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    燃氣輪機產業現狀及技術熱點
    時間:2018-12-13 16:08:00  瀏覽:0次  來源: 中國航空報  作者:新能源公司
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    在能源效率和環境保護的雙重需求下,燃氣輪機的市場前景越來越廣闊。燃氣輪機排放的污染水平較低,無二氧化硫、無氮氧化物、顆粒物含量低,二氧化碳排放不到燃煤電廠的一半,滿足當今世界越來越嚴格的排放監管要求;天然氣發電占地面積小、建設周期短、投資少,許多設備和設施都能“現貨供應”,可以低成本地快速建立發電廠;還能夠快速啟動,進行電網調峰,為可再生能源發電提供補充。隨著越來越多可再生能源發電并網,將給燃氣輪機帶來新的市場前景。

    美國能源情報署(EIA)預計,未來20年美國近60%的新發電裝機容量屬于天然氣聯合循環發電。實際上,自2008年以來美國頁巖氣大幅增加,導致天然氣價格明顯下降,顯著改善了天然氣發電的經濟性,使得天然氣發電吸引力大增。這種變化已經對美國和歐洲的電力市場產生了重要影響。2015年春,美國天然氣發電量首次超過燃煤發電。按照目前的發展趨勢,未來一段時間天然氣發電會當仁不讓地成為美國電力來源的領導者。

    近年來,我國對燃氣輪機發電的支持力度逐漸增強,出臺了一系列政策扶持燃氣輪機自主研發和聯合循環發電。國家發改委的《天然氣發展“十三五”規劃》預計,2020年燃氣發電裝機將達到1.1億千瓦,超過發電裝機總量的5%,燃機計劃投資總額高達1300億元。2017年,我國正式啟動航空發動機和燃氣輪機重大專項,其中燃氣輪機專項的主要目標為——2020年實現F級300MW燃機自主研制,2030年實現H級400MW燃機自主研制。

    上海的燃氣輪機產業始終走在全國前列。目前,上海已擁有F級、小F級、E級、H級四個級別的燃氣輪機產品研制能力,基本形成從部件供應到整機設計、制造、維修和應用的全產業鏈。2018年11月初,國家電投上海電力公司與上海電氣、安薩爾多公司成功簽訂燃氣輪機設備及相關服務采購框架協議。標志著我國成功引進首臺套GT36-S5型H級燃氣輪機,將有力推進我國燃氣輪機裝備應用水平的提升。

    技術熱點

    提高能源利用效率一直是燃氣輪機技術發展的方向,通過熱電聯供的方式可以最大程度地增加能源利用效率。目前,燃氣輪機單循環效率為42%~44%(僅有一臺燃氣輪機連接到發電機),聯合循環效率為60%~62%(包括蒸汽再熱循環、汽輪機和發電機,利用燃氣輪機余熱增加發電量)。

    許多新的先進技術得以應用,如為了提高燃氣輪機的功率和效率,改善氣動等參數,開發出新材料和新型高性能涂層,設計出更加精確復雜的幾何形狀和增強的冷卻結構等。制造技術方面,增材制造改變了工程設計理念,是目前的關注熱點;新材料方面,CMC(陶瓷基復合材料)是有望取代高溫合金的革命性材料,將顛覆目前的整個制造流程。

    增材制造。增材制造(3D打印)是燃氣輪機應用的最令人興奮的新技術之一。該技術投入商業應用近30年,直到最近才被用于金屬打印。其原理是通過熱沉積或化學粘合的方式逐層添加材料,產生所需的三維形狀。該技術可以減少零部件的生產步驟,增加設計的靈活性,成為目前的熱門研究方向。

    最重要的,是增材制造零件能夠適應燃氣輪機的運行工況,但在實踐中仍面臨許多問題:例如,對許多金屬粉末(特別是高溫超合金)的基本性能認識不足,或是設計中缺少足夠的3D打印材料性能數據作為支撐;不同的增材制造設備(即使型號和制造商相同)產生的構件可重復性不高,導致每個設備生產的零件都必須單獨進行評估和認證,使得應用成本大大提高,無法用于大規模制造。

    許多團隊正嘗試用3D打印方法制備整片葉片、燃料噴嘴等零部件,如上海探真激光技術有限公司已經成功打印了燃料噴嘴;法國的Safran Microturbo公司甚至直接3D打印整個燃氣輪機(盡管很小),且為eAPU60微型渦輪發動機打印的透平噴嘴已獲得EASA(歐洲航空安全局)認證。3D打印零部件多在航空發動機行業先行先試,是因為航空發動機有重量要求,且零件附加值比發電燃氣輪機更高。

    陶瓷基復合材料(CMC)。CMC即在碳化硅基材中嵌入連續碳化硅纖維,起到強化和韌化的作用,具有非常好的高溫性能,密度僅為鎳基高溫合金的1/3。這種材料已經開發了近30年,GE等許多制造商都在評估其在發電燃氣輪機中的應用。如將CMC材料用于透平葉片,對于小型燃氣輪機可提高其整機效率,對于大型地面發電燃氣輪機,則因CMC材料的斷裂韌性較低而不具備實際應用條件。

    由于CMC新材料在水蒸氣條件下工作溫度不能超過1200℃,因此無法直接用于燃氣輪機熱部件,必須在表面添加一種兼具熱障涂層和環境障涂層功能的涂層材料。國外熱障涂層的應用已有近40年經驗,尚未出現革命性的變化,目前的基礎研究主要是為了提高其承溫能力和沉積效率。環境障涂層作為新型熱障涂層,已經從第一代的莫萊石材料發展至目前的第三代稀土硅酸鹽材料。

    發展前景

    據BP《2017年世界能源展望》預測,未來20年天然氣是增速最快的化石能源,2035年將超越煤炭成為世界第二大燃料來源。電力在能源消費中的比重也越來越大。面對機遇與挑戰,以GE、西門子、三菱重工為首的國際燃機巨頭正通過不斷的技術創新,持續提升產品競爭力。三家企業已占據了國際市場88%的份額。

    我國的燃氣輪機企業,由于缺乏自主核心技術,在國際市場處于劣勢,但這樣的境況正在逐年改變。目前,我國已初步具備F級及以下等級的聯合循環系統的集成和性能優化能力。國家電投上海電力閔行發電廠已啟動H級燃氣輪機示范應用項目,將在設備引進和技術吸收等方面發揮重要作用。另外,以建設國家重大科技基礎設施“高效低碳燃氣輪機試驗裝置”為主要目標的上海浦東先進能源動力研究中心已落戶臨港,擬從科學研究、設計開發、試驗驗證和人才培養等多個方面,打造具有全球影響力的燃氣輪機研發基地。

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