“皇冠明珠”千亿市场!国产轻型燃机蓄势待发
中科育成投资 · 2022-11-10 16:19:24 · 热度:加载中...

燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”,它的研发制造水平直接反映了一个国家的重工业水平。而这项科技的核心技术,我们一直被别人卡着脖子,直到2008年才有了零的突破,2019年实现了尖端部件的国产化。目前,燃气轮机零部件国产化率大幅提高,国产机型量产前景良好。

装备制造业“皇冠上的明珠”

燃气轮机(GasTurbine)是以连续流动的气体为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械,包括压气机、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等。
燃气轮机主要用于发电、分布式能源、电网调峰、机动电源、舰船驱动、长距离管输增压等,通常可以由航空发动机加自由涡轮衍生出来的,更加注重热效比。中科院热物理研究所曾把燃气轮机与航空发动机比喻为“血浓于水与龙生九子”现在人们通常把它们并称“两机”。目前,“两机”科技重大专项已经顺利成为国家第20个重大技术专项,与空天飞机和高超音速飞行器专项一起成为国家航空航天领域的重要突破。

“能源动力是工业心脏,从蒸汽机、汽轮机到内燃机、燃气轮机的递进发展推动着社会进步。”中科育成投资总经理陈静鹤表示,燃气轮机是发电、工业驱动、舰船动力等领域的核心动力装备,与航空涡轮发动机技术和产品同源,燃气轮机代表着动力机械的最高水平,集新技术、新材料、新工艺于一身,设计制造难度极高,是关乎中国高端制造业发展的战略性产业。

现代燃气轮机主要由压气机(compressor)、燃烧室(combustor)和涡轮(turbine)三大部件组成。

图片来自于杭汽轮 拓界公众号
当它正常工作时,空气从进气室进入燃机,高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气;燃料经预混或者雾化后在燃烧室与高压空气混合充分燃烧,产生高温高压燃气;高温高压燃气膨胀推动涡轮旋转做功;做功后的气体从排气口排出;工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个过程,从而完成一个将热能转化为动能的热力循环,实现了燃料的化学能持续转化为有用功,提供源源不断的动力。

图片来自于杭汽轮 拓界众号
按照燃烧室温度目前分为E级,F级和目前最先进的H级。其中,E级重型燃气轮机透平进口约1200℃,F级透平进口温度约为1400℃,目前最先进的H级透平进口温度达到1430℃-1600℃。温度越高,技术等级越高。
在国产30兆瓦级轻型燃气轮机方面,目前只有中船重工703所、中航发606所和中科院三家单位开展型号研制,中科国晟是中科院工热所30MW燃气轮机项目的产业化公司。
中科国晟基于中国科学院工程热物理研究所的多年研究,在燃气轮机技术积累和型号预研经验上占据一定的优势。国家某知名战机发动机总设计师,中科国晟董事、总经理、研究员肖波表示,研发燃气轮机需要突破许多“卡脖子”的技术难题,“中科国晟从2018年开始自主研发,2020年12月成功装配了首台30兆瓦的轻型燃气轮机,2021年1月成功试车,部分技术填补了国内空白,达到国际领先例如,为达到微米级装配精度,我们自主研发了气浮转台、高速叶尖磨床等国内首创的关键高端设备,设计制造了各类专用工装设备,最终达到压气机转子、静子、燃烧室喷嘴、涡流器、涡轮转子等关键部件和整机自主装配。

现代燃气轮机的两条发展路线

一般来说,现代燃气轮机有两条发展路线,第一条是重型的大功率和超大功率燃气轮机,它最早是由蒸汽轮机演变而来,在二战后的发展中,依靠引入航空涡轮发动机的技术而获得了快速进步。在电力领域,现代重型燃气轮机拥有比蒸汽轮机更高的热效率,但是蒸汽轮机能使用煤炭这样的低品质廉价固体燃料,因此仍未被重型燃气轮机淘汰。

2009年,东方电气集团开始50MW重型燃机自主研发;2019年5月,F级50兆瓦重型燃气轮机的气缸、转子、燃烧器、透平叶片等关键部件在东汽公司全部加工完成;2019年6月18日,原型机完成盖缸;2019年7月29日,原型机测点安装完成;2019年8月22日,原型机整机试验系统调试完成;2019年9月27日,由东方电气集团自主研制的具备完全自主知识产权的F级50MW重型燃机整机点火试验一次成功,标志着我国重型燃机整机和关键部件设计、高温部件制造以及试验验证技术取得重大突破,是我国重大技术装备制造业创新驱动发展的重大里程碑。

2020年9月22日,F级50MW重型燃机成功实现满负荷稳定运行,这是国内首台具有完全自主知识产权的F级燃机首次实现满负荷运行,标志着我国初步具备完整的F级重型燃机设计、制造和试验验证的能力,成功填补了国内重型燃机技术体系的空白。

图片来自于东方电气公众号
条路线,则是由各种航空涡轮发动机衍生而来的航改燃气轮机。航改燃机,即航空发动机改装的燃气轮机,就是把成熟的航空发动机通过去掉尾喷管,加装动力涡轮等方式加以适当的改装改型而得到的燃气轮机。燃气轮机和蒸汽轮机一起用于火力发电厂,高压下的天然气和空气的混合物在燃烧室内燃烧,然后膨胀的气体(燃烧产物)被供应到透平,透平叶片在膨胀气压下旋转,从而进一步带动发电机产生电能。
航改燃机的优点显而易见。由于充分利用了成熟的航空发动机技术,在现有机组的基础上进行改装研制,经济成本与时间成本都较低。航空发动机的涡轮前燃气温度与增压比都很高,故改装后的机组能拥有更高的燃烧效率。而航空发动机的体积和重量都要远远小于工业燃机,这也使得航改燃机更为小巧,能更加灵活地运用于多个场合。航改燃机采用先进的电子控制系统,起动快,自动化程度高,便于远距离遥控,适用于沙漠、荒原等无人居住地区。简单循环燃气轮机电站基本上不用水,联合循环燃气轮机电站用水量约为同等功率的蒸汽轮机电厂的1/3,适合缺水地区使用
另外,航改燃机检修方便,利用率高。航改燃机一般采用更换燃气发生器的办法来检修,这避免了工业燃机需要现场解体检修的麻烦。更换燃气发生器仅需要不到10个小时,相比于工业燃机长达一个月左右的检修周期,机组利用率大幅提高。

国产航改燃机现状

1975年,由中国航发南方(原中国南方航空动力机械公司)生产的第一台航改燃气轮机——WJ6G1完成设计,安装、起动运转和并网发电一次成功,投入使用。这是在新中国的燃气轮机产业发展史上重要的里程碑事件。WJ6G1燃气轮机由涡桨6发动机改型而成,同年投入小批生产,陆续提供石油工业使用。南方公司不仅研制生产出了我国第一型航改燃机,更是第一个将轻型燃气轮机成套设备推向市场、形成产业的企业。系列化的WJ6G燃机已经生产了近200台,成为历史上产量最大的一型国产燃气轮机。
1983年,我国成立了“中国轻型燃气轮机发展中心”,全面规划和支持轻燃气轮机生产和布局的发展,以提高航空燃气轮机发动机的研发能力,充分利用目前现存的实验平台和机械设备自主研发并进行技术改进,同时开发先进设计数据库,逐步形成一定的工业产品,改善航空发动机现状。
进入21世纪后,随着我国城市化进程不断加快,国家大型能源建设项目相继启动,我国航改燃机的发展迈入了向技术制高点总攻的阶段。2017年,为加快推进燃气轮机产业创新发展,国家发展改革委和国家能源局联合印发《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》,并组织了第一批燃气轮机创新发展示范项目。
截至目前,我国航改燃机的发展有目共睹。涡桨6发动机改装的航改燃机成系列化发展,给用户带来了较高的环境和经济效益。中国航发研制的QD70燃气轮机体积小、发动快、运转保护便利,成功填补了7MW功率燃气轮机产品的空白,可广泛使用于分布式动力发电、备用发电、海上渠道发电等。此外,包括由“昆仑”航空发动机改型而来的QD128燃气轮机等,在发电领域也发挥了重要作用。

图片来自于中国航发公众号

国产替代刻不容缓

整体来看,在政策上我国十分重视燃气轮机作为“工业皇冠上的明珠”的地位,“两机专项”成为中国高端制造业发展的基本方向,《中国制造2025年》,明确提出要组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、民用航天等一批重大工程。2020年,国家能源局表示,首批燃气轮机创新发展示范项目力争在2022年前完成技术装备攻关和项目建设,有望实现以下目标:我国燃气轮机产业长期以来依赖进口的关键核心技术将逐步实现国产化。
由于不同的历史背景,燃气轮机沿着不同技术道路发展,一条以罗罗、普惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机;一条是以西门子、ABB、GE公司为代表,遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机,主要用于机械驱动和大型电站。
从世界范围内看,整个市场主要被GE公司、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗罗公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。为了尽快追上美日的脚步,一方面,我国大力收购西方燃气轮机企业,尽快缩短差距,如上海电气于2014年入股意大利安萨尔多;另一方面,走自主研发路线,从根本上解决中国燃气轮机受制于人的问题。
不过想要实现燃气轮机自主可控并非易事,我国年进口燃气轮机的数量远大于出口的数量,并且进口成本也远大于出口的金额,这说明当前我国燃气轮机的研发和生产还远远不能满足市场需求
根据Statista统计数据,2015-2020年全球燃气轮机市场规模呈现上涨趋势。2020年全球燃气轮机市场规模为225.4亿美元,同比增长3.47%,我国的市场规模为500亿元人民币。由于燃气轮机能够取代煤炭、石油等热动力设施,并且由于天然气的碳密度低于其他传统燃料,在世界各国减少碳排放的大背景下,未来全球燃气轮机市场规模将保持增长,预计到2026年全球燃气轮机市场的规模预计将达到283亿美元

中科育成投资总经理陈静鹤认为,“大力发展我国燃气轮机技术,实施国产替代,从战略上讲,有利于我国在国际竞争中掌握主动权、打好主动仗;从技术上讲,有利于掌握自主自强的核心技术;从经济上讲,有利于降低综合运行成本。未来国产化替代仍是燃气轮机国内市场的主要方向。”

中国航空学会理事长、中国航空工业集团公司原董事长林左鸣曾在公开采访中表示,燃气轮机俗称“动力的心脏”,事关国家能源安全、国防安全,事关国计民生和科技创新,这样的大国重器,其关键技术“等不来,要不来,讨不来”,必须打破西方“卡脖子”垄断局面,切实掌握自主可控技术。

END

中科育成投资,面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求,专注于中国科学院下属12个分院、100多家院所、4所大学的世界领先、国内领先硬科技项目、卡脖子技术

部分已投项目:本源量子(量子计算龙头企业)、中科航星(轻型航空发动机细分行业龙头企业)、中科深链(空间高速数据中继通信服务龙头企业)、赛昉科技(RISC-V领域指令集架构集合芯片设计龙头企业)、芯旺微电子(自研内核,车规级MCU芯片的龙头企业)、上扬软件(半导体MES系统龙头企业)、中科国晟(世界一流燃气轮机企业)等。

部分所获荣誉:中国风险投资行业年度榜单·金投奖“2022年度中国新锐投资机构TOP20”;2022年度中国股权投资年中榜系列榜单“中国最佳早期投资机构综合榜Top50”“中国最佳早期投资机构活跃榜Top50”第四届青岛·全球创投风投大会——“2022青岛十佳活跃创投机构”;投中2022年度排行榜最具成长潜力创业投资机构TOP102021年度中国股权投资年度最佳创业投资机构活跃榜单TOP50;“第一新声”发布2022Q1最活跃机构综合榜——最活跃机构“早期投资机构TOP30等。

本信息仅供参考,不构成对任何人的投资建议。市场有风险,投资需谨慎。

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