編者按：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電相對(duì)于燃煤發(fā)電具有清潔、高效、靈活的特點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家一直高度重視燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，使其逐漸成為主流發(fā)電形式之一，天然氣發(fā)電在電力市場(chǎng)中的地位正變得越來(lái)越重要。

　　一、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　在能源效率和環(huán)境保護(hù)的雙重需求下，燃?xì)廨啓C(jī)的市場(chǎng)前景越來(lái)越廣闊。燃?xì)廨啓C(jī)排放的污染水平較低，無(wú)二氧化硫、無(wú)氮氧化物、顆粒物含量低，二氧化碳排放不到燃煤電廠的一半，滿足當(dāng)今世界越來(lái)越嚴(yán)格的排放監(jiān)管要求；天然氣發(fā)電占地面積小、建設(shè)周期短、投資少，許多設(shè)備和設(shè)施都能“現(xiàn)貨供應(yīng)”，可以低成本地快速建立發(fā)電廠；還能夠快速啟動(dòng)，進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰，為可再生能源發(fā)電提供補(bǔ)充。隨著越來(lái)越多可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，將給燃?xì)廨啓C(jī)帶來(lái)新的市場(chǎng)前景。

　　美國(guó)能源情報(bào)署（EIA）預(yù)計(jì)，未來(lái)20年美國(guó)近60%的新發(fā)電裝機(jī)容量屬于天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。實(shí)際上，自2008年以來(lái)美國(guó)頁(yè)巖氣大幅增加，導(dǎo)致天然氣價(jià)格明顯下降，顯著改善了天然氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，使得天然氣發(fā)電吸引力大增。這種變化已經(jīng)對(duì)美國(guó)和歐洲的電力市場(chǎng)產(chǎn)生了重要影響，這些地區(qū)的可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）和天然氣發(fā)電價(jià)格較低，不僅對(duì)燃煤發(fā)電形成了擠壓，也減少了核電需求。2015年春，美國(guó)天然氣發(fā)電量首次超過(guò)燃煤發(fā)電。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)一段時(shí)間天然氣發(fā)電會(huì)當(dāng)仁不讓地成為美國(guó)電力來(lái)源的領(lǐng)導(dǎo)者。

圖1  美國(guó)能源結(jié)構(gòu)圖

　　近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的支持力度逐漸增強(qiáng)，出臺(tái)了一系列政策扶持燃?xì)廨啓C(jī)自主研發(fā)和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。國(guó)家發(fā)改委的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》預(yù)計(jì)，2020年燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)將達(dá)到1.1億千瓦，超過(guò)發(fā)電裝機(jī)總量的5%，燃機(jī)計(jì)劃投資總額高達(dá)1300億元。2017年，我國(guó)正式啟動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，其中燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)的主要目標(biāo)為——2020年實(shí)現(xiàn)F級(jí)300MW燃機(jī)自主研制，2030年實(shí)現(xiàn)H級(jí)400MW燃機(jī)自主研制。

　　上海的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)始終走在全國(guó)前列。目前，上海已擁有F級(jí)、小F級(jí)、E級(jí)、H級(jí)四個(gè)級(jí)別的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品研制能力，基本形成從部件供應(yīng)到整機(jī)設(shè)計(jì)、制造、維修和應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。2018年11月初，國(guó)家電投上海電力公司與上海電氣、安薩爾多公司成功簽訂燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備及相關(guān)服務(wù)采購(gòu)框架協(xié)議。標(biāo)志著我國(guó)成功引進(jìn)首臺(tái)套GT36-S5型H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，將有力推進(jìn)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)裝備應(yīng)用水平的提升。

　　二、技術(shù)熱點(diǎn)

　　提高能源利用效率一直是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展的方向，通過(guò)熱電聯(lián)供的方式可以最大程度地增加能源利用效率。目前，燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率為42-44％（僅有一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)連接到發(fā)電機(jī)），聯(lián)合循環(huán)效率為60-62％（包括蒸汽再熱循環(huán)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱增加發(fā)電量）。

圖2 能源利用效率對(duì)比圖

　　許多新的先進(jìn)技術(shù)得以應(yīng)用，如為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率，改善氣動(dòng)等參數(shù)，開(kāi)發(fā)出新材料和新型高性能涂層，設(shè)計(jì)出更加精確復(fù)雜的幾何形狀和增強(qiáng)的冷卻結(jié)構(gòu)等。制造技術(shù)方面，增材制造改變了工程設(shè)計(jì)理念，是目前的關(guān)注熱點(diǎn)；新材料方面，CMC（陶瓷基復(fù)合材料）是有望取代高溫合金的革命性材料，將顛覆目前的整個(gè)制造流程。

　　1、增材制造

　　增材制造（3D打印）是燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的最令人興奮的新技術(shù)之一。該技術(shù)投入商業(yè)應(yīng)用近三十年，直到最近才被用于金屬打印。其原理是通過(guò)熱沉積或化學(xué)粘合的方式逐層添加材料，產(chǎn)生所需的三維形狀。該技術(shù)可以減少零部件的生產(chǎn)步驟，增加設(shè)計(jì)的靈活性，成為目前的熱門研究方向。

圖3增材制造用于葉片設(shè)計(jì)

　　最重要的，是增材制造零件能夠適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況，但在實(shí)踐中仍面臨許多問(wèn)題：例如，對(duì)許多金屬粉末（特別是高溫超合金）的基本性能認(rèn)識(shí)不足，或是設(shè)計(jì)中缺少足夠的3D打印材料性能數(shù)據(jù)作為支撐；不同的增材制造設(shè)備（即使型號(hào)和制造商相同）產(chǎn)生的構(gòu)件可重復(fù)性不高，導(dǎo)致每個(gè)設(shè)備生產(chǎn)的零件都必須單獨(dú)進(jìn)行評(píng)估和認(rèn)證，使得應(yīng)用成本大大提高，無(wú)法用于大規(guī)模制造。

　　許多團(tuán)隊(duì)正嘗試用3D打印方法制備整片葉片、燃料噴嘴等零部件，如上海探真激光技術(shù)有限公司已經(jīng)成功打印了燃料噴嘴；法國(guó)的Safran Microturbo公司甚至直接3D打印整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)（盡管很小），且為eAPU60微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)打印的透平噴嘴已獲得EASA（歐洲航空安全局）認(rèn)證。3D打印零部件多在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)先行先試，是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)有重量要求，且零件附加值比發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)更高。

圖4  增材制造在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用

　　2、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

　　CMC即在碳化硅基材中嵌入連續(xù)碳化硅纖維，起到強(qiáng)化和韌化的作用，具有非常好的高溫性能，密度僅為鎳基高溫合金的1/3。這種材料已經(jīng)開(kāi)發(fā)了近30年，GE等許多制造商都在評(píng)估其在發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用。如將CMC材料用于透平葉片，對(duì)于小型燃?xì)廨啓C(jī)可提高其整機(jī)效率，對(duì)于大型地面發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)，則因CMC材料的斷裂韌性較低而不具備實(shí)際應(yīng)用條件。

圖5 GE將CMC新材料用于發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪動(dòng)葉（圖左）和發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)護(hù)罩（圖右）

　　由于CMC新材料在水蒸氣條件下工作溫度不能超過(guò)1200℃，因此無(wú)法直接用于燃?xì)廨啓C(jī)熱部件，必須在表面添加一種兼具熱障涂層和環(huán)境障涂層功能的涂層材料。國(guó)外熱障涂層的應(yīng)用已有近40年經(jīng)驗(yàn)，尚未出現(xiàn)革命性的變化，目前的基礎(chǔ)研究主要是為了提高其承溫能力和沉積效率。環(huán)境障涂層作為新型熱障涂層，已經(jīng)從第一代的莫萊石材料發(fā)展至目前的第三代稀土硅酸鹽材料。

　　三、發(fā)展前景

　　據(jù)BP《2017年世界能源展望》預(yù)測(cè)，未來(lái)20年天然氣是增速最快的化石能源，2035年將超越煤炭成為世界第二大燃料來(lái)源。電力在能源消費(fèi)中的比重也越來(lái)越大。面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以GE、西門子、三菱重工為首的國(guó)際燃機(jī)巨頭正通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，持續(xù)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。三家企業(yè)已占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng)88%的份額。

圖6 1965-2035世界能源消費(fèi)格局

　　我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)，由于缺乏自主核心技術(shù)，在國(guó)際市場(chǎng)處于劣勢(shì)，但這樣的境況正在逐年改變。目前，我國(guó)已初步具備F級(jí)及以下等級(jí)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的集成和性能優(yōu)化能力。國(guó)家電投上海電力閔行發(fā)電廠已啟動(dòng)H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)示范應(yīng)用項(xiàng)目，將在設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)吸收等方面發(fā)揮重要作用。另外，以建設(shè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高效低碳燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)裝置”為主要目標(biāo)的上海浦東先進(jìn)能源動(dòng)力研究中心已落戶臨港，擬從科學(xué)研究、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證和人才培養(yǎng)等多個(gè)方面，打造具有全球影響力的燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)基地。（作者：汪超 馬彥涵）