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国内外燃气轮机企业调研及我国未来燃机市场预测分析

燃气轮机动力之源 2019-02-06 13:36:44

    

一、国内外重型燃气轮机企业及产品调研

 

  工业重型燃气轮机的历史比较长,是在蒸汽轮机的基础上发展起来的,其许多设计还是沿用的蒸汽轮机的设计原理。

 

  美国通用电气(GE)、德国西门子和日本的三菱重工均研制有E级、F级、H级系列的重型燃气轮机。而相比E级和F级燃气轮机,H级燃气轮机在发电净效率、燃料利用系数以及机组供热功率具有更大优势。

 

  西门子公司首次提出H级燃机的研发计划是在2000年,并最终于2011年7月完成SGT5-8000H型燃气轮机整台联合循环调试,这标志着世界首台H级燃气-蒸汽联合循环机组进入商业运行阶段。2010年初,三菱重工也结合专利技术,完成了H级燃气轮机——J系列的开发,随后开展商业化工作。GE的H级燃气轮机起步较早,从1992年开始,在美国能源部推出ATS(先进的燃气轮机系统)计划的资助下GE公司开始研发H级燃气轮机。历经波折后于2011年才推出目前世界上最大最高效的重型燃气轮机——9HA的研发计划,并于2014年相继开始接受7HA和9HA的商业订单。

 

 

  至此,全球三大燃气轮机巨头全部进入的H级燃气轮机阵营,开始了在全球市场的激烈角逐。 

  由下表可以看出,三大公司最高等级的H级燃气轮机单机功率都超过了400MW,GE最新的9HA.02型燃气轮机更是达到了519MW。另外,三大公司最高等级的H级燃气轮机在整个生命周期中拥有很高的经济效益,实现了超过61%(发电业的神圣数值)的联合循环效率。并且通过不断研发升级DLE(干式低排)燃烧系统,将NOx的排放量分别为控制在小于25ppm,达到了燃气轮机发电灵活性、发电效率及低污染的新高度。

   根据各大公司的统计数据,截止2015年底,三菱日立电力系统公司(三菱重工公司与日立整合电力系统业务,成立的新公司)总共售出41台J系列燃机。而竞争对手西门子已售出共74台H级燃气轮机,GE公司售出了21台H级燃气轮机,并有68台已达成定购意向。可见GE公司的H级燃气轮机虽然发布时间晚于西门子与三菱重工,但凭借其优异的性能和多样化的产品,GE公司可谓后起之秀,在接受订单不到两年的时间,迅速占据了H级燃气轮机的半壁江山。

 

  图表:GE、西门子和三菱重工与我国重型燃气轮机性参数对比

  资料来源:高端装备发展研究中心

 

  图表:三大公司H级燃气轮机市场额度(数据截止2015年底)

  

 

  在重型燃气轮机的市场竞争中,中国本土企业一直没有一席之地。我国自主研制的R0110重型燃气轮机性能也只能算E级+,落后H级燃机1代半(E级->F级->H级)。F级燃机制造引进多年,却仍不掌握热端部件和控制系统等关键技术,更谈不上与国外同台竞争。但2015年发生了两宗并购案却为中国的重型燃气轮机发展带来了希望,有望实现“弯道超车”。

   除了以上燃气轮机三大巨头公司外,法国阿尔斯通公司是全球第四大燃气轮机企业。阿尔斯通除了拥有GT26型(F级燃气轮机)外,其开发的GT36项目正是为了生产H级燃气轮机。2015年5月,上海电气出资4亿欧元参股意大利安萨尔多能源40%股权,11月安萨尔多能源公司又收购了阿尔斯通拆分后的燃气轮机业务。安萨尔多收购的业务正好就包括了阿尔斯通可用来升级产品的GT26型产品线以及GT36技术开发项目。这意味着我国在F级和H级燃气轮机产品的开发在原有的技术引进基础上,有望获得更进一步的突破。

 

  二、航改燃气轮机发展状况

   航空改型燃气轮机是在航空发动机上加上动力涡轮而制成的,其设计、制造是按飞机发动机的要求,追求的是体积小、重量轻、加速快,所以对燃料、润滑油和环境条件的要求比工业型燃气轮机要高,大修周期短、使用寿命短,因此操作费用也高。改型后的机组多用于备用工况。

   航空改型燃气轮机最初由全球重点航空发动机企业,根据公司的典型航空发动机改型而来。 

  20世纪60年代末,GE研制出以涡轮风扇发动机改装成的机组,型号为LM2500,机组效率达到了34%(现已高于35%)。它标志着新一代的航机开始被改装用于工业及舰船。80年代以后,由CF680C2、Trent、GE90、PW4000等大型航空发动机派生出第三代航改燃机,其压比达25,效率达45 %,TIT1450℃左右,其典型代表有LM6000、工业Trent,FT4000等。第三代航改燃机运用航机积累的各种新技术、新材料及新设计,吸取前期航改燃机的使用经验,使其可靠性、维修性更好,污染控制更完美,加之更加宽广的功率范围,其应用前景更加广阔。随后,英国罗罗公司、美国普惠公司等著名的航空发动机制造商都剥离其燃气轮机业务,并分别出售给西门子和三菱公司,航改燃气轮机业务又逐渐收归于燃气轮机三大巨头手中。

   除了燃气轮机三大巨头,航改燃气轮机还不得不提到乌克兰以及俄罗斯的燃气轮机产业。乌克兰的曙光-机器设计燃气轮机科学生产联合体,曾经出产过苏联50%以上的船用燃气轮机,其生产的UGT系列燃气涡轮,在独联体国家中处于垄断地位。

 

  图表:国内外典型航改燃气轮机性能参数对比.

  资料来源:高端装备发展研究中心

 

  中国的航机改型工作是从1974的WJ6G1燃气轮机开始的,由南方航空动力机械公司与民用部门协作完成。20世纪80年代,常州兰翔机械总厂在WZ6涡轴发动机的基础上改型设计了WZ6G燃气轮机,以燃用煤油、轻柴油以及天然气等作燃料。1982年,以西安航空发动机公司为主,将60年代后期英国研制的Spey MK202涡扇发动机改型为舰船用燃气轮机Marine 410A。沈阳发动机设计研究所和沈阳黎明发动机公司合作研制的“昆仑”航空涡喷发动机和是国产最先进的航空发动机。QD128燃气轮机是在保持“昆仑”航空涡喷发动机基本结构的基础上改装的。QD185燃气轮机是由中航工业动力所、中航工业黎明等单位联合开发和制造的中等功率工业型燃气轮机,该型燃气轮机采用了性能先进、技术成熟的第三代航空发动机为核心机,并重新设计了高效率、大裕度的压气机和高性能的动力涡轮,整体性能优异。

   经过40年的研制和生产,国内企业在航改燃机方面积累了不少经验,对今后的改型工作具有指导和借鉴的意义,更重要的是培养和锻炼了一批航空科技工作者。但也必须看到,我国航改燃气轮机的性能与国外先进水平之间还存在明显的差距。我国航改燃气轮机的压比一般在5~15,热效率在20%~30% ;而国外航改燃气轮机的压比达15~34,热效率高达32%~42 %。


  三、微型燃气轮机发展状况

   目前,微型燃气轮机发电机组的发电率已达到30%,工作寿命长,运行的维修费用大大低于现广泛应用的柴油发电机组。现在微型发电机组已经广泛用于分布式供电,热电联供和试用于车辆混合动力等。

   在国外,随着高效回热器由军用转入民用,微型燃气轮机的发电效率显著提高。另外,由于近年来随着全球范围内的能源与动力需求,特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化,微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视,特别是在美、欧等国发展迅猛,大有与大中型燃气轮机共占市场的势头。

   目前美国和日本都有多家企业在积极开发制造相应的设备。在美国,卡普斯顿公司已制造出65千瓦级微型燃气轮机发电装置,发电效率达到26%,年产量1万台。日本的多家企业,如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司,都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。

   我国在微型燃气轮机的研制上起步较早,如1970年南京汽轮机电厂制成37kW燃气轮机;1972年杭州汽轮机厂、青岛汽轮机厂共同研制200kW燃气轮机,研制的3K42型燃气轮机可与20~30kW发电机组成移动电站。

   但由于各方面原因,我国微型燃气轮机研发水平尚有待发展,也尚未形成真正的产业。国内对超微型燃气轮化(MGT)也有了初步的研究和探索,主要集中在数值模拟领域,并取得了一些成果。在科技部、国家自然基金委、教育部和总装备部的资助下,微型动力系统的研发也在着手进行中。

 

  四、2016-2020年我国燃气轮机重点应用市场预测分析

   未来我国燃气轮机重点应用市场在分布式发电、热电联供、天然气管道运输、船舶推进和机械驱动等方面。

   随着中国能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机正在形成一个“爆发性增长”的市场。到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦,是2000年之前50年已建成同类装机容量的25倍。保守估计,仅中石油一家,每年需要的燃气轮机价值就达到了30亿元。

   2015年,国内燃气轮机的市场容量能达到300亿元,而国际市场容量则能达到2700亿元。2016年,我国超千亿“两机专项”有望出台,航空发动机国字头公司的成立在即,两机专项千亿资金的扶持将浮出水面逐步展开。在当前国家安全战略升级和经济转型大背景下,燃气轮机产业发展亟待加速提升。预计2020年前整体市场容量为1000亿元,其中设备需求约为500亿元。而未来20年,中国对航空发动机、燃气轮机合计需求超过3万亿元。

 

  图表:2016-2030年我国燃气轮机市场规模及前景预测分析

  资料来源:高端装备发展研究中心




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