燃气轮机及燃气轮机油的发展

时间：2024-05-19

郑延波，李鹏，刘中国，孙大新，金琴华，檀丰泽

(1.中国石油润滑油重点实验室，辽宁大连116031；2.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁大连 116031)

1 燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料能量转变为有用功的内燃式动力机械。燃气轮机是蒸汽轮机和内燃机后第三大核心动力设备。燃气轮机是能源动力装备领域里的最高端产品，发展燃气轮机产品对提升中国先进制造业和先进能源技术至关重要。

燃气轮机应用领域十分广泛，在天然气发电和分布式能源两个领域最为重要。

1.1 天然气发电机

《电力发展“十三五”规划》中，国家继续强调低碳、绿色发展，电源结构清洁化。天然气发电作为化解环境约束、改善大气质量、实现绿色低碳发展的有效途径，对推动节能减排、稳增长、惠民生、促发展也具有重要意义。在多种清洁发电方式的比较下，燃气发电成为替代燃煤发电的主要方式。到2020年我国预计天然气发电装机规模达到1.1×108kW以上，占发电总装机比例超过5%。从世界范围看，欧洲天然气发电比例占20%，日本天然气发电比例占28%，美国天然气发电比例占43%，目前中国天然气发电比例只有4%。所以中国天然气发电占总装机比例还有很广阔的发展空间。

燃气轮机是天然气发电的核心设备，未来随着天然气发电装机比例大幅提升，燃气轮机应用将会越来越广泛。

截至2016年，燃气发电装机容量7.011×107kW，占总装机4.2%，发电量占总装机3.1%。我国天然气发电厂主要分布在东南沿海、长三角、珠三角、京津等经济较为发达的省市，内陆省市数量较少。广东、福建及海南三省占34%，江浙沪三省市占比约为32%，京津占比约为23%。

“十三五”期间，中国进一步加大天然气供应，提高天然气消费比重。随着我国西气东输、近海天然气开发、液化天然气(LNG)引进、可燃冰开发、煤层气的综合利用、分布式电源建设等工程快速发展，为燃机发电保障了天然气供应。我国能源结构优化和环境污染治理进入实施阶段，重型燃机对我国调整能源结构、实现能源清洁高效利用、优化发电模式有重要作用。世界主要国家天然气发电装机占发电装机总量比例见图1。

图1 世界主要国家天然气发电装机占发电装机总量比例

1.2 分布式能源

根据国家发改委《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中指出，天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的阶梯利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。

天然气分布式能源特点：(1)发电和供能系统建在用户附近；(2)能源站规模适当，分散式布局，可以输出冷、热电能；(3)实现多种能源匹配使用；(4)有效地实现能源梯级使用，提高能源利用效率[1-3]。

分布式能源不仅是楼宇型和区域型供电，而且对大型城市群的热电联供也是非常有效，比如分布式能源为未来雄安新区的建设提供区域供电。使用燃气发电分布式能源的能源转化效率达到80%～90%，主要是回收热能可以加以利用，并且分布式能源对控制大气污染和节能减排也作用明显[4-5]。

1.3 中国燃气轮机制造技术

燃气轮机制造技术是我国工业制造业皇冠上的明珠。燃气轮机制造技术是国家技术实力的象征。在2015年发布的“中国制造2025”把航空发动机及重型燃气轮机放到了第二的位置，写入高端装备创新工程计划。中国从2013年开始，正式逐步推出了航空发动机和重型燃机重大专项工作。2016年，两机专项工作正式启动。

***总书记提出大国必有重器，燃气轮机就是其中之一。燃气轮机的发展比较落后，燃机制造自主化始终没有放弃，但是跟世界发达国家还有较大的差距。在制造技术上，已经形成了以哈尔滨电气、东方电气、上海电气三大动力为核心，冷端部件制造和总装工艺装备已经达到国际水平。燃机的国产化率已经达到了70%。在设计成套、检修运行、技术改造等方面也都形成了相应的技术经验，还形成了标准。

世界燃机制造技术经过多年的发展，目前研究的重型燃机最大功率460 MW，燃气初温1600 ℃，压气机压缩比为40，单循环效率达到44%[6]。世界三大OEM厂商(GE、Siemens、MHPS)经过多年的技术积累，已经形成燃气轮机完整的产业链，制造技术水平领先我国20年左右。

1.4 中国燃机市场发展

1999年天然气发电装机容量约7.2×106kW，占全国装机容量2%，发电量1.4%，几乎全是油气田附近工业企业自用。进入21世纪，我国加快天然气勘查开发，西气东输和液化天然气(LNG)进口等启动了燃机国内市场需求。2002年以来，国家通过三次“打捆招标”，哈尔滨、东方、上海三家汽机制造厂分别引进GE、三菱、西门子的F级燃机制造技术，进行本地化制造，基本满足了我国电力市场的需求。但是外资企业燃机核心制造技术没有转让，国内燃机市场被世界三大OEM垄断，以市场换技术的策略没有成功。2014年，上海电气与西门子合作破裂，转而收购安萨尔多40%股权，开始与安萨尔多合作。2017年国内F/H燃机的市场份额见图2。

图2 2017年国内F/H燃机的市场份额

1.5 燃气轮机发展趋势

今后燃气轮机发展趋势是:(1)进一步提高温度、压力，从而进一步提高机组的功率、效率等性能;(2)适应燃料多样性的需求;(3)改变基本热力循环，采用新工质，完善控制系统，优化总体性能[7]。

重型燃气轮机不断向高参数、高性能、低污染发展。通过研究和应用新技术、新工艺，专家预测到2020年最高初温可到1700 ℃，联合循环效率可达65% 。

2 燃气轮机油

燃气轮机是天然气发电的核心设备, 燃气轮机油是燃气轮机的血液。燃气轮机实际运行工况非常苛刻，润滑油极易产生油泥问题。燃气轮机循环油温较高，大约在50～95 ℃，局部过热点的温度可达150～280 ℃，此外由于燃气轮机处于经常开停的工作状态，这样的工况容易导致油泥产生。产生的油泥沉积在管道、过滤器、轴承、电液伺服阀上，会导致过滤器堵塞、供油不足、轴承磨损、阀黏结、调速失灵等后果，最终造成非正常停机的损失。因此，燃气轮机使用的油品需要具有长寿命、低油泥的特点。

三菱日立电力系统公司(MHPS)是生产燃气轮机的主要OEM之一，已经成为燃机市场的巨头。2017年，MHPS已经实现了三菱日立重型燃机全球市场份额第一。国内汽轮机生产商东方电气与三菱进行合作，成立了合资公司。目前，东方电气累计获得28个项目共计63台燃机，已成为国内F级重型燃机市场占有率最高的制造厂商。为了满足客户选择燃气轮机油的需要，三菱公司于2007年发布了MS04-MA-CL001、CL002、CL003和CL004 4个燃气轮机油标准，三菱日立于2014年发布了MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006。

满足三菱规格的油品标准如表1所示。三菱MS04-MA-CL001是常规的燃气轮机油标准，要求旋转氧弹不低于220 min、TOST氧化寿命大于2000 h、氧化1000 h的酸值小于0.4 mgKOH/g、Dry TOST 试验油泥不超过100 mg(旋转氧弹剩余25%)；MS04-MA-CL002是用于轴承环境温度大于250 ℃的高温燃气轮机油标准，在CL001基础上提高了对氧化性能的要求，要求旋转氧弹不低于700 min、老化后的旋转氧弹保留不小于85%、TOST氧化寿命大于4000 h；MS04-MA-CL003是极压型高温燃气轮机油标准，在CL002基础上增加了极压性能要求，要求FZG失效级不小于9级；MS04-MA-CL004是控制系统用油的标准，CL005和CL006对油品氧化寿命的要求有了大幅度的提升。TOST、Dry-TOST和RPVOT三项指标提升得比较明显。

表1 三菱规格主要性能对比(ISO VG32)

从图3和图4看出，Dry-TOST试验CL002规格要求为500 h，CL005规格提高到1000 h，同时当油品氧弹剩余25%时，满足CL005和CL006规格的油品产生的油泥要控制在100 mg。这对油品提高氧化寿命和控制油泥生成量提出了很高的要求，增加了产品开发的难度。

图3 Dry-TOST氧化寿命

图4 Dry-TOST试验后生成油泥

满足三菱日立MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006规格油品代表了燃气轮机油未来技术的发展方向。目前，主流润滑油公司都在努力提高自身燃气轮机油品的技术水平，满足OEM越来越苛刻的要求。