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工業燃氣輪機先進技術現狀及發展趨勢

文檔作者：孔祥林1，2，高進1，2，趙仕志1，2 文檔來源： 1. 東方電氣集團東方汽輪機有限公司 2. 清潔高效透平動力裝備全國重點實驗室		更新日期： 2026年05月02日	點擊數：
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上一篇：淺析壓縮機在煤化工工藝中的應用和實踐

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第31卷 第4期 2024年8月
Vol.31 No.4 Aug., 2024
收稿日期：2023-12-01 修回日期：2024-04-06
基金項目：國家重大專項“重型燃氣輪機及聯合循環性能監測與運行優化研究”（J2019-I-0003-0004）
第一作者：孔祥林（1970—），男，碩士，教授級高級工程師，從事燃氣輪機研發及管理工作。
E-mail：kongxianglin@dongfang.com
通信作者：高進（1985—），男，博士，高級工程師，從事燃氣輪機研發工作。E-mail：gaoj@dongfang.com
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世界石油工業
World Petroleum Industry 雙碳三新 D
Decarbonization &amp;amp; Transformation
引用格式：孔祥林, 高進, 趙仕志. 工業燃氣輪機先進技術現狀及發展趨勢[J]. 世界石油工業, 2024, 31(4): 120-128.
KONG X L, GAO J, ZHAO S Z. Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine[J]. World Petroleum Industry,
2024, 31(4): 120-128.
工業燃氣輪機先進技術現狀及發展趨勢
孔祥林1，2，高進1，2，趙仕志1，2
（1. 東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000；
2. 清潔高效透平動力裝備全國重點實驗室，四川 德陽 618000）
摘要：燃氣輪機具有功率密度高、碳排放相對較少、啟動快、燃燒環保燃料能力等特點，是未來能源領域設備的重要組
成部分。為了促進燃氣輪機及其相關技術進步，助力研發高性能的燃氣輪機，為此對工業燃氣輪機先進技術現狀及發展
趨勢進行綜述。對與工業燃氣輪機相關的通用先進技術發展趨勢進行分析，包括高性價比的大規模計算能力、高度自主
的系統、增材制造、人工智能和網絡安全。對燃氣輪機的燃燒、結構材料和涂層、增材制造、熱管理、智能運行和維護、
閉式和混合循環燃氣輪機系統、用于儲能系統的燃氣輪機等7個重點研究領域的發展目標和趨勢進行了詳細分析。建議對重
點研究領域進行深入研究，提高燃氣輪機的效率和負載靈活性、增強與可再生能源的兼容性、減少排放、增強燃料靈活
性，以便智能運行和維護，降低燃氣輪機的研發成本，同時可助力燃氣輪機及相關技術進步。
關鍵詞：工業燃氣輪機；增材制造；氫燃燒器；電網系統；發展趨勢
中圖分類號：TE9 文獻標識碼：A
文章編號：1006-0030(2024)04-0120-009 DOI: 10.20114/j.issn.1006-0030.20231201002
Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine
KONG Xianglin1, 2, GAO Jin1, 2, ZHAO Shizhi1, 2
(1. Dongfang Steam Turbine Co., Ltd., Deyang, Sichuan 618000, China;
2. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment, Deyang, Sichuan 618000, China)
Abstract: Gas turbine is an important component of the future energy field with characteristics of high power density, relatively
low carbon emissions, fast start-up and the ability to burn environmentally friendly fuels. In order to promote the development of
gas turbine technology and related technologies, and assist in the research and development of high-performance gas turbines, this
paper summarizes the current status and development trends of advanced industrial gas turbine technologies, and analyzes the
development trends of global advanced technologies related to industrial gas turbines, including low-cost large-scale computing
capabilities, highly autonomous systems, additive manufacturing, artificial intelligence, and cybersecurity. It details the
development goals and trends of seven key research areas: gas turbine combustion, structural materials and coatings, additive
manufacturing, thermal management, intelligent operation and maintenance, closed and hybrid cycle gas turbine systems, and gas
turbines for energy storage systems. It is recommended to conduct in-depth research on the key research areas mentioned above,
in order to improve the efficiency and load flexibility of gas turbines, enhance their compatibility with renewable energy sources,
reduce emissions, enhance fuel flexibility, facilitate intelligent operation and maintenance, reduce the cost of gas turbine research
and development, and promote the progress of gas turbines and related technologies.
Keywords: industrial gas turbines; additive manufacturing; hydrogen combustor; power grid system; development trend
0 引言
燃氣輪機依托先進的冷卻和涂層技術，可以在
結構材料的熔點以上工作，具有功率密度高、碳排
放相對較少、啟動快、可燃燒環保燃料等特點，廣
泛應用于航空、發電、船舶、石油化工等領域，具
有龐大的技術和經濟增長潛力。到2032年，全球燃
氣輪機的年產值預計增長至約1 100×108美元，其中
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航空用燃氣輪機占總市場的85%左右[1]。
燃氣輪機是一種高度復雜的產品，各國政府和
學者在其技術發展領域上投入了大量資源和精力。
因此，了解與工業燃氣輪機相關的通用技術現狀非
常重要，這些通用技術有助于燃氣輪機的開發和技
術進步。隨著可再生能源的快速增長和減碳的需
求，發電市場正在經歷重要變革。為了使燃氣輪機
能夠保持其在市場上的重要地位，需要對燃氣輪機
先進技術開展持續的研究和投資。本文針對工業燃
氣輪機，即工業驅動和發電用燃氣輪機先進技術發
展趨勢進行分析。
1 與燃氣輪機相關的通用先進技術
1.1 高性價比的大規模計算能力
高性價比的大規模計算能力可提高燃氣輪機
設計和制造精度，進而提升效率，具體表現在3個
方面：（1）在設計方面，高性價比的大規模算力
可為燃氣輪機復雜系統級的模擬提供支持[2–3]，如
動力學耦合、湍流畸變和復雜混合現象產生的空氣
動力學載荷；（2）在制造方面，高性價比的大規
模算力可提供以不同分辨率模擬增材制造等新制
造技術的能力；（3）在運行和維護方面，利用虛
擬傳感器生成或物理傳感器測量的大規模實時數
據分析有助于燃氣輪機的運行和維護。上述應用都
需要高性價比的大規模算力進行大規模模擬，并利
用先進硬件技術進行加速計算以降低模擬成本。
1.2 高度自主的系統
高度自主的系統有助于降低燃氣輪機的運行
和維護成本。自主系統將通過改進維修、維護和檢
查流程，提高燃氣輪機系統的靈活性和智能化水
平，從而提高系統的可靠性，降低產品生命周期成
本[4]。實現高度自主的燃氣輪機系統需要依托小型
化機器人、自主導航、自動化維修和檢查、遠程操
作、遠程呈現等新興技術。
1.3 增材制造
增材制造是基于數字產品開發能力的核心技
術，通過該技術，可以快速精密制造新設計的復雜
三維結構，加快新產品的驗證，縮短新產品的研制
周期[5]。同時，基于增材制造的工藝，能采用系統
的方法來進行零件設計，從而減少零件數量，減輕
系統質量，增強耐用性，降低生命周期成本。
1.4 人工智能
人工智能（包括機器學習）有助于在產品設計、
制造、運行和服務的整個生命周期內提高燃氣輪機
的效率和裝備質量[6]。人工智能和數據庫的進步還
有助于決策制定、改進維護流程、提高可靠性和降
低運營成本。
1.5 網絡安全
隨著燃氣輪機行業的互聯互通，存儲在設計、
制造、運營和維護系統中的核心數據量不斷增多，
網絡安全與信息保密的重要性日益顯著。截至目
前，大多數針對能源系統的攻擊都針對IT基礎設施
或斷路器[7]。在這種情況下，可以通過重新啟動計
算機或重置斷路器以迅速解決問題。但是，如果攻
擊導致重要的大型定制設備發生物理損壞，可能需
要數周甚至數月才能恢復。所以管理好網絡安全才
能保證燃氣輪機及其核心數據的安全。
2 燃氣輪機關鍵先進技術發展目標及趨勢
以性能改進、技術風險及應用廣度3個指標來
判斷一項技術是否為工業燃氣輪機的關鍵先進
技術[1]。
（1）性能改進。性能改進包括：① 滿負荷和
部分負荷時的效率；② 生命周期成本，即設計開發
時間和成本、制造時間和成本、可靠性、可用性和
可維護性；③ 燃料靈活性；④ 排放；⑤ 與可再生
能源和未來電網的兼容性。
（2）技術風險。先進技術通常伴隨有中高風
險，風險越高，技術研發失敗的可能性越大，而低
風險技術已經被大量研究，所以應對關鍵先進技術
進行全面的風險評估。
（3）應用廣度。該指標用于評估一項技術支
持其他技術發展的能力，以及一項技術與其他研究
領域的關系。
根據上述評判指標，提出工業燃氣輪機關鍵先
進技術的發展目標及需要優先發展的研究內容。
2.1 關鍵先進技術發展目標
綜合考慮先進技術對燃氣輪機性能改進的作
用、技術風險和應用廣度，建議將效率和負載靈活
性、與可再生能源的兼容性、排放、燃料靈活性、
成本以及智能運行和維護作為優先發展目標。
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世界石油工業
World Petroleum Industry D 雙碳三新
Decarbonization &amp;amp; Transformation
2.1.1 效率和負載靈活性
對于發電用燃氣輪機，聯合循環的目標效率為
70%，簡單循環的目標效率為50%以上[1, 8]。對于管
道壓縮機站（含石油和天然氣應用）用燃氣輪機，
應能承受大的負載波動，部分負載下能高效運行。
目前，用于發電的重型燃氣輪機聯合循環效率
約64%，簡單循環效率約44% [9–10]。為達到上述目
標效率，需要進一步提高燃燒溫度，而該方法會造
成氮氧化物（NOx）排放量增加。在提高效率的同
時降低NOx的排放具有很高的難度，這需要引入革
命性的技術，甚至更改燃氣輪機的基本構架或研發
全新的材料。該目標的技術風險很高。
在石油和天然氣行業，燃氣輪機驅動壓縮機在
各種負載和轉速下運行，在變工況時通過保持燃燒
溫度和將軸流壓縮機空氣直接排放到排氣系統中
以減少排放，但其顯著降低了效率。天然氣管道
在未來會與可再生能源整合[11]，這需要壓氣站的燃
氣輪機頻繁啟停和在部分負荷下運行。由于天然氣
管道具有儲能功能，可以適應對天然氣需求的突然
變化，故快速啟動不作為管道壓氣站燃氣輪機的重
要性能參數。由于壓縮機站一般都位于偏遠地區，
外部電力供應不足，而天然氣燃料很容易獲得，所
以雖然電動機在部分負載下效率高，但運營商更偏
向采用燃氣輪機驅動。由于已經有較多在研技術，
該目標的技術風險為中等。
2.1.2 與可再生能源的兼容性
調峰用燃氣輪機的關鍵技術是與可再生能源
的集成[12]。燃氣輪機快速啟動和靈活運行的能力可
使電網能夠快速平衡由風能和太陽能帶來的電力
波動。實現這一目標將提高燃氣輪機與可再生能源
的兼容性，減輕對環境的影響。燃氣輪機/電池混合
系統可以減少燃氣輪機啟動次數，并延長燃氣輪機
的可利用時間，有助于減少燃料、維護成本和有害
排放。該目標的技術風險為中高。
2.1.3 排放
降低燃氣輪機CO2排放不能以降低性能為代價，
同時NOx和其他有害物質也應滿足排放標準[13]。燃
氣輪機通常需要在高溫、高壓下運行，造成NOx加
速釋放，需要研發新的燃燒技術以實現將NOx排放
控制在可接受范圍，同時保持足夠的燃燒調節能
力。該目標的技術風險為中等。
2.1.4 燃料靈活性
用于發電及石油和天然氣行業的燃氣輪機要
求使用極高比例的氫氣和其他各種成分的可再生
氣體燃料[14–16]。實現該目標可減輕對傳統碳基燃料
的依賴，并實現接近零排放以降低對環境的影響。
實現該目標將提高燃氣輪機與可再生能源和未來
電網的兼容性，使其能夠燃燒可再生能源燃料，例
如生物燃料。該目標的技術風險高。
2.1.5 成本
降低發電燃氣輪機的平準化電力成本，以確保
能長期與太陽能和風能系統的成本保持競爭力。平
準化電力成本包括發電廠的資本成本和持續運營成
本。資本成本包括建設成本、融資成本、稅收抵免
以及其他與工廠相關的補貼或稅費。持續運營成本
包括燃料成本、預期維護成本以及基于發電廠運營的
其他相關補貼或稅費[17]。
平準化電力成本為購買和運營燃氣輪機的關鍵
指標之一，需要不斷提高燃氣輪機的性能并在成本
上保持與可再生能源的競爭力。由于提高燃氣輪機
性能可能會需要更貴的材料和更復雜的部件，從而
導致更高的制造成本。該目標的技術風險很高。
2.1.6 智能運行和維護
開發智能運行和維護技術，在不降低可用性或
可靠性的情況下，保證天然氣管道壓縮站的燃氣輪
機不間斷運行3年或更長時間。燃氣輪機智能運行
和維護優化了整個生命周期內的運行、維護和檢
修。先進的智能運行和維護算法通過在線評估運行
數據，計算剩余使用壽命、故障概率以及檢修成本，
以便運營商和原始設備制造商依據這些信息制定
維護計劃[18]。
實現該目標將使運營商能夠最大限度地縮短
燃氣輪機停機維護時間，從部分負載到峰值負載條
件下的靈活運行，提高可用性，從而提高運營效率，
降低生命周期成本。目前，定期維護的典型周期為
每6～12個月1次。特別是對于管道上應用遠程和無
人值守的燃氣輪機，保障其長時間正常運行尤其重
要。隨著智能運行和維護技術的成熟，無人值守壓
縮機站的應用將更加廣泛。應減少維護干預和非計
劃停機來提高天然氣輸送的整體效率。目前，發電
用和石油及天然氣行業用燃氣輪機在沒有定期維
護的情況下，尚未實現連續運行3年以上。短期來
看，該目標的技術風險為中等。
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2.2 關鍵先進技術發展趨勢
根據工業燃氣輪機關鍵先進技術的發展目標，
需要重點在燃燒、結構材料和涂層、燃氣輪機增材
制造、熱管理、智能運行和維護、閉式和混合循環
燃氣輪機系統、用于儲能系統的燃氣輪機等領域優
先開展研究。
2.2.1 燃燒
該領域重點研究低排放，可以在高溫、高壓環
境中工作以及具有燃料靈活性的燃燒系統。對NOx
排放的限制日趨嚴格，導致燃燒技術發生了根本轉
變，預混燃燒技術占比不斷上升，包括對火焰穩定
性、排放、湍流燃燒和燃燒化學的研究[19]。為了提
高燃氣輪機的效率，需要不斷提高新一代燃氣輪機
的燃燒壓力和溫度，目前H/J級重型燃氣輪機的壓
力比高達24，透平入口溫度高達1 600 ℃ [10]，在如
此高的壓力和溫度下減少有害排放具有極高難度。
同時，隨著可再生能源在電網中的比例越來越大，
亟需電網大規模調峰并具有跨季節、跨地域儲能能
力，以實現電網的穩定。氫燃氣輪機作為未來新型
電力系統的主要設備，可以大規模消納可再生能源
生產的氫能，并在未來能源系統中發揮重要調峰作
用，是實現碳中和的主要技術路徑之一，這對燃燒
器是否可以燃燒一定比例的氫氣或純氫氣燃料提
出了要求。
（1）高溫和高壓下減少有害排放的燃燒技術。
NOx的生成隨溫度呈指數級增長，也隨壓力呈正比
關系。此外，減少NOx排放的同時很可能會增加CO
或顆粒物排放。在透平入口溫度低于約1 500 ℃時，
可通過燃料和空氣預混來減少NOx排放，其中貧預
混燃燒方法在該方面很有效，但是存在燃燒火焰位
置不穩定的問題，并且由于熱值的波動容易發生燃
燒振蕩。為了解決上述問題，需要確定燃燒器內火
焰的具體位置，但其在高溫、高壓條件下很難確定，
ITO等[5]通過光學測量和大規模非定常數值模擬開
發了火焰位置評估技術。然而，由于燃燒器壓力和
溫度的進一步提高，即使在完美的預混下，也會產
生不少的NOx，需要研發新的燃燒模式來實現低
NOx排放。由于NOx的產生和形成速率與燃燒器停
留時間成正比，新的燃燒模式應具有使NOx形成速
率最小，縮短停留時間，同時保持足夠的燃燒調整
的能力。理論研究證明[20]，與常用于高效地面燃氣
輪機的傳統干式低NOx燃燒器相比，分布式燃料噴
射技術可以將NOx排放量減少1個數量級。
（2）氫燃燒器。目前主要的燃氣輪機生產廠
家都在積極推進氫燃氣輪機的研發和商業化應
用。燃氣輪機行業承諾，2030年可研發出燃燒純
氫氣的燃氣輪機。采用氫燃料會帶來如下挑戰[21]：
① 自燃，由于氫氣點火延遲時間較短，自燃風險
較高；② 回火，由于氫氣火焰傳播速度較高及點
火延遲時間較短，回火風險較高；③ 容易產生熱
聲振蕩，由于氫氣具有較高的火焰速度、較短的
點火延遲時間和不同的火焰穩定機制，導致不同
的火焰形狀、位置和反應性，燃燒室聲學頻率處
或附近的燃燒振蕩可能增加；④ NOx排放量增加，
氫氣快速燃燒所釋放的熱量使燃燒室溫度急劇升
高，同時氫氣的加入會使化學反應中的活化分子
體積分數增加，從而導致NOx高排放問題；⑤ 沃
泊指數較低，壓降越大，沃泊指數的變化越大，
燃燒系統和相關控制所需的靈活性就越大；⑥ 縮
短熱部件使用壽命，燃燒氫氣將增加煙氣中的含
水量，從而使燃氣輪機熱通道部件的傳熱加快，
這對冷卻系統提出了技術挑戰。
目前，解決氫燃氣輪機回火和降低NOx排放量
可行的方法是微混燃燒器[22]或多簇燃燒器[23]。上述
燃燒器利用多個小火焰取代單一大火焰，縮短了反
應物停留時間，可降低NOx生成，同時小孔徑噴嘴
噴出的高速射流消除了回火風險。
2.2.2 結構材料和涂層
結構材料和涂層技術的發展一直是現代工業
燃氣輪機效率和性能不斷提高的基礎。未來燃氣輪
機結構材料和涂層領域的重點研究內容為：陶瓷基
復合材料、基于物理的材料壽命計算模型、先進的
高溫合金及其部件設計方法。上述研究將提高燃氣
輪機的效率，延長使用壽命。
（1）陶瓷基復合材料（CMC）。CMC由碳、
碳化硅（SiC）、氧化鋁（Al2O3）、莫來石（Al2O3-SiO2）
等纖維組成，與傳統陶瓷相比是輕質、超高溫和高
抗斷裂材料[14]。CMC的開發已超過30年， CMC纖
維重點應用于燃燒器和透平的靜葉和動葉，使得燃
氣輪機具有更高的工作溫度（CMC適用于1 500 ℃
及以上的表面溫度），可減少冷卻空氣量，并使燃
料完全燃燒。該技術的預期收益是燃料和CO2排放
減少2%，熱部件質量減輕約50%，提高燃氣輪機效
率并降低電力成本[1]。開發CMC的先進生產方法，
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以進一步降低高質量SiC纖維成本，使得CMC能在
燃氣輪機內廣泛應用。CMC部件使用陶瓷基體中的
陶瓷纖維制造，該復合材料需要高強度耐火纖維，
能夠承受熱偏移，而高強度、抗蠕變、抗氧化的SiC
纖維可以滿足上述要求。采用經濟有效的聚合物加
工路線開發最佳的SiC纖維，生產具有優異強度保
持率、彈性模量和抗蠕變性能的纖維，其關鍵特征
是：化學計量比或碳硅比、保護晶界、低殘余氧含
量和無雜相。研究的目標是在現有CMC技術使用溫
度的基礎上提高170 ℃，并比鎳基材料高450 ℃。
（2）基于物理的材料壽命計算模型。建立基
于物理的壽命計算模型，解決燃燒器和透平部件材
料的退化問題[24]。該模型有助于先進材料、制造技
術和數字孿生的研發，其需要解決以下問題：① 金
屬結構材料和涂層的熱腐蝕和氧化；② 熔鹽引起的
高溫應力腐蝕開裂；③ 熱腐蝕、氧化及水分引起的
退化；④ 鈣鎂鋁硅酸鹽引起的熱脹及環境屏障涂層
的退化和侵蝕；⑤ CMC在極端運行溫度下能長期
保持力學性能。
（3）先進的高溫合金及其部件設計技術。鎳
基高溫合金已經在燃氣輪機中使用了50多年，雖然
定向凝固或鍛造生產的鎳合金在持續發展，但是這
些類別的合金已經達到了當前燃氣輪機工作溫度
極限[14]。先進的高溫合金技術研發主要集中在3個
方面：① 定向凝固鑄造技術；② 用于透平動葉和
靜葉的鎳基高溫合金化學成分開發；③ 用于盤（轉
子）的粉末冶金高溫合金[25]。然而，提高溫度能力
的研究和開發已經到了收益遞減的階段。
為了提高燃氣輪機效率，燃燒器和透平中需要
使用CMC以及可以在超過當前設計溫度下使用的
金屬材料。先進的高溫合金需要引入新的技術，
如高熵合金、高溫鈦合金、鈷基高溫合金和難熔
合金[26–27]。此外，還需要開發先進高溫合金部件
設計技術，包括由多種微結構和單晶輪緣組成的混
合透平輪盤。
2.2.3 燃氣輪機增材制造
增材制造的主要優點是減輕部件質量，減少零
件數量，允許其他工藝無法制造的內部結構，可小
批量生產，并縮短開發時間，其在新型冷卻部件、
新型高溫合金的集成設計，以及對微觀結構進行結
構控制方面具有優勢。增材制造于1987年通過三維
系統的立體光刻技術在商業上出現，已經發展了30
多年，現面臨的主要技術難題是變形、裂紋、組織
難調控和表面質量差等[28]。上述難題需要通過集成
傳感、傳感器數據的自主分析和過程校正方面的研
究予以解決。應該重點從3個方面開展研究。
（1）集成設計和增材制造。開發先進的方法，
將材料、工藝、機器和成本模型與計算機輔助設計
軟件集成，創建一個完整的數字工程體系，滿足燃
氣輪機設計師對增材制造的特殊需求。該技術可高
效、高精度地滿足燃氣輪機熱部件中創造性的冷卻
幾何結構，能夠設計新的、更高性能的高溫材料以
及微觀結構。
（2）高溫結構材料的增材制造。開發新的高
溫結構材料和先進的增材制造設備工藝，以提高熱
效率和工作溫度極限，并增強使用增材制造生產的
燃氣輪機部件的耐用性。特別是在開發新的、低成
本的粉末生產方法方面，開發制造過程中的微觀結
構、生產柱狀晶粒和單晶零件是最具有挑戰性的研
究內容。
（3）傳感器、機器學習和過程分析集成。將
基于物理的成分、加工、微觀結構、機械行為模型、
人工智能分析、工藝信息等集成到制造基礎設施中，
以提高燃氣輪機部件的工藝控制和首次產量。
2.2.4 熱管理技術
熱管理研究的目的是開發先進的冷卻方法，可
以快速、低成本地應用于燃氣輪機，實現更高的透
平入口溫度、更高的循環壓比以及更低的燃燒器和
透平冷卻流量，從而在滿足燃氣輪機壽命要求的同
時提高熱力學循環效率。
目前燃燒器和透平部件的冷卻流量約占壓氣
機總空氣流量的25%。現代燃氣輪機受益于數十年
來對高溫合金、先進涂層和先進冷卻技術的研究，
將先進的鎳基高溫合金與冷卻技術的應用相結合，
不斷提高透平入口溫度。同時，通過不斷提高循環
壓比來實現更高的熱效率，但壓氣機抽取的冷卻空
氣的溫度也隨循環壓比的增加而升高，其會影響燃
燒器和透平的冷卻。因此，有必要開發利用更高溫
度的冷卻空氣的熱管理技術，以保證熱端部件正常
使用壽命。該研究領域包括3個研究方向。
（1）創新冷卻技術。通過創新的冷卻技術和
方法[29]提高燃氣輪機熱端部件的冷卻效率。包括：
① 通過增材制造技術，采用熱、氣動、強度、振動、
輕量化等多目標協同方法生產復雜高效的桁架晶
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格結構；② 將先進的微米級孔、精細化冷卻通道和
微尺度表面結構等微尺度冷卻結構應用于燃燒器、
透平葉片；③ 在透平葉片中應用強導熱高溫熱管技
術；④ 采用CMC制造葉片的冷卻技術，采用CMC
可將工作溫度升高100 ℃，超過了現有單晶葉片的
工作溫度。
（2）全共軛傳熱模型。開發先進的全共軛傳
熱技術[30]，以實現燃燒器和透平冷卻結構的優化
設計，最大限度地減少熱端部件冷卻空氣流量，
提高透平入口溫度，并實現更高的壓比。增材制
造技術可使燃氣輪機熱端部件實現更為復雜和精
細的結構，但是目前對復雜先進的冷卻結構的物
理機理缺乏認識，限制了燃氣輪機熱端部件高效
冷卻結構的設計能力。所以需要對全共軛傳熱分
析進行研究，通過單一的模型來模擬流體和固體
的傳熱，從而準確捕捉氣膜冷卻流和主氣路之間
復雜的三維熱量交換，從而為熱端部件的冷卻結
構優化提供理論基礎。
（3）顆粒物的影響機理研究。由于一些地區
的空氣污染，顆粒流（含固體顆粒、熔化或部分熔
化的顆粒以及熱氣的混合物）可以進入燃氣輪機并
沖擊主氣體路徑以及二次空氣路徑中的部件。沙子
或大氣顆粒物等顆粒物的濃度會顯著減弱燃氣輪
機的性能，并經常導致停機，尤其在石油天然氣行
業。與這些環境相關的基本物理機理尚不明確，需
要使用高保真度模擬和實驗對相關環境條件進行
綜合研究，這些環境條件包括與顆粒攝入相關的簡
單到復雜現象。環境顆粒會侵蝕壓氣機葉片，而在
燃氣輪機的熱端部件（燃燒器和透平）內停留時間
足夠長的顆粒則會黏附在部件表面，從而引發嚴重
故障。當顆粒黏附在熱端部件表面上時，因內部通
道堵塞而減少冷卻流量或增加壁與冷卻空氣之間
的熱阻，金屬溫度通常會急劇升高，而更高的金屬
溫度反過來會導致黏附顆粒溫度更高，從而使更多
顆粒黏附在表面[31]。冷卻后，表面熔化顆粒會導致
保護涂層剝落。
2.2.5 智能運行和維護
研發智能運行和維護技術，通過減少計劃和非
計劃維護的次數來改善燃氣輪機的運行，從而減少
非計劃停機次數[32]。
（1）先進傳感器技術。在燃氣輪機上使用的
傳感器，對尺寸、成本、溫度、壓力、可靠性和壽
命等方面有極高的要求，傳感器要能夠在燃氣輪機
惡劣的內部環境中實現對部件的實時監測[33]。與傳
統的有線傳感器相比，易于安裝、成本較低、堅固、
可靠的無線傳感器具有巨大的優勢。在燃氣輪機部
件的使用壽命內，傳感器和信號傳輸系統需能承受
高溫、惡劣環境（腐蝕性和氧化性）和振動的影響。
其中溫度數據尤為重要，目前有許多不同的技術用
于燃氣輪機部件的溫度測量，包括金屬絲熱電偶、
噴涂熱電偶、薄膜熱電偶、高溫計、示溫漆、熱晶
體和紅外熱像儀等。然而，這些技術中的每一種都
有局限性，所以需要對特定傳感器進行專門研究，
例如研究利用增材制造等新興技術改進傳感器與
燃氣輪機部件的集成[34]。
（2）先進檢查和維修技術。開發現場檢查和維
修技術，以評估燃氣輪機的退化狀態，最大限度地
延長運行時間，降低長期維護成本。目前主要通過
目視和內視鏡檢查燃燒器和透平葉片等關鍵部件的
狀態。這種方法需要依靠專家判斷來識別和分類缺
陷，檢查的效果取決于專家經驗。為了有效地檢查
燃氣輪機，對新興技術進行研究：① 遠程操作和遠
程呈現；② 小型化檢查機器人；③ 單目標同時定位
與建圖（利用傳感器數據實現機器人定位和地圖構
建技術，其通過不斷觀測環境以及機器人自身的狀
態來更新機器人的位置，并在這個過程中構建出環
境地圖）；④ 自主導航；⑤ 人工智能輔助分析檢查
數據；⑥ 新的人機界面，通過利用機器人、遠程呈
現、遠程操作、人工智能[35]等新興技術實現燃氣輪
機現場智能檢測和維修。
（3）先進控制技術。開發先進的控制技術，
以滿足電網與可再生能源和儲能系統日益一體化
的運營需求。需要開發“更智能”的燃氣輪機，通
過利用外部環境（天氣預報）、商業條件（燃料成
本和電價）和客戶偏好（風險規避）等相關領域的
信息，來更有效地控制燃氣輪機。該研究需要借鑒
人工智能技術，尤其是機器智能，通過控制技術提
高燃氣輪機的性能，并通過數字孿生的應用來指
導運行和維護，同時降低燃氣輪機的運行成本[36]。
2.2.6 閉式和混合循環燃氣輪機系統
為了進一步降低排放和提高效率，目前正在研
發的閉式和混合循環燃氣輪機系統分別為氧燃燒
循環（Allam循環）燃氣輪機系統和燃料電池-燃氣
輪機混合系統。
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世界石油工業
World Petroleum Industry D 雙碳三新
Decarbonization &amp;amp; Transformation
（1）Allam循環。使用氧燃燒的非常規熱力學
循環可以提供高的熱效率，同時容易從煙道氣流中
去除CO2。由于氧燃燒使用純氧而不是大氣，以天
然氣為燃料時，其排氣完全由水蒸汽和CO2組成，
CO2捕獲后用于工業或封存，水蒸汽冷卻為純凈水。
Allam循環本質上是一種具有氧燃燒的半封閉循環
燃氣輪機，其中CO2（名義上）占燃燒器中流體流
量的95%（質量分數），其余5%由氧氣和燃料組成。
用于燃燒的氧氣由低溫空氣分離裝置產生，Allam
循環燃料化學能（LHV）凈效率接近59% [37]。美
國在2018年耗資1.4×108美元建造的一座基于Allam
循環零排放的50 MW熱電廠已經開始試運行[38]。該
技術的推廣還需要對整個系統配置進行優化，以及
通過配置合適的空氣分離裝置以降低運營成本。
（2）燃料電池-燃氣輪機混合系統。在此之前，
由于化石燃料集中式發電技術占主導地位，導致
對燃料電池-燃氣輪機混合系統研究較少。燃氣輪
機布雷頓循環中最大的損失機理與燃燒的不可逆
性質有關。在燃料電池-燃氣輪機混合動力系統中，
燃料電池取代燃燒器，充當“前置循環”。在該
系統中，燃氣輪機充當后置循環，整個系統的效
率可達70%。
2.2.7 用于儲能系統的燃氣輪機
壓縮空氣儲能（CAES）是除抽水蓄能（PHS）
外唯一經驗證的利用透平，特別是再熱燃氣輪機
進行大規模、長期儲能的技術[38]。CAES中最大的
難點是找到合適的儲存位置（例如枯竭的天然氣
儲層）或制造一個儲存位置（如鹽穴）。替代解
決方案是低溫或液態空氣儲能，空氣被低溫液化
以儲存在儲罐中。為了提高壓縮空氣儲能的功率
和效率，可通過壓縮空氣儲能加補燃式燃氣輪機
的組合系統。該系統在電力需求較低的時期，通
過電網取能驅動壓縮機組壓縮空氣或液化并存
儲。在電網峰值需求期間，壓縮空氣從儲氣罐中
抽出，并在進入膨脹機組之前在回熱器使用廢熱
加熱，加熱后的空氣經過高壓膨脹機、膨脹機補
燃式燃氣輪機的燃燒器和透平進行做功。最后，廢
氣通過回熱器返回，對進入的空氣進行預熱[40-41]。
與以前的系統相比，該系統的低壓膨脹機排氣溫
度相對較高，因此不需要高壓燃燒器。
該系統中的補燃式燃氣輪機與常規燃氣輪機
相比少了壓氣機，需要解決的技術難點：① 無壓
氣機平衡燃氣輪機的推力，導致整個轉子推力大，
需要設計平衡盤以及長期服役工況如何保證平衡
腔室壓力的穩定；② 轉子的冷卻空氣參數與原燃
氣輪機難以做到相同，且壓力無法隨透平工況隨
動，其對燃氣輪機輪盤、葉片和氣缸的瞬態熱應
力需重新評估；③ 透平功率大，軸系慣量小，無
壓氣機這種天然的耗功設備，需特別注意機組防
超速系統的設計。
3 結束語
對與工業燃氣輪機相關的通用先進技術發展
趨勢進行分析，包括高性價比的大規模計算能力、
高度自主的系統、增材制造、人工智能和網絡安全。
綜合考慮先進技術對燃氣輪機性能改進的作用、技
術風險和應用廣度，總結工業燃氣輪機關鍵先進技
術的優先發展目標，即提高燃氣輪機效率和負載靈
活性、與可再生能源的兼容性、排放、燃料靈活性、
成本及智能運行和維護。根據工業燃氣輪機關鍵先
進技術的發展目標，提出應重點對燃燒、結構材
料和涂層、燃氣輪機增材制造、熱管理、智能運
行和維護、閉式和混合循環燃氣輪機系統和用于
儲能系統的燃氣輪機等領域進行研究，促進研發
高性能的工業燃氣輪機。
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（編輯: 柳玲玲 王克楠）

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