遇見能源

雖然兩者都是旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，聽起來(lái)也只差一個(gè)字，但兩者在工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景上差別非常大。

簡(jiǎn)單說(shuō)，汽輪機(jī)是外燃式的蒸汽動(dòng)力，適合穩(wěn)定基荷；燃?xì)廨啓C(jī)是內(nèi)燃式的燃?xì)?/span>動(dòng)力，擅長(zhǎng)靈活調(diào)峰。

我們?cè)敿?xì)、逐一對(duì)比下。

從工作介質(zhì)（工質(zhì)）、能量來(lái)源上對(duì)比：

汽輪機(jī)以水蒸氣為唯一工作介質(zhì)，依賴外部的鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽（有印象的同志們應(yīng)該有印象，之前咱們學(xué)習(xí)過(guò)火電機(jī)組，是把鍋爐里面的水逼到亞臨界、超臨界、超超臨界）。高溫高壓蒸汽推動(dòng)葉片做功，蒸汽的熱能來(lái)自煤、天然氣等燃料在鍋爐中的燃燒。鍋爐是個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，所以屬于外燃式動(dòng)力機(jī)械。

從核心結(jié)構(gòu)、工作流程上比對(duì)：

汽輪機(jī)是由靜止的噴嘴組和旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。工作流程為：鍋爐產(chǎn)生的蒸汽→進(jìn)入汽輪機(jī)各級(jí)葉片→蒸汽膨脹推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)→帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他負(fù)載→乏汽排入冷凝器冷凝回收。關(guān)鍵依賴蒸汽參數(shù)提升效率（就是壓力和溫度，能源知識(shí)100問(wèn)第32問(wèn)介紹過(guò)），如超超臨界機(jī)組通過(guò) 25-30MPa 高壓和 600℃以上高溫提升熱效率。

燃?xì)廨啓C(jī)是由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大核心部件組成，結(jié)構(gòu)更緊湊。

它的工作流程遵循：壓氣機(jī)壓縮空氣→與燃料在燃燒室燃燒→高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)→渦輪同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)和外部負(fù)載（如發(fā)電機(jī)）→廢氣直接排入大氣（現(xiàn)在環(huán)保查得緊，不能直接排廢氣了，通過(guò)與汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)進(jìn)入余熱鍋爐，既符合環(huán)保要求，又能通過(guò)蒸汽輪機(jī)二次發(fā)電提升綜合效率）。燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵依賴，或者說(shuō)核心限制，是渦輪葉片的耐溫能力。

之所以渦輪葉片的耐溫能力是燃?xì)廨啓C(jī)性能的關(guān)鍵瓶頸。是因?yàn)楦邷厝細(xì)庵苯記_擊渦輪葉片，其材料需同時(shí)承受高溫（目前先進(jìn)機(jī)型可達(dá)1600℃以上）、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械應(yīng)力，而葉片的耐溫上限直接決定了燃?xì)廨啓C(jī)的功率密度和效率。

例如，H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪進(jìn)口溫度每提升100℃，效率可提高約1.5-2個(gè)百分點(diǎn)，因此葉片材料（如單晶高溫合金）和冷卻技術(shù)（如氣膜冷卻）是燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)的核心領(lǐng)域。

我們這里解釋下，為什么汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的溫度能夠相差千度的問(wèn)題。

燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度（燃?xì)獬鯗兀┻h(yuǎn)高于汽輪機(jī)（蒸汽初溫），核心源于兩者的能量轉(zhuǎn)換方式、工質(zhì)特性及熱源性質(zhì)的本質(zhì)差異。

一是能量轉(zhuǎn)換路徑的根本區(qū)別。

燃?xì)廨啓C(jī)是內(nèi)燃式直接做功，燃料（天然氣等）在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室內(nèi)部直接燃燒，高溫燃?xì)猓?300-1600℃）作為工質(zhì)直接沖擊渦輪葉片做功。燃燒過(guò)程在封閉空間內(nèi)完成，無(wú)需中間介質(zhì)傳遞熱量，理論上可接近燃料的絕熱燃燒溫度（天然氣燃燒溫度約 2000℃），實(shí)際因效率和材料限制控制在 1600℃左右。

而汽輪機(jī)是外燃式間接做功，燃料（煤等）在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的熱量，需先通過(guò)熱傳導(dǎo)加熱水生成蒸汽，再由蒸汽（超超臨界機(jī)組約 600-620℃）進(jìn)入汽輪機(jī)做功。熱量傳遞過(guò)程中存在鍋爐熱損失（約 5-10%），且水的臨界溫度僅為374.15℃，即使采用超超臨界參數(shù)，蒸汽溫度也受限于材料耐溫上限（目前最高 650℃），無(wú)法接近燃料燃燒的原始溫度。

二是工質(zhì)特性的溫度限制差異。

燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)是高溫燃?xì)?，燃?xì)猓ㄖ饕煞譃榈獨(dú)狻⒍趸?、水蒸氣等）的化學(xué)穩(wěn)定性高，在1600℃下不易發(fā)生相變或分解，僅需解決渦輪葉片的耐高溫問(wèn)題（通過(guò)單晶合金、氣膜冷卻等技術(shù)）。

汽輪機(jī)的工質(zhì)是水蒸氣，水在高溫下的物理特性限制嚴(yán)格。當(dāng)溫度超過(guò) 650℃時(shí)，蒸汽會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化和腐蝕（如蒸汽氧化導(dǎo)致葉片剝落），且超臨界壓力下（25MPa 以上），金屬材料的蠕變強(qiáng)度急劇下降（蠕變：材料在長(zhǎng)期恒定高溫和應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力未超過(guò)屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象）。因此，蒸汽溫度需控制在材料耐受范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于燃?xì)獾臏囟人健?/span>

三是技術(shù)目標(biāo)的不同導(dǎo)向。

燃?xì)廨啓C(jī)追求 “高溫增效”。燃?xì)廨啓C(jī)的效率與燃?xì)獬鯗刂苯酉嚓P(guān)（每提升 100℃，效率提高1.5-2個(gè)百分點(diǎn)），因此技術(shù)迭代的核心是突破葉片耐溫極限（如H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)從F級(jí)的1400℃提升至1600℃）。

汽輪機(jī)追求 “高壓增效”。汽輪機(jī)受限于蒸汽溫度，主要通過(guò)提高蒸汽壓力（從亞臨界16MPa到超超臨界30MPa）提升效率，溫度僅作為輔助參數(shù)逐步提升（近30年從538℃提升至620℃）。

好了，解釋完溫度的問(wèn)題。我們聚焦下燃?xì)廨啓C(jī)的型號(hào)問(wèn)題。實(shí)際上，在最初定義燃機(jī)產(chǎn)品等級(jí)時(shí)，主要就是通過(guò)燃燒溫度來(lái)進(jìn)行劃分的。

人們將燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度每100度分為一級(jí)，1100攝氏度對(duì)應(yīng)E級(jí)，1200攝氏度對(duì)應(yīng)F級(jí)，1400攝氏度對(duì)應(yīng)H級(jí)。但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同等級(jí)之間的燃燒初溫界限已經(jīng)不再那么明顯。

在一些項(xiàng)目中，還會(huì)標(biāo)注“6B級(jí)”“6F級(jí)”“9E級(jí)”“9F級(jí)”“7H級(jí)”“9H”級(jí)，這些數(shù)字+字母的組合命名方式來(lái)源于重型燃機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)縮寫。字母前的數(shù)字代表產(chǎn)品的赫茲數(shù)，不過(guò)這個(gè)邏輯有點(diǎn)怪，9代表50Hz產(chǎn)品，7代表60Hz產(chǎn)品，6代表跨界產(chǎn)品。當(dāng)然，實(shí)際具體產(chǎn)品型號(hào)更加復(fù)雜。

所以，以9H燃?xì)廨啓C(jī)為例，9H代表該燃?xì)廨啓C(jī)適用于50Hz頻率的電網(wǎng)，技術(shù)等級(jí)為H（是目前世界上燃燒溫度最高、單機(jī)功率最大、效率最高的燃?xì)廨啓C(jī)等級(jí)，如GE的9HA系列燃?xì)廨啓C(jī)）。

9H燃?xì)廨啓C(jī)還具備突出的環(huán)保性能優(yōu)勢(shì)。其燃燒技術(shù)先進(jìn)，能有效降低氮氧化物等污染物排放。以天津華電軍糧城六期項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用的GE 9HA.01燃?xì)廨啓C(jī)搭載了微孔預(yù)混燃燒室，使燃料和空氣混合更均勻，燃燒更充分，極大減少了氮氧化物排放。

https://www.sohu.com/a/430985616_667250

燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率普遍較大，單循環(huán)功率可達(dá)400MW左右（當(dāng)然也有及時(shí)MW的小機(jī)），若與汽輪機(jī)等組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，聯(lián)合循環(huán)出力通常在650MW至750MW之間。例如，華能重慶兩江燃機(jī)二期工程選用的9H級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組容量達(dá)74.2萬(wàn)千瓦，兩臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)后，電廠總裝機(jī)容量達(dá)241.8萬(wàn)千瓦，成為西南片區(qū)裝機(jī)容量最大的燃機(jī)電廠。

https://www./yingxiang/tuji/2025-03-25/2221374_pc.html

從應(yīng)用場(chǎng)景上看：

汽輪機(jī)因?yàn)?/span>依賴鍋爐系統(tǒng)，更適合大容量、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的場(chǎng)景，如燃煤電廠、核電（蒸汽由核反應(yīng)堆產(chǎn)生）、大型工業(yè)驅(qū)動(dòng)（如船舶推進(jìn)、化工壓縮機(jī)）。

則憑借啟動(dòng)快、排放低的優(yōu)勢(shì)，廣泛用于調(diào)峰電站，彌補(bǔ)風(fēng)電光伏波動(dòng)性；還可以用于分布式能源、航空的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、高端船舶（如 LNG 船、軍艦）等領(lǐng)域。

分布式能源

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

調(diào)峰電站

如上圖，在天然氣資源豐富的地區(qū)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組已成為高效發(fā)電的主流選擇。

文章最開始，我們也提到過(guò)，汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)都可以使用天然氣。這里解釋下，實(shí)際上，天然氣的使用方式有兩種。

一種是主流的形式：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CCPP,Combined Cycle Power Plant）：天然氣首先進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電（類似內(nèi)燃式做功）；燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫廢氣（約 600-800℃）進(jìn)入余熱鍋爐，通過(guò)熱交換加熱水產(chǎn)生高壓蒸汽；蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。

這種模式下，汽輪機(jī)的蒸汽溫度通常為 500-600℃（受限于余熱鍋爐的換熱效率），雖遠(yuǎn)低于燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗?，但通過(guò) “燃?xì)廨啓C(jī)+汽輪機(jī)” 的組合，可將綜合效率提升至60%以上（遠(yuǎn)超單一燃?xì)廨啓C(jī)或汽輪機(jī)的效率）。

少數(shù)場(chǎng)景中，天然氣也可像煤炭一樣直接作為鍋爐燃料，通過(guò)純蒸汽循環(huán)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電：天然氣在專用鍋爐中燃燒，直接加熱水產(chǎn)生蒸汽（參數(shù)與燃煤機(jī)組類似，超臨界壓力下約 565℃）；蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，乏汽經(jīng)冷凝器回收。但這種方式效率較低（單循環(huán)效率約 30-35%），且浪費(fèi)了天然氣清潔、燃燒速度快的特性，僅在需要利用現(xiàn)有汽輪機(jī)設(shè)備（如燃煤電廠改造）或特定工業(yè)供熱場(chǎng)景中偶見應(yīng)用。

顯而易見，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率更高，在天然氣發(fā)電中占據(jù)主導(dǎo)地位。

我們?cè)僖员砀駚?lái)對(duì)比兩者的性能特點(diǎn)：

如果我們對(duì)中國(guó)的資源和能源結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不到位，很容易會(huì)先入為主地認(rèn)為：為什么中國(guó)不大面積推廣呢？

你看美國(guó)，就都在用燃?xì)廨啓C(jī)?。?/span>

確實(shí)，中國(guó)《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2025》表明，2024年全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量33.5億千瓦，火電裝機(jī)14.4億千瓦，煤電裝機(jī)達(dá)11.9億千瓦，占火電裝機(jī)的82.6%；煤電發(fā)電量約5.15萬(wàn)億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量的54.8%。

而美國(guó)自2010年以來(lái)，超過(guò)500家燃煤發(fā)電廠關(guān)閉或退役，削減了超100GW的燃煤發(fā)電能力，其中約20GW的發(fā)電能力轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴獍l(fā)電或被天然氣電廠替代。這20GW中，聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（CCGT）電廠替代量15.3GW，先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提升了發(fā)電效率和產(chǎn)量，使得燃?xì)廨啓C(jī)在美國(guó)的天然氣發(fā)電領(lǐng)域的地位愈發(fā)重要。

2024年，美國(guó)發(fā)電量為4.6億千瓦時(shí) ，僅為中國(guó)發(fā)電量的46%（中國(guó)10億千萬(wàn)時(shí)），位列世界第二。但美國(guó)全年燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電量約2200太瓦時(shí)（1太瓦時(shí) =100億千瓦時(shí)，即2.2萬(wàn)億千瓦時(shí)）。

也就是說(shuō)，天然氣是美國(guó)發(fā)電的絕對(duì)主力能源。而煤炭在美國(guó)發(fā)電能源占比中僅位列第四，約為16%（幾乎所有燃煤電廠都使用汽輪機(jī)發(fā)電，僅有一家電廠將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體，用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電）。

那么，既然燃?xì)?/span>輪機(jī)在啟動(dòng)速度、功率密度等方面具有這么多優(yōu)勢(shì)，為什么沒有在我國(guó)的火電廠普遍采用呢？

不僅是我國(guó)，根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）等機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)顯示，煤炭作為火電的主要燃料，其對(duì)應(yīng)的燃煤電廠裝機(jī)在全球火電總裝機(jī)中的占比長(zhǎng)期保持在70%以上。

核心原因在于燃料成本、能源結(jié)構(gòu)適配性及應(yīng)用場(chǎng)景的差異。

一是供應(yīng)穩(wěn)定性與燃料成本限制。燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料的依賴性強(qiáng)，其核心燃料為天然氣、輕油等清潔燃料。我國(guó)不像美國(guó)那般家大業(yè)大，天然氣敞著用，對(duì)于 “富煤、貧油、少氣” 的中國(guó)來(lái)說(shuō)，能源稟賦決定了煤炭仍是我國(guó)電力系統(tǒng)的主力能源。天然氣國(guó)內(nèi)產(chǎn)量有限，2023年對(duì)外依存度達(dá)42%，若大規(guī)模用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，可能面臨供應(yīng)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，影響能源安全。而且，因?yàn)樯伲少?gòu)成本也顯著高于煤炭。2024年國(guó)內(nèi)天然氣均價(jià)約3.2元/立方米（折合標(biāo)煤約1200元/噸），而動(dòng)力煤均價(jià)約800元/噸，天然氣成本比煤炭高50%以上。對(duì)于年耗煤量超千萬(wàn)噸的大型火電廠，改用天然氣將導(dǎo)致發(fā)電成本大幅上升，推高終端電價(jià)。打嘴炮雖然一時(shí)爽，受傷的卻是我們的錢包。

那聰明的你一定想到了，我們可以把煤先經(jīng)氣化爐轉(zhuǎn)化為合成氣（CO、H?等），然后再做CCPP啊！確實(shí)，這種 “煤-氣互補(bǔ)” 的混合循環(huán)模式能兼顧燃料靈活性與效率提升，也有美國(guó)Kemper項(xiàng)目嘗試，但未完全成功。主要原因是系統(tǒng)集成復(fù)雜，需協(xié)調(diào)煤氣化、燃?xì)馊紵⒄羝h(huán)的參數(shù)匹配，同時(shí)煤氣化過(guò)程若凈化不足，仍可能產(chǎn)生H?S 等污染物，需配套脫硫脫碳設(shè)備；此外，煤氣化設(shè)備投資高（約占總投資的 30%），經(jīng)濟(jì)性差。

二是與火電核心需求的適配性差異。我國(guó)火電廠(尤其是燃煤電廠）的主要功能是承擔(dān)電力系統(tǒng)的基荷，需要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行（年利用小時(shí)數(shù)常達(dá)5000-6000 小時(shí)）。汽輪機(jī)配套的燃煤機(jī)組雖啟動(dòng)慢，但持續(xù)運(yùn)行時(shí)效率穩(wěn)定（超超臨界機(jī)組供電煤耗可低于260克/千瓦時(shí)），且煤炭?jī)?chǔ)存成本低、易大規(guī)模儲(chǔ)備，更適合長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行。

對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)的高效性主要體現(xiàn)在聯(lián)合循環(huán)（效率超60% ）和調(diào)峰運(yùn)行（啟停靈活），若長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，其燃料成本高的劣勢(shì)會(huì)被放大。例如一臺(tái)60萬(wàn)千瓦燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組年耗氣量約20億立方米，成本比同容量燃煤機(jī)組高約30億元，經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)低于煤電。

三是基礎(chǔ)設(shè)施與改造門檻高。我國(guó)火電裝機(jī)中82%以上為燃煤機(jī)組，配套了成熟的煤炭運(yùn)輸、儲(chǔ)存、鍋爐系統(tǒng)。若改造為燃?xì)廨啓C(jī)，需拆除鍋爐、新建天然氣管道和儲(chǔ)氣設(shè)施，單廠改造費(fèi)用可達(dá)數(shù)十億元，改造周期長(zhǎng)（1-2 年），且會(huì)造成原有設(shè)備閑置浪費(fèi)。此外，相較于覆蓋全國(guó)的鐵路、公路煤炭運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道主要集中在東部沿海和主干線，中西部地區(qū)管網(wǎng)密度低。在煤炭資源豐富的 “三西”（山西、陜西、內(nèi)蒙古）煤電基地，建設(shè)天然氣輸送系統(tǒng)的成本極高，遠(yuǎn)不如直接利用煤炭經(jīng)濟(jì)。

四是政策與市場(chǎng)導(dǎo)向的影響。我國(guó)將煤電作為能源安全的 “壓艙石”，政策上通過(guò)電價(jià)機(jī)制、保供補(bǔ)貼等保障煤電穩(wěn)定運(yùn)行。而燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的電價(jià)受天然氣價(jià)格波動(dòng)影響大，目前僅在京津冀、長(zhǎng)三角等環(huán)保要求高且天然氣供應(yīng)充足的地區(qū)有一定規(guī)模應(yīng)用（占火電裝機(jī)約 5%）。而且，盡管燃?xì)廨啓C(jī)排放更低，但我國(guó)通過(guò)超低排放改造，已使燃煤機(jī)組排放指標(biāo)接近燃?xì)鈾C(jī)組（煙塵≤10mg/m3、SO?≤35mg/m3），在環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，煤電的成本優(yōu)勢(shì)則得到了進(jìn)一步凸顯。

所以說(shuō)，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，也許它是能源界的“呂布”，但我國(guó)已經(jīng)給它留下了徐州，如天然氣豐富、需快速調(diào)峰的地區(qū)（如沿海城市），在調(diào)峰電站、分布式能源中充分發(fā)揮它的價(jià)值；而汽輪機(jī)配套的煤電，才是更符合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和基荷保供需求的“諸葛”，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)承擔(dān)火電的主力角色。