燃气轮机技术及发展*

翁一武，闻雪友，翁史烈††

①上海交通大学能源研究院，上海 200240；②中国船舶重工集团公司703研究所，哈尔滨 150030

燃气轮机技术及发展*

翁一武①†，闻雪友②††，翁史烈①†††

①上海交通大学能源研究院，上海 200240；②中国船舶重工集团公司703研究所，哈尔滨 150030

介绍了先进燃气轮机的发展状况，分析了重型燃气轮机的技术性能，并结合中国发展战略，提出中国燃气轮机的发展目标和技术路线。

燃气轮机；技术性能；发展目标；技术路线

燃气轮机是一个涉及国家能源的战略性产业，是能源动力装备领域的最高端产品。发展燃气轮机对我国先进制造业和先进能源技术的研究至关重要，而且对我国国民经济的发展有很大的推动作用。

燃气轮机有着极其广泛的应用。它不仅是国防装备中极其关键的设备，在国民经济的电力、能源开采和输送、分布式能源系统等领域中，燃气轮机也有着不可替代的战略地位和作用。

经过几十年的发展，燃气轮机已经达到了很高的水平。目前，先进的J级燃气轮机的最大功率为460 MW，初温为1 600 ℃，单循环效率接近41%，联合循环效率超过60%。燃气轮机产业已经高度垄断，形成了以GE 、西门子、三菱、阿尔斯通公司为主的重型燃气轮机产品体系。

我国三大动力集团的哈尔滨电气和美国通用电气(GE)、东方电气和日本三菱、上海电气集团与德国西门子合资生产重型燃气轮机，但没有掌握核心设计技术。目前我国燃气轮机整体水平与国际先进水平相差很大，尚未形成严格意义上的燃气轮机产业，远未具备先进燃气轮机自主开发和制造的能力，总体水平落后20～30年。

1 先进燃气轮机技术的发展状况

1.1 燃气轮机的发展历程

1906年第一台效率为3%的燃气轮机问世。20世纪40年代起燃气轮机开始进入工业的各个领域并得到了较为迅速的发展。例如：1939年诞生于瑞士BBC公司的燃气轮机，功率1.5 MW，初温550 ℃，效率17.3%。进入20世纪80年代后，燃气轮机单机容量有很大程度的提高，特别是燃气-蒸汽联合循环技术日渐成熟。随着世界范围内天然气资源的大力开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显的变化，不仅可以作为紧急备用电源和调峰机组使用，而且还能用于带基本负荷机组。

经过不断应用最新的研究成果，提高技术水平，目前正在研究最大功率达460 MW、燃气初温达1 600 ℃、压气机压缩比约40、单循环效率为43%～44% 的重型燃气轮机，其联合循环效率将高达65%；同时也在着手研究未来更加先进的燃气轮机，燃气初温的目标是1 700 ℃，见图1。

图1 先进重型燃机的发展

目前燃气轮机单机效率已达36%～41.6%，最大单机功率已达375 MW。组成联合循环机组后，发电效率达55%～60%。联合循环机组已成为发电市场的主流机组。日本三菱公司研制的M501J型燃气轮机组成的联合循环在50%负荷工况下效率依然可以达到55%。阿尔斯通公司的新GT26在40%负荷工况下NOx的排放依然低于25 ppm(这里1 ppm=10-6)。

1.2 燃气轮机技术发展趋势

今后燃气轮机发展趋势是：①进一步提高温度、压力，从而进一步提高机组的功率效率等性能；②适应燃料多样性的需求；③改变基本热力循环，采用新工质，完善控制系统，优化总体性能。

重型燃气轮机不断向高参数、高性能、低污染发展。通过研究和应用新技术、新工艺，专家预测到2020年最高初温可到1 700℃，联合循环效率可达65%。

探索用于未来级燃气轮机的新一代高温材料与冷却技术。研究新一代超级合金、粉末冶金材料、金属基/陶瓷基复合材料，研究单晶合金、超级冷却叶片、热障涂层(TBC)、抗氧化和热蚀的涂层等技术。例如：GE公司H型产品第一级透平叶片采用超级合金(CMSX-4)单晶技术，而后三级透平叶片采用超级合金(GTD111)定向结晶铸造技术。研究综合应用冲击/气膜复合冷却、多孔层板发散冷却、发汗冷却、闭式蒸汽冷却等新型冷却技术，适应新一代燃气轮机更高进口温度的苛刻要求。如德国正在研究以超级合金为骨架、表面为粉末冶金多孔材料和发散冷却的下一代透平叶片，日本曾经研究过透平静/动叶片以及转子的蒸汽冷却，并已经取得了阶段性成果。

采用先进的气动设计技术，进一步提高压气机与透平部件性能。研究可控涡设计、自由涡设计、掠弯扭叶片技术、多圆弧叶型、可控扩散叶型、间隙流动控制等技术，减小各类损失。如采用压气机多级可调叶片技术，以保证宽广范围内压气机能够高效工作；如压气机附面层抽吸技术、流动稳定性被动与主动控制技术，大幅度减少多级轴流压气机的级数/轴向长度/重量，大幅度扩大压气机稳定工作范围等。

拓宽燃料适应范围，进一步降低NOx等污染物排放。高效低污染稳定燃烧技术始终是燃气轮机的前沿技术。世界各燃气轮机制造商都发展了各自的控制污染排放的技术，投入了很大的力量研究开发干式低污染(DLN)燃烧室，并应用于各自的现代燃气轮机产品中。

优化总体性能和完善控制系统。如采用新型热力循环(包括先进湿空气透平循环等)和新工质(包括混合工质等)，优化总体性能，完善控制系统，获得更高效率的燃气轮机发电机组。

每一项技术的突破都将是叶轮机械气动热力学的革命性进步，都将带来燃气轮机性能的显著提高。

1.3 国内燃气轮机与国际先进水平的差距

尽管国内燃机水平有一定的发展，但是由于国外的快速发展，国内燃气轮机整体水平与国际先进水平相差很大。

目前我国尚未形成严格意义上的燃气轮机产业，远未具备先进燃气轮机自主开发和制造的能力，总体水平落后20～30年。

我国重型燃气轮机与国外相比，主要差距是没有掌握核心设计技术、热端部件制造维修技术和控制技术。从核心技术自主研发综合能力角度看，全行业整体大大落后于国际先进水平。

从专利受理区域来看，在美国申请的专利最多，有15 361件，约占专利总数的31%。其次是日本、欧洲、德国、英国等国家或地区。中国受理的专利有1 984件，约占专利总数的4%。

2 燃气轮机的技术及性能分析

重型燃气轮机不断应用最新的研究成果，提高其技术水平，如燃气初温、压气机压比技术指标不断得到提高，简单循环效率和联合循环效率也持续增高，单循环效率已达40%，联合循环效率已达60%，同时燃气轮机变工况特性大大改进，实现了快速升降负荷(15 MW/min)以及更宽广范围内的稳定高效清洁运行，实现能源的高效洁净利用。

2.1 燃气轮机总体性能

GE公司于1987年制成了首台60 Hz的MS7001F型燃气轮机发电机组，输出功率135.7 MW，发电效率32.8%。之后，GE公司与GEC Alsthom公司联合开发，通过MS7001F型燃气轮机的模化放大，模化系数1.2，制成了50 Hz的MS9001F型燃气轮机发电机组，输出功率212.2 MW，发电效率34.1%。其燃气轮机的所有部件，除轴承和燃烧室以外，都是按1.2的比例进行模化放大。第一台MS9001F型燃气轮机发电机组于1991年8月在美国南卡罗莱纳州的格林维尔(Greenville)厂制造成功并运行良好。接着，GE公司又将其MS7001FA型燃气轮机模化缩小，模化比2/3，于1995年末研制成70 MW等级的MS6001FA型燃气轮机，通过齿轮箱减速，用于50 Hz/60 Hz发电。

GE公司在21世纪推出的最新产品是H型燃气轮机，有3 600 r/min的MS7001H和3 000 r/min的MS9001H两种型号。其压气机是CF6-80C2航空发动机压气机的放大型(MS7001H放大系数为2.6，MS9001H放大系数为3.1)，有18级，压比达23。除进口导叶可调外，还增加了4级可调静叶，以优化部分负荷工况性能。透平为4级，全是三维气动设计的航空透平叶型，第一级动叶和喷嘴为镍基超级合金单晶铸件，消除了晶界，改善了高温疲劳性能，并且涂有氧化锆稳定的钇陶瓷隔热涂层。后三级动叶应用定向结晶铸件，第二级动叶还增加了隔热涂层。2～4级静叶应用单晶材料，其中2、3级静叶加了隔热涂层。

西门子公司于1974年开发出90 MW的V94型燃气轮机，1977年生产了当时世界上最大的113 MW单轴燃气轮机，1984年采用114 MW的V94.2型燃气轮机组成联合循环装置，1990年开发出第一台103 MW的V84.2型燃气轮机，从而逐步形成了60 Hz的V84和50 Hz的V94为主的燃气轮机型号系列产品。其具体结构特点见图2。V94.3A型燃气轮机长10.82 m，宽5.04 m，高4.95 m，重308 t。

三菱重工(MHI)的燃气轮机技术主要是在西屋的技术基础上发展而来的。西屋公司在20世纪40年代早期开发了美国第一台航空喷气发动机，1948年制造出第一台1 800马力工业燃气轮机(W21)，截止1996年全世界约有1 614台采用西屋技术生产的燃气轮机，总容量约为77 300 MW。1998年，西屋公司燃气轮机部被西门子公司收购。三菱重工(MHI)于1994年开始研发G型燃气轮机，首台60 Hz的501G型机组于1997年出厂，紧接着又造出了相同级别50 Hz的701G型机组。G型机组把燃气初温提高到1 427℃，相应的压气机压比也提高到20，使简单循环净效率达39.5%，联合循环净效率达58%。

图2 西门子公司V94.3A机组的结构图及设计特点

2.2 三家公司的燃气轮机特点比较

将GE、西门子、三菱三家公司的最新燃气轮机机型性能指标及热端部件用材总结比较如表1。

表1 燃机总体性能指标比较

2.3 重型燃机国产化情况

2003年至2013年，通过三次打捆招标以及后续招标，东方、哈尔滨、南京、上海等动力设备制造企业分别引进三菱、GE、西门子公司的F/E级重型燃机部分制造技术，进行本地化制造，经过国产化四个阶段和合资热部件企业，完成重型燃机的整机生产。

3 燃气轮机发展技术路线

3.1 燃气轮机发展目标

重型燃气轮机的发展目标是开展F级60 MW、 300 MW燃气轮机研发工作。利用5年的时间，研制出F级60 MW燃气轮机，实现产品化；利用10 年左右的时间，研制出自主品牌的F级300 MW重型燃气轮机，建成示范电站，实现自主化和产业化；利用20年左右时间，完成G级、H级重型燃气轮机技术自主开发，实现系列化发展的目标。最终形成完整的燃气轮机自主研发、设计、验证、制造、应用和运行维护的科技体系、工业体系和可持续发展能力，跻身世界燃气轮机强国行列。

3.2 研究内容

燃气轮机发展研究内容主要包含研发与设计、关键部件实验验证、基础与共性技术研究、总装与系统总成、高温部件制造、仪控平台及控制系统、关键部件制造、调试与服务、实验电站与示范电站建设等方面。

研发与设计包括总体设计(即总体结构设计、总体气动性能设计、冷却与密封空气系统设计、运行规律及调节控制方式设计等)、压气机设计、透平设计、燃烧室设计、控制系统设计、轴系设计、强度与振动以及可靠性设计、专用设计及计算软件开发、关键辅助系统设计。

关键部件实验验证主要包括压气机整机及中小型实验台、燃烧室全参数及降压模化试验台、透平性能试验台、高温叶片冷却技术试验台、燃气轮机转子动态试验台、燃气轮机控制装置半物理仿真试验平台。

基础与共性技术研究的内容是指总体技术理论与试验研究、压气机设计理论与实验研究、低污染燃烧室设计理论与实验研究、透平设计理论与实验研究、设计软件技术研究、控制理论与技术研究、振动、寿命与可靠性关键基础技术研究、材料及性能研究、大尺寸定向结晶与单晶叶片定向凝固技术、叶片加工及焊接热处理等技术工艺研究、热障涂层技术。

总装与系统总成即重型燃气轮机总装及样机制造，重型燃气轮机厂内空负荷试验。重型燃气轮机整机总装设备包括燃气轮机总装台位、转子装配台位、数控平面磨床、数控车床、数控台式钻床、砂皮磨床、数控立式铣床等。重型燃气轮机厂内空负荷试验台包括试验台位、启动装置(6 000 kW的变频启动电机)、进排气系统、气体和液体燃料模块、压缩空气模块、润滑油及控制油模块、天然气和燃油供应系统、冷却水系统和起重、运输设备及测量控制、安全监控系统等。系统集成包括燃气轮机辅助系统的配套。

高温部件即燃烧室部件、高温叶片机械加工及涂层与精密铸造单晶及定向结晶高温叶片。试验电站与示范电站建设的任务包括试验电站建设、燃气轮机及联合循环整机的试验验证及试验平台能力的扩展、示范电站建设。

3.3 技术路线

(1)集中力量突破关键技术，包括高性能压气机技术，多种燃料的清洁高效燃烧技术，以高温涡轮叶片为代表的高温部件的材料、涂层、冷却技术，总体设计技术和控制技术。

(2)走完基础研究、应用研究、关键技术攻关、设计制造、部件试验、总装调试、示范运行等的全过程，为制造有自主知识产权的燃气轮机打下坚实基础。

(3)积极开展基础研究，基础研究应是有针对性，有强烈应用背景，为燃气轮机技术可持续发展提供保证。

(2016年11月14日收稿)

[1] 闻雪友, 翁史烈, 翁一武. 燃气轮机发展战略研究 [M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2016.

[2] 江泽民. 对中国能源问题的思考[J]. 上海交通大学学报, 2008, 42(3): 345-359.

[3] 翁史烈, 王永鸿, 宋华芬, 等. 燃气轮机总体性能[M] . 上海: 上海交通大学出版社, 2016.

[4] 闻雪友, 翁一武. 长三角地区燃气轮机发展战略研究报告[R]. 中国工程院, 2015.

(编辑：沈美芳)

Gas turbine technology and development

WENG Yiwu①, WEN Xueyou②, WENG Shilie①
①Institute of Energy Research, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; ②703 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150030, China

This paper introduces the development of advanced gas turbine and analyzes the performance of heavy gas turbine technology. According to the development strategy of China, this paper puts forward the development target and technical route of gas turbine.

gas turbine, technology performance, development target, technology route

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.008

*中国工程院重点咨询研究项目(2013-XZ-34)资助

†通信作者，E-mail: ywweng@sjtu.edu.cn

††中国工程院院士，研究方向：舰船及工业燃气轮机装置的研究和设计

†††中国工程院院士， 研究方向：热力系统的稳态动态性能及计算机仿真