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工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势

文档作者：孔祥林1，2，高进1，2，赵仕志1，2 文档来源： 1. 东方电气集团东方汽轮机有限公司 2. 清洁高效透平动力装备全国重点实验室		更新日期： 2026年05月02日	点击数：
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上一篇：浅析压缩机在煤化工工艺中的应用和实践

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第31卷 第4期 2024年8月
Vol.31 No.4 Aug., 2024
收稿日期：2023-12-01 修回日期：2024-04-06
基金项目：国家重大专项“重型燃气轮机及联合循环性能监测与运行优化研究”（J2019-I-0003-0004）
第一作者：孔祥林（1970—），男，硕士，教授级高级工程师，从事燃气轮机研发及管理工作。
E-mail：kongxianglin@dongfang.com
通信作者：高进（1985—），男，博士，高级工程师，从事燃气轮机研发工作。E-mail：gaoj@dongfang.com
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世界石油工业
World Petroleum Industry 双碳三新 D
Decarbonization &amp;amp; Transformation
引用格式：孔祥林, 高进, 赵仕志. 工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势[J]. 世界石油工业, 2024, 31(4): 120-128.
KONG X L, GAO J, ZHAO S Z. Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine[J]. World Petroleum Industry,
2024, 31(4): 120-128.
工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势
孔祥林1，2，高进1，2，赵仕志1，2
（1. 东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000；
2. 清洁高效透平动力装备全国重点实验室，四川 德阳 618000）
摘要：燃气轮机具有功率密度高、碳排放相对较少、启动快、燃烧环保燃料能力等特点，是未来能源领域设备的重要组
成部分。为了促进燃气轮机及其相关技术进步，助力研发高性能的燃气轮机，为此对工业燃气轮机先进技术现状及发展
趋势进行综述。对与工业燃气轮机相关的通用先进技术发展趋势进行分析，包括高性价比的大规模计算能力、高度自主
的系统、增材制造、人工智能和网络安全。对燃气轮机的燃烧、结构材料和涂层、增材制造、热管理、智能运行和维护、
闭式和混合循环燃气轮机系统、用于储能系统的燃气轮机等7个重点研究领域的发展目标和趋势进行了详细分析。建议对重
点研究领域进行深入研究，提高燃气轮机的效率和负载灵活性、增强与可再生能源的兼容性、减少排放、增强燃料灵活
性，以便智能运行和维护，降低燃气轮机的研发成本，同时可助力燃气轮机及相关技术进步。
关键词：工业燃气轮机；增材制造；氢燃烧器；电网系统；发展趋势
中图分类号：TE9 文献标识码：A
文章编号：1006-0030(2024)04-0120-009 DOI: 10.20114/j.issn.1006-0030.20231201002
Status and development trend of advanced technology of industrial gas turbine
KONG Xianglin1, 2, GAO Jin1, 2, ZHAO Shizhi1, 2
(1. Dongfang Steam Turbine Co., Ltd., Deyang, Sichuan 618000, China;
2. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment, Deyang, Sichuan 618000, China)
Abstract: Gas turbine is an important component of the future energy field with characteristics of high power density, relatively
low carbon emissions, fast start-up and the ability to burn environmentally friendly fuels. In order to promote the development of
gas turbine technology and related technologies, and assist in the research and development of high-performance gas turbines, this
paper summarizes the current status and development trends of advanced industrial gas turbine technologies, and analyzes the
development trends of global advanced technologies related to industrial gas turbines, including low-cost large-scale computing
capabilities, highly autonomous systems, additive manufacturing, artificial intelligence, and cybersecurity. It details the
development goals and trends of seven key research areas: gas turbine combustion, structural materials and coatings, additive
manufacturing, thermal management, intelligent operation and maintenance, closed and hybrid cycle gas turbine systems, and gas
turbines for energy storage systems. It is recommended to conduct in-depth research on the key research areas mentioned above,
in order to improve the efficiency and load flexibility of gas turbines, enhance their compatibility with renewable energy sources,
reduce emissions, enhance fuel flexibility, facilitate intelligent operation and maintenance, reduce the cost of gas turbine research
and development, and promote the progress of gas turbines and related technologies.
Keywords: industrial gas turbines; additive manufacturing; hydrogen combustor; power grid system; development trend
0 引言
燃气轮机依托先进的冷却和涂层技术，可以在
结构材料的熔点以上工作，具有功率密度高、碳排
放相对较少、启动快、可燃烧环保燃料等特点，广
泛应用于航空、发电、船舶、石油化工等领域，具
有庞大的技术和经济增长潜力。到2032年，全球燃
气轮机的年产值预计增长至约1 100×108美元，其中
第31卷 第4期 2024年8月 孔祥林 等：工业燃气轮机先进技术现状及发展趋势
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航空用燃气轮机占总市场的85%左右[1]。
燃气轮机是一种高度复杂的产品，各国政府和
学者在其技术发展领域上投入了大量资源和精力。
因此，了解与工业燃气轮机相关的通用技术现状非
常重要，这些通用技术有助于燃气轮机的开发和技
术进步。随着可再生能源的快速增长和减碳的需
求，发电市场正在经历重要变革。为了使燃气轮机
能够保持其在市场上的重要地位，需要对燃气轮机
先进技术开展持续的研究和投资。本文针对工业燃
气轮机，即工业驱动和发电用燃气轮机先进技术发
展趋势进行分析。
1 与燃气轮机相关的通用先进技术
1.1 高性价比的大规模计算能力
高性价比的大规模计算能力可提高燃气轮机
设计和制造精度，进而提升效率，具体表现在3个
方面：（1）在设计方面，高性价比的大规模算力
可为燃气轮机复杂系统级的模拟提供支持[2–3]，如
动力学耦合、湍流畸变和复杂混合现象产生的空气
动力学载荷；（2）在制造方面，高性价比的大规
模算力可提供以不同分辨率模拟增材制造等新制
造技术的能力；（3）在运行和维护方面，利用虚
拟传感器生成或物理传感器测量的大规模实时数
据分析有助于燃气轮机的运行和维护。上述应用都
需要高性价比的大规模算力进行大规模模拟，并利
用先进硬件技术进行加速计算以降低模拟成本。
1.2 高度自主的系统
高度自主的系统有助于降低燃气轮机的运行
和维护成本。自主系统将通过改进维修、维护和检
查流程，提高燃气轮机系统的灵活性和智能化水
平，从而提高系统的可靠性，降低产品生命周期成
本[4]。实现高度自主的燃气轮机系统需要依托小型
化机器人、自主导航、自动化维修和检查、远程操
作、远程呈现等新兴技术。
1.3 增材制造
增材制造是基于数字产品开发能力的核心技
术，通过该技术，可以快速精密制造新设计的复杂
三维结构，加快新产品的验证，缩短新产品的研制
周期[5]。同时，基于增材制造的工艺，能采用系统
的方法来进行零件设计，从而减少零件数量，减轻
系统质量，增强耐用性，降低生命周期成本。
1.4 人工智能
人工智能（包括机器学习）有助于在产品设计、
制造、运行和服务的整个生命周期内提高燃气轮机
的效率和装备质量[6]。人工智能和数据库的进步还
有助于决策制定、改进维护流程、提高可靠性和降
低运营成本。
1.5 网络安全
随着燃气轮机行业的互联互通，存储在设计、
制造、运营和维护系统中的核心数据量不断增多，
网络安全与信息保密的重要性日益显著。截至目
前，大多数针对能源系统的攻击都针对IT基础设施
或断路器[7]。在这种情况下，可以通过重新启动计
算机或重置断路器以迅速解决问题。但是，如果攻
击导致重要的大型定制设备发生物理损坏，可能需
要数周甚至数月才能恢复。所以管理好网络安全才
能保证燃气轮机及其核心数据的安全。
2 燃气轮机关键先进技术发展目标及趋势
以性能改进、技术风险及应用广度3个指标来
判断一项技术是否为工业燃气轮机的关键先进
技术[1]。
（1）性能改进。性能改进包括：① 满负荷和
部分负荷时的效率；② 生命周期成本，即设计开发
时间和成本、制造时间和成本、可靠性、可用性和
可维护性；③ 燃料灵活性；④ 排放；⑤ 与可再生
能源和未来电网的兼容性。
（2）技术风险。先进技术通常伴随有中高风
险，风险越高，技术研发失败的可能性越大，而低
风险技术已经被大量研究，所以应对关键先进技术
进行全面的风险评估。
（3）应用广度。该指标用于评估一项技术支
持其他技术发展的能力，以及一项技术与其他研究
领域的关系。
根据上述评判指标，提出工业燃气轮机关键先
进技术的发展目标及需要优先发展的研究内容。
2.1 关键先进技术发展目标
综合考虑先进技术对燃气轮机性能改进的作
用、技术风险和应用广度，建议将效率和负载灵活
性、与可再生能源的兼容性、排放、燃料灵活性、
成本以及智能运行和维护作为优先发展目标。
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世界石油工业
World Petroleum Industry D 双碳三新
Decarbonization &amp;amp; Transformation
2.1.1 效率和负载灵活性
对于发电用燃气轮机，联合循环的目标效率为
70%，简单循环的目标效率为50%以上[1, 8]。对于管
道压缩机站（含石油和天然气应用）用燃气轮机，
应能承受大的负载波动，部分负载下能高效运行。
目前，用于发电的重型燃气轮机联合循环效率
约64%，简单循环效率约44% [9–10]。为达到上述目
标效率，需要进一步提高燃烧温度，而该方法会造
成氮氧化物（NOx）排放量增加。在提高效率的同
时降低NOx的排放具有很高的难度，这需要引入革
命性的技术，甚至更改燃气轮机的基本构架或研发
全新的材料。该目标的技术风险很高。
在石油和天然气行业，燃气轮机驱动压缩机在
各种负载和转速下运行，在变工况时通过保持燃烧
温度和将轴流压缩机空气直接排放到排气系统中
以减少排放，但其显著降低了效率。天然气管道
在未来会与可再生能源整合[11]，这需要压气站的燃
气轮机频繁启停和在部分负荷下运行。由于天然气
管道具有储能功能，可以适应对天然气需求的突然
变化，故快速启动不作为管道压气站燃气轮机的重
要性能参数。由于压缩机站一般都位于偏远地区，
外部电力供应不足，而天然气燃料很容易获得，所
以虽然电动机在部分负载下效率高，但运营商更偏
向采用燃气轮机驱动。由于已经有较多在研技术，
该目标的技术风险为中等。
2.1.2 与可再生能源的兼容性
调峰用燃气轮机的关键技术是与可再生能源
的集成[12]。燃气轮机快速启动和灵活运行的能力可
使电网能够快速平衡由风能和太阳能带来的电力
波动。实现这一目标将提高燃气轮机与可再生能源
的兼容性，减轻对环境的影响。燃气轮机/电池混合
系统可以减少燃气轮机启动次数，并延长燃气轮机
的可利用时间，有助于减少燃料、维护成本和有害
排放。该目标的技术风险为中高。
2.1.3 排放
降低燃气轮机CO2排放不能以降低性能为代价，
同时NOx和其他有害物质也应满足排放标准[13]。燃
气轮机通常需要在高温、高压下运行，造成NOx加
速释放，需要研发新的燃烧技术以实现将NOx排放
控制在可接受范围，同时保持足够的燃烧调节能
力。该目标的技术风险为中等。
2.1.4 燃料灵活性
用于发电及石油和天然气行业的燃气轮机要
求使用极高比例的氢气和其他各种成分的可再生
气体燃料[14–16]。实现该目标可减轻对传统碳基燃料
的依赖，并实现接近零排放以降低对环境的影响。
实现该目标将提高燃气轮机与可再生能源和未来
电网的兼容性，使其能够燃烧可再生能源燃料，例
如生物燃料。该目标的技术风险高。
2.1.5 成本
降低发电燃气轮机的平准化电力成本，以确保
能长期与太阳能和风能系统的成本保持竞争力。平
准化电力成本包括发电厂的资本成本和持续运营成
本。资本成本包括建设成本、融资成本、税收抵免
以及其他与工厂相关的补贴或税费。持续运营成本
包括燃料成本、预期维护成本以及基于发电厂运营的
其他相关补贴或税费[17]。
平准化电力成本为购买和运营燃气轮机的关键
指标之一，需要不断提高燃气轮机的性能并在成本
上保持与可再生能源的竞争力。由于提高燃气轮机
性能可能会需要更贵的材料和更复杂的部件，从而
导致更高的制造成本。该目标的技术风险很高。
2.1.6 智能运行和维护
开发智能运行和维护技术，在不降低可用性或
可靠性的情况下，保证天然气管道压缩站的燃气轮
机不间断运行3年或更长时间。燃气轮机智能运行
和维护优化了整个生命周期内的运行、维护和检
修。先进的智能运行和维护算法通过在线评估运行
数据，计算剩余使用寿命、故障概率以及检修成本，
以便运营商和原始设备制造商依据这些信息制定
维护计划[18]。
实现该目标将使运营商能够最大限度地缩短
燃气轮机停机维护时间，从部分负载到峰值负载条
件下的灵活运行，提高可用性，从而提高运营效率，
降低生命周期成本。目前，定期维护的典型周期为
每6～12个月1次。特别是对于管道上应用远程和无
人值守的燃气轮机，保障其长时间正常运行尤其重
要。随着智能运行和维护技术的成熟，无人值守压
缩机站的应用将更加广泛。应减少维护干预和非计
划停机来提高天然气输送的整体效率。目前，发电
用和石油及天然气行业用燃气轮机在没有定期维
护的情况下，尚未实现连续运行3年以上。短期来
看，该目标的技术风险为中等。
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2.2 关键先进技术发展趋势
根据工业燃气轮机关键先进技术的发展目标，
需要重点在燃烧、结构材料和涂层、燃气轮机增材
制造、热管理、智能运行和维护、闭式和混合循环
燃气轮机系统、用于储能系统的燃气轮机等领域优
先开展研究。
2.2.1 燃烧
该领域重点研究低排放，可以在高温、高压环
境中工作以及具有燃料灵活性的燃烧系统。对NOx
排放的限制日趋严格，导致燃烧技术发生了根本转
变，预混燃烧技术占比不断上升，包括对火焰稳定
性、排放、湍流燃烧和燃烧化学的研究[19]。为了提
高燃气轮机的效率，需要不断提高新一代燃气轮机
的燃烧压力和温度，目前H/J级重型燃气轮机的压
力比高达24，透平入口温度高达1 600 ℃ [10]，在如
此高的压力和温度下减少有害排放具有极高难度。
同时，随着可再生能源在电网中的比例越来越大，
亟需电网大规模调峰并具有跨季节、跨地域储能能
力，以实现电网的稳定。氢燃气轮机作为未来新型
电力系统的主要设备，可以大规模消纳可再生能源
生产的氢能，并在未来能源系统中发挥重要调峰作
用，是实现碳中和的主要技术路径之一，这对燃烧
器是否可以燃烧一定比例的氢气或纯氢气燃料提
出了要求。
（1）高温和高压下减少有害排放的燃烧技术。
NOx的生成随温度呈指数级增长，也随压力呈正比
关系。此外，减少NOx排放的同时很可能会增加CO
或颗粒物排放。在透平入口温度低于约1 500 ℃时，
可通过燃料和空气预混来减少NOx排放，其中贫预
混燃烧方法在该方面很有效，但是存在燃烧火焰位
置不稳定的问题，并且由于热值的波动容易发生燃
烧振荡。为了解决上述问题，需要确定燃烧器内火
焰的具体位置，但其在高温、高压条件下很难确定，
ITO等[5]通过光学测量和大规模非定常数值模拟开
发了火焰位置评估技术。然而，由于燃烧器压力和
温度的进一步提高，即使在完美的预混下，也会产
生不少的NOx，需要研发新的燃烧模式来实现低
NOx排放。由于NOx的产生和形成速率与燃烧器停
留时间成正比，新的燃烧模式应具有使NOx形成速
率最小，缩短停留时间，同时保持足够的燃烧调整
的能力。理论研究证明[20]，与常用于高效地面燃气
轮机的传统干式低NOx燃烧器相比，分布式燃料喷
射技术可以将NOx排放量减少1个数量级。
（2）氢燃烧器。目前主要的燃气轮机生产厂
家都在积极推进氢燃气轮机的研发和商业化应
用。燃气轮机行业承诺，2030年可研发出燃烧纯
氢气的燃气轮机。采用氢燃料会带来如下挑战[21]：
① 自燃，由于氢气点火延迟时间较短，自燃风险
较高；② 回火，由于氢气火焰传播速度较高及点
火延迟时间较短，回火风险较高；③ 容易产生热
声振荡，由于氢气具有较高的火焰速度、较短的
点火延迟时间和不同的火焰稳定机制，导致不同
的火焰形状、位置和反应性，燃烧室声学频率处
或附近的燃烧振荡可能增加；④ NOx排放量增加，
氢气快速燃烧所释放的热量使燃烧室温度急剧升
高，同时氢气的加入会使化学反应中的活化分子
体积分数增加，从而导致NOx高排放问题；⑤ 沃
泊指数较低，压降越大，沃泊指数的变化越大，
燃烧系统和相关控制所需的灵活性就越大；⑥ 缩
短热部件使用寿命，燃烧氢气将增加烟气中的含
水量，从而使燃气轮机热通道部件的传热加快，
这对冷却系统提出了技术挑战。
目前，解决氢燃气轮机回火和降低NOx排放量
可行的方法是微混燃烧器[22]或多簇燃烧器[23]。上述
燃烧器利用多个小火焰取代单一大火焰，缩短了反
应物停留时间，可降低NOx生成，同时小孔径喷嘴
喷出的高速射流消除了回火风险。
2.2.2 结构材料和涂层
结构材料和涂层技术的发展一直是现代工业
燃气轮机效率和性能不断提高的基础。未来燃气轮
机结构材料和涂层领域的重点研究内容为：陶瓷基
复合材料、基于物理的材料寿命计算模型、先进的
高温合金及其部件设计方法。上述研究将提高燃气
轮机的效率，延长使用寿命。
（1）陶瓷基复合材料（CMC）。CMC由碳、
碳化硅（SiC）、氧化铝（Al2O3）、莫来石（Al2O3-SiO2）
等纤维组成，与传统陶瓷相比是轻质、超高温和高
抗断裂材料[14]。CMC的开发已超过30年， CMC纤
维重点应用于燃烧器和透平的静叶和动叶，使得燃
气轮机具有更高的工作温度（CMC适用于1 500 ℃
及以上的表面温度），可减少冷却空气量，并使燃
料完全燃烧。该技术的预期收益是燃料和CO2排放
减少2%，热部件质量减轻约50%，提高燃气轮机效
率并降低电力成本[1]。开发CMC的先进生产方法，
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世界石油工业
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以进一步降低高质量SiC纤维成本，使得CMC能在
燃气轮机内广泛应用。CMC部件使用陶瓷基体中的
陶瓷纤维制造，该复合材料需要高强度耐火纤维，
能够承受热偏移，而高强度、抗蠕变、抗氧化的SiC
纤维可以满足上述要求。采用经济有效的聚合物加
工路线开发最佳的SiC纤维，生产具有优异强度保
持率、弹性模量和抗蠕变性能的纤维，其关键特征
是：化学计量比或碳硅比、保护晶界、低残余氧含
量和无杂相。研究的目标是在现有CMC技术使用温
度的基础上提高170 ℃，并比镍基材料高450 ℃。
（2）基于物理的材料寿命计算模型。建立基
于物理的寿命计算模型，解决燃烧器和透平部件材
料的退化问题[24]。该模型有助于先进材料、制造技
术和数字孪生的研发，其需要解决以下问题：① 金
属结构材料和涂层的热腐蚀和氧化；② 熔盐引起的
高温应力腐蚀开裂；③ 热腐蚀、氧化及水分引起的
退化；④ 钙镁铝硅酸盐引起的热胀及环境屏障涂层
的退化和侵蚀；⑤ CMC在极端运行温度下能长期
保持力学性能。
（3）先进的高温合金及其部件设计技术。镍
基高温合金已经在燃气轮机中使用了50多年，虽然
定向凝固或锻造生产的镍合金在持续发展，但是这
些类别的合金已经达到了当前燃气轮机工作温度
极限[14]。先进的高温合金技术研发主要集中在3个
方面：① 定向凝固铸造技术；② 用于透平动叶和
静叶的镍基高温合金化学成分开发；③ 用于盘（转
子）的粉末冶金高温合金[25]。然而，提高温度能力
的研究和开发已经到了收益递减的阶段。
为了提高燃气轮机效率，燃烧器和透平中需要
使用CMC以及可以在超过当前设计温度下使用的
金属材料。先进的高温合金需要引入新的技术，
如高熵合金、高温钛合金、钴基高温合金和难熔
合金[26–27]。此外，还需要开发先进高温合金部件
设计技术，包括由多种微结构和单晶轮缘组成的混
合透平轮盘。
2.2.3 燃气轮机增材制造
增材制造的主要优点是减轻部件质量，减少零
件数量，允许其他工艺无法制造的内部结构，可小
批量生产，并缩短开发时间，其在新型冷却部件、
新型高温合金的集成设计，以及对微观结构进行结
构控制方面具有优势。增材制造于1987年通过三维
系统的立体光刻技术在商业上出现，已经发展了30
多年，现面临的主要技术难题是变形、裂纹、组织
难调控和表面质量差等[28]。上述难题需要通过集成
传感、传感器数据的自主分析和过程校正方面的研
究予以解决。应该重点从3个方面开展研究。
（1）集成设计和增材制造。开发先进的方法，
将材料、工艺、机器和成本模型与计算机辅助设计
软件集成，创建一个完整的数字工程体系，满足燃
气轮机设计师对增材制造的特殊需求。该技术可高
效、高精度地满足燃气轮机热部件中创造性的冷却
几何结构，能够设计新的、更高性能的高温材料以
及微观结构。
（2）高温结构材料的增材制造。开发新的高
温结构材料和先进的增材制造设备工艺，以提高热
效率和工作温度极限，并增强使用增材制造生产的
燃气轮机部件的耐用性。特别是在开发新的、低成
本的粉末生产方法方面，开发制造过程中的微观结
构、生产柱状晶粒和单晶零件是最具有挑战性的研
究内容。
（3）传感器、机器学习和过程分析集成。将
基于物理的成分、加工、微观结构、机械行为模型、
人工智能分析、工艺信息等集成到制造基础设施中，
以提高燃气轮机部件的工艺控制和首次产量。
2.2.4 热管理技术
热管理研究的目的是开发先进的冷却方法，可
以快速、低成本地应用于燃气轮机，实现更高的透
平入口温度、更高的循环压比以及更低的燃烧器和
透平冷却流量，从而在满足燃气轮机寿命要求的同
时提高热力学循环效率。
目前燃烧器和透平部件的冷却流量约占压气
机总空气流量的25%。现代燃气轮机受益于数十年
来对高温合金、先进涂层和先进冷却技术的研究，
将先进的镍基高温合金与冷却技术的应用相结合，
不断提高透平入口温度。同时，通过不断提高循环
压比来实现更高的热效率，但压气机抽取的冷却空
气的温度也随循环压比的增加而升高，其会影响燃
烧器和透平的冷却。因此，有必要开发利用更高温
度的冷却空气的热管理技术，以保证热端部件正常
使用寿命。该研究领域包括3个研究方向。
（1）创新冷却技术。通过创新的冷却技术和
方法[29]提高燃气轮机热端部件的冷却效率。包括：
① 通过增材制造技术，采用热、气动、强度、振动、
轻量化等多目标协同方法生产复杂高效的桁架晶
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格结构；② 将先进的微米级孔、精细化冷却通道和
微尺度表面结构等微尺度冷却结构应用于燃烧器、
透平叶片；③ 在透平叶片中应用强导热高温热管技
术；④ 采用CMC制造叶片的冷却技术，采用CMC
可将工作温度升高100 ℃，超过了现有单晶叶片的
工作温度。
（2）全共轭传热模型。开发先进的全共轭传
热技术[30]，以实现燃烧器和透平冷却结构的优化
设计，最大限度地减少热端部件冷却空气流量，
提高透平入口温度，并实现更高的压比。增材制
造技术可使燃气轮机热端部件实现更为复杂和精
细的结构，但是目前对复杂先进的冷却结构的物
理机理缺乏认识，限制了燃气轮机热端部件高效
冷却结构的设计能力。所以需要对全共轭传热分
析进行研究，通过单一的模型来模拟流体和固体
的传热，从而准确捕捉气膜冷却流和主气路之间
复杂的三维热量交换，从而为热端部件的冷却结
构优化提供理论基础。
（3）颗粒物的影响机理研究。由于一些地区
的空气污染，颗粒流（含固体颗粒、熔化或部分熔
化的颗粒以及热气的混合物）可以进入燃气轮机并
冲击主气体路径以及二次空气路径中的部件。沙子
或大气颗粒物等颗粒物的浓度会显著减弱燃气轮
机的性能，并经常导致停机，尤其在石油天然气行
业。与这些环境相关的基本物理机理尚不明确，需
要使用高保真度模拟和实验对相关环境条件进行
综合研究，这些环境条件包括与颗粒摄入相关的简
单到复杂现象。环境颗粒会侵蚀压气机叶片，而在
燃气轮机的热端部件（燃烧器和透平）内停留时间
足够长的颗粒则会黏附在部件表面，从而引发严重
故障。当颗粒黏附在热端部件表面上时，因内部通
道堵塞而减少冷却流量或增加壁与冷却空气之间
的热阻，金属温度通常会急剧升高，而更高的金属
温度反过来会导致黏附颗粒温度更高，从而使更多
颗粒黏附在表面[31]。冷却后，表面熔化颗粒会导致
保护涂层剥落。
2.2.5 智能运行和维护
研发智能运行和维护技术，通过减少计划和非
计划维护的次数来改善燃气轮机的运行，从而减少
非计划停机次数[32]。
（1）先进传感器技术。在燃气轮机上使用的
传感器，对尺寸、成本、温度、压力、可靠性和寿
命等方面有极高的要求，传感器要能够在燃气轮机
恶劣的内部环境中实现对部件的实时监测[33]。与传
统的有线传感器相比，易于安装、成本较低、坚固、
可靠的无线传感器具有巨大的优势。在燃气轮机部
件的使用寿命内，传感器和信号传输系统需能承受
高温、恶劣环境（腐蚀性和氧化性）和振动的影响。
其中温度数据尤为重要，目前有许多不同的技术用
于燃气轮机部件的温度测量，包括金属丝热电偶、
喷涂热电偶、薄膜热电偶、高温计、示温漆、热晶
体和红外热像仪等。然而，这些技术中的每一种都
有局限性，所以需要对特定传感器进行专门研究，
例如研究利用增材制造等新兴技术改进传感器与
燃气轮机部件的集成[34]。
（2）先进检查和维修技术。开发现场检查和维
修技术，以评估燃气轮机的退化状态，最大限度地
延长运行时间，降低长期维护成本。目前主要通过
目视和内视镜检查燃烧器和透平叶片等关键部件的
状态。这种方法需要依靠专家判断来识别和分类缺
陷，检查的效果取决于专家经验。为了有效地检查
燃气轮机，对新兴技术进行研究：① 远程操作和远
程呈现；② 小型化检查机器人；③ 单目标同时定位
与建图（利用传感器数据实现机器人定位和地图构
建技术，其通过不断观测环境以及机器人自身的状
态来更新机器人的位置，并在这个过程中构建出环
境地图）；④ 自主导航；⑤ 人工智能辅助分析检查
数据；⑥ 新的人机界面，通过利用机器人、远程呈
现、远程操作、人工智能[35]等新兴技术实现燃气轮
机现场智能检测和维修。
（3）先进控制技术。开发先进的控制技术，
以满足电网与可再生能源和储能系统日益一体化
的运营需求。需要开发“更智能”的燃气轮机，通
过利用外部环境（天气预报）、商业条件（燃料成
本和电价）和客户偏好（风险规避）等相关领域的
信息，来更有效地控制燃气轮机。该研究需要借鉴
人工智能技术，尤其是机器智能，通过控制技术提
高燃气轮机的性能，并通过数字孪生的应用来指
导运行和维护，同时降低燃气轮机的运行成本[36]。
2.2.6 闭式和混合循环燃气轮机系统
为了进一步降低排放和提高效率，目前正在研
发的闭式和混合循环燃气轮机系统分别为氧燃烧
循环（Allam循环）燃气轮机系统和燃料电池-燃气
轮机混合系统。
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世界石油工业
World Petroleum Industry D 双碳三新
Decarbonization &amp;amp; Transformation
（1）Allam循环。使用氧燃烧的非常规热力学
循环可以提供高的热效率，同时容易从烟道气流中
去除CO2。由于氧燃烧使用纯氧而不是大气，以天
然气为燃料时，其排气完全由水蒸汽和CO2组成，
CO2捕获后用于工业或封存，水蒸汽冷却为纯净水。
Allam循环本质上是一种具有氧燃烧的半封闭循环
燃气轮机，其中CO2（名义上）占燃烧器中流体流
量的95%（质量分数），其余5%由氧气和燃料组成。
用于燃烧的氧气由低温空气分离装置产生，Allam
循环燃料化学能（LHV）净效率接近59% [37]。美
国在2018年耗资1.4×108美元建造的一座基于Allam
循环零排放的50 MW热电厂已经开始试运行[38]。该
技术的推广还需要对整个系统配置进行优化，以及
通过配置合适的空气分离装置以降低运营成本。
（2）燃料电池-燃气轮机混合系统。在此之前，
由于化石燃料集中式发电技术占主导地位，导致
对燃料电池-燃气轮机混合系统研究较少。燃气轮
机布雷顿循环中最大的损失机理与燃烧的不可逆
性质有关。在燃料电池-燃气轮机混合动力系统中，
燃料电池取代燃烧器，充当“前置循环”。在该
系统中，燃气轮机充当后置循环，整个系统的效
率可达70%。
2.2.7 用于储能系统的燃气轮机
压缩空气储能（CAES）是除抽水蓄能（PHS）
外唯一经验证的利用透平，特别是再热燃气轮机
进行大规模、长期储能的技术[38]。CAES中最大的
难点是找到合适的储存位置（例如枯竭的天然气
储层）或制造一个储存位置（如盐穴）。替代解
决方案是低温或液态空气储能，空气被低温液化
以储存在储罐中。为了提高压缩空气储能的功率
和效率，可通过压缩空气储能加补燃式燃气轮机
的组合系统。该系统在电力需求较低的时期，通
过电网取能驱动压缩机组压缩空气或液化并存
储。在电网峰值需求期间，压缩空气从储气罐中
抽出，并在进入膨胀机组之前在回热器使用废热
加热，加热后的空气经过高压膨胀机、膨胀机补
燃式燃气轮机的燃烧器和透平进行做功。最后，废
气通过回热器返回，对进入的空气进行预热[40-41]。
与以前的系统相比，该系统的低压膨胀机排气温
度相对较高，因此不需要高压燃烧器。
该系统中的补燃式燃气轮机与常规燃气轮机
相比少了压气机，需要解决的技术难点：① 无压
气机平衡燃气轮机的推力，导致整个转子推力大，
需要设计平衡盘以及长期服役工况如何保证平衡
腔室压力的稳定；② 转子的冷却空气参数与原燃
气轮机难以做到相同，且压力无法随透平工况随
动，其对燃气轮机轮盘、叶片和气缸的瞬态热应
力需重新评估；③ 透平功率大，轴系惯量小，无
压气机这种天然的耗功设备，需特别注意机组防
超速系统的设计。
3 结束语
对与工业燃气轮机相关的通用先进技术发展
趋势进行分析，包括高性价比的大规模计算能力、
高度自主的系统、增材制造、人工智能和网络安全。
综合考虑先进技术对燃气轮机性能改进的作用、技
术风险和应用广度，总结工业燃气轮机关键先进技
术的优先发展目标，即提高燃气轮机效率和负载灵
活性、与可再生能源的兼容性、排放、燃料灵活性、
成本及智能运行和维护。根据工业燃气轮机关键先
进技术的发展目标，提出应重点对燃烧、结构材
料和涂层、燃气轮机增材制造、热管理、智能运
行和维护、闭式和混合循环燃气轮机系统和用于
储能系统的燃气轮机等领域进行研究，促进研发
高性能的工业燃气轮机。
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（编辑: 柳玲玲 王克楠）

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