李孝堂

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

燃氣輪機是繼蒸汽輪機和內燃機之后的新1代動力裝置，是1個國家綜合實力的體現(xiàn)，對保護國防與能源安全、改善能源結構和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因其具有質量輕、體積小、功率大、起動快、污染小、熱效率高、經濟性好、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，自20世紀30年代成功制造以來，燃氣輪機發(fā)展飛速，廣泛應用于發(fā)電、分布式能源、天然氣管線動力、艦船動力、坦克戰(zhàn)車動力等軍民領域，其產品譜系越來越全，應用范圍越來越廣泛，產業(yè)規(guī)模越來越大。

中國燃氣輪機的研制起步較早但進展較慢，距離世界先進水平還存在較大差距。因而，研究、總結和借鑒世界先進燃氣輪機研制的規(guī)律與經驗，對于制定符合中國國情的燃氣輪機發(fā)展戰(zhàn)略具有非常重要的作用。

1 國外燃氣輪機發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢

燃氣輪機的發(fā)展代表著國家重大裝備制造業(yè)的總體水平，是國家高新技術與科技實力的重要標志之一。目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少數(shù)國家具備獨立研制燃氣輪機的能力。這些國家借助技術優(yōu)勢和綜合國力，開發(fā)了從幾十千瓦到幾十萬千瓦的不同功率檔次的燃氣輪機，并將其廣泛應用于軍民領域。

1.1 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

由于與航空發(fā)動機同樣具有質量輕、功率大、污染小、起動快、加速性好、可靠性高等相似的技術要求，以及隨著第2次世界大戰(zhàn)后航空發(fā)動機技術快速發(fā)展和產品不斷成熟，燃氣輪機主要采用“輕型燃氣輪機由成熟航空發(fā)動機改型研制，重型燃氣輪機移植航空發(fā)動機技術研制”的發(fā)展途徑進行大力開發(fā)和應用。

為了滿足市場需求，世界知名航空發(fā)動機公司由航空發(fā)動機改型研制了3代輕型燃氣輪機（見表1），收到了投資少、周期短、見效快、效率高、經濟性好、可靠性高、使用維護方便的效果。第1代航改燃氣輪機包括工業(yè)Avon、工業(yè)Olympus、TF4等，于20世紀60年代初開始研制，在70年代推廣應用于工業(yè)發(fā)電、艦船推進、油/氣輸送等領域；第2代航改燃氣輪機包括LM2500、LM5000、工業(yè) RB211、工業(yè) Spey、FT8 等，于70～80年代先后由大型航空渦扇發(fā)動機CF6、TF39、RB211、Spey、JT8D等改型研制；第3代航改燃氣輪機包括工業(yè) Trent、501F、FT4000、V84-3A、工業(yè) GE90AD等，于80年代以后以大型航空渦扇發(fā)動機Trent、GE90、PW4000等為基礎，采用航空發(fā)動機積累的各種新技術、新材料及新設計，吸取前期航改燃氣輪機的使用經驗，取得了“可靠性更高、維修性更好、污染更低、功率范圍更寬廣、應用前景更廣闊”的效果。

重型燃氣輪機是為了滿足城市公用電網(wǎng)需要，主要由三菱重工、GE動力、西門子、阿爾斯通等公司開發(fā)，近年來發(fā)展迅速。

表1 典型航改燃氣輪機的性能參數(shù)

20世紀80年代后期以前，重型燃氣輪機功率增長迅速，但在技術上發(fā)展較慢。GE公司由MS3000系列，經MS5000和MS7000系列，發(fā)展到MS9000系列重型燃氣輪機，功率由10 MW增大到123 MW，壓氣機由15級增加到17級，壓比由7.0增大到12.3，效率由25%提高到32%，聯(lián)合循環(huán)的功率和效率分別達到167 MW和47%。也就是說，在這一時期，重型燃氣輪機的簡單循環(huán)功率增大10多倍，效率較輕型燃氣輪機的低3～5個百分點；聯(lián)合循環(huán)的效率與輕型燃氣輪機的差距很小，但具有可以燃用像重油這樣的劣質燃料的突出優(yōu)點。

20世紀80年代后期以來，由于航空發(fā)動機發(fā)展迅速，特別是民用航空發(fā)動機技術日益成熟和大量應用，西屋、GE動力、西門子、ABB等公司通過部分技術引入（如3維可控葉型、氣冷高溫渦輪、耐熱合金材料、耐磨且隔熱涂層等），采用比例放大和國際合作（RR公司與西屋及ABB公司合作、PW公司與西門子公司合作，GE公司則輕型、重型燃氣輪機2個部門合作）等方式大量移植航空發(fā)動機技術，開發(fā)和應用了MS9001F、V84-3A(采用PW公司的PW4000發(fā)動機技術)、501F(采用RR公司的Trent發(fā)動機技術)、MS9001G、MS9001H、501G、V94-3A 和 GT26 等重型燃氣輪機，功率和性能大幅度提高，市場份額迅速擴大，見表2。例如：GE公司MS9001F型燃氣輪機借鑒大涵道比跨聲速風扇葉片、耐熱合金的氣冷渦輪、定向結晶鑄造渦輪葉片、等離子噴涂熱障涂層等技術，性能較MS9001E的大幅提高，壓比由12.3增至15.0，渦輪進口溫度由1124℃增至1288℃，功率由123.4 MW增至226.5 MW，效率由31.4%增至36%，聯(lián)合循環(huán)功率增至340 MW，效率達55.3%，超過輕型燃氣輪機的。在“F”技術取得成功經驗的基礎上，GE公司在美國能源部的支持下，參與先進渦輪系統(tǒng)(ATS)計劃，集中其航空發(fā)動機分部、電力分部(重型燃氣輪機)和研究中心的技術力量，全面利用航空技術，開發(fā)面向21世紀的大功率先進燃氣輪機MS9001G型和H型，其18級壓氣機是CF6-80C2發(fā)動機高壓壓氣機 (與LM6000，LMS100共用)按3倍比例放大，再加4級，壓比增至23.0；4級渦輪均為航改型 (TIT高達1430℃)，第1級渦輪葉片為單晶精密鑄造，第2～4級為定向結晶鑄造，全部涂覆耐高溫涂層。G型采用空氣冷卻，功率增至280 MW，效率為39.5%。與先進的輕型燃氣輪機的相當，聯(lián)合循環(huán)則分別為420 MW和58%，高于輕型燃氣輪機的。H型采用蒸汽冷卻渦輪，只有聯(lián)合循環(huán)，功率增至480 MW，效率為60%。燃燒室的干低NOx系統(tǒng)排放在1×10-5以下。

為了繼續(xù)保持世界領先地位，世界先進國家的政府和企業(yè)界制訂和實施了長期多層次的燃氣輪機技術研究計劃（見表3），開發(fā)和驗證先進氣動、新型結構、清潔燃燒、新穎材料、先進循環(huán)（濕空氣、間冷、濕空氣回熱 (WIWR)、超級蒸汽噴射循環(huán)）技術，以實現(xiàn)“更高效率與更低排放”的目標，推動燃氣輪機產品與產業(yè)的進一步發(fā)展。

1.2 發(fā)展趨勢

1.2.1 技術向高效率和低污染方向發(fā)展

通過采取提高壓比、渦輪進口溫度和部件效率等措施，輕型航改燃氣輪機和重型燃氣輪機的熱效率都在不斷提高。對于輕型航改燃氣輪機，第1代的壓比為14.0，TIT為1050℃，效率為30%；第2代的壓比達20.0，效率達36%～39%；第3代的壓比達25.0，效率達40%～42%，TIT達l450℃左右；預研第4代的效率預計達45%左右。復雜循環(huán)燃氣輪機主要包括間冷、回熱、間冷回熱(ICR)、蒸汽回注、化學回熱、濕空氣渦輪(HAT)等燃氣輪機，通過改進熱力循環(huán)來提高熱效率。英國RR公司與美國西屋公司以RB211發(fā)動機為基礎聯(lián)合研制的WR-21艦船燃氣輪機，采用間冷回熱技術，降低了壓氣機的功耗，增加了渦輪的有用功，使其熱效率提高到42%以上，油耗降低到0.200 kg/kW·h。特別是其油耗曲線特別平坦，在30%工況時，效率可達41.16%，耗油率達0.204 kg/kW·h，接近中、高速柴油機的水平，可以單獨取代柴燃聯(lián)合動力裝置，大大節(jié)省了空間、顯著減輕了質量，明顯改善了維修性和可靠性，降低了全壽命費用。MS9001FA、MS9001H、M501J重型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的熱效率分別達到57%、60%和61%左右。

表2 典型的先進重型燃氣輪機的性能參數(shù)

表3 世界燃氣輪機研究計劃的目標和研究內容

隨著環(huán)保意識的增強和國際燃氣輪機排放標準的制定，燃氣輪機的排放早已得到世界各國的高度重視。燃氣輪機主要通過采用貧油直接噴射燃燒(LDI)、貧油預混氣化燃燒 (LPW/PY)、富油-猝熄-貧油燃燒(RQL)、非絕熱燃燒以及內置催化穩(wěn)定燃燒 (可提供NOx排放低于1×10-6的水平)等干低排放燃燒技術，即在不對燃燒穩(wěn)定產生不利影響的情況下，降低燃燒區(qū)火焰溫度，從而降低NOx、CO和UHC等的排放量，并且已經取得明顯效果。典型的先進燃燒技術降低排放效果見表4。

1.2.2 產品向系列化、譜系化發(fā)展

以基準航空發(fā)動機為基礎，燃氣輪機設計與制造商改型研制不同類型和不同功率的燃氣輪機，充分體現(xiàn)出“一機為本、衍生多型、滿足多用、形成譜系”的特點，不僅賦予航空發(fā)動機頑強的生命力，達成更新?lián)Q代的良性發(fā)展態(tài)勢，也保證了燃氣輪機的可靠性、先進性、周期短、風險和成本低。例如：GE公司以CF6航空發(fā)動機為基礎，改型研制了 LM2500、LM6000、LMS100和MS9001G等燃氣輪機，如圖1所示。

由于研制和生產燃氣輪機的難度大，以成功燃氣輪機為基礎不斷升級改進，提高性能和降低排放，是燃氣輪機產品系列化發(fā)展的另一途徑。其中以LM2500系列燃氣輪機最為典型。1998年，在LM2500燃氣輪機的基礎上，GE公司采用了LM2500和LM6000燃氣輪機的技術和經驗，借鑒了F414航空發(fā)動機的整體葉盤技術、CF6-80C2發(fā)動機的無凸肩寬弦葉片技術、CF6-80E發(fā)動機的先進密封技術等改進了LM2500＋燃氣輪機；2005年，以LM2500＋燃氣輪機為基礎，GE公司采用戰(zhàn)斗機發(fā)動機和LM6000燃氣輪機的先進技術改進設計壓氣機、高壓渦輪與動力渦輪、先進的材料與涂層，改進研制了LM2500＋G4燃氣輪機。LM6000燃氣輪機和GE重型燃氣輪機也走了同樣的道路。LM2500和LM6000燃氣輪機的發(fā)展情況分別如圖2、3所示。

表4 典型的先進燃燒技術降低排放效果

1.3 產業(yè)向規(guī)模性發(fā)展

燃氣輪機從20世紀50年代開始取代了活塞式發(fā)動機；從60年代開始應用軍用水面艦船和城市發(fā)電；70代年末期開始應用于美國主戰(zhàn)坦克；80年代以來開始應用于高速客輪、高速船、石油、石化、化工等領域。在發(fā)電行業(yè)，基本負荷發(fā)電以大功率重型燃氣輪機為主，調峰發(fā)電以航改輕型燃氣輪機為主。燃氣輪機在美國、西歐等發(fā)電機組中應用已十分廣泛，相關資料顯示，在2007年新建電站中，美國比例高達82.6%，西歐高達78.5%，亞洲為36%，南美地區(qū)較低，為18.4%。中國目前火電、水電較多，燃氣輪機發(fā)電以調峰為主，只占4%。在水面艦船領域，燃氣輪機是現(xiàn)代大、中型水面艦艇和高性能艦船的主要動力裝置。據(jù)1981～2008年國外艦船動力裝置統(tǒng)計，3/4的水面艦船采用了燃氣輪機（含柴-燃聯(lián)合）。在天然氣管輸領域，燃氣輪機（一般為采用高速動力渦輪的航改燃氣輪機）幾乎無一例外被采用。在戰(zhàn)車動力裝置上，燃氣輪機由于功率密度大、機動性好等優(yōu)勢，在美國和俄羅斯等國家作為特種動力裝置得到大量使用。目前，美、俄裝備坦克燃氣輪機的總數(shù)已達14600多臺，占第2、3代坦克總量的49%。

2 中國燃氣輪機發(fā)展現(xiàn)狀及困局

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

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。綜觀燃氣輪機的發(fā)展史，中國始終沒有確立堅定地走自主研制的發(fā)展道路。

20世紀50年代以來，中國燃氣輪機從測繪仿制燃氣輪機發(fā)電機組起步，已自行設計制造了多種機型。中國航空工業(yè)以國產航空發(fā)動機（如WP6G、WJ5G、WJ6G等）為基礎，派生研制了6種10多型燃氣輪機，但這些燃氣輪機熱效率低、功率小，未能占領國內市場。以南京汽輪機廠和成都發(fā)動機公司為代表的一些企業(yè)，與外商合作開發(fā)或生產了了一些型號的燃氣輪機（如FT-8輕型燃氣輪機、MS6001重型燃氣輪機），但均無自主知識產權，受制于人。

1985年，中國從美國引進了LM2500艦船燃氣輪機，并以柴燃聯(lián)合動力（CODOG）方式裝備某驅逐艦，積累了一些使用和維護保養(yǎng)經驗。但以美國為首的西方國家，長期奉行遏制中國的戰(zhàn)略，禁止向中國轉讓艦船燃氣輪機高技術和生產許可證。

從1993年開始，中國與烏克蘭“機械設計科研生產聯(lián)合體”簽訂購買、引進新研制的UGT25000艦船燃氣輪機整機及生產制造技術許可的合同，初步解決了中國大檔功率燃氣輪機的有無問題。

2001年，為發(fā)展燃氣輪機產業(yè)和配合能源結構調整，國家發(fā)改委發(fā)布了《燃氣輪機產業(yè)發(fā)展和技術引進工作實施意見》，擬以市場換取部分制造技術的方式，走出1條“技術引進、打捆招標”的道路，上汽、哈汽、東汽與國外企業(yè)合作生產“FA”級燃氣輪機。然而，以中國市場需求為導向而進行的部分制造技術引進，只能對電力需求市場起到緩解作用，而不能從根本上解決中國燃氣輪機產業(yè)自主發(fā)展和受制于人的關鍵問題。

按照國際發(fā)展燃氣輪機的成功經驗，中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所以昆侖和太行發(fā)動機為母型機，系列化派生發(fā)展艦船和工業(yè)用燃氣輪機產品。某小檔功率艦船燃氣輪機已完成技術鑒定，具備裝艦能力；中檔功率工業(yè)燃氣輪機QD128已經在中原油田和大慶油田并網(wǎng)發(fā)電，累計運行超過15000 h，并于2010年5月通過了遼寧省經濟委員會組織的新產品鑒定；小檔功率工業(yè)燃氣輪機QD70已經在中原油田發(fā)電，累計運行超過3000 h；中檔功率工業(yè)燃氣輪機QD185于2010年年底完成調試，并且已經具備發(fā)電能力；采用先進間冷循環(huán)的某大檔功率燃氣輪機已經完成方案論證工作，正在進行設計；110 MW級R0110重型燃氣輪機在國家863計劃的支持下已經通過國家全速空載驗收試驗，因無試驗考核電站進行運行考核，尚未進入市場；一些應急移動電源已經小批進入市場；用于整體煤氣化工程（IGCC）的中低熱值重型燃氣輪機（E+、FA級）、用于分布式能源的兆瓦級燃氣輪機正在研制中。中國研制的部分燃氣輪機的性能和應用見表5。

2.2 中國燃氣輪機的困局

2.2.1 困局類型

綜觀中國燃氣輪機的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)存在以下難以跳出的困局。

（1）市場與產品的矛盾。市場處于低谷時不投入、不發(fā)展，市場大發(fā)展時無產品可用。燃氣輪機是技術難度大、投資強度大、研制周期長的高技術產品，需要長期堅持不懈的積累、研發(fā)和考核，才能研制出好用的產品，等市場來了再開始研發(fā)不可能來得及，從而失去市場機會。

（2）產品研發(fā)與應用的矛盾。市場需要的是成熟產品，而剛研發(fā)出來的產品未經考核不成熟。國外燃氣輪機研發(fā)公司都有自己的新產品考核電站，而中國沒有對這種考核電站提供良好配套政策和環(huán)境，致使新研產品無處考核，無法進入市場應用。

（3）引進與被制約的矛盾。由于國內沒有成熟的產品，面對節(jié)能減排的壓力和強大的電力市場需求，不得不引進國外產品，結果在發(fā)電市場一輪又一輪的“打捆招標”，而輸氣管線是清一色的引進航改機組。由于打捆招標沒能引進設計技術和關鍵的制造技術，中國的燃氣輪機能源動力命脈掌握在外國人手里，形成現(xiàn)實的經濟風險和潛在能源安全風險。

（4）艦船與動力裝置不協(xié)調。目前，中國艦船在設計選型時要選成熟的動力裝置，而動力裝置的立項研制需要有艦船的應用背景，而且燃氣輪機的研制周期是艦船的2倍以上，結果形成了新設計艦船永遠無成熟動力裝置可選的“死循環(huán)”。

2.2.2 困局形成原因

形成上述困局的主要原因包括以下方面。

（1）缺少國家層面的統(tǒng)一規(guī)劃。

燃氣輪機屬技術、資金、人才密集領域，是研發(fā)周期長、生命周期長的戰(zhàn)略產業(yè)。目前中國缺少可持續(xù)的統(tǒng)一規(guī)劃，并且投資力度小。

西方發(fā)達國家為保持其燃氣輪機技術優(yōu)勢，并在市場競爭中始終處于領先，制定了一系列研究計劃。如美國能源部的先進燃氣輪機系統(tǒng)計劃(ATS)、美國與歐洲聯(lián)合的先進航空發(fā)動機改型燃氣輪機計劃(CAGT)，日本也制定了相應的計劃。這些計劃的實施，極大推動了燃氣輪機先進技術的研究和應用，為新型燃氣輪機的研制儲備了技術，對其保持世界領先的地位和優(yōu)勢起到了決定性作用。

目前，中國尚缺乏按照國家能源及動力裝備近期、中期及遠期的需求而制定的統(tǒng)籌部署的、按階段自主發(fā)展的發(fā)展規(guī)劃。相應地，對軍民燃氣輪機的投入、特別是預先研究階段的投入非常少。在“十五”、“十一五”期間，中國通過打捆招標模式同時引進了世界3大動力集團（GE、西門子、三菱）的FA級重型燃氣輪機，意在通過市場換技術的方式解決已落后幾十年的重型燃氣輪機研制問題，而結果是市場被這些公司的產品占領，但關鍵技術卻沒有引入。目前，能源裝備遵循市場經濟規(guī)律，市場需要成熟產品，而新研產品需要成熟。在這種情況下，如果沒有國家的政策支持，以純粹市場模式與資金雄厚、先于中國發(fā)展幾十年的國外大公司同臺競爭，中國的自主品牌成長為有競爭力的產品的艱難性和周期是可想而知的。

表5 中國航改燃氣輪機的性能及應用

（2）基礎技術薄弱。

西方國家燃氣輪機已經積累了豐富的研制、使用和管理經驗。先進技術的預先研究無疑是燃氣輪機提高性能與可靠性和縮短研制周期的保證。比如，干低排放燃燒技術，在美歐等國家30～40年前就開始研究，現(xiàn)在已經成熟應用，NOx排放水平已達到（25～9）×10-6，對其他國家的燃氣輪機幾乎已形成技術壁壘，而中國在這方面的研究幾乎沒有；在長壽命材料、先進循環(huán)（間冷回熱循環(huán)、濕壓縮、蒸汽冷卻）技術等方面，中國與國外相比同樣存在很大差距，如501J重型燃氣輪機的渦輪進口溫度已達到1873 K。這些明顯制約了中國燃氣輪機的快速發(fā)展。

（3）民用燃氣輪機考核力度不夠或無法實現(xiàn)考核。

一型新燃氣輪機進入市場，必須經過試驗電站的長期考核運行。為此，世界各大燃氣輪機公司都建有自己的考核電站；而中國科技部通過863計劃，在“十五”期間研制了具有自主知識產權的E+級R0110重型燃氣輪機，已完成廠內空載全轉速試驗2年多，但試驗電站問題至今未能落實；R0110A燃氣輪機IGCC的試驗電站，立項時計劃要建設，現(xiàn)在卻無法實現(xiàn)；QD128、QD70A燃氣輪機在中原油田的試驗電站，因中斷供氣而倒閉；QD128燃氣輪機大慶北壓試驗電站，也因氣電價格差太大和供氣問題暫停運行。如此下去，中國將無法完成市場可接受的自主知識產權燃氣輪機產品的研制和應用。

3 結束語

燃氣輪機工業(yè)是高投入、高產出、高效益的高科技產品，憑其固有的技術優(yōu)勢，在國防、能源、交通等工業(yè)部門發(fā)揮越來越重要的作用?！昂娇瞻l(fā)動機是燃氣輪機的基礎，燃氣輪機是航空發(fā)動機的繼續(xù)”，這已經達成共識。燃氣輪機工業(yè)經過近60多年的努力，才發(fā)展到當前龐大的產業(yè)群體。中國燃氣輪機工業(yè)的基礎薄弱，應該吸取國外燃氣輪機工業(yè)發(fā)展的經驗教訓，盡快走出中國航空發(fā)動機和燃氣輪機工業(yè)的發(fā)展困局。

（1）在國家統(tǒng)一規(guī)劃、組織領導下，制定政府主導的近期、中期、遠期相結合的技術研究計劃或重大專項計劃，加大投入，集中航空、機電、船舶等工業(yè)部門和大專院校、科研院所的高科技力量，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在關鍵技術研究、產品研發(fā)、考核、應用等方面統(tǒng)籌考慮；制定自主研發(fā)燃氣輪機在考核、應用方面的優(yōu)惠和激勵政策，加快中國自主知識產權燃氣輪機的發(fā)展。

（2）在輕型艦船及工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展方面，中國應堅持走國際上成功的航空發(fā)動機改型的技術路線，充分發(fā)揮航空發(fā)動機在人才、技術、制造、試驗等方面的資源優(yōu)勢；在重型燃氣輪機的發(fā)展方面，中國應在已有基礎上利用航空技術和條件加快步伐。

（3）對于艦船燃氣輪機的發(fā)展，中國要制定完整的型譜，加大關鍵技術研究力度，按型譜提前立項研制，真正做到動力先行，形成貨架產品供艦船選用。

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