天然氣分布式能源動(dòng)力裝備國產(chǎn)化現狀及發(fā)展

(一)天然氣分布式能源動(dòng)力裝備國產(chǎn)化發(fā)展現狀

天然氣分布式能源系統中原動(dòng)機是主要設備之一《分布式能源》，根據所帶負荷的不同，一般選用微燃機、燃氣內燃機或燃氣輪機。據中國城市燃氣協(xié)會(huì )分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì )不完全統計，截止2015年年底已建天然氣分布式能源項目中采用微燃機73臺、燃氣內燃機133臺、燃氣輪機32臺。其中燃氣內燃機數量占比最多，燃氣輪機裝機占比最高。

燃氣輪機發(fā)電形式占地面積小、發(fā)電效率高、余熱易于回收，比較適合于具有電、冷、蒸汽負荷綜合需求的工業(yè)園區等或需要電力調峰的地區。燃氣輪機分類(lèi)方式很多，根據功率可大致分為微型、輕型、重型燃氣輪機。先進(jìn)國家的燃氣輪機發(fā)電效率已經(jīng)超過(guò)40%，國內目前不到30%，差距比較大。

燃氣內燃機是一種傳統的能源利用設備，應用非常普遍。當其規模較小時(shí)，發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，并且初投資較低，因而在一些小型的熱電聯(lián)產(chǎn)系統中往往采用這種形式。但由于余熱回收復雜而品質(zhì)又不高，因此不適于供熱溫度要求高的場(chǎng)合。目前國外燃氣內燃機的發(fā)電效率已經(jīng)達到43%，國產(chǎn)設備一般在32%左右。

微燃機是近幾才開(kāi)發(fā)出來(lái)的，在美國首次用在汽車(chē)上，體積小、無(wú)污染、無(wú)噪音，并便于搬運和安裝，能提供質(zhì)優(yōu)的熱、電、冷能源。單獨發(fā)電效率一般不超過(guò)30%，但產(chǎn)生的余熱熱源較易得到利用，熱電聯(lián)產(chǎn)的整體效率仍可以達到75%以上。

表2將一般用于天然氣分布式能源系統的三種動(dòng)力設備的主要參數列出，便于對比。

1、燃氣輪機國產(chǎn)化現狀

●重型燃氣輪機

目前國內研制和生產(chǎn)燃氣輪機的廠(chǎng)家主要有哈爾濱動(dòng)力設備股份有限公司、東方 汽輪機有限公司、上海電氣集團、南京汽輪機(集團)有限公司等。這些廠(chǎng)家通過(guò)與國外燃機輪機制造商成立合資公司引進(jìn)技術(shù)裝備，以期逐步實(shí)現技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。但目前我國只引進(jìn)了燃氣輪機的制造技術(shù)，外方堅持不轉讓燃氣輪機任何設計技術(shù)、熱端部件制造技術(shù)，所以國內燃氣輪機廠(chǎng)家對核心技術(shù)還不完全掌握，整機檢修維護依賴(lài)原廠(chǎng)商，維修費用昂貴。

哈爾濱動(dòng)力設備股份有限公司自2003年以來(lái)與GE公司合作，生產(chǎn)PG9351(FA)型燃氣輪機，累計為中國用戶(hù)提供超過(guò)50臺份不同配置的先進(jìn)燃機聯(lián)合循環(huán)機組。目前9FA實(shí)現國產(chǎn)化率70%，計劃于2020年實(shí)現80%的國產(chǎn)化率目標。

東方 電氣集團與三菱公司合作，引進(jìn)生產(chǎn)M701D及M701F型燃氣輪機，三菱重工將67%的燃氣輪機制造技術(shù)轉讓給東汽，使產(chǎn)品水平能達到國際80年代末或90年代初的水平，其余33%制造技術(shù)則轉讓給東方和三菱組建的廣州南沙合資工廠(chǎng)，目前綜合國產(chǎn)化率達到78%。

2004年，上海汽輪機有限公司引進(jìn)了西門(mén)子公司V94.3A和V94.2型燃氣輪機，上海汽輪機有限公司獲得除熱部件以外的全部圖紙資料，相關(guān)部件國產(chǎn)化率達到50%。上海電氣集團股份有限公司與西門(mén)子合資成立的燃機熱部件公司，專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)F級和E級整套高溫部件，本地化比例為43%。2014年5月，上海電氣收購安薩爾多能源公司40%股權，截止2016年6月，上海電氣通過(guò)與安薩爾多合作，獲得了國內8臺/套機組的長(cháng)協(xié)服務(wù)，成功打破了跨國公司對于高附加值服務(wù)市場(chǎng)的壟斷。

南京汽輪機廠(chǎng)于上世紀80年代與GE開(kāi)始合作，主要是重型燃機系列中的中、小型機組。2004年，南京汽輪機(集團)有限公司與GE公司簽訂了9E燃機技術(shù)轉讓協(xié)議，9E系列以?xún)r(jià)值量計算的國產(chǎn)化率在35-45%。

2012年12月，中國具有自主知識產(chǎn)權的第一臺重型燃氣輪機—中航工業(yè)黎明R0110重型燃氣輪機完成72小時(shí)帶負荷試驗運行考核。R0110額定功率114500kW，熱效率36%，它的研制成功預示著(zhù)我國將成為世界上第五個(gè)具備重型燃氣輪機研制能力的國家。一些應急移動(dòng)電源已經(jīng)小批進(jìn)入市場(chǎng)，用于整體煤氣化工程(IGCC)的中低熱值重型燃氣輪機(E+、FA級級)、用于分布式能源的兆瓦級燃氣輪機正在研制中。

自2008年以來(lái)，北京華清燃機公司依托清華大學(xué)完成了燃氣輪機的基礎和應用基礎研究、核心技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)驗室驗證，完成了國產(chǎn)F級300MW重型燃氣輪機技術(shù)驗證機CGT-60F。

●輕型燃氣輪機

華電通用輕型燃機設備有限公司主要從事LM2500+G4和LM6000 PD/PF兩種機型發(fā)電機組的成套組裝以及測試。2014年10月，華電首套航改型燃氣輪機發(fā)電機組宣告順利下線(xiàn)，目前，成套設備中有20%的部件已經(jīng)國產(chǎn)化。

中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(集團)有限責任公司與中國航空研究院沈陽(yáng)六O六所等單位研制生產(chǎn)出了QD-128燃氣輪機，輸出功率不小于11500KW，這是我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權的燃氣輪機。

2015年4月28日，中科院協(xié)鑫金雞湖天然氣分布式能源項目正式投運，項目主設備燃氣輪機由中國科學(xué)院上海高等研究院牽頭自主研發(fā)和制造。該型燃氣輪機目前有1250kW、2000kW兩個(gè)型號，該型燃氣輪機在上?？萍即髮W(xué)分布式能源中心一期建設1.25MW國產(chǎn)燃氣輪機試驗平臺，并在上海浦東前灘建設一臺2000kW國產(chǎn)燃氣輪機示范驗證平臺。

國家能源局授牌成立國家能源燃氣輪機技術(shù)研發(fā)中心，已建成燃氣輪機大型綜合技術(shù)實(shí)驗室、關(guān)鍵部件實(shí)驗室、整機試驗臺等，基本滿(mǎn)足30MW級燃氣輪機部件和整機試驗的條件。研發(fā)中心開(kāi)展了GT25000燃氣輪機第二階段國產(chǎn)化工作，綜合國產(chǎn)化率達到98.1%，技術(shù)性能指標達到了技術(shù)規格書(shū)規定的要求。目前正在進(jìn)行第三階段國產(chǎn)化研制，主要目的是提高機組可靠性。

●微型燃氣輪機

微型燃氣輪機用于天然氣分布式能源系統的歷史較短，目前相關(guān)技術(shù)主要被歐美國家壟斷掌握。國內對微型燃氣輪機發(fā)電機組及其設計、制造、應用技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。

上海航天能源股份有限公司與美國Capstone公司長(cháng)期合作，開(kāi)展微型燃氣輪機發(fā)電機組零部件設計制造，研制完成了微型分布式熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統試驗臺架及具有商業(yè)化運營(yíng)價(jià)值的樣板工程，實(shí)現國內首個(gè)撬裝式可移動(dòng)天然氣微型燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統裝置研發(fā)應用。

上海交通大學(xué)長(cháng)期從事微型燃氣輪機研究，同時(shí)與上海航天能源股份有限公司和澳大利亞聯(lián)邦研究院在低熱值燃氣穩定燃燒技術(shù)研究上進(jìn)行了長(cháng)期合作，研制了30kW、50kW低熱值微型燃氣輪機發(fā)電裝置。

哈爾濱東安科技開(kāi)發(fā)公司研制的國內首臺具有自主知識產(chǎn)權的WD18微型燃氣輪機發(fā)電機組于2015年4月完成滿(mǎn)載運行，研制取得成功，填補了國內空白。

沈陽(yáng)黎明公司微型燃機項目于2001年啟動(dòng)，生產(chǎn)的WD095微型燃氣輪機應用了大量高新技術(shù)，如：高速永磁電機技術(shù)、低污染燃燒技術(shù)、高效回熱技術(shù)等，這些高新技術(shù)的應用極大優(yōu)化了機組的性能。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團、西安交通大學(xué)三家單位在國家“863計劃”的支持下組成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體，已經(jīng)完成100kW級微型燃氣輪機的樣機設計并通過(guò)驗收。

總體而言，我國微型燃氣輪機研制與世界先進(jìn)水平差距較大，還沒(méi)有商業(yè)化應用。

2、燃氣內燃機國產(chǎn)化現狀

目前1MW以上大功率燃氣內燃機組幾乎完全依賴(lài)進(jìn)口，設備投資和運維成本高，嚴重制約了我國天然氣分布式能源的發(fā)展。國內制造的功率主要在1000kW以下，具有一定的設備制造工藝經(jīng)驗，主要采取與國外公司研制開(kāi)發(fā)、自行研制開(kāi)發(fā)、技術(shù)引進(jìn)許可證生產(chǎn)等路徑。

中國船舶重工集團公司第七一一研究所和洋馬能源系統株式會(huì )社合作開(kāi)發(fā)SMDERI SY350G天然氣熱電聯(lián)供機組，該機組按照天然氣熱電聯(lián)供要求采用了ALL-IN-ONE的高系統集成設計，適合于賓館、醫院等天然氣分布式能源項目。

河柴重工以引進(jìn)的德國道依茨—曼海姆發(fā)動(dòng)機制造技術(shù)和原動(dòng)機為基礎，先后自主研發(fā)完成了CHG620系列燃氣發(fā)動(dòng)機和雙燃料發(fā)動(dòng)機，發(fā)電效率達到進(jìn)口機組95%，發(fā)電效率最高達38%，綜合利用效率78%以上，運行、維護費用成本較進(jìn)口機組大幅下降。

勝利油田勝利動(dòng)力機械集團有限公司專(zhuān)門(mén)從事燃氣發(fā)電機組裝備研發(fā)制造，燃氣發(fā)電機組主要有6190、12V190、16V190和20V190四大系列，單機功率覆蓋200-1800kW，發(fā)電電壓有400V、6300V、10500V三種，主導產(chǎn)品是190系列。產(chǎn)品適用于天然氣、石油伴生氣、煤礦瓦斯、垃圾填埋氣等多種氣源。采用了自主知識產(chǎn)權的燃氣快速混合技術(shù)，可利用燃氣的最低熱值達4MJ/Nm 3，采用廢氣脈沖增壓技術(shù)實(shí)現燃氣稀薄燃燒，采用了具有自主知識產(chǎn)權的控制系統。

廣州柴油機廠(chǎng)股份有限公司主要生產(chǎn)230SG天然氣發(fā)動(dòng)機，功率范圍涵蓋580kW-1000kW。

濟南柴油機股份有限公司燃氣發(fā)動(dòng)機功率范圍涵蓋110-1500kW。

濰柴燃氣發(fā)電機組功率范圍為30-800kW。

淄博柴油機總公司主導產(chǎn)品有Z170天然氣、沼氣發(fā)電機組。

目前，國產(chǎn)天然氣內燃機還存在后燃、爆燃嚴重、排煙溫度高，核心部件熱負荷高，燃燒效率低、發(fā)電效率低等問(wèn)題。在機組的長(cháng)壽命可靠性、體積功率、機械精密加工、減震降噪、可變幾何渦輪增壓以及高增壓(米勒循環(huán))、多氣源適應性、排放性能等方面還存在較大差距。

(二)天然氣分布式能源動(dòng)力裝備國產(chǎn)化規劃及展望

《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見(jiàn)》制定了天然氣分布式能源主要裝備的研制目標，當天然氣分布式能源項目裝機規模達到500萬(wàn)千瓦時(shí)，解決分布式能源系統集成，裝備自主化率達到60%;當裝機規模達到1000萬(wàn)千瓦時(shí)，基本解決中小型、微型燃氣輪機等核心裝備自主制造，裝備自主化率達到90%;到2020年，在全國規模以上城市推廣使用分布式能源系統，裝機規模達到5000萬(wàn)千瓦，初步實(shí)現分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)化。

《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃(2016-2030年)》提出到2020年自主創(chuàng )新目標：突破熱端部件設計制造技術(shù)，具備高性能復合材料大規模制備技術(shù);建成微型、小型和中型燃氣輪機整機試驗平臺;實(shí)現1MW以下級微小型燃氣輪機及分布式供能系統、1-10MW級小型燃氣輪機和10-50MW級工業(yè)驅動(dòng)用中型燃氣輪機的產(chǎn)業(yè)化。

《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》確定了15個(gè)領(lǐng)域的能源裝備發(fā)展任務(wù)，在電力裝備領(lǐng)域，提出燃氣輪機的裝備技術(shù)實(shí)施方案。

百千瓦級微型燃氣輪機：突破整體插拔式單筒燃燒室和回流，燃燒室高效低污染設計技術(shù)、離心壓氣機和向心渦輪設計、加工與試驗驗證、高效回熱器設計與驗證、燃用多種燃料燃燒器關(guān)鍵技術(shù)、燃氣輪機與高速電機一體化設計、燃機-傳動(dòng)系統軸承軸系的結構完整性和動(dòng)力穩定性技術(shù)和氣浮軸承與磁懸浮軸承技術(shù)。

5MW級燃氣輪機：突破高性能壓氣機設計、低排放及雙燃料燃燒室設計、高性能渦輪設計、伴生氣和煤制氣等低熱值燃料燃燒室研制，完成 5MW級燃氣輪機整機設計、關(guān)鍵部件試驗、樣機制造與整機試驗驗證。

10MW級工業(yè)燃氣輪機：突破高性能壓氣機設計、高性能低排放及雙燃料燃燒室設計、高溫氣冷渦輪設計技術(shù)和數字式控制系統技術(shù)，完成10MW 級燃氣輪機整機設計、關(guān)鍵部件試驗、樣機制造與整機試驗驗證。

30MW級中型工業(yè)燃氣輪機：突破高性能高穩定性軸流壓氣機技術(shù)、高穩定性、干式、低排放燃燒室技術(shù)、中低熱值合成氣、生物質(zhì)等多種燃料燃(續表)燒室技術(shù)、高性能、長(cháng)壽命渦輪技術(shù)、多軸系結構渦輪系統設計，變載荷及頻繁起停工況下的系統控制技術(shù)、多余度數字控制及狀態(tài)監測與預警系統技術(shù)，完成30MW級先進(jìn)燃氣輪機整機設計、關(guān)鍵部件試驗、樣機制造與整機試驗驗證。

50-70MW等級燃氣輪機：突破高性能軸流壓氣機、低排放燃燒室、高性能渦輪等關(guān)鍵部件制造、高熱聲穩定性、高預混度的斜向旋流通路設計優(yōu)化技術(shù)、基于預混值班的低排放多路燃料控制技術(shù);開(kāi)展常壓和全壓燃燒試驗，掌握50-70MW等級燃氣輪機低排放、性能優(yōu)化、全生命周期管理、遠程監控與診斷等技術(shù);開(kāi)展二次空氣系統關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，掌握先進(jìn)密封技術(shù)在燃氣輪機上的應用技術(shù);開(kāi)展先進(jìn)TBC涂層及粘結層的新材料和新工藝研究，提高TBC涂層的抗高溫能力進(jìn)一步降低熱導率，提高粘結層的抗氧化性能。建立基于產(chǎn)品生命周期管理的應用技術(shù)、基于PDMS平臺的多學(xué)科跨專(zhuān)業(yè)一體化3D開(kāi)發(fā)、燃氣輪機實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)物理仿真數字平臺，完成整機關(guān)鍵部件試驗、樣機試驗及工業(yè)考核。

鼓勵后續所有分布式能源項目和燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目采用自主研制設備和相關(guān)控制系統。

(部分資料來(lái)源于國電科學(xué)技術(shù)研究院 郝洪亮李玉剛)

來(lái)源：本文刊登在中國城市燃氣協(xié)會(huì )分布式能源專(zhuān)業(yè)委員會(huì )主辦的刊物《分布式能源》總第16期，轉載請注明出處。