司的机组主要应用在机械驱动以及工业发电方面。,中小
11、型燃气轮机的主要发展方向集中在以下几个方面：,提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高机组性能 通过提高燃气初温、改进部件性能等措施，不断提高机组的性能。如GE、Solar等公司新研机组简单循环效率超过40，在推出新机组的同时，各大公司不断提高原有机组的性能。 一机多用，系列化发展 由于燃气轮机研发费用高、周期较长，因此在设计上力求一机多用，系列化发展。通过局部的设计改动，满足不同船用、工业驱动和发电等应用领域的要求。 低排放燃烧室的研制 随着环保要求的不断提高，无论是船用燃气轮机，还是工业驱动和发电燃气轮机，都要求降低燃气轮机的NOx排放。因此，各大公司都致力于低排放燃烧室的研发。 采用先进的复
12、杂循环，提高机组性能 通过回热循环、间冷-回热循环以及燃-蒸联合循环等方式，提高机组性能。如采用间冷循环的WR-21船用燃气轮机，不仅额定工况下效率达42，而且在0.3工况下效率也超过36。 除以上发展方向外，由于中小功率燃气轮机应用范围较广，不同应用领域的燃气轮机有各自发展的特点。,工业驱动/发电燃气轮机的发展方向：,多燃料的适用性 由于工业驱动/发电燃气轮机应用范围较广，其燃料种类较多，有燃油、天然气、中低热值煤气、煤层伴生气等，因此要求燃气轮机针对不同的燃料有进行相应的设计改进。 进气喷水冷却及湿压缩技术 通过进气喷水冷却以及压气机湿压缩技术，可以降低燃气轮机进气温度和压缩机耗功，提高机
13、组功率和效率。据不完全统计，目前仅北美地区已有700余台燃气轮机装置安装了进气雾化式蒸发冷却系统，所涉及到的机型包括GE、Solar、Siemens等公司的多型工业燃气轮机。,3.3重型燃气轮机发展,据了国际上所有的重型发电燃机市场。目前国际市场成熟销售的重型发电燃气轮机机组由美国GE公司的MS9001FA、法国Alstom公司的GT26、德国Siemens公司的V94.3A、日本三菱公司的M701F等。这些都是当今世界最先进的批量生产的成熟机组。随着重型燃气轮机的“F”技术的发展及联合循环技术的发展，当前重型发电燃机都采用联合循环发电技术。目前联合循环的效率接近60%。国外的“F”技术已经较
14、为成熟，成功在商业机组上利用，这几个公司几乎占据了国际上所有的重型发电燃机市场。,重型燃气轮机关键科学与技术问题最新研究进展和发展趋势主要是：,进一步提高燃气轮机参数以提高循环热效率。 目前己投入运行的重型燃气轮机燃气初温最高为1427（GE公司的9H燃气轮机），压气机压缩比为30。该型燃机单循环效率达40%,联合循环效率达60%,为当今世界最高水平。 在拓宽燃料适应范围的同时，降低NOx等污染物排放。 重型燃气轮机主要以天然气和石油制品为燃料，国际上NOx排放为25ppm的干式预混燃烧技术已成熟并大规模商业应用，NOx排放9ppm的燃烧技术己通过工业验证。中低热值燃气轮机的NOx和CO的排放
15、水平已经与燃用天然气相当。 进一步提高压气机与透平部件性能。 压气机与透平的全三维设计概念与技术已普遍应用，四维(非定常流动)设计概念与技术正在开发与应用。国外已经布署并成功开展了一系列的基础与应用研究工作，每一项技术的突破都将是叶轮机械气动热力学的革命性进步，燃气轮机的结构与性能也会有显著改进。,重型燃气轮机关键科学与技术问题最新研究进展和发展趋势主要是：,大力开发新一代高温材料与冷却技术，提高热端部件的性能和可靠性。 相关的材料技术包括定向凝固和单晶叶片、热障涂层、抗氧化和热蚀涂层以及镍基合金和10Cr铁素体耐热钢轮盘锻件等。透平叶片的空气冷却技术己经相当成熟。”当代级”(E/F级)重型燃
16、气轮机透平叶片，在燃气初温1350时总寿命可长达约十万小时，大修周期可达3-4万小时。 燃气轮机先进循环系统 热力学总能系统理论的应用，使多种热力循环综合集成，经济性大幅度提高，燃气/蒸汽联合循环的热效率可达60%；燃气轮机的工质、循环及参数、燃料类型、输出功率、运行环境等正在迅速多样化。,四、国内技术现状及发展趋势,国内燃气轮机技术相对落后，市场基本被国外燃气轮机所垄断。为逐步缩小我国燃气轮机与国际先进燃气轮机的差距，使我国成为掌握燃气轮机设计、制造、运行技术并具有成套能力的国家，提高综合国力和军事能力，并造就和培养一批燃气轮机技术人才，建立具有自主开发产品研发能力的队伍和基地，近年来国家各部门非常重视燃气轮机产业的发展，发改委、科技部、科工局对燃气轮机发展都给与了大力支持。 经过最近两个五年计划的发展，国内在燃气轮机引进、消化吸收、自主创新、产品研制生产等方面取得了较大进展，为我国自主知识产权的燃气轮机的产品的发展应用奠定了良好基础。 目前国内燃气轮机产业分布在机械、航空、船舶、航天等行业，主要厂家包括：机械行业的哈汽、南汽、上汽、东方；航空行业的东安、黎明、西航、606所、420厂；船舶行业的703所等。,
