[学术交流]广东公司“五学”打好理论... [工程动态]阜蒙县惠农生物质热电工程... [经营管理]克拉玛依发电“一帮一”精... [会展信息]2017年昱真供热节能减... [企业招聘]秦皇岛华电测控设备有限公... [电力科技]帝斯曼复合材料树脂研究开... [技术应用]凝汽器冷端治理方法升级,...
首页 >> 技术 >> 技术应用
燃气轮机产业现状及技术热点
时间:2018-12-14 08:54:31

         ↓底部

在能源效率和环境保护的双重需求下,燃气轮机的市场前景越来越广阔。燃气轮机排放的污染水平较低,无二氧化硫、无氮氧化物、颗粒物含量低,二氧化碳排放不到燃煤电厂的一半,满足当今世界越来越严格的排放监管要求;天然气发电占地面积小、建设周期短、投资少,许多设备和设施都能“现货供应”,可以低成本地快速建立发电厂;还能够快速启动,进行电网调峰,为可再生能源发电提供补充。随着越来越多可再生能源发电并网,将给燃气轮机带来新的市场前景。

美国能源情报署(EIA)预计,未来20年美国近60%的新发电装机容量属于天然气联合循环发电。实际上,自2008年以来美国页岩气大幅增加,导致天然气价格明显下降,显著改善了天然气发电的经济性,使得天然气发电吸引力大增。这种变化已经对美国和欧洲的电力市场产生了重要影响。2015年春,美国天然气发电量首次超过燃煤发电。按照目前的发展趋势,未来一段时间天然气发电会当仁不让地成为美国电力来源的领导者。

近年来,我国对燃气轮机发电的支持力度逐渐增强,出台了一系列政策扶持燃气轮机自主研发和联合循环发电。国家发改委的《天然气发展“十三五”规划》预计,2020年燃气发电装机将达到1.1亿千瓦,超过发电装机总量的5%,燃机计划投资总额高达1300亿元。2017年,我国正式启动航空发动机和燃气轮机重大专项,其中燃气轮机专项的主要目标为——2020年实现F级300MW燃机自主研制,2030年实现H级400MW燃机自主研制。

上海的燃气轮机产业始终走在全国前列。目前,上海已拥有F级、小F级、E级、H级四个级别的燃气轮机产品研制能力,基本形成从部件供应到整机设计、制造、维修和应用的全产业链。2018年11月初,国家电投上海电力公司与上海电气、安萨尔多公司成功签订燃气轮机设备及相关服务采购框架协议。标志着我国成功引进首台套GT36-S5型H级燃气轮机,将有力推进我国燃气轮机装备应用水平的提升。

技术热点

提高能源利用效率一直是燃气轮机技术发展的方向,通过热电联供的方式可以最大程度地增加能源利用效率。目前,燃气轮机单循环效率为42%~44%(仅有一台燃气轮机连接到发电机),联合循环效率为60%~62%(包括蒸汽再热循环、汽轮机和发电机,利用燃气轮机余热增加发电量)。

许多新的先进技术得以应用,如为了提高燃气轮机的功率和效率,改善气动等参数,开发出新材料和新型高性能涂层,设计出更加精确复杂的几何形状和增强的冷却结构等。制造技术方面,增材制造改变了工程设计理念,是目前的关注热点;新材料方面,CMC(陶瓷基复合材料)是有望取代高温合金的革命性材料,将颠覆目前的整个制造流程。

增材制造。增材制造(3D打印)是燃气轮机应用的最令人兴奋的新技术之一。该技术投入商业应用近30年,直到最近才被用于金属打印。其原理是通过热沉积或化学粘合的方式逐层添加材料,产生所需的三维形状。该技术可以减少零部件的生产步骤,增加设计的灵活性,成为目前的热门研究方向。

最重要的,是增材制造零件能够适应燃气轮机的运行工况,但在实践中仍面临许多问题:例如,对许多金属粉末(特别是高温超合金)的基本性能认识不足,或是设计中缺少足够的3D打印材料性能数据作为支撑;不同的增材制造设备(即使型号和制造商相同)产生的构件可重复性不高,导致每个设备生产的零件都必须单独进行评估和认证,使得应用成本大大提高,无法用于大规模制造。

许多团队正尝试用3D打印方法制备整片叶片、燃料喷嘴等零部件,如上海探真激光技术有限公司已经成功打印了燃料喷嘴;法国的Safran Microturbo公司甚至直接3D打印整个燃气轮机(尽管很小),且为eAPU60微型涡轮发动机打印的透平喷嘴已获得EASA(欧洲航空安全局)认证。3D打印零部件多在航空发动机行业先行先试,是因为航空发动机有重量要求,且零件附加值比发电燃气轮机更高。

陶瓷基复合材料(CMC)。CMC即在碳化硅基材中嵌入连续碳化硅纤维,起到强化和韧化的作用,具有非常好的高温性能,密度仅为镍基高温合金的1/3。这种材料已经开发了近30年,GE等许多制造商都在评估其在发电燃气轮机中的应用。如将CMC材料用于透平叶片,对于小型燃气轮机可提高其整机效率,对于大型地面发电燃气轮机,则因CMC材料的断裂韧性较低而不具备实际应用条件。

由于CMC新材料在水蒸气条件下工作温度不能超过1200℃,因此无法直接用于燃气轮机热部件,必须在表面添加一种兼具热障涂层和环境障涂层功能的涂层材料。国外热障涂层的应用已有近40年经验,尚未出现革命性的变化,目前的基础研究主要是为了提高其承温能力和沉积效率。环境障涂层作为新型热障涂层,已经从第一代的莫莱石材料发展至目前的第三代稀土硅酸盐材料。

发展前景

据BP《2017年世界能源展望》预测,未来20年天然气是增速最快的化石能源,2035年将超越煤炭成为世界第二大燃料来源。电力在能源消费中的比重也越来越大。面对机遇与挑战,以GE、西门子、三菱重工为首的国际燃机巨头正通过不断的技术创新,持续提升产品竞争力。三家企业已占据了国际市场88%的份额。

我国的燃气轮机企业,由于缺乏自主核心技术,在国际市场处于劣势,但这样的境况正在逐年改变。目前,我国已初步具备F级及以下等级的联合循环系统的集成和性能优化能力。国家电投上海电力闵行发电厂已启动H级燃气轮机示范应用项目,将在设备引进和技术吸收等方面发挥重要作用。另外,以建设国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”为主要目标的上海浦东先进能源动力研究中心已落户临港,拟从科学研究、设计开发、试验验证和人才培养等多个方面,打造具有全球影响力的燃气轮机研发基地。


         ↑顶端