燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)油的發(fā)展

鄭延波，李鵬，劉中國，孫大新，金琴華，檀豐澤

(1.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116031；2.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機(jī)械。燃?xì)廨啓C(jī)是蒸汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)后第三大核心動力設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)是能源動力裝備領(lǐng)域里的最高端產(chǎn)品，發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品對提升中國先進(jìn)制造業(yè)和先進(jìn)能源技術(shù)至關(guān)重要。

燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在天然氣發(fā)電和分布式能源兩個領(lǐng)域最為重要。

1.1 天然氣發(fā)電機(jī)

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，國家繼續(xù)強(qiáng)調(diào)低碳、綠色發(fā)展，電源結(jié)構(gòu)清潔化。天然氣發(fā)電作為化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的有效途徑，對推動節(jié)能減排、穩(wěn)增長、惠民生、促發(fā)展也具有重要意義。在多種清潔發(fā)電方式的比較下，燃?xì)獍l(fā)電成為替代燃煤發(fā)電的主要方式。到2020年我國預(yù)計(jì)天然氣發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.1×108kW以上，占發(fā)電總裝機(jī)比例超過5%。從世界范圍看，歐洲天然氣發(fā)電比例占20%，日本天然氣發(fā)電比例占28%，美國天然氣發(fā)電比例占43%，目前中國天然氣發(fā)電比例只有4%。所以中國天然氣發(fā)電占總裝機(jī)比例還有很廣闊的發(fā)展空間。

燃?xì)廨啓C(jī)是天然氣發(fā)電的核心設(shè)備，未來隨著天然氣發(fā)電裝機(jī)比例大幅提升，燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用將會越來越廣泛。

截至2016年，燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量7.011×107kW，占總裝機(jī)4.2%，發(fā)電量占總裝機(jī)3.1%。我國天然氣發(fā)電廠主要分布在東南沿海、長三角、珠三角、京津等經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的省市，內(nèi)陸省市數(shù)量較少。廣東、福建及海南三省占34%，江浙滬三省市占比約為32%，京津占比約為23%。

“十三五”期間，中國進(jìn)一步加大天然氣供應(yīng)，提高天然氣消費(fèi)比重。隨著我國西氣東輸、近海天然氣開發(fā)、液化天然氣(LNG)引進(jìn)、可燃冰開發(fā)、煤層氣的綜合利用、分布式電源建設(shè)等工程快速發(fā)展，為燃機(jī)發(fā)電保障了天然氣供應(yīng)。我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和環(huán)境污染治理進(jìn)入實(shí)施階段，重型燃機(jī)對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源清潔高效利用、優(yōu)化發(fā)電模式有重要作用。世界主要國家天然氣發(fā)電裝機(jī)占發(fā)電裝機(jī)總量比例見圖1。

圖1 世界主要國家天然氣發(fā)電裝機(jī)占發(fā)電裝機(jī)總量比例

1.2 分布式能源

根據(jù)國家發(fā)改委《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》中指出，天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式。

天然氣分布式能源特點(diǎn)：(1)發(fā)電和供能系統(tǒng)建在用戶附近；(2)能源站規(guī)模適當(dāng)，分散式布局，可以輸出冷、熱電能；(3)實(shí)現(xiàn)多種能源匹配使用；(4)有效地實(shí)現(xiàn)能源梯級使用，提高能源利用效率[1-3]。

分布式能源不僅是樓宇型和區(qū)域型供電，而且對大型城市群的熱電聯(lián)供也是非常有效，比如分布式能源為未來雄安新區(qū)的建設(shè)提供區(qū)域供電。使用燃?xì)獍l(fā)電分布式能源的能源轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80%～90%，主要是回收熱能可以加以利用，并且分布式能源對控制大氣污染和節(jié)能減排也作用明顯[4-5]。

1.3 中國燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)是我國工業(yè)制造業(yè)皇冠上的明珠。燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)是國家技術(shù)實(shí)力的象征。在2015年發(fā)布的“中國制造2025”把航空發(fā)動機(jī)及重型燃?xì)廨啓C(jī)放到了第二的位置，寫入高端裝備創(chuàng)新工程計(jì)劃。中國從2013年開始，正式逐步推出了航空發(fā)動機(jī)和重型燃機(jī)重大專項(xiàng)工作。2016年，兩機(jī)專項(xiàng)工作正式啟動。

習(xí)近平總書記提出大國必有重器，燃?xì)廨啓C(jī)就是其中之一。燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展比較落后，燃機(jī)制造自主化始終沒有放棄，但是跟世界發(fā)達(dá)國家還有較大的差距。在制造技術(shù)上，已經(jīng)形成了以哈爾濱電氣、東方電氣、上海電氣三大動力為核心，冷端部件制造和總裝工藝裝備已經(jīng)達(dá)到國際水平。燃機(jī)的國產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到了70%。在設(shè)計(jì)成套、檢修運(yùn)行、技術(shù)改造等方面也都形成了相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，還形成了標(biāo)準(zhǔn)。

世界燃機(jī)制造技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前研究的重型燃機(jī)最大功率460 MW，燃?xì)獬鯗?600 ℃，壓氣機(jī)壓縮比為40，單循環(huán)效率達(dá)到44%[6]。世界三大OEM廠商(GE、Siemens、MHPS)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，已經(jīng)形成燃?xì)廨啓C(jī)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，制造技術(shù)水平領(lǐng)先我國20年左右。

1.4 中國燃機(jī)市場發(fā)展

1999年天然氣發(fā)電裝機(jī)容量約7.2×106kW，占全國裝機(jī)容量2%，發(fā)電量1.4%，幾乎全是油氣田附近工業(yè)企業(yè)自用。進(jìn)入21世紀(jì)，我國加快天然氣勘查開發(fā)，西氣東輸和液化天然氣(LNG)進(jìn)口等啟動了燃機(jī)國內(nèi)市場需求。2002年以來，國家通過三次“打捆招標(biāo)”，哈爾濱、東方、上海三家汽機(jī)制造廠分別引進(jìn)GE、三菱、西門子的F級燃機(jī)制造技術(shù)，進(jìn)行本地化制造，基本滿足了我國電力市場的需求。但是外資企業(yè)燃機(jī)核心制造技術(shù)沒有轉(zhuǎn)讓，國內(nèi)燃機(jī)市場被世界三大OEM壟斷，以市場換技術(shù)的策略沒有成功。2014年，上海電氣與西門子合作破裂，轉(zhuǎn)而收購安薩爾多40%股權(quán)，開始與安薩爾多合作。2017年國內(nèi)F/H燃機(jī)的市場份額見圖2。

圖2 2017年國內(nèi)F/H燃機(jī)的市場份額

1.5 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展趨勢

今后燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展趨勢是:(1)進(jìn)一步提高溫度、壓力，從而進(jìn)一步提高機(jī)組的功率、效率等性能;(2)適應(yīng)燃料多樣性的需求;(3)改變基本熱力循環(huán)，采用新工質(zhì)，完善控制系統(tǒng)，優(yōu)化總體性能[7]。

重型燃?xì)廨啓C(jī)不斷向高參數(shù)、高性能、低污染發(fā)展。通過研究和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，專家預(yù)測到2020年最高初溫可到1700 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)65% 。

2 燃?xì)廨啓C(jī)油

燃?xì)廨啓C(jī)是天然氣發(fā)電的核心設(shè)備, 燃?xì)廨啓C(jī)油是燃?xì)廨啓C(jī)的血液。燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行工況非常苛刻，潤滑油極易產(chǎn)生油泥問題。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)油溫較高，大約在50～95 ℃，局部過熱點(diǎn)的溫度可達(dá)150～280 ℃，此外由于燃?xì)廨啓C(jī)處于經(jīng)常開停的工作狀態(tài)，這樣的工況容易導(dǎo)致油泥產(chǎn)生。產(chǎn)生的油泥沉積在管道、過濾器、軸承、電液伺服閥上，會導(dǎo)致過濾器堵塞、供油不足、軸承磨損、閥黏結(jié)、調(diào)速失靈等后果，最終造成非正常停機(jī)的損失。因此，燃?xì)廨啓C(jī)使用的油品需要具有長壽命、低油泥的特點(diǎn)。

三菱日立電力系統(tǒng)公司(MHPS)是生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的主要OEM之一，已經(jīng)成為燃機(jī)市場的巨頭。2017年，MHPS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三菱日立重型燃機(jī)全球市場份額第一。國內(nèi)汽輪機(jī)生產(chǎn)商東方電氣與三菱進(jìn)行合作，成立了合資公司。目前，東方電氣累計(jì)獲得28個項(xiàng)目共計(jì)63臺燃機(jī)，已成為國內(nèi)F級重型燃機(jī)市場占有率最高的制造廠商。為了滿足客戶選擇燃?xì)廨啓C(jī)油的需要，三菱公司于2007年發(fā)布了MS04-MA-CL001、CL002、CL003和CL004 4個燃?xì)廨啓C(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，三菱日立于2014年發(fā)布了MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006。

滿足三菱規(guī)格的油品標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。三菱MS04-MA-CL001是常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，要求旋轉(zhuǎn)氧彈不低于220 min、TOST氧化壽命大于2000 h、氧化1000 h的酸值小于0.4 mgKOH/g、Dry TOST 試驗(yàn)油泥不超過100 mg(旋轉(zhuǎn)氧彈剩余25%)；MS04-MA-CL002是用于軸承環(huán)境溫度大于250 ℃的高溫燃?xì)廨啓C(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，在CL001基礎(chǔ)上提高了對氧化性能的要求，要求旋轉(zhuǎn)氧彈不低于700 min、老化后的旋轉(zhuǎn)氧彈保留不小于85%、TOST氧化壽命大于4000 h；MS04-MA-CL003是極壓型高溫燃?xì)廨啓C(jī)油標(biāo)準(zhǔn)，在CL002基礎(chǔ)上增加了極壓性能要求，要求FZG失效級不小于9級；MS04-MA-CL004是控制系統(tǒng)用油的標(biāo)準(zhǔn)，CL005和CL006對油品氧化壽命的要求有了大幅度的提升。TOST、Dry-TOST和RPVOT三項(xiàng)指標(biāo)提升得比較明顯。

表1 三菱規(guī)格主要性能對比(ISO VG32)

從圖3和圖4看出，Dry-TOST試驗(yàn)CL002規(guī)格要求為500 h，CL005規(guī)格提高到1000 h，同時當(dāng)油品氧彈剩余25%時，滿足CL005和CL006規(guī)格的油品產(chǎn)生的油泥要控制在100 mg。這對油品提高氧化壽命和控制油泥生成量提出了很高的要求，增加了產(chǎn)品開發(fā)的難度。

圖3 Dry-TOST氧化壽命

圖4 Dry-TOST試驗(yàn)后生成油泥

滿足三菱日立MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006規(guī)格油品代表了燃?xì)廨啓C(jī)油未來技術(shù)的發(fā)展方向。目前，主流潤滑油公司都在努力提高自身燃?xì)廨啓C(jī)油品的技術(shù)水平，滿足OEM越來越苛刻的要求。

3 展望

隨著中國環(huán)保排放法規(guī)日益嚴(yán)格，天然氣發(fā)電作為燃煤發(fā)電的替代方式必將迎來廣闊的發(fā)展空間。

分布式能源冷熱電聯(lián)供，能源轉(zhuǎn)化效率高，打破了集中供電的舊模式，成為區(qū)域供電方式的新選擇。盡管中國在燃機(jī)制造水平上有了長足的進(jìn)步，但是燃?xì)廨啓C(jī)制造核心技術(shù)依然被三大OEM壟斷，中國燃機(jī)制造的自主化之路任重道遠(yuǎn)。燃機(jī)制造技術(shù)未來發(fā)展上呈現(xiàn)功率大、排放低、效率高、設(shè)備可靠性高的趨勢。

燃?xì)廨啓C(jī)油是燃?xì)廨啓C(jī)的血液，三菱日立MS04-MA-CL005和MS04-MA-CL006兩個標(biāo)準(zhǔn)代表了目前燃?xì)廨啓C(jī)油最高水平，標(biāo)準(zhǔn)中對油品氧化壽命和油泥生成趨勢提出了更嚴(yán)苛的要求，促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)油生產(chǎn)商不斷提高技術(shù)能力，滿足OEM對油品的要求。