微小型燃氣輪機技術發展前景

導讀:本文對微小型燃氣輪機技術國際發展現狀與趨勢,以及我國發展水平及國內外差距進行了系統梳理;並針對我國微小型燃氣輪機技術發展存在的問題及面臨的挑戰,提出了相關對策建議。

微小型燃氣輪機技術發展前景

文/張麗 陳碩翼,科技部高技術研究發展中心,科技中國

一、關於微小型燃氣輪機

燃氣輪機是涉及國家能源和國防安全的戰略性產業,是能源動力裝備領域的最高階產品,代表裝備製造業的最高技術水平。

按照功率等級,燃氣輪機可分為微型、小型、中型和重型。其中:發電功率為1 MW以下的稱微型燃氣輪機,1~10 MW為小型燃氣輪機,10~100 MW為中型燃氣輪機,100 MW以上為重型燃氣輪機;10 MW以下可統稱為微小型燃氣輪機,10 MW以上可統稱為中重型燃氣輪機。

與中重型燃氣輪機相比,微小型燃氣輪機應用面更廣、需求量更大,是分散式供能、天然氣發電、工業驅動、軍用電源、直升機動力和車船動力等領域的核心裝備,對提高能源利用效率、降低PM2。5、NOx及SO2等汙染物的排放,以及提升武器裝備技術水平與作戰能力具有重要意義。

微小型燃氣輪機的核心技術:一方面,是熱端部件材料及製造工藝、低汙染燃燒技術等與其他功率等級燃氣輪機所面對的同樣關鍵技術問題;另一方面,則是由於微小型燃氣輪機具有尺寸小和轉速高的特點,具備一些特有的技術難點,如緊湊式回熱器、高速空氣軸承和高速電機等。

二、國際發展現狀與趨勢

美國、日本、英國等先進國家微小型燃氣輪機技術基礎已經成熟,產業配套體系完善,已形成各自的微小型燃氣輪機產品系列。未來向著低汙染、高可靠性和多燃料適用性等方向發展。

目前國外生產和銷售的微小型燃氣輪機的廠商主要有Solar、Capstone、Allied Signal(已被Honeywell併購)等公司,GE和Siemens等公司也有部分小型燃氣輪機產品型號。

在微型燃氣輪機技術與產品方面,Capstone公司處於絕對領先地位,佔有世界微型燃氣輪機市場80%以上的份額。Capstone公司成立於1988年,自1998年第一臺微型燃氣輪機成功投入商業用途,至今已有超過5000臺機器在世界各地執行,累計執行時間已超過1500萬小時。作為最早研發也是目前最成功的微型燃氣輪機,Capstone微型燃氣輪機集航空渦輪發動機技術、高效軍用回熱器技術、空氣軸承技術、高速永磁發電技術、清潔的超低排放技術、高度整合的數字電力轉換技術等核心技術於一體。整臺機組只有一個運動部件,使得結構更加緊湊;機組採用空氣冷卻,無需潤滑油和冷卻液,幾乎無執行維護費用;另外,機組能夠適應多種燃料,排出的煙氣具有較高的餘熱,可以回收利用;全部採用模組化設計,便於自由組合使用。Capstone微型燃氣輪機功率範圍覆蓋30~1000 kW,有C30、C65、C200、C600、C800和C1000等系列。

Solar公司致力於小型燃氣輪機研發生產,生產的10 MW以下機組佔有世界60%以上的市場份額。Solar公司創建於1927年,現有13890多臺燃氣輪機機組在96個國家運轉,是世界上最大的工業用燃氣輪機(1~22 MW)生產廠商。Solar公司現已形成了Mercury(水星)、Centaur(人馬座)、Taurus(金牛)、Saturn(土星)、Mars(火星)和Titan(大力神)等6個燃氣輪機產品系列,主要用於備用電源、連續發電、熱電聯供及動力驅動產品。核心產品包括Mercury50(4。2 MW)、Centaur40(3。6 MW)、Centaur50(4。6 MW)、Saturn20(1。2 MW)和Taurus60(5。6 MW)等。

三、我國發展現狀與面臨的主要問題

我國微小型燃氣輪機的研製起步較晚,從發展階段來看,我國的微小型燃氣輪機尚處於系統研發、產品研製與示範階段,尚需關鍵技術研發、試驗驗證與市場認可。面臨的主要問題有:

系統設計及關鍵技術有待提高。微小型燃氣輪機的研發需要具備一套完整的設計、試驗和製造體系。作為市場中的後來者,我國自主智慧財產權燃氣輪機要在市場上有立足之地,既要規避國外燃機已有的專利及受保護技術成果,還要在效能上達到或接近國外新產品的水平。然而我國開展微小型燃氣輪機研製時間較短,研製經驗不足,基礎研究還不充分,系統設計研發能力較薄弱。

裝備製造基礎有待提升。微小型燃氣輪機的發展涉及多種學科,與國家基礎工業的發展水平密切相關,受機械製造、材料工藝、冶金、電子資訊和試驗測試等技術發展的影響很大,我國需要繼續加強相關材料及工程化基礎研究。

產業配套能力有待完善。微小型燃氣輪機屬於高階動力裝備,為滿足微小型燃氣輪機制造及產業化的需求,對相關的配套上下游產業要求較高。在上游微小型燃氣輪機制造方面,擁有關鍵核心部件加工能力的航發加工企業不願承擔少批次的加工任務,而感興趣的民企卻缺乏相關加工能力,因而我國為微小型燃氣輪機提供零部件加工配套的企業數量少、規模小、力量分散、技術成熟度低。在下游產業化方面,目前微小型燃氣輪機的市場培育還不夠,分散式供能等應用出口的需求還沒有完全釋放,國家對自主智慧財產權燃氣輪機的優惠政策和扶持還較欠缺。

四、對策建議

加強戰略研究。客觀認識我國微小型燃機的研發能力及差距,堅定自主研發決心,加強戰略研究,加速形成我國微小型燃氣發展完整、明確、穩定的發展規劃及思路。

積極發揮企業創新主體作用。微小型燃氣輪機市場競爭激烈,應積極營造支援燃氣輪機產業發展的政策環境,充分利用稅收、金融等市場經濟手段對燃氣輪機給予必要的扶持。建議對燃氣輪機研製專案和示範工程實行優先審批制度,利用稅收及首臺(套)裝置等優惠政策,鼓勵技術研發,積極推進示範工程建設。

以具有自主製造能力的企業為主體,建立團結協作、集智攻關、“產學研用”相結合的創新研製體制,充分發揮企業的主觀能動性,把企業的發展目標和國家燃氣輪機的發展目標緊密結合,形成可持續發展的能力。

國家給予支援。微小型燃氣輪機是國家的戰略性產業,國家應給予資金支援。建議兩機專項高度跟蹤關注微小型燃氣輪機後續相關工作。建議科技成果轉化引導基金予以支援,形成必需的試驗驗證條件,為微小型燃氣輪機研製提供必要的技術支援。

加強人才隊伍建設和國際技術合作。貫徹以人為本的理念,深入實施人才戰略,加大對燃氣輪機人才培養和引進的支援,加強國際技術合作。

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