高温合金在燃气轮机领域的应用及发展状况

能源yjbzj220132024/9/25

燃气轮机装置是一种以空气及燃气为介质的旋转式热力发动机，结构与航空发动机相似。燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，机组启动成功后，压气机连续不断从外界大气中吸入大气并增压，喷入燃烧室的燃料与空气混合后点火燃烧，高温高压燃气在涡轮中膨胀做功，2/3左右被用来带动压气机，其余通过机组的传输轴带动外界的各种负荷，如发电机、压缩机、螺旋桨、泵等。燃气轮机可以看作由燃气发生器和动力涡轮两大部分组成，用来带动压气机和附件的称为燃气发生器涡轮，用来带动减速器、螺旋桨或其他外负荷—专做功率输出的称为动力涡轮。

燃气轮机具有多种优点，例如效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等。它可用于发电、交通和工业动力等领域。按照输出功率来划分，燃气轮机可分为微型、轻型和重型三类。微型和轻型燃气轮机功率通常在50MW以内，可由航空发动机改制而成，能用于工业发电、船舶动力、管道增压、坦克机车、分布式发电及热电联供等场景；重型燃气轮机功率在50MW以上，主要用作陆地上固定的发电机组，如城市电网。

燃气轮机的发展方向包括提高装置的热效率、增加单机功率、发展联合循环系统、余热利用回热、燃用多种燃料以降低成本等。为了实现这些目标，需要不断改进燃气轮机的各个部件和循环系统，提高材料性能和制造工艺，以及探索新的技术和应用场景。

在我国，燃气轮机的研究和发展具有重要意义。它可以应用于“西气东输”等大型工程，以及船舶制造业等领域。例如，在“西气东输”工程中，需要使用燃气轮机驱动的压缩机来保证天然气的长距离输送。高效低碳燃气轮机试验装置的建设，也有助于我国在燃气轮机领域的技术研发和产业发展。但我国在燃气轮机技术方面，尤其是重型燃气轮机，曾面临国外的技术封锁，经过长期努力，目前已取得了一定的突破和成果。

目前燃气轮机广泛应用于发电、船舶动力、机车动力、管道增压等领域，全世界1/5发电量来自于燃气轮机，燃气轮机循环热效率可以到达60%，远远超过一般火电站使用的超临界燃煤系统的40%；在船舶动力方面，欧美舰艇燃气轮机装配率在50%以上。燃气轮机热端部件燃烧室、连接导管、导向叶片、工作叶片和涡轮盘大多采用高温合金材料制备，这一点与航空发动机类似，此外燃气轮机工作环境还需要承受高硫燃气和海水盐分的腐蚀，设备通常工作寿命要求达到50,000-100,000小时、涡轮盘工转数接近10,000转分钟、材料耐用温度超过600℃，为满足上述设备要求，部件材料必须使用具备耐高温、高蠕变强度特性的高温合金材料，目前国内外燃气轮机制造普遍采用镍基高温合金，相关需求难以替代。

图表：2019-2021年中国燃气轮机需求量

数据来源：中国机械业协会、中研普华产业研究院

根据中国机械业协会相关资料显示，在2019到2021年中国燃气轮机需求量呈快速上涨趋势，2019-2021年复合年增长率达40.84%，2021年中国燃气轮机需求量达789.6万千瓦时，较2020年增长了237.5万千瓦时。燃气轮机是能源系统的关键组成部分，是先进的动力机械装备，属于高新技术密集型产品。作为高科技的载体，燃气轮机是国家高技术水平和科技实力的重要代表，具有十分突出的战略地位。目前，仅有英、美、俄等少数发达国家具有完全独立研制燃气轮机的能力，我国燃气轮机早期受经济和工业水平影响发展较为缓慢，近年来国内燃气轮机发展有所突破，已经实现某型号燃气轮机的国产化。未来，通过“两机专项”重大战略的实施，我国将在重型燃气轮机设计技术、高温部件制造技术和运行维护技术等关键技术上力争实现突破，在国内基本形成完整的重型燃气轮机产业体系，国产燃气轮机的市场有着广阔的增长空间，并将促进高温合金材料需求的增长。

船舶作为燃气轮机的主要应用场景之一，对高温合金有极大的需求空间。军用舰船方面，由于近期地缘关系急剧紧张，亚太局势日趋复杂，台海、南海局势不断紧张，海军将成为未来国防发展的重中之重；我国不断部署新型舰船列装部队，目前已具备了较强的军用船舶研发和多舰艇建造的能力。从未来发展方向上看，美国现有11艘航母服役，中国目前仅2艘服役，仍有极大发展空间，航母编队需配置相应的护卫舰、驱逐舰、登陆舰和补给舰等舰船，将带来较大的舰队购置投入。高温合金材料作为军用舰船燃气轮机的重要部件原材料，市场空间拓展可期。

民用舰船方面，“十四五规划”提出，要立足产业规模优势、配套优势和部分领域先发优势，巩固提升船舶等领域全产业链竞争力，从符合未来产业变革方向的整机产品入手打造战略性全局性产业链。交通运输部和科学技术部联合印发的《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021-2035年）》提出，要强化船舶等装备动力传动系统攻关，突破高效率、大推力/大功率发动机关键技术，研发大功率船舶涡轮增压器等核心零部件，到2035年交通运输科技创新水平总体迈入世界前列。

2023年，我国造船三大指标：造船完工量、新接订单量、手持订单量，以载重吨计分别占世界总量的50.20%、66.60%和55.00%。我国造船完工量长期保持高位，2021年、2022年及2023年，我国手持船舶订单量较去年同期分别增长34.78%、10.15%及32.00%。

图表：2015-2023年中国三大造船指标