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　　编者按：燃气轮机发电相对于燃煤发电具有清洁、高效、灵活的特点，发达国家一直高度重视燃气轮机的发展，使其逐渐成为主流发电形式之一，天然气发电在电力市场中的地位正变得越来越重要。

　　一、产业发展现状

　　在能源效率和环境保护的双重需求下，燃气轮机的市场前景越来越广阔。燃气轮机排放的污染水平较低，无二氧化硫、无氮氧化物、颗粒物含量低，二氧化碳排放不到燃煤电厂的一半，满足当今世界越来越严格的排放监管要求；天然气发电占地面积小、建设周期短、投资少，许多设备和设施都能“现货供应”，可以低成本地快速建立发电厂；还能够快速启动，进行电网调峰，为可再生能源发电提供补充。随着越来越多可再生能源发电并网，将给燃气轮机带来新的市场前景。

　　美国能源情报署（EIA）预计，未来20年美国近60%的新发电装机容量属于天然气联合循环发电。实际上，自2008年以来美国页岩气大幅增加，导致天然气价格明显下降，显著改善了天然气发电的经济性，使得天然气发电吸引力大增。这种变化已经对美国和欧洲的电力市场产生了重要影响，这些地区的可再生能源（如风能、太阳能）和天然气发电价格较低，不仅对燃煤发电形成了挤压，也减少了核电需求。2015年春，美国天然气发电量首次超过燃煤发电。按照目前的发展趋势，未来一段时间天然气发电会当仁不让地成为美国电力来源的领导者。

图1  美国能源结构图

　　近年来，我国对燃气轮机发电的支持力度逐渐增强，出台了一系列政策扶持燃气轮机自主研发和联合循环发电。国家发改委的《天然气发展“十三五”规划》预计，2020年燃气发电装机将达到1.1亿千瓦，超过发电装机总量的5%，燃机计划投资总额高达1300亿元。2017年，我国正式启动航空发动机和燃气轮机重大专项，其中燃气轮机专项的主要目标为——2020年实现F级300MW燃机自主研制，2030年实现H级400MW燃机自主研制。

　　上海的燃气轮机产业始终走在全国前列。目前，上海已拥有F级、小F级、E级、H级四个级别的燃气轮机产品研制能力，基本形成从部件供应到整机设计、制造、维修和应用的全产业链。2018年11月初，国家电投上海电力公司与上海电气、安萨尔多公司成功签订燃气轮机设备及相关服务采购框架协议。标志着我国成功引进首台套GT36-S5型H级燃气轮机，将有力推进我国燃气轮机装备应用水平的提升。

　　二、技术热点

　　提高能源利用效率一直是燃气轮机技术发展的方向，通过热电联供的方式可以最大程度地增加能源利用效率。目前，燃气轮机单循环效率为42-44％（仅有一台燃气轮机连接到发电机），联合循环效率为60-62％（包括蒸汽再热循环、汽轮机和发电机，利用燃气轮机余热增加发电量）。

图2 能源利用效率对比图

　　许多新的先进技术得以应用，如为了提高燃气轮机的功率和效率，改善气动等参数，开发出新材料和新型高性能涂层，设计出更加精确复杂的几何形状和增强的冷却结构等。制造技术方面，增材制造改变了工程设计理念，是目前的关注热点；新材料方面，CMC（陶瓷基复合材料）是有望取代高温合金的革命性材料，将颠覆目前的整个制造流程。

　　1、增材制造

　　增材制造（3D打印）是燃气轮机应用的最令人兴奋的新技术之一。该技术投入商业应用近三十年，直到最近才被用于金属打印。其原理是通过热沉积或化学粘合的方式逐层添加材料，产生所需的三维形状。该技术可以减少零部件的生产步骤，增加设计的灵活性，成为目前的热门研究方向。

图3增材制造用于叶片设计

　　最重要的，是增材制造零件能够适应燃气轮机的运行工况，但在实践中仍面临许多问题：例如，对许多金属粉末（特别是高温超合金）的基本性能认识不足，或是设计中缺少足够的3D打印材料性能数据作为支撑；不同的增材制造设备（即使型号和制造商相同）产生的构件可重复性不高，导致每个设备生产的零件都必须单独进行评估和认证，使得应用成本大大提高，无法用于大规模制造。

　　许多团队正尝试用3D打印方法制备整片叶片、燃料喷嘴等零部件，如上海探真激光技术有限公司已经成功打印了燃料喷嘴；法国的Safran Microturbo公司甚至直接3D打印整个燃气轮机（尽管很小），且为eAPU60微型涡轮发动机打印的透平喷嘴已获得EASA（欧洲航空安全局）认证。3D打印零部件多在航空发动机行业先行先试，是因为航空发动机有重量要求，且零件附加值比发电燃气轮机更高。

图4  增材制造在燃气轮机上的应用

　　2、陶瓷基复合材料（CMC）

　　CMC即在碳化硅基材中嵌入连续碳化硅纤维，起到强化和韧化的作用，具有非常好的高温性能，密度仅为镍基高温合金的1/3。这种材料已经开发了近30年，GE等许多制造商都在评估其在发电燃气轮机中的应用。如将CMC材料用于透平叶片，对于小型燃气轮机可提高其整机效率，对于大型地面发电燃气轮机，则因CMC材料的断裂韧性较低而不具备实际应用条件。

图5 GE将CMC新材料用于发动机低压涡轮动叶（图左）和发动机/发电燃气轮机护罩（图右）

　　由于CMC新材料在水蒸气条件下工作温度不能超过1200℃，因此无法直接用于燃气轮机热部件，必须在表面添加一种兼具热障涂层和环境障涂层功能的涂层材料。国外热障涂层的应用已有近40年经验，尚未出现革命性的变化，目前的基础研究主要是为了提高其承温能力和沉积效率。环境障涂层作为新型热障涂层，已经从第一代的莫莱石材料发展至目前的第三代稀土硅酸盐材料。

　　三、发展前景

　　据BP《2017年世界能源展望》预测，未来20年天然气是增速最快的化石能源，2035年将超越煤炭成为世界第二大燃料来源。电力在能源消费中的比重也越来越大。面对机遇与挑战，以GE、西门子、三菱重工为首的国际燃机巨头正通过不断的技术创新，持续提升产品竞争力。三家企业已占据了国际市场88%的份额。

图6 1965-2035世界能源消费格局

　　我国的燃气轮机企业，由于缺乏自主核心技术，在国际市场处于劣势，但这样的境况正在逐年改变。目前，我国已初步具备F级及以下等级的联合循环系统的集成和性能优化能力。国家电投上海电力闵行发电厂已启动H级燃气轮机示范应用项目，将在设备引进和技术吸收等方面发挥重要作用。另外，以建设国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”为主要目标的上海浦东先进能源动力研究中心已落户临港，拟从科学研究、设计开发、试验验证和人才培养等多个方面，打造具有全球影响力的燃气轮机研发基地。（作者：汪超 马彦涵）