DQZHAN訊：華麗變身｜燃氣輪機：走向大眾化的“明珠”
導讀：柴油機熱效率高、適應性好，自誕生之曰起便逐步取代蒸汽輪機，成為各類船舶及海洋工程裝備的動力源，經過長期的發展和市場的檢驗，柴油機在海洋裝備市場的份額處于**統治地位。然而隨著技術的突飛猛進，被譽為現代工業“皇冠上明珠”的燃氣輪機，不但翱翔藍天，更是“下地入海”，與柴油機在諸多領域展開競爭。
目前，燃氣輪機已在發電、工業驅動等行業打開一片天地，甚至連美國的Ml艾布拉姆斯、俄羅斯的T-80主戰坦克也采用了燃氣輪機作為主動力。
明珠好用不便宜
既然被稱作“皇冠上的明珠”，那么能戴得起這頂皇冠的也必然也是那些“高富帥”們，而他們往往對振動噪聲、占地空間、航行速度、燃料等都有比較特殊的要求，至于經濟性則不是首要考慮目標了。既然如此，燃氣輪機的客戶基本鎖定為軍船、海上油氣裝備、豪華游輪、高速渡輪等。
艦船領域自然不必多講，與內燃機相比，安靜且功率密度略勝一籌的燃氣輪機受到各國**偏愛，近幾年新型水面艦艇的全燃氣輪機化已勢不可擋。通用電氣(GE)和羅羅(Rolls-Royce)的LM2500、MT30、WR-21等燃氣輪機的明星產品主導著軍船市場，其中，GE研制的LM2500已裝備34個國家**，Rolls-Royce公司的燃氣輪機產品也已被世界20多個國家的**所采用。
在海上油氣領域，由于燃氣輪機啟動快、運轉平穩，還可以就地取材采用油田伴生氣作為燃料，以GE和索拉透平(SOLAR TURBINES)為代表的燃氣輪機企業，在各類海洋油氣鉆采、生產裝備市場擁有諸多業績。例如：GE的LM2500及其衍生型號燃氣輪機在FPSO(浮式生產儲油卸油裝置)項目上被廣泛選用，單機功率達到42.8MW的LM6000大功率燃氣輪機發電機組迄今也已有14臺(套)在海洋油氣裝備上平穩運行。據不完全統計，自2000年以來，GE燃氣輪機已在FPSO上安裝了近百臺。
在民船領域，燃氣輪機目前還集中在以服務人員為核心的高速渡輪、豪華游輪等船型。尤其在本世紀初交付的一批豪華游輪中(表1),GE為嘉年華游輪集團(Carnival Cruise)和**加勒比游輪集團(Royal Caribbean Cruises)共計13艘豪華游輪提供了LM2500及其衍生型號燃氣輪機作為主動力。
此外，LM2500燃氣輪機還在部分中大型高速渡輪中作為主動力。對于40米以下的小型高速渡輪，美國Allison公司501-KF型燃氣輪機、美國Lycoming公司TF-40型燃氣輪機也有不錯的業績。需要指出的是，對于具體的動力系統形式而言，中大型船舶考慮到經濟性和功能性要求，往往采用以燃氣輪機為核心的復合動力系統，例如柴-燃聯合循環、燃氣-蒸汽復合循環以及電力推進等多種形式，而小型船舶則基本采用傳統的機械推進方式。
這些年隨著燃氣輪機的技術不斷進步和成熟，其在海洋裝備領域的表現可圈可點，但在更龐大的主流運輸船舶市場，燃氣輪機與內燃機相比則不可同日而語。一方面是因為太貴“買不起”，燃氣輪機的價格約為400～500美元/千瓦(表2),而二沖程柴油機的價格約為300美元/千瓦，四沖程柴油機價格更低。
另一方面則是太費油“用不起”，主流船用燃氣輪機熱效率基本在30%～40%(表3),即便采用間冷回熱循環的羅羅WR-21燃氣輪機，效率也僅為42%,與低速機約50%的效率相比仍有明顯差距。反映在油耗方面，燃氣輪機為200～225kg/(kW*h),而目前低速柴油機產品油耗約為170kg/(kW.h)。此外，如果不采用天然氣等價格相對低廉的氣體燃料，燃氣輪機通常使用的煤油、柴油等燃料價格也較重油高。
沉寂后的回歸
經歷了上世紀末豪華游輪應用的熱潮后，燃氣輪機在民船領域的應用似乎陷入了沉寂，直到2013年快速渡船“Francisco”號的出現。該船長99米，由2臺LM2500提供動力，采用LNG燃料，航速超過58節，可以同時承載1000名乘客和150輛汽車，目前用于阿根廷首都布宜諾斯艾利斯到烏拉圭首都蒙得維的亞之間的國際航線。同年，GE Marine商船市場推廣總裁Jeremy W Barnes在旅游渡船“Viking Grace”號上舉行的“LNG動力船舶研討會”上指出，經過一段寂靜時期后，燃氣輪機將重新回歸到商船領域。
果不其然，此后GE攜其以燃氣輪機為核心的“燃-蒸聯合循環電力系統(COGES)”開始了一系列動作。2014年，GE與大連船舶重工合作研發的汽輪機動力LNG運輸船設計獲得英國勞氏船級社(LR)原則批準。2015年，GE與韓國現代重工(HHI)聯合開發的全球首艘燃氣輪機動力17.4萬立方米LNG船獲得LR原則批準。
2016年3月，GE與HHI、LR再次聯手開發燃氣輪機動力14000TEU電力推進集裝箱船。同年9月德國漢堡海事展上，GE與大連船舶重工合作開發燃氣輪機驅動20000TEU電力推進集裝箱船獲得LR原則批準，與滬東中華聯合開發的燃氣輪機動力17.8萬立方米LNG船獲得美國船級社(ABS)原則批準。11月，GE與韓國遠東船舶設計與工程公司等幾家單位簽署了諒解備忘錄，合作開發基于COGES(燃氣輪機和汽輪機聯合的綜合電力推進系統)的LPG燃料渡輪，這些渡輪將用于仁川至濟州島等多條航線。
不難發現，與以往不同的是GE瞄準了幾乎被柴油機壟斷的遠洋商船市場，并且積極與中韓兩大造船國家開展深度合作。實上，COGES并不是**次出現，早在上世紀80年代末GE就開始了燃氣輪機和汽輪機聯合的電力驅動系統研究，并在千禧號(Celebrity Millennium)豪華游輪中得到應用。時勢造英雄，GE這次進軍遠洋商船市場*大的推動力，還得歸功于日益嚴格的排放法規以及由此帶來的船用燃料的變化。
在排放方面，燃氣輪機較柴油機具有天生的優勢，普遍采用的低排放燃燒技術使得COGES系統無需廢氣處理裝置就可以滿足IMO Tier III及美國環保署(EPA)Tier IV要求。在燃料的適用性方面，燃氣輪機也可以使用多種標準、非標準的液態、氣態燃料，而柴油機在采用LNG燃料時需要對內部結構和外部燃料供應系統進行大量改造。
肩油老虎華麗變身
除了天時地利，GE開發的COGES復合循環系統歷經不斷的完善，改變了燃氣輪機油老虎的固有形象。從基本原理上看，燃氣輪機排放出的高溫尾氣帶走了大量能量，通過加裝余熱回收鍋爐將這部分能量回收利用，用于產生驅動蒸汽輪機發電機組的蒸汽，這樣以來就對燃氣輪機“浪費”的能量進行了再次利用，整體系統效率顯著提高。
以一套用于LNG運輸船的COGES系統為例，該系統總功率為46MW,由2臺燃氣輪機發電機和1臺蒸汽輪機發電機(根據需求輪機數量可進行增減)、余熱鍋爐、輔助鍋爐等設備構成。根據燃氣輪機與蒸汽輪機的功率分配不同，COGES系統效率可以達到50%~60%。此外，與傳統柴油機動力系統相比，COGES空間節省約40%,重量減輕約60%。
近些年，GE結合自身技術優勢，在海事領域動作頻頻。2011年9月2日，GE斥資32億美元收購在船舶電力及推進領域擁有雄厚實力的法國Converteam公司。2013年，GE將旗下電能轉換事業部、運輸集團海事部、石油與天然氣集團、航空集團海事部和全球研發中心的海事相關技術整合，成立了一個全新的全球船舶與海洋工程事業部。在此基礎上，2015年GE公司進一步整合資源，將汽輪透平與柴油發動機、電機、變速驅動、鉆井系統、自動化與控制系統以及相關業務融入海事業務范圍成立海事事業部。
目前，遠洋商船動力成為GE虎視眈眈的新目標，隨著其在海事領域進一步拓展，燃氣輪機這個曾經高高在上、成本高企的“明珠”，開始得到更大規模的應用，有朝一日，或將成為頗接地氣的“大眾貨”?
