燃气轮机

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燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机行业定义与分类

燃气轮机行业定义

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机行业主要产品分类

燃气轮机按结构形式主要分为三类:(1)微型燃气轮机,功率为数百至几十千瓦,主要替代柴油机用于机车、坦克;(2)轻型燃气轮机(由航空燃机改型而来,利用了大部分航空燃机部件并吸收了航空燃机的先进技术),功率在1兆瓦以上,50兆瓦以下,应用于循环发电,石油、天然气的管道运输,钢厂的焦炉废气再次燃烧和舰船应用等,欧美军舰艇燃气轮机装配率在50%以上;(3)重型燃气轮机,功率在50兆瓦以上,主要用于大型舰船和区域发电。

图表:燃气轮机的分类
燃气轮机的分类
资料来源:前瞻资讯产业研究院燃气轮机行业研究小组整理
图表:燃气轮机热力循环分类
燃气轮机热力循环分类
资料来源:前瞻产业研究院燃气轮机行业研究小组整理

燃气轮机行业政策环境分析

◆ 《2012年度国家863计划先进能源技术领域备选项目》

根据国家863计划先进能源技术领域“十二五”战略规划,能源领域拟设立4个重点专项和6个优先主题。4个重点专项包括智能电网专项、洁净煤专项、太阳能发电专项和风力发电专项;6个优先主题包括可再生能源技术、洁净煤技术、先进核能与核安全技术、氢能燃料电池与分布式供能技术、新型电力电子技术、节能与储能技术。其中涉及燃气轮机的研发内容如下:

1)洁净煤技术专项。重点支持清洁高效燃煤发电技术、煤制清洁燃料技术、煤基多联产技术与示范、超超临界发电技术与示范等,突破洁净煤领域核心关键技术和重大产业化系统集成难点,为调整能源结构、控制能源消耗提供技术支撑。2012年度主要任务包括:700℃超超临界发电关键技术,煤制清洁燃料、化工品关键技术及新型工艺,大型煤气化关键技术等。

2)洁净煤技术主题。重点支持先进燃煤发电、新型煤气化核心技术开发及褐煤气化、F级和E级燃机设计、燃煤电厂CCUS等洁净煤技术领域的前沿技术方向。包括:煤燃烧后低能耗,二氧化碳利用、捕集、封存与利用等新技术。

3)氢能、燃料电池与分布式供能技术主题。重点支持可再生能源制氢技术、洁净的化石燃料制氢技术、高效储氢技术、加氢站技术、燃料电池技术及基于微型燃机和燃料电池发电的三联供技术等,开展前沿技术的重点探索,研制一批核心设备与装备。2012年度主要任务包括:先进制氢和储氢技术,基于氢能的冷热电联供系统,基于可再生能源制/储氢的70MPa加氢站研发及示范,先进燃料电池发电及应用技术等。

◆《发展天然气分布式能源指导意见》

中小型、微型的燃气轮机是天然气分布式能源发电系统的核心设备,国家能源局于2010-2011年连续下发《发展天然气分布式能源指导意见征求意见函》和《发展天然气分布式能源指导意见》,鼓励燃气轮机分布式电源发展。

2011年4月,国家发改委、财政部、住房和城乡建设部以及国家能源局发布了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》,提出我国在“十二五”初期将启动一批天然气分布式能源示范项目,“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目,并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。意见给出的目标是:2015年前完成天然气分布式能源主要装备研制。当装机规模达到500万千瓦,解决分布式能源系统集成,装备自主化率达到60%;当装机规模达到1000万千瓦,基本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造,装备自主化率达到90%。到2020年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到5000万千瓦,初步实现分布式能源装备产业化。

◆ 《国家能源科技“十二五”规划》

2011年12月,国家能源局印发《国家能源科技“十二五”规划》(国能科技【2011】395号)。

在发电与输配电技术领域中,确定高效、节能、环保的火力发电技术,先进、生态友好的水力发电技术,大容量、远距离输电技术,间歇式电源并网及储能技术和智能化电网技术等5个能源应用技术和工程示范重大专项,其中,规划7项重大技术研究、7项重大技术装备、10项重大示范工程和13个技术创新平台。(Y:重大技术研究引导符;Z:重大技术装备引导符;S:重大示范工程引导符;P:技术研发平台引导符)。

其中高效、节能、环保的火力发电领域提出研究开发更高参数的超超临界发电、燃气轮机发电、IGCC及多联产、空冷和节水、污染物减排及CO2捕集、贮存和资源化利用技术。

Y18)高效清洁火力发电技术

(1)超超临界发电技术

目标:掌握具有自主知识产权的600℃百万千瓦级超超临界发电技术;掌握二次再热技术;掌握700℃超超临界发电机组的关键技术,使火电机组的供电效率达到50%。

研究内容:自主知识产权的600℃百万千瓦级超超临界发电技术;二次再热技术;在汲取国际700℃超超临界发电研究成果的基础上,进一步研究提高蒸汽参数的可行性和技术路线,攻克建设700℃超超临界示范电站需要解决的材料、工艺、设备制造以及主厂房紧凑型布置等关键技术。

起止时间:2011-2017年

(2)燃煤电厂大容量CO2捕集与资源化利用技术

目标:掌握燃煤电厂CO2捕集技术以及资源化利用技术,研发新型的CO2捕集技术,降低系统能耗和CO2减排成本。

研究内容:新型吸收剂、新型CO2捕集系统以及低品位热集成系统;燃煤电厂100万吨/年CO2脱除与处理系统;CO2资源化利用技术;CCS技术;利用地下盐穴储存CO2技术。

起止时间:2011-2020年

Z11)超超临界发电技术装备

目标:研发具有自主知识产权的600℃百万千瓦级(单轴)超超临界燃煤发电机组;研制700℃超超临界发电机组锅炉、汽轮机设备、辅机,高温材料和部件开发。

研究内容:具有自主知识产权的600℃百万千瓦级(单轴)超超临界燃煤发电机组锅炉、汽轮机、发电机及其配套主要辅机设备;700℃超超临界发电机组锅炉、汽轮机及其配套主要辅机设备;水冷壁、过热器、高温管道、阀门等重要高温合金部件的制造;新型耐热钢加工应用技术;大型锻件和铸件的高质稳定生产技术;低压末级长叶片;焊接转子;汽轮机轴系稳定性;关键辅机及阀门国产化制造技术;600℃和700℃超超临界发电机组用高温材料。

起止时间:2011-2018年

Z12)微小型燃气轮机

目标:掌握适合分布式供能的MW级微小型燃气轮机发电机组设计、试验、系统集成及配套的关键技术;研制成功具有自主知识产权的高效率、长寿命、低成本微小型燃气轮机发电机组,发电效率不低于32%。

研究内容:先进回热式燃气轮机热力循环方案;高效换热器设计;整体插拔式单筒燃烧室设计;离心压气机与向心涡轮结构设计;叶片材料与高温涂层技术;关键部件与整机试验;MW级燃气轮机变工况与联供系统集成技术;微小型燃气轮机关键部件与整机装置;发电系统相关配套设备。

起止时间:2011-2015年

Z13)重型燃气轮机

目标:开发具有自主知识产权的重型燃气轮机;掌握E级和F级燃气轮机核心部件的制造技术、燃中低热值合成气的F级气轮燃机改造设计技术,以及燃中低热值合成气的E级和F级燃气轮机制造技术。

研究内容:自主知识产权的重型燃气轮机关键设计技术和共性先导应用技术的工程化研究和实验验证;E级、F级燃气轮机本体设计、制造和控制技术;高温合金叶片材料;高性能压气机设计技术;燃气轮机叶片冷却技术;燃烧室燃烧组件、干式低NOx、燃料喷嘴制造技术;中低热值合成气燃烧技术。

起止时间:2011-2018年

S13)IGCC多联产示范工程

目标:研发大型IGCC多联产技术和煤炭分级转化技术,自主研发IGCC电站的设计集成技术,建设400-500MW级IGCC多联产示范工程。

研究内容:自主研发大型IGCC设计集成和成套技术,大型IGCC技术气化设备的制造、建设、调试等关键技术;煤炭热解燃烧及分级转化技术、有价元素高效提取和利用技术,以及低CO2排放的综合利用技术;高效长寿命的高温除尘技术;高温脱硫净化技术;多联产系统的优化整合;高效发电和化工产品稳定供应的多联产技术;燃烧前CO2捕集技术。

起止时间:2013-2017年

S14)IGCC发电技术示范工程

目标:研发中低热值燃气轮机设计、制造技术和整体优化集成技术,建设国产IGCC发电技术示范工程。

研究内容:研究、开发、设计、制造多燃料燃气轮机。建设全容量试验平台,对自主燃机进行热态全负荷验证;研究IGCC动态特性,形成IGCC设计、调试、运行标准;研究开发整体化升压型空分技术和中低热值燃烧器技术;验证燃气轮机,验证CO2减排技术。

起止时间:2014-2018年

S15)分布式能源燃气轮机发电技术示范工程

目标:开发分布式能源级燃气轮机发电系统,开展工程示范,机组发电效率不低于30%。

研究内容:多级轴流式压气机设计与试验;多级轴流式涡轮设计与试验;高效、低排放环形燃烧室设计与试验;关键部件与整机的疲劳寿命分析与试验;燃气轮机整机起动特性与运行技术;燃气轮机整机与发电系统集成;燃用天然气的发电机组示范。

起止时间:2011-2015年

S16)700℃超超临界发电技术示范工程

目标:建设700℃超超临界发电技术示范工程,使火电机组的供电效率达到48%-50%,为700℃超超临界发电技术的推广积累经验。

研究内容:辅机选型、系统集成优化设计;二次再热和减少高温管道用量的紧凑型布置设计;主厂房紧凑型布置技术;依托示范工程,对700℃超超临界发电技术前期研究成果进行验证。

起止时间:2015-2018年

S17)高效节能环保节水型燃煤发电示范工程

目标:建设高效节能环保节水的燃煤发电示范工程,使其发电效率、污染物排放、耗水等主要指标达到国际先进水平。

研究内容:大型燃煤电厂综合节能、节水、环保的新技术以及集成应用技术(包括烟气余热利用、凝汽器低背压等节能新技术);活性焦脱硫、超低NOX燃烧、废水零排放等环保新技术;主机、辅机空冷等节水新技术;大型超临界空冷机组系统优化技术;中低温单螺杆膨胀机技术;空冷汽轮机内流特性与改造技术;高效空冷岛设计与改造技术;大型吸收式热泵回收冷凝热供热与制冷技术。

起止时间:2011-2015年

S18)中/低热值燃气蒸汽联合循环发电示范工程

目标:研制出具有自主知识产权的高效率、长寿命、低成本的燃用高炉、焦炉煤气CCPP装置,并进行示范应用,使50MW的CCPP系统发电效率不低于40%,150MW的CCPP系统发电效率不低于46%。

研究内容:中/低热值CCPP总体技术方案;高效组合式煤气压缩机设计;中/低热值燃气轮机优化设计;中/低热值CCPP整机集成及配套关键技术;中/低热值CCPP系统集成与示范应用;高炉、焦炉煤气压力、成分和流量稳定供应技术;高洁净度高温除尘技术。

起止时间:2012-2017年

P13)燃气轮机技术研发平台

目标:完善重型、工业、微小型燃气轮机研制体系;突破热端部件设计制造技术;建设部件与整机试验验证平台;缩小我国在燃气轮机领域与国际先进水平的差距。

建设与研发内容:100kW级移动电源用微型燃气轮机;1MW级分布式供能用燃气轮机;5MW级发电和动力驱动型燃气轮机;10-30MW级燃气轮机压缩机组;300MW级重型燃气轮机发电机组;新一代大功率燃气轮机总体概念设计技术;低排放燃烧室设计技术;新材料涂层技术;高温冷却叶片设计技术;整机发电试验电站和三大部套的全温全压试验平台。

P14)大型涡轮叶片研发平台

目标:实现百万千瓦核电机组叶片国产化;提升百万千瓦超临界/超超临界火电汽轮机组、燃气轮机组等大型涡轮叶片的自主研发、制造技术等创新能力。

建设与研发内容:叶片锻压成型与控制技术;叶片材料及工艺技术;叶片表面强化及特种工艺;叶片精密切削加工技术;大型先进压水堆核电半速饱和蒸汽轮机末级动叶片研制;超超临界百万千瓦汽轮机末级钛合金长叶片研发;燃压机组压气机/涡轮叶片及盘类锻件研发;涂层技术在燃机压气机叶片上的应用研究。

燃气轮机行业产业链分析

燃气轮机行业供应链上游是钢铁原材料,下游是电力、船舶、火车、汽车、飞机和军事等应用领域。

图表:燃气轮机行业产业链
燃气轮机行业产业链
资料来源:前瞻产业研究院燃气轮机行业研究小组整理

燃气轮机行业发展状况分析

经过多年的研究发展,国内在燃气轮机自主创新、引进消化吸收、产品研制生产等方面取得了较大进展,为我国自主知识产权的燃气轮机产品的研制奠定了基础。但是,由于多种原因,我国燃气轮机产业发展缓慢,其技术与国外差距仍然较大。

中国能源产业结构的调整,天然气产量的不断增加,给以洁净天然气为燃料的燃气轮机提供了发展和应用的良好的外部环境与条件。根据国家发改委规划,到2020年,全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦。我国将成为世界最大的燃气轮机潜在市场,行业发展前景广阔。

具体内容详见前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国燃气轮机行业市场前瞻与需求预测分析报告

国际燃气轮机行业知名企业

美国通用电气公司

法国阿尔斯通公司

美国索拉燃气轮机公司

英国罗尔斯·罗伊斯公司

美国西屋电气公司

德国西门子(Siemens)公司

中国燃气轮机行业领先企业

东方电气集团东方汽轮机有限公司

上海汽轮机有限公司

西安航空发动机(集团)有限公司

杭州汽轮机股份有限公司

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司

胜利油田胜利动力机械集团有限公司

南京汽轮电机(集团)有限责任公司

中航工业哈尔滨东安发动机(集团)有限公司

青岛捷能汽轮机集团股份有限公司

中航工业成都发动机〔集团〕有限公司

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