我国重型燃气轮机技术发展趋势分析

　　燃气轮机研发技术难度大、投资大、周期长，在美德日法等国家，每一代产品的基础研究和核心 技术研发都是在政府的资助下，组织相关企业、高等院校和科研机构共同开展的，在核心技术取得突破之后，企业就进一步增加投资和研发力度，并发 展为产品。目前燃用天然气的E、F 级重型燃气轮 机技术已经基本成熟，H、J级产品也已经进入市场，基础研究与核心技术研发的重点是下一代更高温 度、超低污染的天然气燃气轮机，以及用于 IGCC、多联产、煤化工，以及未来近零排放的二氧化碳捕 获利用系统（CCS）中的富氢燃料乃至纯氢燃料燃气 轮机（参见图 ）。

重型燃气轮机技术发展趋势

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　　美国能源部（DOE）在2005年同时启动为期 6 年的“先进 IGCC /H2燃气轮机”项目和“先进燃氢透平的发展”项目。这2个项目以NOx排放 3 mL/m3的燃气轮机为目标，主要研究内 容包括：富氢燃料/氢燃料的燃烧、透平及其冷却、 高温材料、系统优化等。欧盟2007年在其第七框架协议（FP7）中启动了“高效低排放燃气燃气轮机和 联合循环”重大项目，以氢燃料燃气轮机为主要研 究对象，预期为未来的近零排放和二氧化碳捕获利用能源系统打下理论基础。欧盟第七框架（FP7）在2008年又把“发展高效富氢燃料燃气轮机”作为一 项重大项目，旨在加强针对富氢燃料燃气轮机的研 究，为 2015 年实现其近零排放煤基 IGCC 系统奠定基础。日本将高效富氢燃料 IGCC 系统的研 究作为未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期 28 年的“新日光计划”中（WE-NET），以效 率大于 60%的低污染煤基 IGCC 系统为目标展开研究。

　　进一步提高燃气轮机参数以提高循环热效率表征燃气轮机循环热效率2个主要参数是燃 气初温与压气机压缩比。当代F级重型燃气轮机的燃气初温为 1 400℃左右，单循环效率达到38%，联合循环效率达到57%；先进的 G/H/J 级燃气轮机 燃气初温已经达到1500~1 600 ℃左右，单循环和联合循环效率分别达到 40%~41%和60%~61%（表）； 未来级重型燃气轮机燃气初温的目标是1 700 ℃，其单循环和联合循环效率将分别达到 43%和 64% 左右。

国际重型燃气轮机 G/H/J 级产品概述

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　　拓宽燃料适应范围的同时进一步降低 NOx 等 污染物排放 随着透平进口温度的提高，同时受到污染物排 放的限制，G/H/J 级重型燃气轮机燃烧室的技术特 征主要体现在高稳定性、低排放以及燃料适应性等 方面。表所示为国外公司燃用天然气燃烧室的技术参数，3家公司在先进燃烧室的结构类型上都选 择了环管型燃烧室来保证燃烧的稳定性，同时结合 贫预混、多喷嘴和分级燃烧实现在较宽的工作范围内保持较低的污染物排放。为了减少冷却所消耗的 冷气量，将空气更好地用于组织燃烧和保证燃烧室 出口温度剖面，G/H/J 级重型燃气轮机燃烧室均采 用了热障涂层和先进的冷却形式来保护燃烧室筒 壁、提高冷气利用率。 燃烧组织是燃烧室设计的核心，先进燃烧室最 大的特点是将旋流器和喷嘴合二为一，GE 的 Swozzle、西门子的 SFI 和三菱的 V Nozzle 都是这样的设计。

GE/西门子/三菱燃用天然气燃烧室的技术参数

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三菱的 V Nozzle 燃料喷嘴

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　　进一步提高压气机与透平部件性能 压气机作为燃气轮机三大部件之一，其技术参 数正向着高负荷、超大流量的方向发展。目前较为 成熟的 F 级燃气轮机压气机都属于中低负荷设计， 如三菱的 M701F 压气机平均级压比为 1.181，西门子的V94.3 压气机平均级压比为 1.194，GE 的 9FA 压气机平均级压比为 1.164。下表为GE、西门子、三菱公司最先进的 G/H/J 级重型燃气轮机压气机的 基本参数。从表 3 中可以看出，G/H/J 级重型燃气 轮机的压气机级压比基本都已达到 1.25 左右。 高负荷压气机内部存在强逆压梯度，流动极为 复杂。

　　负荷的增加使得三维损失问题更加显着，多 级匹配和气动布局难度增大，激波、转捩、流动分离等更加不易控制。为了提高压气机负荷同时保证 较高的部件效率，国外公司在其先进压气机设计中 采取了多种措施，包括采用先进叶型（三菱的 MCA、 CDA 叶型，西门子的 HPA 叶型）、三维叶片设计理 念（尤其是前几级跨音叶片的弯掠三维造型）以及多 排可调叶片等等。 冷却是透平设计的关键，也是现代重型燃气 轮机最关键的核心技术之一，其难点在于透平的 热负荷在不断地提高，而冷气量却极为有限。目 前应用较为广泛的冷却方式包括内部强化换热和 气膜冷却，其几何结构和布置形式的变化都会对 冷却效果产生显着影响。图 为三菱公司从 D 级到 J 级透平叶片冷却形式的发展过程，可以看 到冲击冷却、全覆盖气膜冷却和新型气膜冷却孔 被用到了最新的产品中，各家公司都在全力挖掘这些冷却形式的潜力来满足更高温度等级透平冷 却的需要。

G/H/J 级重型燃气轮机压气机技术特征

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三菱公司透平静叶冷却发展过程

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　　大力开发新一代高温材料 材料方面的进展，尤其是高温合金及其加工方式的突破极大地推动了重型燃气轮机的发展。透平叶片的精密铸造技术就是典型的代表，从多晶、定向结晶到单晶，透平叶片能够承受的燃气温度不断 上升，燃气轮机整机的效率也不断上升。图为三菱公司透平叶片材料的发展历史，图很好地 反映了材料发展与燃气轮机产品进化的关系，同时 也显示出材料性能革新的难度（其研发周期要远长 于燃气轮机产品的更新换代。

三菱公司透平叶片的材料发展

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　　燃气轮机的多样化燃气轮机不仅是 21世纪天然气发电的主要设备，同时也是许多高效洁净能源动力系统的核心动 力装备，如 IGCC 发电与多联产、分布式发电与热 电冷联供、工业系统中余热余能回收、高/焦炉煤气、煤层气、伴生气、炼化尾气等中低热值燃气发电、 高温气冷堆核电等。燃气轮机的工质、循环及参数、 燃料类型、功率大小和运行环境等正在迅速多样 化。例如：闭式循环、间冷、回热、再热等复杂循 环燃气轮机，蒸汽冷却燃气轮机，以各种中低热值 富氢燃料乃至氢为燃料的燃气轮机，单机功率为 300 MW以上的超大功率和仅为几百瓦的超小型燃 气轮机，在极端环境（沙漠、极地、核反应堆内等） 下运行的燃气轮机，以氦、湿化空气和其他特殊气 体为工质的燃气轮机等。这些都有赖于对燃气轮机 的核心技术及相关交叉学科进行更为广泛和深入的研究，科技界与产业界都面临挑战。