楊興杰
燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相似。燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三大部件組成，機(jī)組啟動(dòng)成功后，壓氣機(jī)連續(xù)不斷從外界大氣中吸入大氣并增壓，噴入燃燒室的燃料與空氣混合后點(diǎn)火燃燒，高溫高壓燃?xì)庠跍u輪中膨脹做功，2/3左右被用來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)，其余通過(guò)機(jī)組的傳輸軸帶動(dòng)外界的各種負(fù)荷，如發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、螺旋槳、泵等。燃?xì)廨啓C(jī)可以看作由燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪兩大部分組成，用來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)和附件的稱為燃?xì)獍l(fā)生器渦輪，用來(lái)帶動(dòng)減速器、螺旋槳或其他外負(fù)荷—專做功率輸出的稱為動(dòng)力渦輪。
燃?xì)廨啓C(jī)具有多種優(yōu)點(diǎn)，例如效率高、功率大、體積小、投資省、運(yùn)行成本低和壽命周期較長(zhǎng)等。它可用于發(fā)電、交通和工業(yè)動(dòng)力等領(lǐng)域。按照輸出功率來(lái)劃分，燃?xì)廨啓C(jī)可分為微型、輕型和重型三類。微型和輕型燃?xì)廨啓C(jī)功率通常在50MW以內(nèi)，可由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改制而成，能用于工業(yè)發(fā)電、船舶動(dòng)力、管道增壓、坦克機(jī)車、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供等場(chǎng)景；重型燃?xì)廨啓C(jī)功率在50MW以上，主要用作陸地上固定的發(fā)電機(jī)組，如城市電網(wǎng)。
燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向包括提高裝置的熱效率、增加單機(jī)功率、發(fā)展聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、余熱利用回?zé)帷⑷加枚喾N燃料以降低成本等。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要不斷改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的各個(gè)部件和循環(huán)系統(tǒng)，提高材料性能和制造工藝，以及探索新的技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景。
在我國(guó)，燃?xì)廨啓C(jī)的研究和發(fā)展具有重要意義。它可以應(yīng)用于“西氣東輸”等大型工程，以及船舶制造業(yè)等領(lǐng)域。例如，在“西氣東輸”工程中，需要使用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來(lái)保證天然氣的長(zhǎng)距離輸送。高效低碳燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)裝置的建設(shè)，也有助于我國(guó)在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但我國(guó)在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)方面，尤其是重型燃?xì)廨啓C(jī)，曾面臨國(guó)外的技術(shù)封鎖，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，目前已取得了一定的突破和成果。
目前燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電、船舶動(dòng)力、機(jī)車動(dòng)力、管道增壓等領(lǐng)域，全世界1/5發(fā)電量來(lái)自于燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率可以到達(dá)60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般火電站使用的超臨界燃煤系統(tǒng)的40%；在船舶動(dòng)力方面，歐美艦艇燃?xì)廨啓C(jī)裝配率在50%以上。燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件燃燒室、連接導(dǎo)管、導(dǎo)向葉片、工作葉片和渦輪盤(pán)大多采用高溫合金材料制備，這一點(diǎn)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)類似，此外燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境還需要承受高硫燃?xì)夂秃Ｋ}分的腐蝕，設(shè)備通常工作壽命要求達(dá)到50,000-100,000小時(shí)、渦輪盤(pán)工轉(zhuǎn)數(shù)接近10,000轉(zhuǎn)分鐘、材料耐用溫度超過(guò)600℃，為滿足上述設(shè)備要求，部件材料必須使用具備耐高溫、高蠕變強(qiáng)度特性的高溫合金材料，目前國(guó)內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)制造普遍采用鎳基高溫合金，相關(guān)需求難以替代。
圖表：2019-2021年中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)需求量
數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)機(jī)械業(yè)協(xié)會(huì)、中研普華產(chǎn)業(yè)研究院
根據(jù)中國(guó)機(jī)械業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)資料顯示，在2019到2021年中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)需求量呈快速上漲趨勢(shì)，2019-2021年復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)40.84%，2021年中國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)需求量達(dá)789.6萬(wàn)千瓦時(shí)，較2020年增長(zhǎng)了237.5萬(wàn)千瓦時(shí)。燃?xì)廨啓C(jī)是能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是先進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械裝備，屬于高新技術(shù)密集型產(chǎn)品。作為高科技的載體，燃?xì)廨啓C(jī)是國(guó)家高技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要代表，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。目前，僅有英、美、俄等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家具有完全獨(dú)立研制燃?xì)廨啓C(jī)的能力，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)早期受經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平影響發(fā)展較為緩慢，近年來(lái)國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展有所突破，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化。未來(lái)，通過(guò)“兩機(jī)專項(xiàng)”重大戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)將在重型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、高溫部件制造技術(shù)和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)突破，在國(guó)內(nèi)基本形成完整的重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)體系，國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的市場(chǎng)有著廣闊的增長(zhǎng)空間，并將促進(jìn)高溫合金材料需求的增長(zhǎng)。
船舶作為燃?xì)廨啓C(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一，對(duì)高溫合金有極大的需求空間。軍用艦船方面，由于近期地緣關(guān)系急劇緊張，亞太局勢(shì)日趨復(fù)雜，臺(tái)海、南海局勢(shì)不斷緊張，海軍將成為未來(lái)國(guó)防發(fā)展的重中之重；我國(guó)不斷部署新型艦船列裝部隊(duì)，目前已具備了較強(qiáng)的軍用船舶研發(fā)和多艦艇建造的能力。從未來(lái)發(fā)展方向上看，美國(guó)現(xiàn)有11艘航母服役，中國(guó)目前僅2艘服役，仍有極大發(fā)展空間，航母編隊(duì)需配置相應(yīng)的護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、登陸艦和補(bǔ)給艦等艦船，將帶來(lái)較大的艦隊(duì)購(gòu)置投入。高溫合金材料作為軍用艦船燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件原材料，市場(chǎng)空間拓展可期。
民用艦船方面，“十四五規(guī)劃”提出，要立足產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢(shì)、配套優(yōu)勢(shì)和部分領(lǐng)域先發(fā)優(yōu)勢(shì)，鞏固提升船舶等領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)力，從符合未來(lái)產(chǎn)業(yè)變革方向的整機(jī)產(chǎn)品入手打造戰(zhàn)略性全局性產(chǎn)業(yè)鏈。交通運(yùn)輸部和科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)的《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021-2035年）》提出，要強(qiáng)化船舶等裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)攻關(guān)，突破高效率、大推力/大功率發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)大功率船舶渦輪增壓器等核心零部件，到2035年交通運(yùn)輸科技創(chuàng)新水平總體邁入世界前列。
2023年，我國(guó)造船三大指標(biāo)：造船完工量、新接訂單量、手持訂單量，以載重噸計(jì)分別占世界總量的50.20%、66.60%和55.00%。我國(guó)造船完工量長(zhǎng)期保持高位，2021年、2022年及2023年，我國(guó)手持船舶訂單量較去年同期分別增長(zhǎng)34.78%、10.15%及32.00%。
圖表：2015-2023年中國(guó)三大造船指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：工信部、中國(guó)船舶工業(yè)協(xié)會(huì)
在海洋強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，民用船艦市場(chǎng)的發(fā)展有著強(qiáng)有力的政策支撐。高溫合金材料作為民用艦船中燃?xì)廨啓C(jī)的重要原材料，超高強(qiáng)合金、耐蝕合金、精密合金等也是艦船的緊固件、軸、連桿等部件的重要原材料，擁有廣闊的市場(chǎng)空間。
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