重磅！最新ETN研发建议报告发布

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导语

本报告是ETN的项目委员会2023年10月发布的一份关于燃气轮机研发主题的建议报告。报告涵盖了燃气轮机的市场条件和政策框架、运行灵活性、高效率发电、扩展燃料谱、排放、脱碳、先进循环、分散化、材料、先进修复、可靠性、可用性和维护、数字化、传感器和仪器、状态监测和寿命评估等十三个主要领域，分析了每个领域的现状、挑战、机遇和研发重点，以及它们之间的相互关联和影响。报告旨在促进燃气轮机技术的创新和发展，为实现能源转型和碳中和的目标做出贡献。

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什么是ETN？

ETN Global是一个非营利性会员协会，汇集了燃气轮机技术的整个价值链。通过合作努力和发起共同的活动和项目，ETN鼓励和促进信息交流与合作，以加速到2030年安全、可靠、负担得起和可调度的碳中和能源解决方案的研究、开发、示范和部署。ETN 目前有 136 名成员。

ETN定期发布研发报告和其他出版物，作为我们工作组活动的一部分。您可以在下面下载我们的报告，涵盖微型燃气轮机、数字化、增材制造、氢气和超临界二氧化碳等主题。

ETN成员地图

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引言

欧洲电力和天然气输送系统运营商（TSO）在2022年的十年发展计划（TYNDP 2022）中预测，到2050年，燃气轮机的容量将达到150 GW。ETN的愿景是为2030年实现安全、可靠、经济和可调度的碳中和能源解决方案，以及2050年在全球范围内的推广做出贡献。为了实现这一愿景，燃气轮机领域的持续研究和创新至关重要。在分析了未来基于燃气轮机的解决方案的作用和影响之后，ETN理事会委托ETN项目委员会更新之前的研发（R&D）建议报告，该报告列出了与电力、石油和天然气、工业等领域使用的燃气轮机系统相关的技术领域的主题，考虑了与燃气轮机在新能源系统中的集成、组件技术的最新水平的改进、适应未来排放法规和其他监管框架等相关的主题。

可以确定以下主要趋势：碳中和、分散化、数字化、系统集成和部门耦合。能源供应的安全和多样性、分布式发电、智能电网、整体系统集成、非常规燃料，当然还有可再生能源是能源议程的首要问题。目前正在广泛开发和提供数字解决方案，对能源系统进行改造，使其更聪明、更可靠、更相互关联、更安全、最重要的是更有效率。

ETN将燃气轮机集成到碳中和能源系统中的愿景

下面将针对13个研发建议方向进行描述：

1.运行灵活性

燃气轮机需要具备高度的运行灵活性，以适应可再生能源的波动和需求的变化。运行灵活性包括快速启动和停机、最小环境负荷、负荷调节范围等方面。报告提出了提高运行灵活性的一些技术挑战和研发主题，例如优化燃烧器设计、开发先进的控制系统、底层循环设计等。

西门子燃氢燃气轮机发电厂

2.高效率发电

燃气轮机的效率是衡量其性能和竞争力的重要指标，也是降低碳排放和运行成本的关键因素。报告指出了提高燃气轮机效率的一些技术途径和研发方向，例如先进循环（如再热布雷顿循环和SCO2底部循环）、降低压气机和涡轮的气动损失、先进冷却技术等。

燃气轮机效率与负荷的关系

3.燃料多样性

燃气轮机需要能够适应不同的燃料类型和组成，以满足能源转型和碳中和的目标。在未来的脱碳能源系统中。燃气轮机将仍然是将气体燃料(化石燃料、可再生燃料或合成燃料)转化为电力的最相关的解决办法之一，报告介绍了一些潜在的替代燃料，例如氢气、合成天然气、液化天然气、页岩气、生物燃料等，以及它们对燃气轮机的影响和挑战，例如燃烧稳定性、排放控制、燃料供应和储存等。报告也提出了一些研发重点，例如开发多燃料适应的燃烧器、优化燃料切换策略等。

可燃气生成简化流程图

4.低排放

燃气轮机的排放水平是影响其环境和社会接受度的重要因素，也是符合法规和政策要求的必要条件。报告分析了燃气轮机的主要排放物，例如二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳、颗粒物等，以及它们的来源和影响。报告也提出了一些降低排放的技术手段和研发主题，例如采用干低排放、预混燃烧、稀释燃烧、分级燃烧、微混燃烧技术、开发高效的废气再循环技术（EGR）、利用碳捕集和利用技术等。

5.脱碳

燃气轮机的脱碳是实现能源系统的碳中和的重要途径，也是燃气轮机未来的发展方向。报告探讨了一些可能的脱碳策略，例如使用低碳排放燃料、采用碳捕集和储存技术、采用氧燃燃气轮机的先进高效循环等。报告也指出了一些脱碳的技术挑战和研发需求，例如评估脱碳的技术可行性和经济性、优化脱碳的系统集成和运行模式等。

6.先进循环

先进循环是指利用新的工质或新的热力学过程来提高燃气轮机的效率和性能的技术。报告介绍了一些先进循环的概念和特点，例如超临界二氧化碳循环、定容燃烧、有机朗肯循环等。报告也分析了一些先进循环的技术难点和研发方向，例如开发先进的压气机和涡轮、设计高效的换热器和循环器、实现稳定的爆震燃烧等。

7.分布式能源

小型燃气轮机进行分散发电是一个越来越有吸引力的选择，因为它们有助于稳定中低压电网，同时缓解高压电网的压力。报告介绍了一些分散化分布式能源的应用场景和优势。报告也提出了一些分散化的技术挑战和研发主题，例如提高小型或微型燃气轮机的效率和可靠性、降低小型或微型燃气轮机的成本和维护、优化小型或微型燃气轮机的控制和噪声等。

AE-T 100MGT系统运行

8.材料

材料是影响燃气轮机性能和寿命的关键因素，也是推动燃气轮机技术进步的重要驱动力。报告介绍了一些适用于燃气轮机的新型材料，例如新型改进型合金、陶瓷基复合材料、金属基复合材料、热障涂层（TBC）等，以及它们的优点和局限。报告也提出了一些材料的技术难题和研发方向，例如提高材料的耐热性和耐腐蚀性、降低材料的重量和成本、开发新的材料制造和检测方法等。

某先进单晶叶片在低温高应力区优先氧化γ质点，导致叶片开裂

9.先进修复

先进修复是指利用新的技术和方法来延长燃气轮机零部件的使用寿命和提高其性能的技术。报告介绍了一些先进修复的技术和手段，例如真空钎焊、粉末冶金修复、增材制造修复等。报告也提出了一些先进修复的技术挑战和研发主题，例如提高修复的质量和一致性、降低修复的时间和成本、开发新的修复技术和评估方法等。

焊接修复

10．可靠性、可用性与维护

可靠性、可用性和维护是影响燃气轮机运行效率和经济性的重要因素，也是保证燃气轮机安全和稳定的必要条件。报告分析了一些影响可靠性、可用性和维护的因素。报告指出需要开发新型的高效、低成本的维护技术，以保证和提升燃气轮机的运行性能和寿命，降低燃气轮机的停机时间和维护成本，提高燃气轮机的运行效率和效益。

11.数字化

数字化是指利用信息和通信技术来提高燃气轮机的性能和效率的技术。报告介绍了一些数字化的应用和好处，例如数字孪生技术、数据管理、人工智能和机器学习、网络安全等。报告也提出了一些数字化的技术难题和研发方向，例如建立数字孪生生态系统，实现机组风险预测和自主运行、开发和评估数据链规模和速度、开发新的算法和模型、解决数据的安全性问题等。

12.传感器与仪器

传感器和仪器是实现燃气轮机的数字化和智能化的基础设备，也是提高燃气轮机的可靠性和可用性的重要手段。报告介绍了一些适用于燃气轮机的新型传感器和仪器，例如嵌入式传感器、超高温动态压力传感器、高温薄膜应变仪等。报告也提出了一些传感器和仪器的技术挑战和研发主题，例如提高传感器和仪器的精度和稳定性、降低传感器和仪器的成本和维护、开发新的传感器和仪器技术和方法等。

Cardiff大学燃气轮机研究中心（GTRC）的高速化学发光高压光学燃烧室

13.状态监测和寿命评估

状态监测和寿命评估是指利用传感器和仪器采集的数据来评估燃气轮机的运行状况和剩余寿命的技术。报告介绍了一些状态监测和寿命评估的方法和技术，例如综合状态监测、实时在线状态监测、故障诊断和预测、健康管理和优化、寿命预测和延长等。报告也提出了一些状态监测和寿命评估的技术难点和研发方向，例如提高状态监测和寿命评估的准确性和实时性、开发新的状态监测和寿命评估的模型和算法、利用人工智能和机器学习等。

燃机健康状态预测

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结语

目前世界各地的能源系统正在发生根本性的变化。由碳中和目标导向，相关的政治、经济和社会变革正在进行，本报告的编写基于ETN对燃气轮机行业的深入了解和广泛征求意见，但仍存在一些局限性和不足之处。因此，报告仅供参考，希望能够引起大家更多的关注和讨论，促进燃气轮机行业的技术交流和合作，为燃气轮机的未来发展提供更多的思路和解决方案。

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