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冷却是透平设计的关键,也是现代重型燃气轮机最关键的核心技术之一,其难点在于透平的热负荷在不断地提高,而冷气量却极为有限。目前应用较为广泛的冷却方式包括内部强化换热和气膜冷却,其几何结构和布置形式的变化都会对冷却效果产生显著影响。图 3为三菱公司从 D级到 J 级透平叶片冷却形式的发展过程,可以看到冲击冷却、全覆盖气膜冷却和新型气膜冷却孔被用到了最新的产品中,各家公司都在全力挖这些冷却形式的潜力来满足更高温度等级透平冷却的需要。
2.5 大力开发新一代高温材料
材料方面的进展,尤其是高温合金及其加工方式的突破极大地推动了重型燃气轮机的发展。透平叶片的精密铸造技术就是典型的代表,从多晶、定向结晶到单晶,透平叶片能够承受的燃气温度不断上升,燃气轮机整机的效率也不断上升。图 4为三菱公司透平叶片材料的发展历史,图 4 很好地反映了材料发展与燃气轮机产品进化的关系,同时也显示出材料性能革新的难度(其研发周期要远长于燃气轮机产品的更新换代)。
2.6 燃气轮机的多样化
燃气轮机不仅是 21 世纪天然气发电的主要设备,同时也是许多高效洁净能源动力系统的核心动力装备,如 IGCC 发电与多联产、分布式发电与热电冷联供、工业系统中余热余能回收、高/焦炉煤气、煤层气、伴生气、炼化尾气等中低热值燃气发电、高温气冷堆核电等。燃气轮机的工质、循环及参数、燃料类型、功率大小和运行环境等正在迅速多样化。例如:闭式循环、间冷、回热、再热等复杂循环燃气轮机,蒸汽冷却燃气轮机,以各种中低热值富氢燃料乃至氢为燃料的燃气轮机,单机功率为300 MW 以上的超大功率和仅为几百瓦的超小型燃气轮机,在极端环境(沙漠、极地、核反应堆内等)下运行的燃气轮机,以氦、湿化空气和其他特殊气体为工质的燃气轮机等。这些都有赖于对燃气轮机的核心技术及相关交叉学科进行更为广泛和深入的研究,科技界与产业界都面临挑战。
3 国内现状和水平
3.1 国内燃气轮机产业发展与研发现状
为了满足国内对燃气轮机电站建设的迫切需求,增大燃气轮机设备本地制造的比例、减少工程造价和降低运营成本,从 2003 年 3 月起国家发展与改革委员会组织了 3 次 F 等级(~260MW)和 E 等级(~120 MW)燃气轮机的“打捆招标”工作,总容量达 20000MW(60 多台套)。国内四大重型燃气轮机制造企业借此引进了 3 家国外燃气轮机公司的 E级和 F 级重型燃气轮机制造技术,并均完成了机组总装和厂内空负荷试车(三菱和西门子燃气轮机不需要厂内空负荷试车)。这促进了近几年我国燃气轮机工业的发展,但引进的机种和国外先进水平相比还有很大差距,国外燃气轮机制造企业通过提供热端部件维修、备件以及其他技术服务获取了巨额利润,而我国制造企业由于没有掌握燃气轮机核心技术、不具备产品的自主研发和设计能力以及热端部件的制造核维修能力,全行业处于产业链的低端,整体上不具备与国外企业竞争的能力。
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