重型燃氣輪機現狀與發展趨勢

劉展鶴

摘要：重型燃氣輪機是一種能夠對能源進行高效轉換的核心動力裝備。重型燃氣輪機有助于實現能源系統的高效、清潔以及安全，我們能夠發現在燃氣輪機的發展中，高效清潔燃燒室、多級軸流壓氣機以及二次空氣清潔系統，是最為重要的技術。我們以國家需求為導向，通過吸收、消化以及研發，來突破重型燃氣輪機發展中的關鍵技術問題，逐漸首先我國重型燃氣輪機核心技術的國產化道路。

關鍵詞：重型燃氣輪機;自主研發;壓氣機;燃燒室;氣冷透平

0? 引言

燃氣輪機在人類生存生活中具有非常廣泛的應用，特別是在發電領域中的應用更為廣泛，使用燃氣輪機來進行發電，其效率能夠高達65%，是人類當前所掌握的能源利用效率較高的商業化發電方式。當前燃氣輪機大多采用天然氣和燃油為燃料，是繼煤電和核電之后的第三大發電方式。我國當前的燃氣輪機裝機容量為3100萬千瓦。根據當前的科技發展速度，在21世紀燃氣輪機仍然成為能源轉換效率最高的核心動力裝置。

1? 重型燃氣輪機的市場現狀和發展趨勢

在國家經濟快速發展，人們生活水平不斷提高的情況下，對重型燃氣輪機的要求也不斷提升，一般來說使用重型燃氣輪機來進行發電，具有造價低、水需求少以及較高的調峰性能，因此是重要的復雜能源系統的重要組成部分，能夠提供高效、清潔和安全的能源?？偟膩碚f在國際市場份額中，重型燃氣輪機的提供商主要有GE、Siemnes、MHI和Alstom。西方國家在燃氣輪機中的投入較多，研發時間較長，同時也具有較深的技術積累，掌握著重型燃氣輪機的核心技術。并且許多國家也都投入了更多的時間以及精力等，來進行重型燃氣輪機的研發與使用，希望能夠以更高的技術以及更好的服務，來獲得更多的市場份額。我們可以預測燃氣輪機在以后，將會朝著以下幾個方向發展：第一以E/F級燃氣輪機為主的聯合循環發電站技術已經相對成熟;其次隨后延伸出來的G/H級燃氣輪機，也出現了使用合成氣的趨勢;最后在未來燃氣輪機很有可能會逐漸使用氫氣作為燃料，對外部實現零排放[1]。

2? 重型燃氣輪機的技術分析

隨著科學技術的發展重型燃氣輪機也展現出了較大的技術進步，比如燃氣輪機的初溫以及整機功率都得到了提升，提高了燃氣輪機的效用，降低了輪機的能耗。一般來說燃氣輪機的初溫以每年提高12℃的速度上升，具體見圖1。

2.1 多級軸流壓氣機

在多級軸流壓氣機中，所使用的技術主要有氣動熱力設計、結構以及強度的設計等。隨著發動機轉速的提升，以及負荷的提高，會造成壓氣機內部出現振動或者失速的現象，使得壓氣機的功能無法得到真正發揮，因此我們需要不斷提高壓氣機的失速特性[2]。

2.2 高效清潔燃燒室

在重型燃氣機中燃燒室發揮著非常重要的作用，能夠保證燃料的充分燃燒并排出多余氣體。由于在燃燒過程中，表面壓力的變化以及溫度的提升，都會使得燃燒室的壁面受到影響，比如說燃燒室的關鍵部位出現抖動等，從而使得輪機運行中存在著安全隱患。在燃燒室溫度不斷提升的情況下，我們需要對產生的作用進行綜合分析，同時提出具體的控制振動的方法。

在未來隨著技術的進步以及人們對環境保護的重視，燃氣輪機將會朝著富氫的方向發展，氫氣作為一種清潔能源，雖然能夠有效地對環境進行保護，但是氫氣在燃燒室中的應用，也對燃燒室提出了更大的挑戰。氫脆是金屬物體在含氫的介質中，經過長期的使用由于吸收氫而形成的一種嚴重的機械性能退化、使得金屬發生脆斷的現象，所以在使用氫氣作為燃料時，需要考慮到燃燒室運行中可能存在的風險。如何有效地控制氫燃燒室材料所形成的氫脆現象，就成為了燃氣輪機技術中的關鍵點。并且對燃氣輪機的溫度進行有效的控制，使得內部燃料能夠得到充分燃燒，可以防止出現熱斑、旋流以及輻射等現象[3]。

2.3 二次空氣系統

空氣系統也是重型燃氣輪機中的重要技術環節，我們在提高燃氣輪機運行效率的同時，還不能對外部環境產生影響。所以我們既要重視提高燃氣輪機的運行功率，得到更大的產出，但也需要加強對環境的保護。由于燃氣輪機中會產生加大的壓力，所以在進口處的溫度也相對較高。所以在冷卻空氣系統中加入了冷卻空氣通道，既能夠將冷卻燃氣輸送到外軸，同時也可以保護渦輪主流道內的部件，提高二次冷卻空氣系統的作用。圖2是燃氣輪機的二次空氣系統結構示意圖。

二次空氣系統具有不同的功能，我們可以將其分為密封泄露結構、旋轉盤腔以及預旋腔三個部分。不同類型腔室的流動傳熱特征也不一樣。對二次冷卻空氣系統性能的發揮產生了較大的影響。因此我們能夠使用二次空氣系統，來挺對燃氣輪機中冷卻流量的利用效率。

2.4 鎳基超級合金葉片材料與制造

在重型燃氣輪機中，不同部位的零件受到的溫度等環境是不一樣的，一般來說高溫部件所受到的環境最為惡劣，因此也是發生故障最高的部件。在嚴格的運行環境下要求高溫部件具有較高的可靠性、較強的抗組織退化以及防止壽命降低的性能。與航空發動機相比，重型燃氣輪機需要有更長的使用壽命，并且有足夠的穩定性以及可靠性作為保證。但是重型燃氣輪機由于高溫部件非常容易受到影響而降低性能，所以我們可以采取使用鎳基超級合金葉片材料來制造高溫部件。

在重型燃氣輪機的使用中，提高對高溫部件的監測，科學合理地評估高溫部件的使用壽命，及時發現可能存在的問題，并提出具體的對策建議，是當前燃氣輪機產業面臨的共同問題。因此我們需要對燃氣機的高溫部件，進行科學的評估以及分析，探討在不同情況下燃氣輪機使用中的情況，同時建立有關的壽命模型，以此來建立有效的燃氣輪機高溫部件，在復雜環境下的壽命評估方法。

3? 我國重型燃氣輪機發展現狀

我國發展重型燃氣輪機的時間較早，可以追溯到建國時期。我國在吸收前蘇聯重型輪機的基礎上，不斷發展成為了具有自主知識產權的輪機，具體包括200km車載輪機等。

在我國經濟水平不斷發展，科學技術進步較快的情況下，人們不僅需要加強對重型燃氣輪機的發展，同時也需要注重對環境的保護。因此我們在重型燃氣輪機的發展中，經歷了以環境換技術和市場換技術等極端，不斷從國外引進了GE、F/E等重型燃氣輪機等。通過對這些技術的吸收，我們也研制出了國產化的重型燃氣輪機。

國外對我國重型燃氣輪機技術，一直處于封鎖狀態，不愿意出售關鍵技術。我國在消化與吸收的基礎上，進行了大量的研發，并且在燃氣輪機的生產上取得了明顯的進步。

4? 總結

重型燃氣輪機是國家科技的代表與象征，對我們的能源系統的安全以及環境的保護等，都能夠起到非常重要的作用。因此我們需要從燃氣輪機產業發展，以及技術研發的角度，通過自主研究以及引進消化吸收的方式，不斷縮短我國與發到國家的差距，提高我國燃氣輪機的制作工藝與技術。

參考文獻：

[1]曾之祿.重型燃氣輪機現狀與發展趨勢[J].軍民兩用技術與產品，2016（8）.

[2]伍賽特.重型燃氣輪機研究現狀與技術發展趨勢展望[J].機電產品開發與創新，2019（2）.

[3]蔣洪德.加速推進重型燃氣輪機核心技術研究開發和國產化[J].動力工程學報，2011，031（008）：563-566.

[4]溫焱明.重型燃氣輪機燃燒系統和控制系統升級改造[D].