【行业动态】奢望保持技术领先，美国公布燃气轮机十大优先研究领域

导读：为了保持美国燃气轮机行业在未来几十年的全球领先地位，应对能源行业的挑战。美国特别成立了一个特设委员会，由来自美国各地的杰出工程学院的教授，以及来自普惠，GE，西门子，索拉燃机和Bechtel等公司的行业专家组成，以识别可以在燃气轮机的设计和制造中创造和改进先进技术的高优先级机会，以提高燃气轮机效率和降低全寿命周期成本。

该委员会的任务是确定到2030年可能实现的改进，评估了当前和未来的燃气轮机全球格局，审查了可能影响美国燃气轮机在全球领先地位，市场趋势和技术趋势的关键因素，以确定具体的研究目标，它还制定了优先级排序流程以及与实现其目标最相关的高优先级研究领域。

该委员会经过2018~2019年的2年调研和讨论，认为按照当前的技术趋势，未来几十年，美国燃气轮机行业仍将在发电、飞机推进以及石油和天然气行业中发挥至关重要的作用，同事可以受益于美国优先的研发和技术领导地位。

作为评估的一部分，该委员会还试图回答有关未来燃气轮机客户的关键问题，这对电力行业特别重要，因为它继续努力应对一系列干扰，该委员会认为，全球燃气轮机的市场驱动因素主要来自：全球人口结构的继续扩大；迫切的能源安全和灵活性需求；全球脱碳运动下与可再生能源、储能和电动汽车更广泛的应用结合。

同时，它认为燃气轮机技术将进一步蓬勃发展，主要受益于的技术环境为：廉价大规模计算能力；高度自治系统；增材制造；人工智能；网络完全。

优先研究目标

评估这些因素后，为了将这些先进技术有效且快速地引入到燃气轮机设计和制造中，该委员会建议，美国能源部（及其他政府机构），工业界和学术界应优先考虑研究目标，并以性能改进、技术风险和应用范围作为关键指标。建议的目标优先排名如下：

1）进一步提升效率：将燃气轮机（CCGT）联合循环的发电效率提高到70%，简单循环效率提高到50%以上。因为效率的提升可以通过进一步提升压气机压比和涡轮进口温度来实现，同时全寿命周期成本可能会通过技术进步（例如增材制造和快速原型制造）而有所增长。它还指出：“可能需要更改燃气轮机的基本配置，开发、测试和验证的速度可能取决于设计和制造必要硬件的能力。解决方案可能需要新材料，而从历史经验来看，它们需要更长的开发时间。”

2）与可再生能源的兼容性：减少了燃气轮机的启动时间，提高了燃气轮机以简单和组合循环运行的能力，使其能够高效运行，同时适应灵活的电力需求，以及将燃气轮机与可再生能源和储能系统集成在一起的其他要求。该委员会还特别指出，发电用燃气轮机“将需要更频繁地加速运行并“在高于设计的温度下运行”。另外，过去未考虑的操纵模式将变得越来越重要。例如，一些燃气轮机可能需要在混合动力电力中运行，而在混合动力电厂中，它们将需要与太阳能发电和燃料电池以共生的方式工作。

3）削减CO2排放量：将碳排放量减少到“尽可能接近零”，同时仍满足氮氧化物（NOx）排放标准。但是值得特别指出的是，燃气轮机制造商面临的一个关键挑战是：新燃气轮机设计减少CO2排放的同时，遭遇的就是产品变得没有竞争力。在目前的技术条件下，达到这一目标的代价就是性能降低。

4）提高燃料灵活性：能够与高比例（甚至100%）的燃氢和含各种成分的其他可再生气体燃料混合使用。但是，尽管一些燃气轮机制造商目前正在开发可燃烧100%氢燃料的燃气轮机，但增加氢气含量却会带来了一些其它挑战，而这些挑战“也许是最难克服的”。

5）更低的电力成本：降低长周期平均发电成本，以确保在长期内可以与太阳能和风力发电系统的成本保持竞争力。尽管LCOE指标能否真正反映技术成本还存在问题，但它已成为美国电力公司决定是否购买和运营燃气轮机的关键标准，并且预测燃气轮机会再次受到可再生能源成本持续削弱的负面冲击，并且可能在2020年至2024年的时间范围内发生。

可能改变燃气轮机行业轨迹的研究领域

该委员会确定的高优先级燃气轮机研究领域包括：

1）燃烧。委员会敦促利益相关者增强低排放燃烧系统所需的“基础知识”，从而使得未来的低污染燃烧室：（1）可以在满足更高联合循环效率所需的更高温和高压环境下工作，包括恒压和增压燃烧系统；（2）具备不限制燃气轮机的瞬态响应或调节能力的运行特性，并且在一定范围的燃料成分上仍具有可接受的性能。

2）结构、材料和涂层。开发（1）生产陶瓷基复合材料（CMC）所需的技术；（2）先进计算模型；（3）可以提高燃气轮机效率，减少其开发时间和全寿命周期成本的先进金属材料和零部件技术。

3）燃气轮机的增材制造。将基于模型的燃气轮机材料（已在使用或正在开发的先进材料），材料工艺、制造机器、设计工具、车间设备集成在一起，以加快设计并提高零件良品率，同时降低性能差异。

4）热管理。制定先进的冷却策略，可以快速，廉价地将其整合到燃气轮机中，并实现更高的透平进口温度，更高的增压比以及更少的燃烧室和透平冷却空气流量，从而在满足燃气轮机寿命要求的同时提高热力循环效率。

5）高保真集成仿真和验证实验。开发基于物理和高保真计算预测的仿真系统，可以在设计早期就进行详细的工程分析，包括对燃气轮机模块相互作用和非设计点运行条件下的虚拟实验。

6）非常规热力学循环。研究和开发用于简单和联合循环燃气轮机的非常规热力循环，以提高热效率，同时确保与燃气轮机性能的其他要素（例如全寿命周期成本）之间的取舍是可以接受的。

7）系统集成技术。改进，修改和/或扩展常规燃气轮机架构（例如压气机、燃烧室和透平的更加模块化），从而实现具有更高性能的同时，并且应用范围更加广泛。

8）视情运维。通过改善燃气轮机运行技术，进一步减少燃气轮机计划内和计划外维护量，并减少计划外停机。

9）数字双胞胎及其支撑基础设施。开发生成增强型数字孪生的能力，以及支持它们应用的数字线程基础结构。

10）天然气管道应用中的燃气轮机。探索（1）长时间在部分负荷下运行的燃气轮机效率提升机会，以及（2）燃料中含大量氢气的燃气轮机安全隐患。

美国在燃气轮机研发投资已经落后

有趣的是，该委员会还抱怨美国政府对燃气轮机研发略显“吝啬”。因为相比之下，全球各国都在大力投资于燃气轮机的研发，例如欧盟（EU）的Clean Sky 1和2计划，该计划于2008年和2014年启动，并且也提到了中国也在对燃气轮机不停的投入研发资助，并且强调燃气轮机技术特征具有“重要的技术和经济增长潜力”。

美国能源部化石能源办公室对燃气轮机项目的资助情况。

而反观美国，自2015年以来，美国能源部投入此领域的研究预算每年仅1500~2000万美元，从周一美国能源部发布的2021财年预算来看，整个天然气技术预算又进行了大幅缩减，从去年的5100万美元减少到1500万美元。

该委员会敦促美国政府继续投资燃气轮机技术的研发，但同时也明确的呼吁保持“技术领先”，指出美国是燃气轮机的主要出口国，2017年的出口值为320亿美元，而目前全球燃气轮机市场价值900亿美元。

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