轻型燃气轮机调研报告 - 图文

轻型燃气轮机调研报告

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目 录

轻型燃气轮机调研报告 ................................................................................................................................. 1 一、概述 ......................................................................................................................................................... 4

1.1 燃气轮机的基本原理 .................................................................................................................... 5 1.2 燃气轮机的分类 ............................................................................................................................ 6 1.3 轻型燃气轮机的起源及发展 ........................................................................................................ 6 1.4 燃气轮机技术优势及应用前景 .................................................................................................... 9 1.5 燃气轮机产业概况 ...................................................................................................................... 13 二、研制燃气轮机的目的、意义 ............................................................................................................... 14

2.1 国外相关技术发展过程 .............................................................................................................. 15 2.2 国家燃气轮机的相关发展计划 .................................................................................................. 17 2.3 国际及国家能源战略安全需要 .................................................................................................. 19 2.4 轻型燃机的市场分布及用户群 .................................................................................................. 20 2.5 燃气轮机的经济性考量 .............................................................................................................. 21 2.6 调研目的及意义 .......................................................................................................................... 27 三、技术发展现状及趋势 ........................................................................................................................... 27

3.1 透平涡轮设计及制造技术 .......................................................................................................... 27 3.2 压气机部件的设计、制造及试验 .............................................................................................. 28 3.3 高温合金材料研制 ...................................................................................................................... 29 3.4 高速无油支承技术 ...................................................................................................................... 31 3.5 多燃料燃烧室技术 ...................................................................................................................... 35 3.6 回热器设计、制造和试验技术 .................................................................................................. 36 3.7 电力电子逆变技术 ...................................................................................................................... 36 3.8 高速永磁发电机技术 .................................................................................................................. 37 3.9 系统集成及控制技术 .................................................................................................................. 41 3.10 国内相关燃气轮机技术成果 .................................................................................................... 43 四、燃气轮机生产厂家及产品技术特点 ................................................................................................... 44

4.1 概述 ................................................................................................................................................ 44 4.2 索拉公司（Solar）........................................................................................................................ 44

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4.3 阿尔斯通公司 (Alstom) ................................................................................................................ 46 4.4 GE公司........................................................................................................................................... 47 4.5德国西门子公司(Siemens) ............................................................................................................. 49 4.6日本三菱 ......................................................................................................................................... 51 4.7日本日立 ......................................................................................................................................... 52 4.8 国内燃气轮机及配件生产厂家 .................................................................................................... 53 五、研制工作的模式和流程 ....................................................................................................................... 56

5.1 研制工作的模式 ............................................................................................................................ 56 5.2 研制工作的基本流程 .................................................................................................................... 57 六、相关附件及参考资料 ........................................................................................................................... 57

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一、项目概述

天然气是一种埋藏于地下的可燃性气体，无色无味，主要成分中85~95%为甲烷（CH4），比重轻于空气，极易挥发，并在空气中扩散迅速。天然气与空气混合浓度在5~15%时遇明火或大于天然气燃点530℃时即燃烧，属可燃可爆性气体。在-162℃常压下可液化，称液化天然气（LNG），液化后体积缩小到1/600。天然气属于清洁燃料，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低。如果将天然气的温室效应系数定为1，则石油为1.85，煤为2.08。

地球上已探明的天然气地质储量超过140万亿立方米，年开采2万多亿立方米，可采68年。而天然气的勘探、开采和利用还又许多工作可做。专家们证实，占天然气主要成份的甲烷不仅可以有机生成，也可以无机合成。早在地球形成之初，甲烷就已经存在于地壳之中，天文学家也发现一些星球可能是被甲烷大气层包围着，这一理论大大拓展了天然气资源的勘探领域。此外，海洋学家发现在大洋深处的海底由于海水的压力作用，可能存在着大量的液态甲烷，其数量之大将可支撑人类数百年的文明。

天然气作为一种清洁高效的能源，在世界能源需求中占有较大的比重，非常规天然气由于其巨大的资源潜力和经济效益而被各国政府及能源公司所重视。非常规天然气在发达国家能源结构中的贡献在逐步增大，随着勘探开发技术的进步，其必将成为新一代环保、高效的优质替代能源。非常规天然气相对于常规天然气而言，是指储量大、难以开发，必须依靠大规模增产措施或者特殊的开发方法以及先进勘探开发技术才能以有经济价值的产量生产的天然气藏。通常所说的非常规天然气包括致密砂岩气、煤层气、页岩气、天然气水合物（可燃冰）等。中国正致力于提高天然气在能源结构中的比例，也在大力发展页岩气，这些因素都为轻型燃气轮机以及分布式能源的发展提供了良机。

2012年前7个月，国内生产天然气623亿立方米，同比增长5.9%；进口天然气233亿立方米，增长38.6%；国内总消费量828亿立方米，增长12.8%。在进口快速增长的情况下，前7个月天然气对外依存度达到28%。在天然气消费量上升，依存度升高的背景下，国内开发非常规油气资源也逐渐成为我国有关部门的重点。美国开采页岩气成功的经验激励着国内业界。今年3月份发布的《页岩气“十二五”规划》提出2015年页岩气开采65亿立方米的目标。传统上，中国是“缺油少气”的国家，就目前数据衡量，“十二五”页岩气开发目标一旦达到，占到天然气消费量的比例还很低。不过国家能源局此前释放的消息称，“十二五”主要是寻求开采技术突破，为将来打好基础。

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1.1 燃气轮机的基本原理

燃气轮机整个系统由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成。燃气轮机动力装置由压气机、燃烧室和透平三个基本部分组成，如图。

图1 燃气轮机工作原理图

图2 燃气轮机结构简图

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空气首先进入叶轮式压气机中，压缩到一定压力，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热燃烧室，和燃料混合燃烧，燃气温度通常可高达1800—2300K，这时二次冷却空气（约占总空气量的60—80%）与高温燃气混合，使混合气体降低到适当的温度，而后进入燃气轮机。在燃气轮机中混合气先在由静叶片组成的喷管中膨胀，形成高速气流，然后冲入固定在转子上的动叶片组成的通道，形成推力推动叶片，使转子转动而输出机械功。燃气轮机作出的功除用以带动压气机外，剩余部分（净功量）对外输出。燃气轮机可与余热锅炉、蒸汽轮机、烟气轮机配合使用获得更高的效率。从燃气轮机排出的废气可直接进入大气环境，对环境几乎不造成影响。

1.2 燃气轮机的分类

燃气轮机分类方式很多：各厂家的划分各不相同。以下提供了几种比较常见的分类方法。 1、按结构分类。

根据“GB/T 15135-2002燃气轮机词汇”这一标准的规定，燃气轮机可分为单轴燃气轮机、多轴燃气轮机、箱式燃气轮机、航空派生（衍生）燃气轮机、注蒸汽燃气轮机、变几何燃气轮机。

2、根据功率可大致分为微形、轻型、重型燃气轮机。

微型燃气轮机功率通常在30～500kW范围内，轻型燃气轮机功率通常在1000～50000kW范围内，重型燃气轮机功率通常在50000kW（50MW）以上。

3、按进口温度分类：

按进口温度大致为：900℃为 A级、1000℃ B级、1100℃的C级、1200℃级的D型（如：三菱M701D）燃气轮机，1300℃级的E型和1400℃级的F型（如：三菱M501F/M701F，西门子SGT5-2000E/SGT5-4000F，GE的PG6111FA/PG9171(9E)/PG9351(9F)，Alstom的GT11N2(E)/GT26(F) ）燃气轮机，以后还有采用回收型蒸汽冷却燃烧器、进口温度1500℃级别的G型（如：三菱M501G/M701G，西门子SGT6-6000G）燃气轮机，在此基础上还开发出1500℃级H型（如：三菱M701H，西门子SGT5-8000H，GE的9H(H)）燃气轮机。

1.3 轻型燃气轮机的起源及发展

1.3.1 国外轻型燃气轮机发展

1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机。燃气轮机的问世，是工业进程中的一次动力革命。轻型燃气轮机（含微型燃气轮机，下同）的发展最早还是得益于军工需求。首先因为它

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重量轻、体积小、功率大、可靠性高，作为飞机的动力源得到了迅速的发展。其后，以燃气轮机作为原动机的发电装置，首先在美国得到应用。如美国索拉公司及DreeSser 公司等生产的燃气轮机发电机组。

早期的燃气轮机耗油（气）率较高，机组的经济性较差。随着技术的发展，燃气轮机的结构发生了很大变化。90年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮机直接带动高速交流发电机的燃气轮机发电机组，大大简化了结构，机组的尺寸大大减小，重量大大减轻，成本也降低很多。与此同时，采用空气轴承代替滚动轴承，由于空气轴承不需要润滑系统，导致机组零件大幅度地减少，制造成本也进一步降低。高效紧凑型回流换热器以及新型材料的研究和应用提高了机组的热效率。新技术的引入导致了燃气轮机的研究蓬勃发展。

在当前全球范围内能源紧缺、能源结构调整以及环保要求的严峻形势下，燃气轮机受到了前所未有的重视和关注。早在1998年12月，美国能源部（DOE）就专门召开轻型燃气轮机技术高峰会议（microturbine technology summit），讨论有关轻型燃气轮机技术研发及与政策和市场相关的问题，为制订轻型燃气轮机研发计划提供思路和建议。

美国ASME副主席Langston在1999年度燃气轮机工业回顾中指出：轻型燃气轮机在未来的电力工业中的地位犹如微机（PC）在计算机工业中的地位，由此可见其重要性。美国、日本、德国以及俄罗斯许多公司都在积极从事轻、微型燃机装备的开发和制造，并进行广泛应用。目前轻型燃气轮机在天然气可到达城市的厂矿企业、办公楼、宾馆、商场、医院、学校等较分散而有一定规模的建筑群中逐步推广使用，其品种多在1000～5000千瓦。

2012年日本的三菱重工业公司与美国飞机发动机生产企业普惠发动机公司（Pratt&Whitney，P&W）的母公司、美国联合技术公司（United Technologies）签定了合同，将收购P＆W中开展中小型燃气轮机业务的独立部门Pratt & Whitney Power Systems公司（PWPS）。由此，三菱重工将把业务领域从大容量燃气轮机扩展到中小型。

日本IHI公司日前开发出了台式机大小的小型燃气轮机发电机组，并成功地进行了自动发电实证实验。利用便携式小型燃气轮机自动发电，这在全球尚属首次。

图3 便携式小型燃气轮机

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国外已经广泛应用的微型燃气轮机其设备大小犹如一台电冰箱；可以使用各种油、气作燃料；在发电时产生的废热还能够被再利用,构成“热电冷联供系统”,从而提高能源综合利用效率；废气排出少,对环境污染程度轻微；适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。

图4 国外新研制的轻型燃气轮机

1.3.2 我国轻型燃气轮机工业的现状

我国轻型燃气轮机工业主要集中在航空系统，40多年来航空发动机工业已经建成了7个制造厂和4个研究设计所，拥有14万职工的航空发动机产业。研制生产了20多个型号的航空发动机，5万多台。七十年代开始，410厂、331厂、120厂等在航空发动机基础上改型生产了WJ-5G、WJ-6G、WP-6G、WZ-6G等型号的工业燃气轮机，并用于油田、石化、邮电等部门。

1985年国家计委、经委批准在航空部成立“中国轻型燃气轮机开发中心”，统一归口轻型燃气轮机的规划、研制、生产、成套和引进工作。1986年国家计委、经委批准航空部与美国普惠公司合作开发FT-8燃气轮机，功率25MW，效率38.4%，是世界上同功率等级中效率最高的。我国负责制造低压压气机、动力涡轮、燃烧室、机匣、成套件等零部件，约占整机工作量的30%。90年代，国家决定引进乌克兰的GT25000舰用燃气轮机，由430厂负责燃气发生器国产化，哈汽厂制造动力透平，703所负责成套。

由于近30年来组织不力，缺乏投入，我国的燃气轮机工业可以说至今未形成严格意义上的产业。我国燃气轮机技术的现状可以归结为：起步不晚，进展缓慢，基础尚可，力量分散，面对机遇，亟待突破。

为此从2002年起我国在经过充分论证的基础上，启动了包括重型、微型燃气轮机的国家“863

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高科技计划”，开始对重型和微型燃气轮机进行分类立项研究。

重型燃机参研单位：沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司（主体承担单位）、中国航空工业沈阳发动机设计研究所、清华大学、中国科学院工程热物理研究所、上海交通大学、中国燃气涡轮研究院、中国船舶重工业集团公司第703研究所、上海汽轮机厂有限公司、沈阳重型机器有限责任公司、沈阳鼓风机股份有限公司、哈尔滨汽轮机有限责任公司。

微型燃机参研单位：哈尔滨东安发动机（集团）有限公司（主体承担单位）、中科院工程热物理所、西安交通大学。

我国现有的燃气轮发电机组主要分布在沿海经济高速发展的地区、大中城市和油气田等处。我国现有燃气轮机绝大多数为进口机组，主要用于发电，少部分用于油气田的注水、注气、管道增压以及舰船和坦克动力。

1.4 燃气轮机技术优势及应用前景

1.4.1 技术优势：

1、效率比较高，简单循环发电效率已达26%～40%。如果采用燃机热电联产等技术，其综合热电效率可高达60～80%，可实现能源从高品位到低品位的合理梯级利用，因而高效节能，十分符合当今节能型社会的发展方向。燃煤火电厂的最高效率一直停留在42% 以下。

2、尺寸小、重量轻，在同等重量的情况下功率超过柴油机3到4倍。安装空间也小得多，外形和吨位大为下降，转速、功率、效率大幅提升。

我国海军多采用的全柴主动力PA6-280系列柴油机，其最大持续功率为1770 KW，外形尺寸(长-宽-高)为3607-1567-2678mm，重达11.2T，而额定转速却只有1000 r/min。

美国GE公司从1975年开始将LM2500燃气轮机用于“斯普鲁恩斯”级首舰，服役使用已有多年的历史。31艘“斯普鲁恩斯”级、4艘“基德”级、27艘“提康德罗加”级和“阿利·伯克”级先后均选用LM2500组成的联合使用的COGAG全燃动力，美国通用电气公司的LM-2500燃气轮机，每台燃气轮机额定功率25060～30000KW。

我国海军自从在112和113两舰上使用LM2500燃气轮机以来深刻的感受到燃气轮机的优越性，其后即使是因为种种原因只能使用性能稍差的DN80也在所不惜。

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图5 舰用燃气轮机图片

3、 节约用水。甲烷（CH4）中的氢和空气中的氧燃烧还原成二氧化碳和水，每燃烧1立方米天然气理论可回收约1.53公斤水，每公斤LPG理论可回收2.2公斤水，足以满足电厂自身的用水。

4、由于没有煤和灰的堆放，又可使用空冷系统，占地节省，

5、设备灵活。它具有起停迅速，出力调节变化范围较大的优势，就技术而言其出力调节范围可从0-110%，对于边远地区或比较分散的城市周边的用电峰谷差压力有一定的缓解作用。

6、环境代价低：它没有燃煤火电厂的多元污染，没有水电站的移民和淹没农田问题以及自然生态的负面影响，没有核电站的运行风险和反应堆退役后的存放难题。

7、燃料适应性广，可方便地燃用气体燃料和柴油、煤油等。 8、维护费用低廉，其运行维护费用大大低于柴油机。

1.4.2 应用前景

由于其自身的诸多优点，轻、微型燃气轮机有着广阔的应用前景：

1、分布式供电（包括热电冷三联供）：它是将发电机组按需要安装在用户的一旁就近供电 与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能：非常适合对乡村、油田、矿区、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。

分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可维持重要用户的供电。

在常规的集中供电方式中，能量形式相对单-。当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用：而分布式供

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电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。

2、燃气轮机可作为军用舰艇和民用船舶的动力。在石油、天然气开采、运输和化工流程中，作为油田注水、注气、气举采油、输油和输气管道增压等的机械驱动动力。

3、备用电源、辅助动力：燃气轮机尺寸小、重量轻和起动快等，很适用于邮电、电信等领域。 4、燃气轮机就近利用能源。微型燃气轮机可方便地利用一些较难收集的分散能源，例如油田中一些油井的伴生气，农村的生物质能沼气，煤矿瓦斯气、焦炉气等，这样不仅充分利用了能源，而且能向这些偏远地区供电。

5、特种电源：主要是军事装备用电源，例如坦克、自行火炮等用的电源，用燃气轮机发电机组显著优于柴油机发电机组。

6、燃料电池/燃气轮机联合系统：将燃料电池与燃气轮机联合在一起组成的系统，亦称燃料电池联合循环。这将对汽车动力领域产生积极影响。

7、可再生能源/燃气轮机联合系统：将太阳能、风能、地热能和生物质能等可再生能源与燃气轮机联合在一起组成的系统。这不仅可以推广可再生能源，节能降耗；还可以提高发电系统稳定性。

1.4.3 应用实例

由于天然气分布式能源可以达到很高的能量利用效率，所以在国外发展非常迅速。从上个世纪70 年代末期开始发展，到现在美国已经有6000 多座分布式能源站，仅大学校园就有200 多个。英国只有5000 多万人口，但是分布式能源站就有1000 多座。英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10 号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。

美国现有校园热电厂200多座，几乎每一所有一定规模的大学都有一座热电厂，个别学校有还拥有两个热电厂。这些学校的热电厂大多是以天然气和0号柴油作为燃料，采用燃气轮机联合循环热电联产技术，主要解决校园的采暖、制冷、生活热水供应和部分电力供应，同时为学校提供了教学、科研环境。有30所热电厂装机容量超过10MW，如威斯康星大学热电厂的装机容量达到288MW，生产的电力不仅满足学校，还将剩余电力出售给公共电网赢利。

日本由于资源比较缺乏，所以对三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2000年底已建冷热电三联供系统1413个，平均容量477kW，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其它一些综合设施当中进行区域冷热供应。

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现对麻省理工学院（MIT）和罗德格斯（Rutgers）大学的热电厂的情况简略介绍如下： 1、麻省理工学院热电厂

麻省理工学院燃气轮机热电厂地处波士顿市中心，是在一燃油热力厂基础上改造建设成的。采用一台ABB GT-10 工业燃气轮机，功率24.6MW，简单循环发电效率34.2%，燃耗9,970Btu/kWh，转速7,700转/分，压缩比14:1，排气量284.4吨/时，排烟温度534℃。机组采用了EV低氮氧化物燃烧嘴，NOx 排放量25ppm。热电厂实际发电净出力21MW，供电效率为30%。电厂使用天然气和#2号柴油两种燃料。热电厂采用了前置循环热电联产方式，没有安装用于发电蒸汽轮机。

与燃气轮机配套的是一台装有补燃设备和可调变速水泵的余热锅炉，每小时生产100,000磅蒸汽，约合45吨/h。启动补燃系统余热锅炉最大出力为165,000磅/h，约合75吨/h。余热锅炉供热能力为56MW，热电联合循环总热效率为85%。与之配套的还有三台蒸汽锅炉，其中80,000磅/h油气炉两台，100,000磅/h油气炉一台，作为事故备用和调峰锅炉。

麻省理工学院热电厂冬季主要以蒸汽向校园供暖，将蒸汽通过管道输送到各个热力交还交换站置换热水采暖。夏季利用余热锅炉蒸汽推动蒸汽涡轮机压缩氟立昂制冷生产4℃冷水，通过冷水管道对全校进行集中制冷。厂内共有5台制冷机，制冷能力为6.5MW。NOx的排放量为0.0001kg/kWh，< 15ppm，CO<1ppm。

天然气平均价格为$4.15美元/百万Btu，折合1.148元人民币/立方米。热电厂年运行8,000小时以上，发电量为1.25亿kWh，全校年耗电量为1.5亿/kWh。生产电力的成本为7美分/kWh，如果减去蒸汽成本，实际成本为4美分/kWh，而从电网购入电能的成本为9美分/kWh。蒸汽价格为10美元/千磅，折合182.6元/吨。年生产82万吨蒸汽，50%用于采暖，另50%用于制冷。冷水价格为18美分/吨，供冷水量为2万吨/h。

麻省理工学院热电厂管理费用（包括：工资和备件等费用）为280万美元/年，检修费用平均100万美元/年。

2、罗德格斯大学的热电厂

Rutgers 大学燃气轮机热电厂是从一个燃油热力厂基础上改造的，采用三台Solar Turbines公司的Centaur50轻型燃气轮机，功率4.345MW，简单循环发电效率29.24%，燃耗12,314kJ/kWh，转速14,950转/分，排气量68.5吨/时，排烟温 度492℃。机组采用了EV低氮氧化物燃烧嘴，NOx 排放量25ppm。热电厂实际发电净出力13MW，供电效率为29%,热电联产效率77%，补燃后的效率85%以上。电厂使用管道天然气和#2号柴油两种燃料。

Rutgers燃气轮机热电厂采用前置循环热电联产，冬季主要以蒸汽向校园供暖，将蒸汽通过管道输送到各个热交还交换站置换热水采暖。夏季利用余热锅炉蒸汽推动蒸汽涡轮机压缩氟立昂制冷

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生产4℃冷水，通过冷水管道对全校进行集中制冷。

虽然热电联产在我国已经广泛应用，但是小型燃气冷热电三联供的应用尚处于起步阶段，而且主要集中在上海、北京、广州等地。在相关政府部门和专业公司的推动下，国内已经建成了几个三联供项目，其中影响较大的有北京燃气集团指挥调度中心，浦东国际机场等三联供系统。根据浦东机场项目的经济性分析，在三联供系统合理配置，运行时间足够的情况下，每年可以为用户节省大量的运行费用。当然，也有对三联供技术认识不足而失败的案例，如上海黄浦医院三联供项目失败。上海闵行医院三联供项目延误多年。

1.5 燃气轮机产业概况

世纪之交，世界动力市场发展的一个显著特点是，燃气轮机及其联合循环装置比例不断增长，已成为世界主要动力设备。从 1998年以后世界年订货量都超过3000万ｋＷ，2000年度突破1亿ｋＷ，创历史最高记录。据统计，近10年内世界新增的发电设备中，燃气轮机及其联合循环约占1/3。 1990年～2000年期间，美国新增长的发电设备装机容量为 1.13亿ｋＷ，其中燃气轮机占 44% ,2002年后美国燃气轮机年产量已超过汽轮机的年产量。

图6 世界发电用燃气轮机订货趋势

燃气轮机及其联合循环装置比例不断增长 ,已成为世界主要动力设备。如图四订货趋势图所示 ,从1978年到 2002年的 20多年来 ,非航空燃气轮机订货台数增加了 1倍以上 ,总功率容量则增加了将近9倍。

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我国燃汽轮机产业相对其他发达国家有很大差距。目前我国正在进行清洁煤利用（如煤气化技术）和高效的能源动力转换系统(热效率达60%)的研究。但无论是清洁煤利用或是高效的能源动力转换系统都是以先进燃气轮机为核心。不从现在起作长期规划,不持之以恒地投入,我国的清洁煤技术势必将总要处在引进状态。

可以说,我国燃汽轮机行业面临的机遇是,我国有一个潜在的庞大的燃气轮机市场;但挑战却是,我们目前尚无能力在类型、品种、规格等方面满足市场要求。为迎接这种机遇和挑战,战略思想应该是:技术引进、合作生产与自主开发相结合；以合作生产方式挤占市场,以自主开发实现持续发展的战略。

2001-2007六年间，我国以三次“打捆招标、市场换技术”方式，引进了GE、MHI、Siemens 公司的F/E级重型燃气轮机50余套共2000万千瓦，由哈汽-GE、东汽-MHI、上汽-Siemens、南汽-GE四个联合体实行国产化制造,使产品水平能达到国际80 年代末或90 年代初的水平。目前国产化率接近70%。但是外方坚持不转让燃气轮机任何设计技术、热端部件制造技术，更不可能转让先进级（G/H级）燃气轮机的任何技术。

我国航空部门可以重点自主开发10MW级的机组, 用于天然气管线输送、青藏高原大功率机车和分布式热、电、冷联供。中国一航采用乌克兰技术研制R0110（110MW）燃气轮机（E+级参数） ，现已完成样机厂内空负荷试车。

海军全套引进乌克兰设计舰用燃气轮机GT25000（E+级参数）设计资料和加工工艺，国产化率接近90%，现已小批投产并装备国产驱逐舰。

二、研制燃气轮机的目的、意义

最近几年世界上新增加的发电机组中，燃气轮机及其联合循环机组在美国和西欧已占大多数，亚洲平均也已达36%，世界市场上曾出现燃气轮机供不应求的局面。目前，美、英、俄等国的水面舰艇已基本上实现了燃气轮机化，现代化的坦克应用燃气轮机为动力，输气输油管线增压和海上采油平台动力也普遍应用了轻型燃气轮机。先进的轻型燃气轮机简单循环热效率可达41.6%。简单循环热效燃气轮机是一种高技术的动力机械，在一定程度上反映了一个国家的综合国力和工业化水平。即便如此，目前世界上也只有少数几个工业发达的国家有能力研制、开发燃气轮机设备。

燃气轮机是关系到国防、能源、交通、环保等国计民生，有巨大发展前景的高技术产品，西方国家把它作为“国防安全、能源安全和保持工业竞争能力”的战略而列为国家的关键产业。像我国这样一个大国，燃气轮机不应长期依赖进口。通过燃气轮机制造技术的引进，将提高我国燃气轮机

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专业人员的设计能力，为我国具有独立知识产权的燃机问世准备了条件。在科技创新方针的指引下独立知识产权的燃机将在不远的将来诞生。

针对我国的现状，这一产业要得到发展，首先要从国家和民族工业的角度制定发展燃气轮机产业的政策，充分利用国内已有的基础，调动各方面的积极因素，加以组织和支持。把燃气轮机产业作为我国21世纪的重要产业，开辟新的经济增长点。展望未来，我国燃气轮机的前景将是非常广阔而美好的。

2.1 国外相关技术发展过程

燃气轮机是一项多种技术集成的高技术，按技术特征，工业型燃气轮机可分为四代：过去的半个世纪，世界发展了头两代工业燃气轮机，其传统的提高性能途径是：不断地提高透平初温，相应地增大压气机压比和完善有关部件。未来五十年，可能主要利用新材料和新技术的突破，再开发出两代新的燃气轮机。

1、第一代始自四、五十年代

1939年秋，瑞士研制出世界首台4MW燃气轮机发电机组。1949年世界首套燃气蒸汽联合循环发电装置投入运行。五十年代初，透平初温只有600～700℃，那时主要靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃。六十年代后，还藉助于空气冷却技术，透平初温平均每年升20℃。到了八十年代，已把初温升至850～1000℃。

第一代技术的特点是：单轴重型结构（航空移植除外），初期高温合金，简单空冷技术，亚音速压气机，机械液压式或模拟式电子调节系统。性能参数特征：透平初温小于1000℃，压比在4-10，简单循环效率小于30%。

2、第二代达到当今最高水平

从七十年代开始，充分吸收先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能，现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它代表着当今工业燃气轮机的最高水平：透平初温达到1260-1300℃，压比10-30，简单循环效率36-40%，联合循环效率55-58%。

第二代技术特征：轻重结合结构，超级合金和保护涂层，先进的空冷技术，低污染燃烧，数字式微机控制系统，联合循环总能系统。性能参数特征透平初温小于1430℃，简单循环效率小于40%，联合循环效率小于60%。

3、第三代正在开制

其主要特征是采用更有效的蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺

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（定向结晶，单晶叶片等）进一步改善合金性能，部分静部件可能采用陶瓷材料。应用智能型微机控制系统也是一个方向。

燃气初温为1450~ 1500℃的H/G/J 级天然气燃气轮机,以及IGCC燃气轮机自本世纪初以来陆续进入市场, 其单循环与联合循环的效率分别达到40%和60%,居目前所有火力发电技术之首。先进级重型燃气轮机还可以燃用煤气化合成气等富氢中低热值燃料.目前全球已经有数十台H/G/J级的重型燃气轮机在多个国家的IGCC 发电站和多联产系统成功地进行商业运行, 为今后进一步扩大应用打下了良好基础。

F120是美国空军F-22先进战术战斗机的候选发动机，GE公司编号为GE37，加力推力15880千克，涵道比是0~0.35。它是美国空军和海军在1983～1990年主持的SCR、ATEGG、JTDE和ManTech等一系列计划的产物。它使用现有超级合金和少量可提供的陶瓷材料，透平初温在1400℃～1500℃，短时达到1600℃。

4、第四代正在构思

对第四代燃气轮机的构思是基于采用革命性的新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，透平初温将大于1600-1800℃，冷却系统可能被取消，现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3的超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度（<5g/cm3）的、有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是一种选择。第四代目前正在加紧研究开发中, 预计将在2020 年左右进入市场。第四代燃气轮机发电系统可以煤气化合成气重整后得到的氢气为燃料,此时燃气轮机排气是水蒸气,重整过程得到的二氧化碳可进行捕获利用/埋存(CCS)，这就构成了 近零排放煤基能源系统。如果这一技术取得突破并进入商业化运行, 将为全球电力工业最终减少二氧化碳排放和控制全球气候变暖做出巨大贡献。

国际四大燃气轮机公司—日本三菱公司、德国西门子公司、美国GE公司、法国阿尔斯通公司近几年已经推出或未来几年将推出单循环效率超过 40% H/J级燃气轮机 所组成联合循环效率超过60%，效率是大规模发电的世界最高水平。美欧等发达国家正在研究燃气初温达1500℃、压气机压缩比约40、单循环效率43%~44%的重型燃气轮机,其联合循环效率将高达65%。燃气轮机性能的提高很大程度上依赖于燃气初温的提高，燃气初温未来的目标是1700℃。燃气初温的提高依赖于先进的材料技术和冷却技术。

美国工业燃气轮机在总体上处于世界领先地位，正在实施多项大的发展计划，如先进动力透平系统（ATS）等，还和欧洲合作执行将高性能航空发动机改型为先进工业燃气轮机的先进燃气轮机合作计划（CAGT）。欧洲在发电用大型燃气轮机方面不比美国逊色。德国、瑞士和瑞典有自己研制的高性能燃气轮机。日本、英国、意大利、法国等国都生产当今性能最好的燃气轮机，但都沿用外

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国的技术。英国和法国有航机陆用领域有很大进展。日本在开发高温的陶瓷燃气轮机上进展迅速。

2.2 国家燃气轮机的相关发展计划

2.2.1 相关政策

为了提升我国的燃气轮机技术水平，在“十五”和“十一五”期间，国家科技部在863计划中部署开展了R0110重型燃气轮机设计研制、中低热值燃料R0110燃气轮机设计研制和F级中低热值燃料燃气轮机关键技术研究与整机研制等课题。通过联合攻关初步建立了E级和F级重型燃气轮机的设计平台，突破了部分E级和F级中低热值燃料燃气轮机关键技术，初步形成E级和F级燃气轮机设计能力，正在形成F级重型燃气轮机压气机、燃烧室、透平冷却效果、透平热冲击的试验能力。基本掌握了F级燃气轮机透平叶片抗热腐蚀高温合金材料技术、叶片的无余量精密铸造制造技术和大尺寸定向结晶技术。完成了 E级燃气轮机从原材料制备、加工、组装、空负荷试车的全过程。研制的 R0110燃气轮机已经实现了厂内全转速空负荷运转，但是还没有进行带载运行，产品的设计、制造水平还有待通过全负荷运行考验。

为了提高燃气轮机相关基础研究水平，国家科技部在 “十一五 ”973计划实施了 “燃气轮机的高性能热－功转换科学技术问题 ”和“大型动力装备制 造基础研究 ”两个项目。通过两个项目的实施，系统地建设了测量技术先进的机理性实验平台，建成了重型燃气轮机全尺寸转子综合试验系统。开展了燃气轮机相关基础研究，获得了一批基础实验研究数据。研制出 F级透平高温动叶片，初步构建了盘式拉杆组合透平转子系统设计体系，在燃气轮机基础研究方面缩短了与国际先进水平的差距。

尽管近十年在基础研究、高技术研究、制造技术方面取得了突破，但是我们还没有完全掌握 F级燃气轮机热端部件的制造技术，缺乏先进材料和先进部件的性能验证平台。通过几个燃气轮机型号的研制所形成的设计技术尚未在系列产品上进行充分验证，面向下一代新技术的基础研究设施缺乏，这些都是我国发展燃气轮机的软肋。

2.2.2 发展计划

“十二五”期间，我国还将充分借鉴国外先进经验，建立实施重大技术装备跨区域、跨行业、跨部门的协调机制，统筹制定装备制造业的相关政策，组织协调重大技术装备联合攻关等举措。

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2008年国家发改委批准组建北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司（燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心，以下简称公司/工程中心）,由清华控股有限公司、东方汽轮机有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限公司、南京汽轮动力设备有限公司、上海汽轮机厂有限公司、中国船舶重工集团公司第七〇三研究所和中国电力工程顾问集团公司七家单位出资入股，公司/工程中心的主要任务是通过自主知识产权燃气轮机和IGCC电站的研制和建设，研究开发重型燃气轮机与煤气化联合循环核心技术，为我国能源动力产业提供关键性技术支持，推动行业技术进步。公司/工程中心综合股东的优势资源，按照产学研用结合的原则，积极与燃气轮机行业相关单位合作，努力发展成为研究开发型产业联盟。公司/工程中心包括工程中心（总部）、燃气轮机研究开发部、煤气化研究开发部、IGCC系统研究开发部和IGCC发电试验平台。工程中心（总部）和燃气轮机研究开发部的办公地点位于北京中关村清华科技园；煤气化研究开发部设在清华大学；IGCC系统研究开发部设在中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司；IGCC发电试验平台（广东粤电华清煤气化联合循环发电有限公司）由公司与广东粤电集团合作在广东省建设。公司/工程中心汇集了一批毕业于清华大学、北航、南航、哈工大、西安交大等高等院校的燃气轮机核心技术研发人才，是目前国内最大的重型燃气轮机专业设计研发队伍。

2012年，黑龙江省出台了《重点产业发展“十二五”规划》，提出以哈尔滨为重点，加快重型和中小型燃气轮机总装、整机实验和配套设备平台建设，建成国内唯一的全系列燃气轮机研制生产基地，保持黑龙江燃气轮机装备在国内的领先地位。

2012年7月，上海市与清华大学签署《关于开展燃气轮机领域战略合作的框架协议》，双方就深入贯彻落实国家战略，建立跨区域产学研用相结合的产业化体系达成共识，明确将重型燃机、轻型燃机和微型燃机并举；在燃气轮机人才培养、基础研究、产品设计、部件试验、材料与工艺、整机产品制造及验证、示范工程等全产业链进行合作；在承担国家重大任务、燃气轮机基础技术研究、关键技术攻关、试验资源共享和建设、民船燃气轮机研究、专业技术人才交流培养等方面开展深入合

作

。

燃气轮机不仅仅用于发电，在整个能源领域也是无处不在，中国必须要发展自己的燃气轮机制造业。“十二五”期间，中国一定要在燃气轮机上有重大的突破。目前，要正确定位现阶段我国燃气轮机的发展水平，从国家层面上制定整体计划，明确目标、任务和进度；制定正确的技术路线，整合全国力量，分工协作；建立共性技术平台，实现资源共享；以大型企业为依托，产学研相结合；建立相应的中试基地，并实现资金配套；加紧燃气轮机专业人才的培养，建立一支稳定的人才队伍。

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2.3 国际及国家能源战略安全需要

2.3.1 天然气是减轻废物污染、保障生存环境的需要

能源是一个国家赖以生存的命脉，没有能源任何现代文明都将无从谈起。就人均资源占有量而言，我国的一次能源非常匮乏。我国是世界最大的燃煤国，但煤炭的探明储量仅占世界的11%，而人口却占世界的21%，全球煤炭探明储量可开采230年，而我仅90年。以煤为主的能源结构使我国的环境污染日趋严重。酸雨覆盖区已占国土面积约40%。因此，国家正采取积极措施改变我国的能源结构和减少燃煤电厂的污染。

与煤炭、石油等黑色能源相比，天然气燃烧过程中，所产生的影响人类呼吸系统健康的氮化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧化硫，而产生导致地球温室效应的二氧化碳的排放为煤的40%左右，燃烧之后也没有废渣、废水。天然气的转换效率高，环境代价低，投资省和建设周期短等优势，积极开发利用天然气资源已成为全世界能源工业的主要潮流。无论从目前国家的资源配置、可持续发展对环境保护的要求、以及国家地缘政治的现实状况，天然气无疑是目前最理想、最切实际、最具前途的新兴能源。

2.3.2 是保证经济持续、健康发展的需要

据国际能源署统计的数字,中国目前已成为全球第二大能源消耗国。由于整体能源需求不断扩大，本身石油生产量的不断下降,预计到2030年,每天将需要进口原油1000万桶,占全球石油需求量的8%以上。而目前石油价格始终在比较高的位置运行，今后这一情况不会有大的改变。

从目前各方情况看，由于能源的“瓶颈”作用将影响到国民经济持续、健康、稳定的发展，作为国家重点的能源战略将会发生较大调整，减少对进口石油的过分依赖，大力倡导、支持发展清洁能源（如天然气），以及多种可再生能源如太阳能、风能，以及能源的高效利用方面来。

我国天然气资源量约47万亿m3，占世界总储量的1.2％。我国气藏主要分布在五大区，即四川盆地、陕甘宁、塔里木盆地、柴达木盆地、莺琼盆地。目前全国探明储量约3.37万亿m3，按可开采70％的比例计算，可开采量约2.36万亿m3，相当于目前我国石油可开采储量。

目前天然气在能源总需求构成中的比重约为6%,需求量达到900亿m3。预计2020年,需求量将达到2000亿m3,占整个能源构成的10%。2020年发电、城市燃气、化工、工业等其他用户将构成天然气的主要消费体。其中天然气用于发电约占42%。发电是全球天然气利用的重点领域,也是我国启动天然气市场的主要突破口。

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2.3.3 是解决我国边远地区实际困难、满足工业发展的需要

我国西部地区地域广大（相应的边境线很长），人口相对稀少，分散，应用常规的发电输电技术既不可能也无必要。一个可行的解决办法是利用燃气轮机的分布式发电或热电联供，解决这些地区的人民生活和生产用电甚至用热问题。

其次我国目前电力结构以燃煤火电为主，面临着日趋严竣的资源枯竭和环境保护的双重压力。随着近年来煤价的大幅提升，燃煤相对于燃气的“低成本”优势正在逐步消失。而燃气轮机发电技术有利于保护环境，没有对水的特别需求，进一步还可以结合新能源与可再生能源的利用，建立相对独力稳定的供电系统，从而强化能源综合利用，改善生态环境，走上可持续发展之路。

随着“西气东输”工程完成，沿线就地取“燃天然气”，具有明显的发展优势和应用潜力，因此，在国内研发推广先进燃气轮机及其热电联产机组势在必行。

2.4 轻型燃机的市场分布及用户群

2.4.1 主要应用领域

我国西部地区地域广大（相应的边境线很长），人口相对稀少，分散，应用常规的发电输电技术既不可能也无必要。据统计我国有大量人口分布于边远地区，如四川、陕西、新疆等省。目前仅新疆一省仍有无电村1680个，无电户46万，无电人口279万人，这种情况已引起政府部门的高度重视。但新疆人口居住极为分散，常规电网的供电覆盖面有很大的局惭胜，输电距离远（以11万伏线路为例，每公里输电线路的造价为22万元，目前投建的33万伏线路，每公里造价则高达33．6万元）、功率小、损耗大（线损率最高可达40％），可见技术经济性很差。因而，企图利用电网完全解决边远分散地区人民生活和生产用电很不现实。一个可行的解决办法是利用燃气轮机的分布式发电或热电联供，解决这些地区的人民生活和生产用电甚至用热问题。

其次，随着“西气东输”工程完成，沿线就地取“燃天然气”，具有明显的发展优势和应用潜力。在西气东输沿途各省市，拥有大量的燃煤热电厂，在实现燃煤热电厂燃气化改造中需要数量较多的轻型燃汽轮机。

第三、石油、天然气开采、运输和化工流程中燃气轮机作为油田注水、注气、气举采油、输油和输气管道增压等的机械驱动动力。国家重要公共设施如机场、车站、邮电、银行、医院、军营、重要住宅区等常规机组或紧急备用机组等等，都需要应用轻型燃气轮机这样一类新型的小型分布式发电和动力装置。

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索拉燃气轮机机组为模块式设计，并在各个主要部位设有观察孔，可以使用窥视镜定期检查，如发现问题，可以将组件很容易的拆下进行修理或更换。 机组大修时，索拉公司可在48小时内提供相同的机组替换大修机组，并可在半天内完成。

3．零配件供应快捷

索拉公司在新加坡设有大型备件库，提供24小时服务，备件齐全，无需特别订货。紧急需要时，只需发一个传真订单，当天便可空运快件发出。如果少量定购备件，可付人民币或先发货后结算，尽量减少用户因停工而造成的损失。

索拉公司主要机型见附表三。 索拉公司中国用户见附表四。

4. 2 阿尔斯通公司 (Alstom-ABB)

2000年5月Alstom公司收购了原ABB公司的发电部后，继续生产原ABB公司的燃气轮机。ABB公司工业型燃气轮机由原瑞士BBC公司开始开发，1939年研制成世界上第一台发电用的燃气轮机，1948年研制出世界第一台再热式的双轴燃气轮机，1957年建成当时世界上最大的 120MW燃气轮机电厂 (由 4台30MW的再热式燃气轮机组成 ) ,1982年建成当年世界上最大的烧原油的燃气轮机电厂 (由 20台GT11型燃气轮机组成 ) ,1986年研制成当时世界上最大的GT13E型燃气轮机 (功率超过 160MW ,净效率达35% ) ,19 9 1年研制成低污染环保型 (EV)燃烧室、并用于GT11N机组上 ,1996年研制成最新型的 60HZ的GT24和50HZ的GT26型再热式燃气轮机。

Alstom-ABB燃气轮机主要大中型产品型号有：GT26(1994,265MW),GT24(1994,183MW) ,GT13E2 (1993,165MW) ,GT11N2(1993,116.5MW),GT8C ( 1994,53MW),GT8C2(1998,58MW)等。其中,GT8C和GT11N2机型可燃用重油燃料。

由这些燃气轮机组成的联合循环装置的型号有KA26-1(1996,393MW,1*GT26),KA13E2-2(199 3,486MW,2*GT13E2),KA8C2-1(1998,80MW,1*GT8CW),KA11N2-2(2001,337 8MW,60HZ),KA24-11CS (60HZ)等。

Alstom-ABB燃气轮机的结构是在汽轮机结构基础上轻型化发展起来的 ,属于典型的重型结构。外形较笨重 ,尺寸较大 ,但运行维护方便 ,坚固耐用。燃气轮机的压气机与透平共置于一个带有水平中分面与若干垂直横分面的铸造气缸中。转子为ABB特有的焊接式转子 ,它由若干个锻造段焊接而成为一个整体。焊接转子结构可靠 ,强度好 ,转子由前后两个径向轴承支撑在气缸上 ,在压气机端设有可倾斜推力轴承 ,与径向轴承合为一体 ,转子冷端与负荷设备相联。

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Alstom-ABB的燃气透平进、排气温度相对于同容量的其它燃气轮机较低些 ,但机组效率却不低。Alstom-ABB公司与英国的R-R公司合作 ,引进航空技术成果 ,开发出高效空冷叶片 ,充分利用了高温材料的强度潜力。单筒燃烧室是ABB的传统结构 ,它的燃烧空间大、热容强度低 ,较容易组织燃烧过程 ,燃料适应性较好 ,可以烧蒸馏油、天然气 ,也可以烧重油、高炉煤气等劣质或低热值燃料 ,但体积很大的单筒燃烧室消耗钢材较多 ,又要占用很大的厂房空间 ,且不便在制造厂内试验调整。因此 , Alstom-ABB公司新设计的GT13E2、GT24、GT26等型燃气轮机 ,改变传统的单管结构为配置多个EV型燃烧器的环形燃烧室(如GT13E2机有 72个EV型燃烧器 )。它一方面可以降低NOX 排放 ,另一方面 ,可以通过增减燃烧器数目来调整负荷 ,保证EV燃烧器良好的工作特性。

GT26型燃气轮机是Alstom-ABB公司串联再热燃烧先进技术的代表 ,该机组是该公司与英国R-R公司合作研制的 ,结构上趋于轻型化。该机组也是双轴承支承的整体式单轴结构，采用盘鼓式焊接转子 ,压气机的冷端输出功率。设计GT26机组再热燃烧时，是以选择最佳的排气温度为目标 (控制在608℃～610℃ )，使 2/3的燃料量在第 1个燃烧室中燃烧 ,1/3的燃料量在第 2个再热燃烧室中燃烧。高、低压透平入口温度 (静叶前 )均为1350℃ ,使之获得优良的热力性能 ,效率高 ( 38．5 % ) ,比出力大 (480kW/kg/s)。在GT26型机组中压气机只有22级但压比增至 30,这是迄今为止单转子压气机中压比最高者。压气机的前4级新叶片是按照“可控扩压”原理设计的 ,具有很高的等熵压缩效率和良好的喘振裕度 ,有利于部分负荷下可靠地运行。此外，在压气机的后几级中采取了特别措施，以确保叶尖与气缸之间的间隙很小，这对于提高短叶片级的效率和喘振裕度都有重要的作用。该压气机的进口导叶，第 1、2级静叶都是可以调节的，它可以使机组在 100%到6 0%负荷之间的空气流量线性地减少，压缩比也按比例地降低，而确保机组的排气温度几乎保持恒定为设计值 6 10℃。从 100%负荷到 25 %负荷这个范围内，第一级燃烧室的排气温度 (也就是第一级透平前的燃气温度 )是保持恒定不变的。这种调节方式有利于提高机组部分负荷工况下的效率。透平为 5级轴流式，前四级为空气冷却，透平动、静叶片均覆有SV20(NiCrAlY)涂层，以防止高温腐蚀。高压透平是单级空气冷却透平，静叶片采用定向结晶材料加热障涂层，动叶片采用单晶材料。第 2级动叶也使用单晶材料，第 3级动叶使用定向结晶材料。

4. 3 GE公司

GE公司的工业燃气轮机始于 20世纪 40年代末 ,借助航空发动机 (J-35)技术发展起来 ,第一台3530kW的MS3002型机车燃气轮机于1948年研制成功 ,后被用于天然气管线的增压动力。在 20世纪50～90年代相继发展了MS5000、MS6000、MS7000、MS9000等系列产品 ,多用于发电,是目

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前世界上最大的燃气轮机制造厂商。另外 ,世界上还有十多个合作厂家采用GE技术、生产GE品牌的燃气轮机,GE公司及其伙伴公司的燃气轮机产品在世界燃气轮机市场中占最大的份额。

GE公司发展了5个系列几十个型号的工业燃气轮机 ,并生产出售了近万台产品。其中大中型发电机组有 9Ｈ级机型的型号PG9101( 2000, 292MW) ,9G级机型的型号PG9101G( 2000, 280MW ) , 9FA级机型的型号PG9351FA( 1996 , 255.6MW) , 9E C级机型的型号PG9231EC( 1994, 169.2MW ) , 9E级技术的机型PG9171E ( 1987 , 123.4MW ) , 7ＦＡ级机型的型号( 6 0HZ)PG7 241FA( 1994, 171.7MW) , 7E A级机型的型号 ( 6 0HZ)PG7 121EA( 198 4, 85.4MW ) , 6FA级机型的型号PG6 101FA( 1993, 70.14MW )等。

以上述型号燃气轮机组成的联合循环发电装置型号有 :S109H( 2002, 48 0MW , 1×MS9001H ) ,S109FA ( 1994,390 8MW , 1×MS9001FA) ,S209FA( 1994, 786.9MW , 2×MS9001FA ) ,S109EC ,S209EC ,S109E ,S209E ,S107FA( 6 0HZ) ,S207FA(HZ) ,S106FA ,S206FA等。目前 ,GE公司生产的 5 0HZ 发电用重型燃气轮机主要有十几个型号 ,由这些机型燃气轮机组成的联合循环发电装置也有十多个型号。

GE燃气轮机产品的一个显著特点是采用大焓降和低反动度透平,在相同的第一级叶片材料温度下,可以实现较高的透平进口初温,并使透平级数与零部件数减到最少,以达到降低生产成本和维修费用。较高的燃气初温是靠发展高温材料与冷却技术两方面来保障的。

40多年来GE公司不断开发高强度耐热合金。为保护叶片免受腐蚀和氧化并防止叶片机械强度下降,从7 0年代开始,GE公司在重型燃气轮机上采用了涂层措施。从 6 0年代后期到 8 0年代中期燃气温度由 927℃提高到 1093℃ ,第一级喷嘴温度仍保持约843℃。从 8 0年代末到目前 ,燃气初温从Ｆ级技术的1260℃提高到Ｇ级气冷技术的1430℃ ,第一级喷嘴温度仍保持约899℃。F级技术机型 (包括FA型和FB型 )是GE公司80年代末开发出来的一代性能优良的发电用产品。1990年开发出第一台 7F型燃气轮机，后在 7F基础上采用相似原理模化放大发展出 5 0HZ的 9F型燃气轮机，单机功率已达25 6MW ( 9FA)、热效率为36.5 % ,由其组成的联合循环装置S109FA功率达390MW、净效率为56.7 %。

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图20 F级重型燃气轮机

到 1996年，GE公司已有一百多台Ｆ和ＦＡ机型系列机组交付使用，总运行时间接近百万小时 ,是目前世界上商业应用数目最多、运行时间最长的大功率发电燃气轮机机型。初温为1430℃的MS9001H型燃气轮机是GE公司最新开发的大功率高性能产品，由它组成的单轴联合循环S109H机组，净功率达 480MW、净效率达 60%。Ｈ型机组最大特点是第 1、2级喷嘴与第 1级动叶采用闭环蒸汽冷却，蒸汽是从联合循环蒸汽系统引入到透平零件的，冷却后返回汽轮机作功；H型的压气机是由CF6802C2压气机按比例放大 3倍并增加 4级前置级设计成的 ,空气流量为 685kg/s,压比为 23；H型的预混式低NOX的分管燃烧室 ,燃用天然气时NOX和CO排放量小于10ppm。

GE公司的工业型燃气轮机的结构是通过航空发动机重型化途径演变发展起来的轻重相结合的整体快装型式,许多方面既保留着航空发动机的特点、又经发展成适合工业民用。如出厂前整机安装在一个刚性底盘上，气缸为有水平中分面的铸钢结构，在压气机进出口、透平进出口及扩压器进口等处有垂直横分面，以便于维护检修等。GE燃气轮机转子是由若干轴向长螺栓联结起来的盘鼓组合结构。小容量机组转子均为前后两点支承；80年代设计的大容量机组 (如 7E、9E型机 )因转子较长 ,均为三点支承；90年代生产的大容量机组 (如 7F、9F、9G、9H等 ) ,取消了中间的径向轴承 ,设计成两点支承的转子。重型机组的燃烧室全部为分管逆流式，每个燃烧室是相同且独立的，由火焰管、过渡段及燃料喷嘴组成，其最大优点是 ,可用单个燃烧室在试验室内进行全压力、温度和流量的性能调整和试验。

4.4 德国西门子公司(Siemens-ＷＨ)

西门子公司是世界最著名的电器公司之一。它上世纪50年代初开始生产燃气轮机,1954年试制

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出初温1000℃的水冷式燃气轮机原型机,1960年投运了第一台燃用高炉煤气的8MW商业机组,1964年调试了70MW补燃型的联合循环装置,1974年开发出90MW的V94型燃气轮机,1977年生产了当时世界上最大的113MW单轴燃气轮机,1984年采用114MW的V94－2型燃气轮机组成联合循环装置,1990年开发出第一台103MW的V84 2型燃气轮机,从而逐步形成了60HZ的V84和50HZ的V94为主的燃气轮机型号系列产品。

1999年西门子公司兼并西屋后,不再生产西屋的50HZ燃气轮机。西门子发电用的大中型燃气轮机产品主要有:V943A(1995,265.9MW),V942A(1997,190.7MW),V942(1981,155.6MW),V643A(1996,67 MW),W01G(60HZ),W501F(60HZ),W501D5A(60HZ)等。

由上述燃气轮机组成联合循环发电装置的型号有:2 Ｖ94 3Ａ(1995,783.9ＭＷ,2×Ｖ94.3Ａ),1Ｓ Ｖ94 3Ａ(1995,392ＭＷ,1×Ｖ94.3Ａ),2 Ｖ94.2Ａ(1997,587 6ＭＷ,2×Ｖ94.2Ａ),2 Ｖ94.2(1981,466 6ＭＷ,2×Ｖ94.2)等。

西门子发电用燃气轮机为重型整体式结构。转子为典型整体式盘鼓结构,由一根拉杆将压气机、透平的各级轮盘及压气机与透平前后两空心端轴、中间传扭筒体串起来,在拉杆两端用大螺母锁紧。为防止各级轮盘间相互滑动,在各轮盘外缘的两端面上加工有端面齿,有良好的传扭和对中性能,较轻的转子重量使其热惯性较小,启动较快。

传统的西门子燃烧室是独具特色的,两个巨大的逆流双筒燃烧室在压气机与透平之间本体外分置主轴两侧,或立或卧,燃烧室体积比较大,便于组织各种燃料(包括低热值气体)的燃烧。1986年西门子开发了预混式低ＮＯＸ燃烧器,代替了以前使用的扩散式燃烧器,曾在Ｖ94 2型燃气轮机上烧天然气时达到了ＮＯＸ排放浓度为9ｐｐｍ的良好效果。

1990年西门子公司与Ｐ＆Ｗ公司达成长期合作关系。新开发的“3Ａ”型燃气轮机就是其先进技术和合作的成果,它是在Ｖ842、Ｖ942经验的基础上,将Ｐ＆Ｗ公司成熟的航空发动机技术,应用于西门子燃气轮机的开发设计中去。1994年联合研制出了首台Ｖ843Ａ型燃气轮机,随后按Ｖ843Ａ模化开发出Ｖ94 3Ａ和Ｖ64.3Ａ型产品(比例系数分别是1.2和0.67)。

图21 F级重型燃气轮机模型

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此外，从国家安全和国防应用看，轻型燃气轮机也是十分重要的。军用燃气轮机在车辆方面，主要是军用坦克和装甲车辆。在军用船舶中，燃气轮机首先用于军用舰艇。据统计，到1998年全球56个国家和地区共有948艘军用船舶使用了2510台燃气轮机作为动力。80年代以来，燃气轮机也广泛用于高性能商用船舶，如豪华客轮、豪华游艇等。

2.4.2 国内市场分布及用户群

随着中国能源战略和能源结构的大调整以及天然气资源的大开发，燃气轮机将得到更为广泛的应用，市场潜力将得到释放，单机容量也将迅速提升。2010年，我国天然气消费量达1072亿立方米，同比增长22.73%。到2020年，国家规划发展燃气轮机联合循环装机容量将达55000 MW，是2000年前50年总量的25倍。

国内轻型燃气轮机市场如下（未包括新疆地区潜在的民用需求市场）：

随着“西气东输”工程完成，沿线就地取“燃天然气”，具有明显的发展优势和应用潜力。在西气东输沿途各省市，拥有大量的燃煤热电厂，根据1999年统计，约738座热电厂，除个别属于电力系统外，多数属于地方和企业，其中绝大多数的单机容量不超过12MW，几乎全部是以煤为燃料。在实现燃煤热电厂燃气化改造中需要数量较多的轻型燃汽轮机。

石油、天然气开采，以及城市和企业基础设施改造中，轻型燃气轮发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统需要约3000MW燃气轮机，其品种为7～15MW轻型燃气轮机。

管输动力方面：主要有\西气东输\工程，预计年输气量达到200亿立方米时需要113套1×104kW机组，产值约为28.5亿元；陕-京输气管线，需要2000-5000kW功率级燃压机组6-10套。涩-宁-兰输气管道, 需要2000-5000kW功率级燃压机组6-8套；俄-中-韩输油、输气管线，需要用1.5-2.5×104 kW级燃气轮机增压。

军用和民用、船用燃气轮机：需求的功率等级主要是4000、7000kW、10000kW、15000kW、20000kW、30000kW等几种型号，数量很大。

未来10年我国对轻燃气轮机的需求数量比较大，市值约100亿美元，平均每年约10亿美元。

2.5 燃气轮机的经济性考量

长江三角洲地区以及全国大部分地区连续几年夏天出现了严重的电力供应紧张的问题，导致问题的原因主要是电空调的无续发展，电力空调已经成为电网中的癌症，它的起伏无常，直接妨碍了电网的安全运行，利用时间短，占用容量大，严重影响着电力系统的经济效益。而发展热电冷联产技

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术，是解决这一问题的最佳方案。

根据全世界的经验，发展热电联产，特别是小型热电冷联产，是合理利用天然气资源最佳途径和最有效的手段。不仅可以提高能源利用效率，有效改善环境，还能提高天然气的储采比，降低开采、输送成本，从全系统降低天然气的利用成本，从而达到降低气价，提高用户的市场竞争能力。

小型热电厂通常地处城市之中，是城市和企业基础设施的重要组成部分，对低面大气环境的影响最大，与用户的距离也最近，它的改造对当地人民群众的影响最为直接，也最容易得到人民群众的接受和支持。从煤炭改造为天然气，燃料成本必然要增加，能源代价必然会提高。通过小型燃气轮机热电联产，提高能源利用效率，减少能源输送环节的损失和浪费，是弥补因能源结构调整导致成本增加的最好方式。通过环境的治理和城市设施的完善，改善人民的生活环境，争取群众和企业的理解和参与，合理分担部分涨价因素，是解决天然气市场和成本关系的合理途径。

2.5.1 轻型燃气轮机的经济优势

轻型燃气轮机热电联产是全世界能源发展的趋势，为了进一步说明其优越性，特将美国索拉公司生产的轻型燃气轮机的性能经济比较作为例证。

美国索拉透平公司生产的小型燃气轮机是目前国际上天然气资源高效综合利用的先进设备，为各国广泛应用，目前我国已引进了近200余台，并有多台正在安装建设之中。其设备容量和供热能力与我国最广泛使用的蒸汽轮机热电机组的规格十分接近，因而可在不改变外部系统、不增加发电容量和不间断供热、发电的前提下，以较短的时间、较低的投资和较合理的电、热成本实现对热电厂以气代煤的改造，为西气东输工程的市场落实和天然气合理利用提供了技术支持。

索拉燃气轮机机组容量较小，采用前置循环热电联产工艺方案，由燃气轮机的余热直接推动供热余热锅炉运行，可降低工程投资，提高热效率。在余热锅炉中还可安装补燃装置，提高供热的灵活性，能够更好地适应市场变化的需要。以24MW级燃煤热电厂燃气轮机改造为例，采用前置循环热电联产工艺，用两套大力神130燃气轮机。大力神130功率13500kW,余热可供蒸汽（压力10kg，饱和）25.8 t/h，补燃可供蒸汽（压力10kg，饱和）66 t/h。

1、两套大力神130燃气轮机可在满足50吨工业蒸汽负荷的同时，在冬夏两季解决80-100万平方米的建筑提供集中采暖和制冷，基本可以满足一县城的需要；

2、相当削减40-50MW 的电空调调峰负荷，优化电网的用电结构，降低峰谷调节压力，同时减少电空调带来的臭氧层破坏；

3、两套13.5MW的大力神130的总投资约1550万美元，折合1.2亿人民币，仅为一个同等燃煤

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热电厂投资的50%；

4、采用了模块化组合设计，无须厂房，占地不足1万平方米，为燃煤热电厂的1/10-1/30，充分节约了土地资源，也为热电厂选址和布置提供了更多的选择；

5、燃气轮机本身发电基本不需要用水，所需用水全部是用于供热，节水性能极好；

6、自动化程度高，运行人员不到同规模燃煤热电厂的1/10-1/20。设备采用了全部计算机控制，对于运行人员要求较低，基本是“傻瓜机”；

7、燃气轮机设备大修周期4万小时，维修频率为燃煤热电厂的1/5，使设备可用率和利用率大大提高；

8、燃气轮机的环境效益极佳，基本没有二氧化硫、一氧化碳和粉尘的污染，氮氧化物为25-65ppm，为燃煤设施的1/10-1/20。二氧化碳排放为燃煤热电厂的60%，为燃煤火电厂的40%；

9、设备安全可靠，可采用天然气/柴油双燃料系统，油气自动切换，在天然气供应中断时，确保供热、供电；

10、建设周期短，通常建设一个燃煤热电厂的建设周期为18-24个月，燃气轮机热电厂为10-14个月，而且燃气轮机可在6个月左右就可先期并网发电，边生产边建设，减少建设其的负担，降低工程总造价；

11、索拉燃气轮机可以采用同轴联合循环，即燃气轮机和蒸汽轮机共同推动一个发电机，在蒸汽轮机与发电机结合部有一个离合器。

在以采暖为主要任务的热电厂项目上，当市场不需要热，或仅需要热水的季节，余热锅炉的蒸汽用于与燃气轮机共同驱动发电机，发电效率可达到43%以上，可在非采暖期担任调峰任务，并可利用背压的余热生产生活用热水，热电效率依然可以达到70%以上。两台66吨补燃余热锅炉可以满足150-180万平方米建筑面积的采暖需求，热电总效率高达80%，并将30%以上的能量转变为高价值的电能，经济性显著。

2.5.2 24MW级燃气轮机热电厂技术经济分析

一、投资：

1、 设备投资：

(1) 燃气轮机部分：每台约450万美元，折合3,740 万元人民币，两台大力神130燃气轮机人民币总投资为：7,480万元；

(2) 其它电站设备：每套燃气压缩机，燃气过滤器，锅炉，三通阀，MCC，开关柜，中性接地电

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阻，电缆：约160 万美元 ，折合1,330万元人民币。两套设备人民币总投资为：2,660万元；

2、安装和运输：每套设备约100万美元，折合830万元人民币。 两套设备人民币总运费为：1,660万元；

3、其他费用：两套设施的前期、设计、咨询、融资、工程建设安装、调试、 建设期利息等，及不可见费用：约1,079万元人民币；

4、合计：1,550万美元，折合12,865万人民币。 二、财务成本：

1、融资：融资比率：70%，融资利率：6.5%年息，偿还期限：10年， 宽限期：1年； 2、股本金：股本金比率：30%，股本金内部收益率：14%（折合回报率16%）， 3、财务回收周期：20年，不含建设期，建设期12个月； 4、折旧：折旧周期：15年，折旧率：90% 三、燃料成本：

1、天然气价格：1.4元/ m3 ，低位发热值：34,880kJ/ m3 ； 2、耗气量补燃率50%,年耗气67,262,757 m3 ； 3、燃料总成本：人民币约 9,417万元； 四、热电厂基本参数：

1、功况条件:ISO功况：环境温度15℃，海平面，相对湿度60%； 2、总装机容量:27MW； 3、总热效率:82%； 4、总热电比:227.6%；

5、厂用电和设备衰减率: 7%（发电量）； 6、年发电量: 16321.5万kWh； 7、年供热量：596,700吨（蒸汽）； 五、运行管理成本：

1、维护检修成本（含大修）：每年人民币741万元，0.0454元/kWh； 2、人工及管理成本： 每年人民币231.7万元，0.0142元/kWh； 3、基本运行管理成本：每年人民币972.7万元,0.0596元/kWh； 六、电价、热价及总收入：

1、预期电价：还本付息电价：0.39元/kWh，20年平均电价 0.358元/kWh； 2、预期发电总收入：63,590,910元；

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3、预期热价：42元/GJ，120元/吨蒸汽； 4、预期供热总收入：60,397,974元； 5、热电厂总收入：1.24亿元人民币。

在西气东输沿途各省市，拥有大量的燃煤热电厂，根据1999年统计，约738座热电厂，除个别属于电力系统外，多数属于地方和企业，其中绝大多数的单机容量不超过12MW，几乎全部是以煤为燃料。在不增加发电容量，以较小的资金代价，可实现燃煤热电厂燃气化改造，达到电价、热价无须进行较大调整的目标。

2.5.3天燃气与其他能源的经济性比较

1、天然气与其他能源价格比较

天然气 与平均电价的关系 (热价35元/GJ) 1.0元/ m3 1.2元/ m3 1.4元/ m3 1.6元/ m3 1.8元/ m3 0.269元/kWh 0.345元/kWh 0.43元/kWh 0.516元/kWh 0.602元/kWh 与热价的关系 (电价0.43元/kWh) 18.4元/GJ 26.7元/GJ 35元/GJ 43.4元/GJ 51.65元/GJ 天然气热值计算法热价 28.5元/GJ 34.1元/GJ 39.8元/GJ 45.5元/GJ 51.2元/GJ 2、天然气低位发热值35169kJ/ m3 ，热价与电价的关系(天然气1.4元/ M3)

28元/GJ 35元/GJ 42元/GJ 49元/GJ 56.2元/GJ 80元/t(蒸汽) 100元/t(蒸汽) 120元/t(蒸汽) 140元/t(蒸汽) 160元/t(蒸汽) 0.502元/kWh 0.43元/kWh 0.358元/kWh 0.286元/kWh 0.212元/kWh 从上述表格中可以看到，在电价高于0.43元/kWh 时，其供热价格低于天然气自身的价格，如果考虑天然气在转换中的损耗，效益大大好于直接燃烧天然气。也就是说，在天然气价格为1.4元/ m3 时，折合40元/GJ，天然气锅炉热转换效率为90%，每GJ热的天然气燃料成本44元，若能够按此价格售热，热电厂上网平均电价仅为0.3375元/kWh，低于全国多数地区的火电厂上网电价，其竞争优势显而易见。

以下是长江三角洲地区燃料热值/热价/热代价关系比照表。

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热值/热价/热代价关系比照表 序号 燃料 单位 价格热值百万大卡热值GJ热值价格热值 价比平均有效热利GJ热代价（元） 热代价价比 系数 元 (大卡）低热值 （元） （元） 系数 用系数 1 民用普通煤 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 低硫煤 渣油 重油 原油 柴油(批发） 柴油（零售） 液化石油气 煤气 电1 电2 电3 电4 蒸汽1 蒸汽2 蒸汽3 蒸汽4 天然气1 天然气2 天然气3 天然气4 Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg m3 kWh kWh kWh kWh Kg Kg Kg Kg m3 m3 m3 m3 0.28 0.34 1.8 2.2 2.3 3.2 3.5 3.2 0.9 0.35 0.45 0.55 0.65 0.1 0.12 0.14 0.16 1.4 1.5 1.6 1.8 5000 5000 9200 9800 10000 10302 10302 11650 4500 860 860 860 860 701 701 701 701 8400 8400 8400 8400 56 68 195.65 224.49 230.00 310.62 339.74 274.68 200.00 406.98 523.26 639.53 755.81 142.65 171.18 199.71 228.25 166.67 178.57 190.48 214.29 13.38 16.24 46.73 53.62 54.93 74.19 81.15 65.61 47.77 97.20 124.98 152.75 180.52 34.07 40.89 47.70 54.52 39.81 42.65 45.49 51.18 1 1.21 3.49 4.01 4.11 5.55 6.07 4.90 3. 57 7.27 9.34 11.42 13.50 2.55 3.06 3.57 4.08 2.98 3.19 3.40 3.83 50% 60% 85% 88% 88% 90% 90% 90% 88% 98% 98% 98% 98% 100% 100% 100% 100% 90% 90% 90% 90% 26.75 27.07 54.98 60.93 62.43 82.43 90.16 72.90 54.28 99.19 127.53 155.87 184.21 34.07 40.89 47.70 54.52 44.23 47.39 50.55 56.87 1 1.01 2.06 2.28 2.33 3.08 3.37 2.72 2.03 3.71 4.77 5.83 6.89 1.27 1.53 1.78 2.04 1.65 1.77 1.89 2.13 从上表可以看出，发展热电联产所提供的主要能源是蒸汽，对与热用户来说，蒸汽在各种能源产品中的热代价最低，使用最为便捷，能源转换系统的投资最节约，经济效益必然最好，

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2.6 调研目的及意义

目前，许多国家如英、法、美等国天然气发电量已经占到电力结构的20％~30％，俄罗斯甚至达到了50％，欧洲新增发电容量主要靠燃气发电。截至2010年底,天然气发电装机占总装机的比重仅为2.7%。。根据国家的天然气发展规划、煤层气开发利用和页岩气发展“十二五”规划等，预计到2020年，我国的天然气供应能力将快速提升，或将达到数千亿立方米，“而其中如果三分之一用于发电，燃气轮机的市场需求量将超过上亿千瓦

据统计，2010年底我国燃气轮机总装机容量45000MW（不包括港澳台地区），其中，E级燃气轮机78台，总容量为15吉瓦，占33%；F级燃气轮机61台，总容量为22吉瓦，占48%。我国现有的燃气轮发电机组主要分布在沿海经济高速发展的地区、大中城市和油气田西部及新疆为主的西部地区，绝大多数为进口机组，主要用于发电，按发电千瓦计，国产部分只占约7%。由上面的统计可以看出我国的燃气轮机发展的特点是：严重滞后，进口为主，偏重重型。

目前国内轻型燃气轮机的潜在市场已经形成，但国内的燃气轮机产业却处于萌芽和发展的初级阶段，真正形成一个完整的产业还需要一段时间。一旦有在类型、品种、规格等方面满足市场要求的产品出现，将会极大促进轻型燃气轮机产业发展。

轻型燃气轮机具有启动迅速、污染指数小、适应性强、能源利用率高等众多优点，其用途十分广泛，如果能够对该行业进行重点关注、积极介入，将为公司进一步发展提供有力支撑。

三、技术发展现状及趋势

轻型、微型燃气轮机在工作原理、关键零部件设计、高温材料选用等有相同之处。在部分技术中，微型燃气轮机技术难度更为突出，因此在技术指标上主要参考微型燃气轮机。

轻型燃气轮机市场极具潜力，但其大规模应用取决于其中一系列关键技术的攻克和发展。在燃气轮机向小型化、高负荷、高效率发展的进程中，主要依赖以下八大关键技术的突破性进展，这些技术包括：涡轮、压气机设计及制造技术；高温合金材料研制；高速无油支承技术；多燃料燃烧室技术；回热器技术； 电力电子逆变技术；高速永磁发电机技术；系统集成及控制技术。就有关技术发展说明如下。

3.1 透平涡轮设计及制造技术

1、透平部件的设计制造应当遵循以下原则：

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为了满足叶轮微型化、高速化下的结构强度要求，必须综合考虑离心力、热应力、和热变形所引起的结构强度问题；结构合理，工艺性好，制造成本低，使用寿命长；能够满足微型燃气轮机总体性能参数要求。

主要设计指标：无通行标准。国内在10·5期间对于100KW等级微型燃气轮机透平部件所提出的设计指标为：透平效率：≥80%；进口温度：≤1173.15K；平均故障间隔时间：≥10,000 h；上述指标可以作为参考。

2、设计制造技术包括：

三维流场分析与计算；叶轮机械结构强度计算与分析；动、静部件的匹配与优化；透平部件制造与试验。

3.2 压气机部件的设计、制造及试验

1、压气机部件设计、制造应当遵循以下原则：

在各种工况条件下能够稳定地工作，并能保证一定的喘振裕度；结构设计合理，工艺性好，制造成本低；满足微型燃气轮机总体结构和性能要求。

2、压气机结构设计特点： 1）高比转速

微型燃机压气机一般采用高比转速设计，一方面可以使压气机设计点落在高效区，同时有利于减小叶轮直径和重量。

采用高比转速设计时，叶轮圆周切线速度高达500m/s左右；叶轮可使用铸铝材料。高比转速设计同时也导致了叶轮进口尖部马赫数的提高，例如，Honeywell 75KW机组的 马赫数就已经超过了1.0，从而带来了跨音速离心叶轮在设计上的困难。

国内相关单位对于叶轮和扩压器内部流场Mach数分布规律的研究表明：流道内存在着复杂的跨音速流动现象，是引起流动分离的重要原因，对流场分布影响很大。

2）后弯式叶轮

为提高级间效率，宜采用后弯式叶轮结构。 3）高流量系数

增加流量系数有利于叶轮叶道中平均速度的提高，从而防止叶道出口气体分离、提高叶轮效率。 3、压气机部件主要设计指标：

无通行标准。国内在10·5期间对于100KW等级微型燃气轮机压气机部件所提出的主要指标为：

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压气机效率：≥77.5%；增压比：3.6； 喘振裕度：20%以上；平均故障间隔时间：≥10 000 h；上述指标可以作为一般燃气轮机设计的参考。

4、压气机设计制造技术包括：

1）压气机设计工作点选取（包括压气机流量，压比和效率的确定）。

利用CFD技术对压气机部件气动优化设计，在此基础上，取得压气机叶轮主要参数，包括叶轮转速、流量、叶片数、前后缘半径、出口宽度、叶型角及叶尖速度等。

2）叶轮设计优化

3）扩压器和涡壳设计，Honeywell 75KW机组所采用的是楔型扩压器。 4）压气机部件制造； 5）压气机部件试验及评定。

3.3 高温合金材料研制

高温合金材料是燃气轮机材料中极其重要的组成部分。在燃气轮机燃烧室、导向叶片、涡轮动叶片以及涡轮盘等部位上都有着极其广泛的应用。种类主要有单晶高温合金、定向共晶合金、难熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料等。

1.材料研制

单晶高温合金是投入实际应用较早的材料之一。从20世纪80年代起，单晶高温合金便进入蓬勃发展的阶段，性能不断提高，应用越来越广。近年来出现的第四代单晶合金RR3010的承温能力达到1180℃，用在英国RR公司最新的Trent发动机上。新的单晶合金成分中Re的加入以及Hf，Y，La，Ru等元素的合理应用使合金的持久性能和抗环境性能有明显提高，应用前景更加美好。

目前单晶合金的研究方兴未艾，美国能源部于1993年提出的目前正在实施的一项庞大的发展高效燃气涡轮的ATS计划中，把单晶叶片制造技术列为重要项目，由多家公司、大学和国家试验室对高性能单晶合金CMSX-4，PWA1484，Rene N5，CMSX-10的性能及应用进行深入研究，并提出研制低硫单晶合金，用于大型燃气涡轮发电机。

迄今还没有一类材料能像高温合金这样具有良好的综合性能，在一系列的竞争合金中，从技术和经济的实践上看，单晶合金是当之无愧的胜利者。在21世纪，通过优化的合金设计，加上定向工艺的继续进步，将研究出超过现有合金强度和承温能力的单晶高温合金。在21世纪的相当长时期内，单晶合金仍将是燃气涡轮发动机最重要的主导材料。

有序金属间化合物NiAl合金是典型的金属间化合物。目前已研制成功内生颗粒增强NiAl基复

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合材料，其中NiAl-20TiC室温和1000℃以上高温强度比NiAl基体提高2倍，具有良好的综合性能，这一合金和它的合成方法(HPES)已获中国发明专利。

国内研制成功的等轴晶共晶合金NiAl-Cr(Mo)-Hf，其1100℃高温蠕变强度和高温拉伸性能优异，超过了目前国内外几乎所有的等轴晶高温合金，并用普通精密铸造工艺制成了燃气轮机涡轮叶片；用机械合金化方法制成了NiAl纳米晶及其复合材料，块体材料的强度和塑性同时获得明显提高，而且在1000℃高温纳米晶粒稳定，使纳米晶NiAl材料在高温应用成为可能。

2.工艺发展

在高温合金发展过程中，曾经遇到过严重的问题，但都通过冶金和工艺发展而加以解决，并提高了合金性能。实践证明，铸造高温合金的发展离不开工艺这个好“搭档”，未来的发展仍将是这样。这里所说的工艺包括直接影响零件性能的熔炼和成形技术。在上述美国能源部的ATS计划中，对单晶合金及叶片的熔炼工艺、凝固条件、陶瓷壳型、陶瓷型芯、模型用蜡、热处理、热等静压等方面都进行了研究，力求提高合金和零件性能。在熔炼方面，要求高纯度熔炼，减少金属液与壳型、型芯之间的反应，精确控制活性元素。发展单晶叶片凝固过程数值模拟技术，优化工艺参数。计算机控制自动化生产过程，控制枝晶尺寸和致密度，减少缺陷，提高质量，降低成本，进一步发展熔模铸造工艺，提高陶瓷壳型和型芯的性能，研制冷效达600℃以上的高效冷却单晶叶片(如Castcool叶片)。热等静压扩散连接组合件也将是生产多合金涡轮转子和大型叶片的发展方向。与镍基高温合金伴随发展的定向凝固工艺应用于其他高温材料，有可能使它们的承温能力远远超过目前可达到的水平。随着科技的进步，也许在21世纪会出现富有突破性的工艺方法，使高温合金或其他高温材料的性能提高到新的高度。

3.有希望的替代材料

人们早就考虑到，高温合金的使用温度正在接近极限，从长远看，必须寻找能耐更高温度的材料代替高温合金，以满足发展更高效率燃气涡轮发动机的需要。于是从70年代起，纷纷开展其他类型高温材料的研究，包括：定向共晶合金、氧化物弥散强化合金、难熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料等。但是，由于这些合金的某些关键问题未获解决，因而不能进入工程应用。

在高温强度上具有明显优势的定向共晶合金已被证明可作发动机叶片，但其横向性能和剪切强度差且制造成本过高，使之未能投入应用。金属间化合物具有的长程有序结构，对高温强度极为有益，使人们一度致力于这类合金的研究。铸造Ni3Al基合金已取得很大进展，1100℃/100h的持久强度达90MPa以上，但其工艺性和耐腐蚀性有待改善。其他的NiAl系、TiAl系铸造合金仍在开发中。在强度、密度、表面稳定性、来源和成本上十分诱人的陶瓷材料，也被人们做过很多研究，几乎已经接近应用于发动机，但是，它们固有的脆性仍然是致命的弱点。近年来，人们注意到并把研究重

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点放在陶瓷基复合材料上，并已取得进展，这类材料很可能有乐观的前景。

Ni基超合金单晶TMS-138铸造燃气轮机空心动叶片,进行地面装机试验,涡轮机入口处燃气温度达到1 650℃;Si3N4陶瓷使用温度达到了1 500℃的目标,蠕变寿命为1，600 h;Ir系多晶高熔点超合金的使用温度已达到了1 750℃,为了达到1 800℃的目标,目前正在进行单晶化等方面的研究.

3.4 高速无油支承技术

到目前为止，在一些功率相对较大、转速相对较低的轻型燃气轮机中，支承部件可以采用油润滑轴承作为旋转部件支撑。这样虽然牺牲了整机效率，由于油润滑轴承技术比较成熟，也降低采用新型支承技术的开发费用和风险。随着技术进步，以空气箔片轴承为代表的支承技术在燃气轮机中得到了应用。

3.4.1 弹性箔片气体轴承技术原理

作为最新的无油润滑微型燃气轮机关键部件的弹性箔片气体轴承是动压气体轴承的一种重要形式。弹性箔片气体轴承采用柔性支承表面，因此具有很强的自适应性（图2-5）。

图7 弹性箔片空气动压轴承-转子系统结构图

轴承工作时，通过箔片元件的弹性变形和相互之间的库仑摩擦作用，吸收部分多余能量。弹性箔片一般采用金属材料，在气体润滑下可以工作在极高或极低的温度下。弹性箔片结构的阻尼效应可以有效地抑制转子—轴承系统的自激涡动和低频涡动，在较高的转速下，即使在受到振动冲击和不稳定涡动时，系统也能保持较高的稳定性。柔性的轴承表面镀以固体润滑涂层，即使转子和轴承表面发生摩擦，也能有效地降低转子和轴承表面的损伤。所以弹性箔片气体轴承除了具有一般刚性表面动压气体轴承的特点外，还有诸如：高承载力、低摩擦功耗、高稳定性、工作温度范围宽广、容许轴承间隙损失、耐振动冲击、装配对中要求较低、起停性能好、可在有污物与水分的环境下运行及产品具有可修复性等优点。

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3.4.2 弹性箔片气体轴承技术发展

作为弹性流体动力润滑的一种极限情况，弹性箔片气体轴承在20世纪70年代开始得到成功应用。但直到2003年弹性箔片气体动压轴承设计和高温固体润滑耐磨涂层技术的突破，才使得弹性箔片气体轴承可以应用于微型燃气轮机中。在这之前弹性箔片气体轴承经历了很长时间的发展。

在一开始弹性箔片轴承只能在微机硬盘的读写磁头和飞机的空气循环机等轻载、低温的场合使用。经过近半个世纪的努力，弹性箔片气体轴承已经在一大类高速旋转机械中得到了成功的应用，例如空气制冷机、辅助能量单元和各种小型透平压缩机组等。

在航空领域各种飞机上，都采用弹性箔片气体轴承来支承高速转子，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、F-16以及幻影2000等。但是近来弹性箔片空气轴承的技术突破已经开始使其可以使用于高级的旋转机械中。新一代的弹性箔片空气轴承有更高的承载能力，可以更高的温度下使用。Heshmat的设计的轴承（D=35mm和L=31mm）在转速为59,700r/min时其比压可以达到670,000Pa。Dellacorte发布了一系列弹性箔片空气动压轴承在700℃下使用的试验数据。

在美国由DoD（the Department of Defense）/NASA资助的新一代集成式高性能透平发动机技术IHPTET（Integrated High Performance Turbine Engine Technology）项目中，弹性箔片气体轴承作为独立的高技术单元模块，得到了NSF（The National Science Foundation）和军方的持续性支持。由于该技术的核心军事价值和商用价值，西方国家对我国采取封锁政策，因此本研究对于发展我国高性能旋转机械无油支承技术、研发应用于国防、军工的高速旋转机械具有重要的理论意义和工程应用价值。

3.4.3 第四代弹性箔片空气动压轴承

第四代弹性箔片空气动压轴承是应微型燃气轮机的要求发展起来的，在高温金属耐磨涂层的研究成功和将预紧装配引入了弹性箔片空气动压轴承技术后，极大地拓展了弹性箔片空气动压轴承的应用范围。使得第四代弹性箔片空气动压轴承可以在高温等极端环境下使用。第四代弹性箔片空气动压轴承在结构上引进了大幅度的预紧效应，使得弹性箔片空气动压轴承可以提供近似于相应的刚性表面的空气轴承的静态承载能力，同时具备良好的自适应性来适应轴颈的偏斜；高温耐磨涂层容许机组多次起停和在高温、高污染环境中使用。

图六给出了两种带预紧的径向弹性箔片轴承的结构。图七给出了两种推力弹性箔片轴承的结构。 目前，弹性箔片空气动压轴承已在众多高速旋转机械中得到了成功的应用，例如空气制冷机、辅助能量单元和各类小型透平压缩机等。在航空机械上，包括波音747、757、767、DC-10、F-15、

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F-16以及幻影2000等都采用了箔片空气动压轴承。

近年来在美国由DOD-NASA资助的新一代集成式高性能透平发动机技术IHPTET(Integrated High-Performance Turbine Engine Technology)项目中，弹性箔片空气动压轴承作为独立的高技术单元模块，得到了NSF和军方的持续支持。

(a) 搭接式的多叶径向轴承 (b) 叶片式的径向轴承 图8 第四代带预紧效应的径向弹性箔片空气动压轴

??????

???

?????? (a) 螺旋槽推力轴承 (b) HONEWELL推力轴承

图9 第四代推力弹性箔片空气动压轴承

3.4.2高温涂层技术

弹性箔片空气动压轴承技术的进步和发展的关键技术之一是：高温起停时的润滑和寿命保障。在正常高速运转中，轴承被支撑在由其自身所产生的空气薄膜上，因此不会产生磨损，但在轴的启动以及停止时，箔片会与轴颈发生摩擦，不可避免地产生磨损。而当箔片磨损超过其厚度的25%时，以及当轴杆的磨损超过其直径的0.025mm时，此箔片空气轴承即已失效。

美国NASA格林研究中心于1996～1997年在PS300的基础上研制成功耐高温（室温～650℃）箔片空气轴承的PS304涂层（美国专利：＃5866518），该涂层为NiCr (80 wt%Ni-20 wt%Cr) 合金基底，包含3种润滑材料，Cr203、Ag、BaF2/CaF2的共晶体（62 wtoF2-38 wtêF2）。其中，NiCr合金（占总重量：60 wt%）提供良好的耐高温氧化、耐高温腐蚀性能和基本机械强度；Cr203（占总重量：20 wt%）不仅可强化涂层的强度，而且可提供有效的高温润滑性能（温度>500℃）；当温度低

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于450℃时，Ag（占总重量：10 wt%）可提供良好的润滑性能；当温度大于450℃时，BaF2/CaF2（占总重量：10 wt%）可提供良好的润滑性能。

图八为格林研究中心研制的PS304涂层剖面扫描电镜照片，图中显示涂层的组织粗大、不均匀并且有较多的孔隙。图九为PS304涂层在540℃退火150小时后的扫面电镜照片，图中表明Cr2O3、Ag、BaF2/CaF2粒子均处于微米数量级，且分布不均匀。

图10 PS304涂层剖面扫描电镜照片 图11 PS304涂层在540℃退火150小时后的扫面电镜照片

目前已有关于使用等离子喷涂具有纳米结构涂层的报道，通过等离子喷涂制备的纳米结构涂层(150～700nm)具有较低的摩擦系数与磨损量，但至今未见有关于PS304纳米涂层的报道。

国内至今未见有类似PS304高温涂层涂层的研究报道。因此，针对弹性箔片空气动压轴承耐高温纳米复合涂层的耐摩擦磨损性能与粘结性能进行较系统和深入的研究具有重要的学术价值和工程应用前景。

3.4.3弹性箔片轴承设计、制造和试验

1、高速支承轴承的设计、制造及试验应当遵循以下原则：

气体动压轴承首先应当满足静态性能的要求； 箔片结构设计合理，可加工性好，制造成本低，足够的使用寿命；轴承动态性能优良，能保证微型燃气轮机在额定工作转速范围内稳定工作；轴承抗振性、容杂性好。

2、弹性箔片轴承主要设计指标包括：

箔片轴承起飞转速：≥3000r/min；足够的稳定裕度—在额定转速的130%超速运行时仍能保证轴承轴系正常工作；轴承对于不平衡同期激励稳态具有较好的抑制性；平均故障间隔时间及寿命：≥10000 h；

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3、结合对气体动压轴承设计与轴系的转子动力学分析，弹性箔片气体动压径向和轴向止推轴承的设计、制造和研究内容包括：轴承设计、计算与制造；轴承静、动态性能测试；轴承箔片表面高温涂层的研究与开发。

3.5 多燃料燃烧室技术

1、燃烧室性能参数设计及计算 1）热力计算

对于不同燃料根据初始条件进行热力计算，确定理论燃烧空气量、燃料消耗量和燃烧室过量空气系数。

2）变工况设计和计算

在变工况条件下计算燃烧室压损、燃烧效率随流量及烟气温度的变化趋势。理论计算得到的变工况特性还需要通过实验加以验证和调整。

3）燃烧室设计

燃烧室：燃烧室可选择单管燃烧室或环形燃烧室。

喷嘴：液体燃料喷嘴示意图如图10；对于气、液双燃料，可采用双燃料喷嘴，如图11。 燃料气空气燃料油 图12 液体燃料喷嘴及布置示意图 图13 双燃料喷嘴示意图 4）模化实验 图12是按照流体动力过程相似和物理性能参数相似所构建的燃烧室实验系统示意图。 微机控制台燃料空气加热器混合、整流器过滤器入口总压总温测量燃烧室出口总压总温、组分测量单向阀防火网 排气水冷管冷却管排空管排气燃烧室自动调压器 图14 燃烧室常压试验装置示意图 35

2、燃烧室强度和寿命设计 1）燃烧室壳体强度计算

在作燃烧室静态强度校核时，按薄壳结构分别计算周向应力和纵向应力；同时还应当考虑由于焊焊接所引起的强度降低。材料选择：1Cr18Ni9Ti， GH22 均可，视燃烧室出口温度而定。

2）燃烧室寿命估计

燃烧室寿命取决于材料的耐热疲劳性能，其许可发生疲劳断裂的次数一般由曼桑-柯芬（Manson-Coffin）公式估算。

3.6 回热器设计、制造和试验技术

为了提高燃气轮机单循环效率，有效途径之一是采用回热循环。由于常规回热器体积与重量甚至比燃气轮机本体还要大，因此用于燃气轮机回热循环的主要是指紧凑型回热器，例如板翅式或环形回热器而言。

除了结构紧凑之外，回热器结构设计应当合理，制造成本低廉；抗沾污，抗腐蚀，满足耐久性及长寿命要求；同时具有足够范围内的回热度调节功能；能够满足微型燃气轮机总体性能参数要求，以及在各种工况下保持稳定工作。

我国10·5期间对于100KW机组回热器的主要技术指标为： 回热器回热度：≥88%； 平均故障间隔时间≥10，000 h；设计寿命为45，000h。

紧凑型、低阻、高效、抗沾污回热器的设计和制造技术主要包括：回热器总体方案设计；回热器部件设计与制造；回热器试验器设计与制造；回热器性能试验与测试。

3.7 电力电子逆变技术

在微型燃气轮机系统中，由发电机输出的电压为是变压、变频交流电，需要通过电力电子逆变，以得到三相/50HZ/400V交流电。

一般采用IGBT和PWM技术对500 Hz ~1KHz、AC400V~650V交流电进行可控整流，如图13所示。

此外，还需要进行滤波、储能、直流电压反馈调节以及油量调节等环节以获得稳定、波形平滑的交流电压。

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发电机PWM控制信号 图15 交流电可控整流 3.8 高速永磁发电机技术 高速稀土永磁电机是综合集成了包括稀土永磁电机、高速支承技术、电力电子元器件、微电子和现代控制等高新技术于一体的新一代资源节约型复杂机电装备的典型代表，它本身就是一类高科技产业。 1、能量传递新原理——改变了传统的驱动模式。传统的驱动系统，如燃气轮机发电机组构成如下：高速透平+减速齿轮箱+低速发电机，从而将机械能转变为频率为50HZ~60HZ的电能。

在新一代高速、超高速驱动系统中，由于采用了固态变送器，取消了齿轮箱，实现了高速透平和发电机的共轴连接和直接驱动，从而具有以下优越性：减小了体积和重量；减少了系统的复杂性；紧凑、高效、免维修；增加了系统的柔性、对于环境的可兼容性。

2、以高转速换取高效率、高比能。功率为5MW常规机组的重量大约为22730kg，而采用了高速支承永磁高速机组的重量则只有1590kg，重量减少了近85%。无疑，这对于资源节约来说具有极大的吸引力。

3、柔性工作模式——能源节约的重要方向实现能量转换模式由刚性向柔性的转变，是节约高品质电力能源的有效途径。

例如按负载波动实施变转速控制以达到机组最高效率；对于组合或集成系统而言：通过分别控制各种机电装备的起动及停止，而使系统操作时间平均；以及在一切新能源和可再生能源（例如太阳能利用、风能、生物质能、氢能、燃料电池等）开发利用领域，对于能源转换装备都要求能量转换模式的柔性化：一方面柔性工作方式更加适用于低品质一次能源的不确定性和不稳定性，另一方面可借助于电力、电子技术将这些能源转化为高品质电能供使用、存储或传输。

4、能源节约：

以风机为例，和普通风机相比，采用高速磁悬浮支承的永磁变频离心式风机综合节能效果可达14%以上。

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3.8.1高速永磁电机结构与性能参数

高速永磁电机是微型燃气轮机的重要组成部分。燃气轮机的许多重要创新理念都是通过高速永磁电机才得以实现的。

目前大多数MTG都采用了由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机的模式——发电机与压气机、透平同轴，工作转速一般在20000～100000rpm之间。高速永磁发电机由气体动压轴承支承，电机冷却采用强迫油冷方式。

发电机是两极永磁高速电机，它包括永磁转子和环状定子。压气机涡轮转子与发电机转子同轴刚性连接，由涡轮产生的功率直接驱动压气机转子和电机转子旋转，从而在定子绕组中感应生成交变电动势。燃机的效率特性决定了发电机在不同负载下的变转速工作特性，因此，发电机输出的交流电频率和电压都是随负载变化的。定子：定子铁心采用高饱和软磁合金冲片组成。转子： 复合构件——内轴采用高强度合金钢；中环为永磁磁钢拼装结构，径向磁化，为保证高磁稳定性性能、大磁能积、高矫顽力尤其是耐高温性能，永磁体选用钐钴磁钢。外环加固方式：高强度合金外套固定，有利于增加转子刚度：碳纤维加固。冷却方式：油冷。与燃机连接形式：同轴刚性连接。

1、发电机运行参数： （1）额定输出功率； （2）额定转速；由设计确定； （3）绕组连接方式：星形；相数：3； （4）转子磁极数：通常为2； （6）效率：不低于96%； （7）冷却方式：油冷； （8）输出电压：3φ400VAC）； （9）转子形式：永磁，同步； 2、电动机运行模式：

用于燃机起动。起动时，由电力变换系统产生的三相交流电频率从零开始随时间递增，实现机组恒转矩软起动。

3.8.2高速永磁电机设计制造关键技术

1、高频电磁场中的能量耗散机制与宏微观效应

在高速稀土永磁电机系统中，除了主能量传递之外，热、电、磁、力的多场耦合作用将会影响

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甚至破坏设定的理想永磁磁场；增加能量耗散、降低系统效率；同时派生出附加的电致作用力和磁致作用力（这些附加力大多源于机械运动或相对位置偏移所造成的原有场对称性破坏，从而在宏观上表现为机电耦合干扰力）。因此极有必要从宏、微观层面研究高速永磁电机在高速旋转工况下的电磁能量耗散机理，从而提出相应的防护措施。不可逆退磁及防护机理。

2、永磁电机转子中的偏磁效应

随着电机功率的增大、工作转速的提高以及高速柔性支承技术的采用，转子在径向、轴向的振动远比刚性支承系统大得多，永磁阵列在径向和轴向所产生的偏磁效应除了改变主磁场分布之外，还将影响到转子系统的动力特性。申请者所在单位对于30KW/60000RPM、100KW/60000RPM转子所作的对比实验表明，这种影响是不可忽略的。虽然不乏对于一般电机偏磁力的研究案例，但其中对转子偏心所致的磁偏力计算也大多仅限于准静态工况，因而其结果很难融汇到系统总体动力分析中去。而目前直接针对高速永磁阵列静态、特别是动态偏磁效应研究的公开文献尚不多见。

3、涡流与热耗散

在稀土永磁变频转子中，涡流是不可避免的：涡流既存在于高强度合金加固外套转子中，也同样存在于磁悬浮轴承中。极高的工作频率使得涡流对永磁变频转子所产生的危害尤为突出。对于涡流认识的不足还在于以往对涡流与转子系统之间动态相互作用的忽视：迄今为止，很少有文献讨论永磁变频转子动态位移、速度和控制电流对涡流场的影响，以及将涡流场和系统动力特性联系起来的相关研究。

4、转子瞬态着陆过程与近零间隙保护

为了减少高速转子在以外情况下紧急着陆所造成的机械冲击和预防不可逆退磁，极有必要研究高速转子在支承轴承失效时的瞬态动力过程。以往在电磁轴承中采用滚动轴承作为保护装置仍然无法有效地避免剧烈冲击。弹性箔片/可控磁悬浮混合轴承，作为新的近零间隙保护首选技术，利用空气动压原理能够使得以每分钟数万转运行的高速转子无接触地下降到每分钟数千转的低转速下，从而有效地防止冲击。然而对于弹性箔片/可控磁悬浮混合轴承的理论和实验研究（包括建模）尚未得到充分的开展。同时极有必要寻找和发现在电源断电后的近零间隙保护新原理。

5、电解侵蚀防护机理

稀土永磁变频转子在运行过程中，在径向磁极所产生的交变电流和回转方向上所产生的涡流，在一定的工作环境中发生电解侵蚀是完全可能的。因此需要开展相应的电解侵蚀过程和防护机理研究。

6、超高速工况下永磁电机转子结构强度与松脱机理

高速、超高速工况下，永磁电机转子外缘线速度可高达近1000m/s，目前对于转子所采用的加固

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措施主要有两种：高强度合金外套加固。

7、碳纤维加固。

采用高强度碳复合材料作为紧固外套，和金属外套相比，复合材料紧固层厚度更薄，设计更为紧凑；同时由于减小了定子与转子之间的气隙，因而提高了机组效率；和金属外套相比，减少了涡流损耗和因此而带来的发热问题，这些都是碳纤维加固的优点。但是碳纤维复合材料外套也有其缺点和不足之处：

复合材料性能与工作环境温度关系极大；复合材料和粘结剂的可适应温度目前只能勉强满足工程需要；复合材料紧固层几乎不能提供弯曲刚度，从而使转子临界转速大大降低。因此对于径向应力松弛技术的研究极为必要。

8、高速转子系统非线性时滞动力学与控制原理

在机电装备或系统中，以往在系统相对简单、耦合少、且对系统动力行为并无严格限制的情况下，可以在同一空间与时间参考系下列出其在状态空间中的动力学方程、从而讨论系统动力行为的变化过程。这些方程导出的基本假设或依据是：系统中的每个部件都是动力学均匀的，即在每一时刻进入某个子系统的能量流、物质流或信息流均立刻在系统中融合而不需要时间。以往人们对于具有代表性的电磁轴承转子系统的研究绝大部分就是在上述前提下展开的。所有这些，当系统相对简单、时滞环节不多且对于系统动力行为并无严格限制的情况下，忽略时滞效应并没有什么不妥。然而对于工作在苛刻条件下的复杂机电系统动力分析来说，现代科学不得不走向严密的体系，进一步的研究可能不得不认真考虑时滞的作用，因为它普遍存在于能量流、物质流和信息流的传递中并影响着系统演化的全过程。

另一方面，从工程应用角度来说，尽管目前几乎所有的控制策略，如PD、PID、H无穷、神经网络、模糊控制等，都先后被用来解决高速轴承转子系统的动力学行为和非线性控制问题。这些控制方法的研究，往往偏重于纯理论分析和数值仿真，而能够同时给出令人信服的实验结果的文献则极少。这正好从一个侧面说明了对电磁轴承转子系统向高速、超高速发展所呈现出来的特殊性理解不够：当系统走向高速、超高速时，对于物质流、能量流或信息流传递过程的处理都不得不计入时间效应：任何关于系统当前动力行为的描述都必须计及系统过去时刻的状态，这就是时滞动力学系统DDS（Delay dynamical systems）。对于DDS的研究既涉及到对于系统动力行为的预测，同时也关系到对于复杂系统的动力学控制，因而显得尤为重要。

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3.9 系统集成及控制技术

1、轻型燃气轮机转子系统动力学技术

对于高速旋转机械来说，高的DN值意味着更高的效率。DN值（转子直径×转速：单位为r/min×mm）是衡量燃气轮机的一个重要指标。为了提高燃气轮机的效率，就必须提高燃气轮机的DN值。传统的油润滑支承系统目前最大的DN值只能达到400,000r/min×mm。现在Capstone使用新型箔片轴承的30kW微型燃气轮机的DN值可达2,700,000 r/min×mm, Honeywell的75kW样机的DN值也是2,700,000 r/min×mm。DN值在微型燃气轮机技术的引领下朝着突破3,500,000 r/min×mm的指标挺进（如图14）。

但是由于微型燃气轮机一般都是单转子结构，转子的结构形式一般采用的是多段预热套装的形式，另外由于弹性箔片空气动压轴承具有和频率相关的转子动力学特性（刚度和阻尼特性），因此在分析转子的性能是必须采用柔性转子并考虑和频率相关的转子动力学特性的来确定分析方法。DN值的获得是由在NASA项目支持下的NASA Glenn Research Center和Heshmat博士领导的Mohawk新技术公司在高速弹性箔片空气动压轴承的研究方面突破的贡献。这方面的研究是从1969年开始的，近几年取得了在理论和实际应用方面取得了比较大的突破。

图16旋转机械的极限DN值发展趋势

图17 转子动力学模型

由于微型燃机转子结构的特殊性，其中所涉及的动力学研究内容已经超出了传统转子动力学所涵盖的内容，需要在综合考虑电磁热等多场耦合效应的基础上才能对微型燃机系统的发复杂动力学

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现象作出明晰的解释。

2 、电力变换及系统控制 作为分布式供能系统， 在系统层面所要解决的系统集成任务包括： 将发电机输出的变压变频交流电转变为三相/50HZ/400V交流电；在启动和冷却循环期内，发电机功能可切换为电动机；附加储能系统，可储存额外的电能； KM2电力输出KM1燃气轮机高速永磁发电机整流（起动）环节 逆变环节燃料压缩 机系统电池系统传感器组控制系统 图18 电力变换与控制系统原理框图 3、燃料供给量控制； 4、变工况调节； 5、起动：包括驱动、点火、暖机和加速到空载转速；在起动过程中，直流电能经IGBT逆变产生一定频率的交流电驱动压缩机； 6、变工况运行 当负载变化时，为了减小输出电压波动，系统应当提供电力调峰功能； 7、停机与紧急停机

系统停机指令下达后，功率输出自动切断，系统空载运行以维持系统部件冷却；

当系统紧急停机时，系统自动执行：功率输出切断；燃料通道关闭；燃料压缩机停机；压气机旁路阀打开；转子减速到停机。操作者也可以紧急手动停机。

燃气轮机工况监测及数据处理系统，以保证燃气轮机在起动及稳态工作时的最佳性能；对于冷热电联供机组，可在线调节燃机负载和回热度；

机组并网运行；微型燃气轮机发电机组并网不能采取直接并网方式。并网过程包括外网参数检测和微型燃机机组输出电参数同频同步调节等。

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图19 控制逻辑图

3.10 国内相关燃气轮机技术成果

1、 “R0110重型燃气轮机设计技术”

完成了R0110重型燃气轮机供研制生产用的全套图纸和相关技术文件、标准资料。为研制该燃机创造了基本条件。通过设计工作，初步建立了国内重型燃气轮机的设计平台。成果已经用于该燃机的样机制造中。

2、 “100kW微型燃气轮机设计研制”

完成了100kW微型燃气轮机及热电联供总体方案的设计，核心部件的设计、制造与试验，形成了微型燃气轮机的设计研制能力。成果已应用于该燃机验证机及机组集成系统的设计制造之中。

3、 “燃气轮机材料研制及其工程应用”

材料研制上取得重大突破，解决了压气机盘用马氏体不锈钢、透平盘用材质的铁基高温合金、压气机叶片用不锈钢等新研制材料的锻造和热处理，材料的各种性能指标符合设计要求。

新研制材料：1Cr16Ni2MoN——压气机叶片用；0Cr11Ni2MoVNb——压气机盘用；GH2674——透平盘用；GH655——喷嘴用；Ni-Cr-W-BN——密封片；K488——透平动叶；K4104——透平静叶；K491——支柱；K4104——扇形块。

4、工程应用

Ф600mm以上的新型不锈钢、高温变形合金等材料棒材的冶炼；2米左右和2米以上的新型不锈钢、高温变形合金等材料盘件毛坯的轧制（设备4000吨块锻机）；3米以上的新型不锈钢环件毛坯的轧制。

实现了大尺寸、复杂冷却型面的透平叶片和喷嘴环叶片型芯的研制，透平第一级动叶陶瓷型心如下：

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完成了 “油、气两用火焰筒喷嘴点火器、燃烧器及试验”，火焰筒组件一次点火成功，完成了全负荷的试验及温度场调整试验。

5、“微型燃气轮机部件试验台架建设及试验研究”

建立了微型燃气轮机部件试验平台，并在试验台架上进行了验证机和样机部件的试验研究。 6、其他相关的试验台：

微型燃机发电机组试验台转子整机动平衡试验台，变频系统试验台；高速永磁电机试验台；涡旋式天然气压缩机试验台等。

四、燃气轮机生产厂家及产品技术特点

4.1 概述

燃气轮机为技术密集的高技术产品，加之市场竞争激烈，企业间的吞并时有发生。例如 ,西门子公司收购了西屋电气公司 ,而Alstom公司则兼并了ABB公司。目前生产发电用的重型燃气轮机制造厂商主要是美国通用电气 (GE)、日本三菱 (MHI)、西门子 (Siemens)、阿尔斯通 (Alstom)以及俄罗斯列宁格勒金属工厂(лмз)等五大家 ,形成世界范围的高度垄断。

轻型燃气轮机生产厂家到上一世纪 90年代 ,世界上生产燃气轮机的厂家就有 100多家 ,生产的产品型号有数百种。比较著名的除上述公司外，还有美国的索拉公司、日本日立公司、英国罗-罗公司等、

部分燃气轮机生产厂家及型号见附表一。 新一代微型燃气轮机的主要技术参数见附表二。

4.2 索拉（Solar）公司

索拉公司是卡特彼勒(Caterpillar)公司的一个子公司,为美国的大型企业，成立于1927年，是美国

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50家最大企业之一，专业生产1,000kW至14,500kW工业型燃气轮机机组。索拉已经生产的1.2万多台索拉燃气轮机在全球93个国家装机运行。其主要用途包括发电、石油与天然气生产以及天然气输送。 其中6000多台为燃气轮机发电机组，机组累计已经运行超过10亿小时。占有世界10,000kW以下机组60%以上的市场份额，在业绩和技术上居领先地位。

索拉公司的最新产品是功率为14000kW、重15吨的Titan130型燃气轮机，但是它最著名的产品是5000kW的Taurus60。它的部件经久耐用、不易损伤，使用寿命长，这意味它使用可靠性高并且可以将停机时间减少到最低限度。

项目管理和产品支持是Solar公司供货的重要特色。索拉公司在14个国家设立了29个销售及服务网点，7个大修中心，7个备件中心（24小时营业），6个机组交换点，其中亚洲地区在新加坡设有备件库和服务中心，在马来西亚和印度尼西亚设有大修中心。而且计划在中国设立大修中心。以大幅度节省燃机用户的维修费用和时间，进一步体现了索拉公司对中国市场的重视程度。

除生产燃气轮机及其他配套的控制系统和辅助系统外，索拉公司还拥有规模庞大的工程设计建造部门，可按用户要求承担整个发电站的可行性研究、基本设计、详细设计、配套设备采购、项目管理、设备安装、调试、开车、用户操作、维修培训和交钥匙工程。

与其它成套公司不同的是索拉公司是核心设备燃气轮机的制造厂商，也是整个发电站的设计者和成套设备供应商，因此，可以由独家承担全部责任，避免整个发电站由不同厂家制造主机和成套，带来潜在互相扯皮推诿的现象。这种情况给用户在长期运行中造成极大不便，国内一些燃机用户对此有深刻教训。

索拉公司设在新加坡的备件库和服务中心常年24小时全天营业，可为中国用户提供24小时内急需零配件的紧急供货、派专业工程师到现场进行抢修。目前，在中国索拉公司现有4名有经验的现场工程师负责国内的机组的维修和维护，可以保证在最短的时间内到达现场，为用户提供服务。

索拉公司可以通过交换机组计划为用户提供快捷的大修服务，根据用户的需要，提前将交换机组运往现场，只需半天的时间便可更换完毕，大修后的机组索拉公司提供质保证书，保证全部性能和功能与新机组完全一样。这一项服务大大缩短了停工时间，受到很多用户的好评。

索拉技术优势 :

1．工业型燃气轮机机组

以索拉公司为代表的工业型燃气轮机是在吸收航空改型和工业重型这两种机型各自优点的基础上，融合进了现代材料技术、控制技术、加工技术和检验技术，用于连续负荷的运行工况，使其产品能独树一帜，保持长期的绝对领先地位。

2．维护维修、大修方便

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