燃气轮机的发展及中国的困局

李孝堂

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新1代动力装置，是1个国家综合实力的体现，对保护国防与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具有重要意义。因其具有质量轻、体积小、功率大、起动快、污染小、热效率高、经济性好、可靠性高、寿命长等优点，自20世纪30年代成功制造以来，燃气轮机发展飞速，广泛应用于发电、分布式能源、天然气管线动力、舰船动力、坦克战车动力等军民领域，其产品谱系越来越全，应用范围越来越广泛，产业规模越来越大。

中国燃气轮机的研制起步较早但进展较慢，距离世界先进水平还存在较大差距。因而，研究、总结和借鉴世界先进燃气轮机研制的规律与经验，对于制定符合中国国情的燃气轮机发展战略具有非常重要的作用。

1 国外燃气轮机发展的现状及趋势

燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一。目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备独立研制燃气轮机的能力。这些国家借助技术优势和综合国力，开发了从几十千瓦到几十万千瓦的不同功率档次的燃气轮机，并将其广泛应用于军民领域。

1.1 发展历程与现状

由于与航空发动机同样具有质量轻、功率大、污染小、起动快、加速性好、可靠性高等相似的技术要求，以及随着第2次世界大战后航空发动机技术快速发展和产品不断成熟，燃气轮机主要采用“轻型燃气轮机由成熟航空发动机改型研制，重型燃气轮机移植航空发动机技术研制”的发展途径进行大力开发和应用。

为了满足市场需求，世界知名航空发动机公司由航空发动机改型研制了3代轻型燃气轮机（见表1），收到了投资少、周期短、见效快、效率高、经济性好、可靠性高、使用维护方便的效果。第1代航改燃气轮机包括工业Avon、工业Olympus、TF4等，于20世纪60年代初开始研制，在70年代推广应用于工业发电、舰船推进、油/气输送等领域；第2代航改燃气轮机包括LM2500、LM5000、工业 RB211、工业 Spey、FT8 等，于70～80年代先后由大型航空涡扇发动机CF6、TF39、RB211、Spey、JT8D等改型研制；第3代航改燃气轮机包括工业 Trent、501F、FT4000、V84-3A、工业 GE90AD等，于80年代以后以大型航空涡扇发动机Trent、GE90、PW4000等为基础，采用航空发动机积累的各种新技术、新材料及新设计，吸取前期航改燃气轮机的使用经验，取得了“可靠性更高、维修性更好、污染更低、功率范围更宽广、应用前景更广阔”的效果。

重型燃气轮机是为了满足城市公用电网需要，主要由三菱重工、GE动力、西门子、阿尔斯通等公司开发，近年来发展迅速。

表1 典型航改燃气轮机的性能参数

20世纪80年代后期以前，重型燃气轮机功率增长迅速，但在技术上发展较慢。GE公司由MS3000系列，经MS5000和MS7000系列，发展到MS9000系列重型燃气轮机，功率由10 MW增大到123 MW，压气机由15级增加到17级，压比由7.0增大到12.3，效率由25%提高到32%，联合循环的功率和效率分别达到167 MW和47%。也就是说，在这一时期，重型燃气轮机的简单循环功率增大10多倍，效率较轻型燃气轮机的低3～5个百分点；联合循环的效率与轻型燃气轮机的差距很小，但具有可以燃用像重油这样的劣质燃料的突出优点。

20世纪80年代后期以来，由于航空发动机发展迅速，特别是民用航空发动机技术日益成熟和大量应用，西屋、GE动力、西门子、ABB等公司通过部分技术引入（如3维可控叶型、气冷高温涡轮、耐热合金材料、耐磨且隔热涂层等），采用比例放大和国际合作（RR公司与西屋及ABB公司合作、PW公司与西门子公司合作，GE公司则轻型、重型燃气轮机2个部门合作）等方式大量移植航空发动机技术，开发和应用了MS9001F、V84-3A(采用PW公司的PW4000发动机技术)、501F(采用RR公司的Trent发动机技术)、MS9001G、MS9001H、501G、V94-3A 和 GT26 等重型燃气轮机，功率和性能大幅度提高，市场份额迅速扩大，见表2。例如：GE公司MS9001F型燃气轮机借鉴大涵道比跨声速风扇叶片、耐热合金的气冷涡轮、定向结晶铸造涡轮叶片、等离子喷涂热障涂层等技术，性能较MS9001E的大幅提高，压比由12.3增至15.0，涡轮进口温度由1124℃增至1288℃，功率由123.4 MW增至226.5 MW，效率由31.4%增至36%，联合循环功率增至340 MW，效率达55.3%，超过轻型燃气轮机的。在“F”技术取得成功经验的基础上，GE公司在美国能源部的支持下，参与先进涡轮系统(ATS)计划，集中其航空发动机分部、电力分部(重型燃气轮机)和研究中心的技术力量，全面利用航空技术，开发面向21世纪的大功率先进燃气轮机MS9001G型和H型，其18级压气机是CF6-80C2发动机高压压气机 (与LM6000，LMS100共用)按3倍比例放大，再加4级，压比增至23.0；4级涡轮均为航改型 (TIT高达1430℃)，第1级涡轮叶片为单晶精密铸造，第2～4级为定向结晶铸造，全部涂覆耐高温涂层。G型采用空气冷却，功率增至280 MW，效率为39.5%。与先进的轻型燃气轮机的相当，联合循环则分别为420 MW和58%，高于轻型燃气轮机的。H型采用蒸汽冷却涡轮，只有联合循环，功率增至480 MW，效率为60%。燃烧室的干低NOx系统排放在1×10-5以下。

为了继续保持世界领先地位，世界先进国家的政府和企业界制订和实施了长期多层次的燃气轮机技术研究计划（见表3），开发和验证先进气动、新型结构、清洁燃烧、新颖材料、先进循环（湿空气、间冷、湿空气回热 (WIWR)、超级蒸汽喷射循环）技术，以实现“更高效率与更低排放”的目标，推动燃气轮机产品与产业的进一步发展。

1.2 发展趋势

1.2.1 技术向高效率和低污染方向发展

通过采取提高压比、涡轮进口温度和部件效率等措施，轻型航改燃气轮机和重型燃气轮机的热效率都在不断提高。对于轻型航改燃气轮机，第1代的压比为14.0，TIT为1050℃，效率为30%；第2代的压比达20.0，效率达36%～39%；第3代的压比达25.0，效率达40%～42%，TIT达l450℃左右；预研第4代的效率预计达45%左右。复杂循环燃气轮机主要包括间冷、回热、间冷回热(ICR)、蒸汽回注、化学回热、湿空气涡轮(HAT)等燃气轮机，通过改进热力循环来提高热效率。英国RR公司与美国西屋公司以RB211发动机为基础联合研制的WR-21舰船燃气轮机，采用间冷回热技术，降低了压气机的功耗，增加了涡轮的有用功，使其热效率提高到42%以上，油耗降低到0.200 kg/kW·h。特别是其油耗曲线特别平坦，在30%工况时，效率可达41.16%，耗油率达0.204 kg/kW·h，接近中、高速柴油机的水平，可以单独取代柴燃联合动力装置，大大节省了空间、显著减轻了质量，明显改善了维修性和可靠性，降低了全寿命费用。MS9001FA、MS9001H、M501J重型燃气轮机联合循环的热效率分别达到57%、60%和61%左右。

表2 典型的先进重型燃气轮机的性能参数

表3 世界燃气轮机研究计划的目标和研究内容

随着环保意识的增强和国际燃气轮机排放标准的制定，燃气轮机的排放早已得到世界各国的高度重视。燃气轮机主要通过采用贫油直接喷射燃烧(LDI)、贫油预混气化燃烧 (LPW/PY)、富油-猝熄-贫油燃烧(RQL)、非绝热燃烧以及内置催化稳定燃烧 (可提供NOx排放低于1×10-6的水平)等干低排放燃烧技术，即在不对燃烧稳定产生不利影响的情况下，降低燃烧区火焰温度，从而降低NOx、CO和UHC等的排放量，并且已经取得明显效果。典型的先进燃烧技术降低排放效果见表4。

1.2.2 产品向系列化、谱系化发展

以基准航空发动机为基础，燃气轮机设计与制造商改型研制不同类型和不同功率的燃气轮机，充分体现出“一机为本、衍生多型、满足多用、形成谱系”的特点，不仅赋予航空发动机顽强的生命力，达成更新换代的良性发展态势，也保证了燃气轮机的可靠性、先进性、周期短、风险和成本低。例如：GE公司以CF6航空发动机为基础，改型研制了 LM2500、LM6000、LMS100和MS9001G等燃气轮机，如图1所示。

由于研制和生产燃气轮机的难度大，以成功燃气轮机为基础不断升级改进，提高性能和降低排放，是燃气轮机产品系列化发展的另一途径。其中以LM2500系列燃气轮机最为典型。1998年，在LM2500燃气轮机的基础上，GE公司采用了LM2500和LM6000燃气轮机的技术和经验，借鉴了F414航空发动机的整体叶盘技术、CF6-80C2发动机的无凸肩宽弦叶片技术、CF6-80E发动机的先进密封技术等改进了LM2500＋燃气轮机；2005年，以LM2500＋燃气轮机为基础，GE公司采用战斗机发动机和LM6000燃气轮机的先进技术改进设计压气机、高压涡轮与动力涡轮、先进的材料与涂层，改进研制了LM2500＋G4燃气轮机。LM6000燃气轮机和GE重型燃气轮机也走了同样的道路。LM2500和LM6000燃气轮机的发展情况分别如图2、3所示。

表4 典型的先进燃烧技术降低排放效果

1.3 产业向规模性发展

燃气轮机从20世纪50年代开始取代了活塞式发动机；从60年代开始应用军用水面舰船和城市发电；70代年末期开始应用于美国主战坦克；80年代以来开始应用于高速客轮、高速船、石油、石化、化工等领域。在发电行业，基本负荷发电以大功率重型燃气轮机为主，调峰发电以航改轻型燃气轮机为主。燃气轮机在美国、西欧等发电机组中应用已十分广泛，相关资料显示，在2007年新建电站中，美国比例高达82.6%，西欧高达78.5%，亚洲为36%，南美地区较低，为18.4%。中国目前火电、水电较多，燃气轮机发电以调峰为主，只占4%。在水面舰船领域，燃气轮机是现代大、中型水面舰艇和高性能舰船的主要动力装置。据1981～2008年国外舰船动力装置统计，3/4的水面舰船采用了燃气轮机（含柴-燃联合）。在天然气管输领域，燃气轮机（一般为采用高速动力涡轮的航改燃气轮机）几乎无一例外被采用。在战车动力装置上，燃气轮机由于功率密度大、机动性好等优势，在美国和俄罗斯等国家作为特种动力装置得到大量使用。目前，美、俄装备坦克燃气轮机的总数已达14600多台，占第2、3代坦克总量的49%。

2 中国燃气轮机发展现状及困局

2.1 发展现状

中国燃气轮机的发展现状是：起步不晚，进展不快；性能不高，拐棍难扔；投入不大，摇摆不定；机型不少，所占市场份额不大。综观燃气轮机的发展史，中国始终没有确立坚定地走自主研制的发展道路。

20世纪50年代以来，中国燃气轮机从测绘仿制燃气轮机发电机组起步，已自行设计制造了多种机型。中国航空工业以国产航空发动机（如WP6G、WJ5G、WJ6G等）为基础，派生研制了6种10多型燃气轮机，但这些燃气轮机热效率低、功率小，未能占领国内市场。以南京汽轮机厂和成都发动机公司为代表的一些企业，与外商合作开发或生产了了一些型号的燃气轮机（如FT-8轻型燃气轮机、MS6001重型燃气轮机），但均无自主知识产权，受制于人。

1985年，中国从美国引进了LM2500舰船燃气轮机，并以柴燃联合动力（CODOG）方式装备某驱逐舰，积累了一些使用和维护保养经验。但以美国为首的西方国家，长期奉行遏制中国的战略，禁止向中国转让舰船燃气轮机高技术和生产许可证。

从1993年开始，中国与乌克兰“机械设计科研生产联合体”签订购买、引进新研制的UGT25000舰船燃气轮机整机及生产制造技术许可的合同，初步解决了中国大档功率燃气轮机的有无问题。

2001年，为发展燃气轮机产业和配合能源结构调整，国家发改委发布了《燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见》，拟以市场换取部分制造技术的方式，走出1条“技术引进、打捆招标”的道路，上汽、哈汽、东汽与国外企业合作生产“FA”级燃气轮机。然而，以中国市场需求为导向而进行的部分制造技术引进，只能对电力需求市场起到缓解作用，而不能从根本上解决中国燃气轮机产业自主发展和受制于人的关键问题。

按照国际发展燃气轮机的成功经验，中航工业沈阳发动机设计研究所以昆仑和太行发动机为母型机，系列化派生发展舰船和工业用燃气轮机产品。某小档功率舰船燃气轮机已完成技术鉴定，具备装舰能力；中档功率工业燃气轮机QD128已经在中原油田和大庆油田并网发电，累计运行超过15000 h，并于2010年5月通过了辽宁省经济委员会组织的新产品鉴定；小档功率工业燃气轮机QD70已经在中原油田发电，累计运行超过3000 h；中档功率工业燃气轮机QD185于2010年年底完成调试，并且已经具备发电能力；采用先进间冷循环的某大档功率燃气轮机已经完成方案论证工作，正在进行设计；110 MW级R0110重型燃气轮机在国家863计划的支持下已经通过国家全速空载验收试验，因无试验考核电站进行运行考核，尚未进入市场；一些应急移动电源已经小批进入市场；用于整体煤气化工程（IGCC）的中低热值重型燃气轮机（E+、FA级）、用于分布式能源的兆瓦级燃气轮机正在研制中。中国研制的部分燃气轮机的性能和应用见表5。

2.2 中国燃气轮机的困局

2.2.1 困局类型

综观中国燃气轮机的发展，可以发现存在以下难以跳出的困局。

（1）市场与产品的矛盾。市场处于低谷时不投入、不发展，市场大发展时无产品可用。燃气轮机是技术难度大、投资强度大、研制周期长的高技术产品，需要长期坚持不懈的积累、研发和考核，才能研制出好用的产品，等市场来了再开始研发不可能来得及，从而失去市场机会。

（2）产品研发与应用的矛盾。市场需要的是成熟产品，而刚研发出来的产品未经考核不成熟。国外燃气轮机研发公司都有自己的新产品考核电站，而中国没有对这种考核电站提供良好配套政策和环境，致使新研产品无处考核，无法进入市场应用。

（3）引进与被制约的矛盾。由于国内没有成熟的产品，面对节能减排的压力和强大的电力市场需求，不得不引进国外产品，结果在发电市场一轮又一轮的“打捆招标”，而输气管线是清一色的引进航改机组。由于打捆招标没能引进设计技术和关键的制造技术，中国的燃气轮机能源动力命脉掌握在外国人手里，形成现实的经济风险和潜在能源安全风险。

（4）舰船与动力装置不协调。目前，中国舰船在设计选型时要选成熟的动力装置，而动力装置的立项研制需要有舰船的应用背景，而且燃气轮机的研制周期是舰船的2倍以上，结果形成了新设计舰船永远无成熟动力装置可选的“死循环”。

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）缺少国家层面的统一规划。

燃气轮机属技术、资金、人才密集领域，是研发周期长、生命周期长的战略产业。目前中国缺少可持续的统一规划，并且投资力度小。

西方发达国家为保持其燃气轮机技术优势，并在市场竞争中始终处于领先，制定了一系列研究计划。如美国能源部的先进燃气轮机系统计划(ATS)、美国与欧洲联合的先进航空发动机改型燃气轮机计划(CAGT)，日本也制定了相应的计划。这些计划的实施，极大推动了燃气轮机先进技术的研究和应用，为新型燃气轮机的研制储备了技术，对其保持世界领先的地位和优势起到了决定性作用。

目前，中国尚缺乏按照国家能源及动力装备近期、中期及远期的需求而制定的统筹部署的、按阶段自主发展的发展规划。相应地，对军民燃气轮机的投入、特别是预先研究阶段的投入非常少。在“十五”、“十一五”期间，中国通过打捆招标模式同时引进了世界3大动力集团（GE、西门子、三菱）的FA级重型燃气轮机，意在通过市场换技术的方式解决已落后几十年的重型燃气轮机研制问题，而结果是市场被这些公司的产品占领，但关键技术却没有引入。目前，能源装备遵循市场经济规律，市场需要成熟产品，而新研产品需要成熟。在这种情况下，如果没有国家的政策支持，以纯粹市场模式与资金雄厚、先于中国发展几十年的国外大公司同台竞争，中国的自主品牌成长为有竞争力的产品的艰难性和周期是可想而知的。

表5 中国航改燃气轮机的性能及应用

（2）基础技术薄弱。

西方国家燃气轮机已经积累了丰富的研制、使用和管理经验。先进技术的预先研究无疑是燃气轮机提高性能与可靠性和缩短研制周期的保证。比如，干低排放燃烧技术，在美欧等国家30～40年前就开始研究，现在已经成熟应用，NOx排放水平已达到（25～9）×10-6，对其他国家的燃气轮机几乎已形成技术壁垒，而中国在这方面的研究几乎没有；在长寿命材料、先进循环（间冷回热循环、湿压缩、蒸汽冷却）技术等方面，中国与国外相比同样存在很大差距，如501J重型燃气轮机的涡轮进口温度已达到1873 K。这些明显制约了中国燃气轮机的快速发展。

（3）民用燃气轮机考核力度不够或无法实现考核。

一型新燃气轮机进入市场，必须经过试验电站的长期考核运行。为此，世界各大燃气轮机公司都建有自己的考核电站；而中国科技部通过863计划，在“十五”期间研制了具有自主知识产权的E+级R0110重型燃气轮机，已完成厂内空载全转速试验2年多，但试验电站问题至今未能落实；R0110A燃气轮机IGCC的试验电站，立项时计划要建设，现在却无法实现；QD128、QD70A燃气轮机在中原油田的试验电站，因中断供气而倒闭；QD128燃气轮机大庆北压试验电站，也因气电价格差太大和供气问题暂停运行。如此下去，中国将无法完成市场可接受的自主知识产权燃气轮机产品的研制和应用。

3 结束语

燃气轮机工业是高投入、高产出、高效益的高科技产品，凭其固有的技术优势，在国防、能源、交通等工业部门发挥越来越重要的作用。“航空发动机是燃气轮机的基础，燃气轮机是航空发动机的继续”，这已经达成共识。燃气轮机工业经过近60多年的努力，才发展到当前庞大的产业群体。中国燃气轮机工业的基础薄弱，应该吸取国外燃气轮机工业发展的经验教训，尽快走出中国航空发动机和燃气轮机工业的发展困局。

（1）在国家统一规划、组织领导下，制定政府主导的近期、中期、远期相结合的技术研究计划或重大专项计划，加大投入，集中航空、机电、船舶等工业部门和大专院校、科研院所的高科技力量，发挥各自的优势，在关键技术研究、产品研发、考核、应用等方面统筹考虑；制定自主研发燃气轮机在考核、应用方面的优惠和激励政策，加快中国自主知识产权燃气轮机的发展。

（2）在轻型舰船及工业燃气轮机的发展方面，中国应坚持走国际上成功的航空发动机改型的技术路线，充分发挥航空发动机在人才、技术、制造、试验等方面的资源优势；在重型燃气轮机的发展方面，中国应在已有基础上利用航空技术和条件加快步伐。

（3）对于舰船燃气轮机的发展，中国要制定完整的型谱，加大关键技术研究力度，按型谱提前立项研制，真正做到动力先行，形成货架产品供舰船选用。

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