燃氣輪機及燃氣輪機油的發展

鄭延波，李鵬，劉中國，孫大新，金琴華，檀豐澤

(1.中國石油潤滑油重點實驗室，遼寧 大連116031；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116031)

1 燃氣輪機

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料能量轉變為有用功的內燃式動力機械。燃氣輪機是蒸汽輪機和內燃機后第三大核心動力設備。燃氣輪機是能源動力裝備領域里的最高端產品，發展燃氣輪機產品對提升中國先進制造業和先進能源技術至關重要。

燃氣輪機應用領域十分廣泛，在天然氣發電和分布式能源兩個領域最為重要。

1.1 天然氣發電機

《電力發展“十三五”規劃》中，國家繼續強調低碳、綠色發展，電源結構清潔化。天然氣發電作為化解環境約束、改善大氣質量、實現綠色低碳發展的有效途徑，對推動節能減排、穩增長、惠民生、促發展也具有重要意義。在多種清潔發電方式的比較下，燃氣發電成為替代燃煤發電的主要方式。到2020年我國預計天然氣發電裝機規模達到1.1×108kW以上，占發電總裝機比例超過5%。從世界范圍看，歐洲天然氣發電比例占20%，日本天然氣發電比例占28%，美國天然氣發電比例占43%，目前中國天然氣發電比例只有4%。所以中國天然氣發電占總裝機比例還有很廣闊的發展空間。

燃氣輪機是天然氣發電的核心設備，未來隨著天然氣發電裝機比例大幅提升，燃氣輪機應用將會越來越廣泛。

截至2016年，燃氣發電裝機容量7.011×107kW，占總裝機4.2%，發電量占總裝機3.1%。我國天然氣發電廠主要分布在東南沿海、長三角、珠三角、京津等經濟較為發達的省市，內陸省市數量較少。廣東、福建及海南三省占34%，江浙滬三省市占比約為32%，京津占比約為23%。

“十三五”期間，中國進一步加大天然氣供應，提高天然氣消費比重。隨著我國西氣東輸、近海天然氣開發、液化天然氣(LNG)引進、可燃冰開發、煤層氣的綜合利用、分布式電源建設等工程快速發展，為燃機發電保障了天然氣供應。我國能源結構優化和環境污染治理進入實施階段，重型燃機對我國調整能源結構、實現能源清潔高效利用、優化發電模式有重要作用。世界主要國家天然氣發電裝機占發電裝機總量比例見圖1。

圖1 世界主要國家天然氣發電裝機占發電裝機總量比例

1.2 分布式能源

根據國家發改委《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中指出，天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的階梯利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。

天然氣分布式能源特點：(1)發電和供能系統建在用戶附近；(2)能源站規模適當，分散式布局，可以輸出冷、熱電能；(3)實現多種能源匹配使用；(4)有效地實現能源梯級使用，提高能源利用效率[1-3]。

分布式能源不僅是樓宇型和區域型供電，而且對大型城市群的熱電聯供也是非常有效，比如分布式能源為未來雄安新區的建設提供區域供電。使用燃氣發電分布式能源的能源轉化效率達到80%～90%，主要是回收熱能可以加以利用，并且分布式能源對控制大氣污染和節能減排也作用明顯[4-5]。

1.3 中國燃氣輪機制造技術

燃氣輪機制造技術是我國工業制造業皇冠上的明珠。燃氣輪機制造技術是國家技術實力的象征。在2015年發布的“中國制造2025”把航空發動機及重型燃氣輪機放到了第二的位置，寫入高端裝備創新工程計劃。中國從2013年開始，正式逐步推出了航空發動機和重型燃機重大專項工作。2016年，兩機專項工作正式啟動。

習近平總書記提出大國必有重器，燃氣輪機就是其中之一。燃氣輪機的發展比較落后，燃機制造自主化始終沒有放棄，但是跟世界發達國家還有較大的差距。在制造技術上，已經形成了以哈爾濱電氣、東方電氣、上海電氣三大動力為核心，冷端部件制造和總裝工藝裝備已經達到國際水平。燃機的國產化率已經達到了70%。在設計成套、檢修運行、技術改造等方面也都形成了相應的技術經驗，還形成了標準。

世界燃機制造技術經過多年的發展，目前研究的重型燃機最大功率460 MW，燃氣初溫1600 ℃，壓氣機壓縮比為40，單循環效率達到44%[6]。世界三大OEM廠商(GE、Siemens、MHPS)經過多年的技術積累，已經形成燃氣輪機完整的產業鏈，制造技術水平領先我國20年左右。

1.4 中國燃機市場發展

1999年天然氣發電裝機容量約7.2×106kW，占全國裝機容量2%，發電量1.4%，幾乎全是油氣田附近工業企業自用。進入21世紀，我國加快天然氣勘查開發，西氣東輸和液化天然氣(LNG)進口等啟動了燃機國內市場需求。2002年以來，國家通過三次“打捆招標”，哈爾濱、東方、上海三家汽機制造廠分別引進GE、三菱、西門子的F級燃機制造技術，進行本地化制造，基本滿足了我國電力市場的需求。但是外資企業燃機核心制造技術沒有轉讓，國內燃機市場被世界三大OEM壟斷，以市場換技術的策略沒有成功。2014年，上海電氣與西門子合作破裂，轉而收購安薩爾多40%股權，開始與安薩爾多合作。2017年國內F/H燃機的市場份額見圖2。

圖2 2017年國內F/H燃機的市場份額

1.5 燃氣輪機發展趨勢

今后燃氣輪機發展趨勢是:(1)進一步提高溫度、壓力，從而進一步提高機組的功率、效率等性能;(2)適應燃料多樣性的需求;(3)改變基本熱力循環，采用新工質，完善控制系統，優化總體性能[7]。

重型燃氣輪機不斷向高參數、高性能、低污染發展。通過研究和應用新技術、新工藝，專家預測到2020年最高初溫可到1700 ℃，聯合循環效率可達65% 。

2 燃氣輪機油

燃氣輪機是天然氣發電的核心設備, 燃氣輪機油是燃氣輪機的血液。燃氣輪機實際運行工況非常苛刻，潤滑油極易產生油泥問題。燃氣輪機循環油溫較高，大約在50～95 ℃，局部過熱點的溫度可達150～280 ℃，此外由于燃氣輪機處于經常開停的工作狀態，這樣的工況容易導致油泥產生。產生的油泥沉積在管道、過濾器、軸承、電液伺服閥上，會導致過濾器堵塞、供油不足、軸承磨損、閥黏結、調速失靈等后果，最終造成非正常停機的損失。因此，燃氣輪機使用的油品需要具有長壽命、低油泥的特點。

三菱日立電力系統公司(MHPS)是生產燃氣輪機的主要OEM之一，已經成為燃機市場的巨頭。2017年，MHPS已經實現了三菱日立重型燃機全球市場份額第一。國內汽輪機生產商東方電氣與三菱進行合作，成立了合資公司。目前，東方電氣累計獲得28個項目共計63臺燃機，已成為國內F級重型燃機市場占有率最高的制造廠商。為了滿足客戶選擇燃氣輪機油的需要，三菱公司于2007年發布了MS04-MA-CL001、CL002、CL003和CL004 4個燃氣輪機油標準，三菱日立于2014年發布了MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006。

滿足三菱規格的油品標準如表1所示。三菱MS04-MA-CL001是常規的燃氣輪機油標準，要求旋轉氧彈不低于220 min、TOST氧化壽命大于2000 h、氧化1000 h的酸值小于0.4 mgKOH/g、Dry TOST 試驗油泥不超過100 mg(旋轉氧彈剩余25%)；MS04-MA-CL002是用于軸承環境溫度大于250 ℃的高溫燃氣輪機油標準，在CL001基礎上提高了對氧化性能的要求，要求旋轉氧彈不低于700 min、老化后的旋轉氧彈保留不小于85%、TOST氧化壽命大于4000 h；MS04-MA-CL003是極壓型高溫燃氣輪機油標準，在CL002基礎上增加了極壓性能要求，要求FZG失效級不小于9級；MS04-MA-CL004是控制系統用油的標準，CL005和CL006對油品氧化壽命的要求有了大幅度的提升。TOST、Dry-TOST和RPVOT三項指標提升得比較明顯。

表1 三菱規格主要性能對比(ISO VG32)

從圖3和圖4看出，Dry-TOST試驗CL002規格要求為500 h，CL005規格提高到1000 h，同時當油品氧彈剩余25%時，滿足CL005和CL006規格的油品產生的油泥要控制在100 mg。這對油品提高氧化壽命和控制油泥生成量提出了很高的要求，增加了產品開發的難度。

圖3 Dry-TOST氧化壽命

圖4 Dry-TOST試驗后生成油泥

滿足三菱日立MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006規格油品代表了燃氣輪機油未來技術的發展方向。目前，主流潤滑油公司都在努力提高自身燃氣輪機油品的技術水平，滿足OEM越來越苛刻的要求。

3 展望

隨著中國環保排放法規日益嚴格，天然氣發電作為燃煤發電的替代方式必將迎來廣闊的發展空間。

分布式能源冷熱電聯供，能源轉化效率高，打破了集中供電的舊模式，成為區域供電方式的新選擇。盡管中國在燃機制造水平上有了長足的進步，但是燃氣輪機制造核心技術依然被三大OEM壟斷，中國燃機制造的自主化之路任重道遠。燃機制造技術未來發展上呈現功率大、排放低、效率高、設備可靠性高的趨勢。

燃氣輪機油是燃氣輪機的血液，三菱日立MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006兩個標準代表了目前燃氣輪機油最高水平，標準中對油品氧化壽命和油泥生成趨勢提出了更嚴苛的要求，促進燃氣輪機油生產商不斷提高技術能力，滿足OEM對油品的要求。