燃气轮机行业分析：蓄势待发，向“心”而行
（报告出品：中信证券）
高效动力机械，皇冠上的明珠
燃气轮机在航空、电力、工业等领域广泛应用，被誉为动力机械领域“皇冠上的明珠”。燃气轮机是一种以空气为介质，内部连续回转燃烧、依靠高温燃气推动涡轮机械连续做功 的大功率、高性能热机；可将燃料（石油、天然气等）的能量转化为某种形式的有用功， 例如机械功或者高速喷气式动力装置的推力。燃气轮机用途较为广泛，在航空、电力、工 业、船舶和陆地交通等领域都有着不可撼动的重要地位。燃气轮机的技术制造要求和难度 极高，目前全球只有少数国家掌握其核心技术，被誉为动力机械领域“皇冠上的明珠”。航空发动机本质上也是一种燃气轮机，由于应用场景的特殊性导致其与其他的燃气轮机有 着不同的性能追求，常被单独区分而与燃气轮机并称为“两机”。
燃气轮机可以按功率大小、下游应用、内部结构、涡轮转子进口温度等进行分类：
1、根据功率大小划分，可分为大中型、小型、微型燃机。根据《燃气轮机分类》（范 晓月）、《高性能航空燃气轮机燃烧技术》（侯晓春），①功率范围在 20MW 以上的燃气轮机 称为大中型燃机，特别是功率范围在 50MW 以上的也称为重型燃机。②功率范围在 0.3MW~20MW 的燃气轮机称为小型燃机。③功率范围在 30KW~300KW 或更小的燃气轮 机称为微型燃机。根据《燃气轮机分类》（范晓月），功率范围在几十至数百千瓦，主要用 于地面车辆，如坦克等；功率范围在 1MW~40MW，主要用于石油及天然气管路的运输、 发电、舰船等；功率范围在 40MW 以上，主要用于发电。
2、根据下游应用划分，可分为航空燃气轮机、舰船燃气轮机、工业燃气轮机等。根 据《燃气轮机分类》（范晓月）、GE 官网、西门子官网，①航空燃气轮机用于大部分军机 及民用客机，主要包括涡扇、涡喷等发动机。②舰船燃气轮机用于远洋船、护卫舰、驱逐 舰、巡洋舰等。③工业燃气轮机包括电站燃气轮机（主要用于发电站的发电）、机械驱动 燃气轮机（主要用于驱动机械设备，如泵、压缩机等）、压缩空气用燃气轮机（主要用于 工业领域的压缩空气生产）、输气用燃气轮机（主要用于输送天然气）等。
3、根据内部结构划分，可分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机、微型燃气轮机。根据 《燃气轮机分类》（范晓月），①重型燃气轮机经过专用设计，是遵循传统的蒸汽轮机理念， 完全利用原型机平台重新设计发展起来的工业重燃，俗称工业机，其不以减轻质量为主要 目的，而是以长期安全工作为目的，单位功率质量 2~5kg/kw，主要用于大型电站。②轻 型燃气轮机俗称航改机，由成熟的航空发动机进行工业化改型，单位功率质量一般低于 0.2kg/kw，主要用于调峰发电、分布式能源、海上动力、天然气压缩等场景。③微型燃气 轮机将燃机与发动机设计成整体，体积较小，质量较轻。
4、根据涡轮转子进口温度划分，可分为 E 级、F 级、G 级、H 级燃气轮机。根据《能 源行业燃气轮机发展途径思考》（郭华璋），燃气轮机按燃烧温度分级(100℃为一级别)，其 中 E 级、F 级、G 级、H 级燃气轮机的涡轮转子进口温度分别在 1200、1300、1400、1600℃。
燃气轮机较其他常规动力装置优点明显。根据《燃气轮机涡轮叶片制造工艺现状及发 展方向》（崔慧然、冯相如、任建伟）和《世界燃气轮机工业巡礼》（火心），①燃气轮机 效率更高，单循环效率最高可达 40%以上，使用涡轮前进气温度超过 1600℃的先进燃气 轮机所能达到的联合循环电厂效率能达到 62%以上；特别是随着涡轮部件材料、工艺、结 构的发展，使得涡轮前温度持续提高，燃机效率亦不断提升。②燃气轮机启动更快，全冷 启动至全速状态最快仅需 2 分钟。③油耗更低，只有同等功率蒸汽轮机的一半；同时清洁 环保。④重量更轻，只有同等功率蒸汽轮机的三分之一；且操作简单，维护方便，使用便 捷。
燃气轮机的核心部分主要由压气机、燃烧室、涡轮组成。压气机是燃气轮机中利用高 速旋转的叶片给空气做工以提高空气压力的部件，即将进气口的空气压缩为高压空气，从 结构划分可分为离心式压气机和轴流式压气机。燃烧室位于压气机和涡轮之间，利用燃烧 器将燃料和空气混合燃烧，是一种用耐高温的合金材料制造的燃烧设备。涡轮是燃气膨胀 做功的部件，将燃料的化学能最终转化为机械能，位于燃气轮机温度最高、应力最复杂、 环境最恶劣的部位，是燃气轮机的心脏。除此以外，燃气轮机还包括控制调节系统、进气 过滤系统、启动系统、滑油系统、辅助系统等。
百年发展历程，燃气轮机正进入新阶段
燃气轮机的发展历程
燃气轮机的雏形来自我国的走马灯，走马灯兴于秦汉，成熟于唐宋（公元六七世纪）， 是元宵节灯会的主角之一。根据中国航发官方微信公众号，走马灯的原理为灯内点上蜡烛， 烛产生的热力造成气流，令轮轴转动，轮轴上有剪纸，烛光将剪纸的影子投射在灯罩上， 图象便不断走动依靠。走马灯上有平放的叶轮，下燃烛或灯，热气上升带动叶轮旋转，这 正是现代燃气涡轮工作原理的原始应用。
全球燃气轮机的发展经历了萌芽阶段、工业试用阶段、广泛应用阶段：1、萌芽阶段：根据中国航发官方微信公众号，15 世纪末意大利人达芬奇设计出烟气 转动装置，其原理与走马灯相同。1791 年英国人巴贝尔首次使用燃气轮机这一名词，并 描述了燃气轮机的工作过程；同时提出了燃机的具体设计方案，并申请登记了第一个燃气 轮机设计专利。2、工业试用阶段：根据中国航发官方微信公众号，1872 年德国人施托尔策制造了燃 气轮机技术装置，但装置始终未能脱离外界动力帮助，宣告失败。1905 年法国人勒梅尔 和阿芒戈制成了一台与现代型式相同的燃气轮机，这也是世界上第一台输出有效功率的燃 气轮机，但输出功率只有 3%~4%，不具备实用价值。1939 年，瑞士 BBC 公司制成了一 台 4000KW 发电用燃气轮机并投入商业应用。同年，德国 Heinkel 工厂设计的第一台燃气 涡轮喷气发动机通过地面试车，并装机试飞成功，后来人们把这一年视为燃气涡轮发动机 获得成功之年，标志着燃气轮机发展成熟，进入了实用阶段。3、广泛应用阶段：上世纪 50 年代至今，燃气轮机不断运用新技术、新材料及新设计， 使可靠性、维护性更加完美，技术经济性能不断提高，在各领域的应用得到迅速发展。上 世纪 60 年代，燃气轮机开始应用于军用舰船动力和发电领域；上世纪 70 代年末期，燃气 轮机开始应用于美国主战坦克；上世纪 80 年代以来，燃气轮机在发达国家开始广泛应用 于动力能源等领域。
中国燃机发展经历从测仿到合作与自主研发。相对于世界各主要强国，我国燃机产业 基础十分薄弱，是长期以来制约我国航空、工业、海军实力提升的关键因素。根据《重型 燃气轮机的现状和发展趋势》（蒋洪德），我国燃气轮机的发展大致分为三个阶段：一是 20 世纪 50 年代末至 20 世纪 80 年代中期，主要以苏联技术为基础进行自主研发、设计；二 是 20 世纪 80 年代末至 90 年代末，采用仿制、合作的模式；三是 21 世纪初至今，我国以 “市场换技术”，通过引进通用（GE）、西门子（SIEMENS）、三菱重工（MHI）公司的E\F 级重型燃气轮机，由哈气—GE、东气—MHI、上气—SIEMENS 进行国产化制造。
提升热能利用率和经济性是燃气轮机的核心发展趋势
采用先进热力循环，提高热能利用率
燃气轮机中燃气驱动涡轮后排出时仍含有较高能量。使用燃气轮机，按简单的布雷顿 循环，其排气温度一般都在 600 K 以上，高的在 750 K 以上，大量的热能未能利用即被排 入大气。如能充分利用这些热能，则有可能大幅度地提高整机的热效率，降低燃料消耗。最简单易行的方案莫过于热电联供，只要将排气通过余热锅炉或各种换热器，即可生产热 水或蒸汽，向工业或生活部门供热。其主要优点是结构简单，热能利用率高。
压气机中间冷却和回热循环方案（间冷回热）是在压气机的低压端和高压端加进中间 冷却器，并加入回收排气余热的回热器循环。中间冷却器可以使低压压气机进入高压压气 机的进口温度降低到接近环境温度，从而显著降低驱动压气机的功率；回热器可以将在空 气进入燃烧室之前对其进行加热，从而提高燃烧效率，达到节省燃料的目的。通过“间冷 回热”技术，不仅提高了热效率，而且降低了排气温度、噪声和红外辐射。研究表明：间 冷回热燃机较之简单循环燃机具有提高压力比、提高热效率、增加输出功率的特点。适用 于低压比航改燃气轮机，因为压比低，压气机出口温度低，可从排气中吸收更多热量。
蒸汽回注方案原理是将热电联供中余热锅炉生产的蒸汽回输到涡轮前，蒸汽和原来的 燃气进行掺混，在涡轮中膨胀做功。蒸汽回注方案主要的优点是：同一机组的功率增加， 效率提高，但结构简单，而且在热电联供中使用这种方案可根据不同季节或需要对供热供 电进行调节，可多供汽少供电，或少供汽多供电。蒸汽回注适用于高压比的发动机，因为 高压比发动机的涡轮落压比也大，回注蒸汽更有利于发挥效能。
蒸汽-燃气联合循环方案即在蒸汽回注的基础上在余热锅炉中继续加入燃料，以增加 汽轮机输出及整机效率。如果不再向余热锅炉加燃料，以 WJ6G 为例，汽轮机能发出的功 率仅占总功率的 15%～20%，即 400 kW 左右。输出功率为主的仍是燃气轮机。如果向余 热锅炉喷入燃料，并且不加入外界空气，在提高蒸汽参数后，将使汽轮机的功率提高，基 本上与燃气轮机持平，即总功率增加 1 倍，整机效率也得以大幅提高。如果在向锅炉供给 燃料的同时，加入外界空气，与排出燃气共同在余热锅炉中燃烧，则蒸汽的产量大幅度提 高。这种装置将以汽轮机为主。在采用这种方案的机组中，汽轮机输出功率可比燃气轮机 高出数倍。
多种燃料驱动，提升经济性
燃气涡轮发动机在地面装置上使用，可利用多种燃料，发挥经济性。当前在燃气轮机 上使用重油和天然气都已成为现实。以煤为代表的固体燃料的蕴藏量极为丰富，但相关研 究进展较为缓慢，离商业运行和推广尚有一定的差距。开发不同燃料驱动的燃气轮机时必 须考虑使用这种燃料的发动机与使用航空煤油的发动机两者工作的不同特点。
重油，包括原油、柴油和渣油，存在着下列问题：1）黏度高，特别是在大气温度较 低时，尤为突出。一般的离心喷嘴对重油的雾化效果差，油珠的直径较大，延长了燃烧室 内的火焰长度，并使燃烧完全系数下降，起动则尤为困难。2）灰分和树脂含量高，造成 发动机热端部件积炭增加，并增加了燃油系统附件堵塞的可能性和齿轮磨损。3）有机物 （包括硫和硫化物、胺等）和无机物（包括金属氧化物和盐类等）含量高，促使燃油系统 和涡轮叶片表面严重腐蚀。目前以使用柴油为多，为了解决起动问题，可采取预热起动点 火器壳体，或向燃烧室供油前预热燃油，或用汽油启动燃烧，然后切换成柴油等方法。天然气不同于液体燃料，不要求预先雾化和汽化而后进入燃烧，具有经济效益。实践 表明，只要更换一下原供油管道和喷嘴，适于供气的特点，或在原系统旁另加一套供气系 统，即可实现。在燃烧完全程度、积炭、腐蚀和温度场分布等方面有可能略优于使用液体 燃料的水平。在油田上或在输送天然气管线上使用天然气作为燃气轮机的燃料，在经济上 是合理的，已得到广泛应用。
国内外燃机行业已形成清晰的主机竞争格局
燃气轮机行业已形成美国通用电气、日本三菱重工、德国西门子等公司主导的竞争格 局。世界燃气轮机技术及其产业发展迅速，目前重型燃气轮机主要由三菱重工（MHI）、通 用电气（GE）、西门子（Siemens-WH）、阿尔斯通（Alstom-ABB）等公司开发。轻型燃 气轮机方面，世界主要航空发动机公司罗尔斯·罗伊斯（RR）、通用电气（GE）、普拉特·惠 特尼（P&W）等由航空发动机改型研制了 3 代轻型燃气轮机。
国内燃气轮机市场呈现 3+1 竞争格局。目前，我国燃气轮机领域主要的研制力量分别 来自我国航发、船舶、机械等工业部门和科研院所。在我国燃气轮机整机市场格局较为集 中，即上海电气、东方汽轮机、哈尔滨电气外加南京汽轮电机。四家公司又在市场换技术 的政策下各自与一家外资公司捆绑招标，其中上海电气结对西门子，东方汽轮机结对三菱， 哈电与南汽则与 GE 合作。
舰船燃气轮机，仿制到自研
我国船用燃机研制经历三个阶段
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