导读：柴油机热效率高、适应性好，自诞生之曰起便逐步取代蒸汽轮机，成为各类船舶及海洋工程装备的动力源，经过长期的发展和市场的检验，柴油机在海洋装备市场的份额处于绝对统治地位。然而随着技术的突飞猛进，被誉为现代工业“皇冠上明珠”的燃气轮机，不但翱翔蓝天，更是“下地入海”，与柴油机在诸多领域展开竞争。
目前，燃气轮机已在发电、工业驱动等行业打开一片天地，甚至连美国的Ml艾布拉姆斯、俄罗斯的T-80主战坦克也采用了燃气轮机作为主动力。
明珠好用不便宜
既然被称作“皇冠上的明珠”，那么能戴得起这顶皇冠的也必然也是那些“高富帅”们，而他们往往对振动噪声、占地空间、航行速度、燃料等都有比较特殊的要求，至于经济性则不是首要考虑目标了。既然如此，燃气轮机的客户基本锁定为军船、海上油气装备、豪华游轮、高速渡轮等。
舰船领域自然不必多讲，与内燃机相比，安静且功率密度略胜一筹的燃气轮机受到各国海军偏爱，近几年新型水面舰艇的全燃气轮机化已势不可挡。通用电气(GE)和罗罗(Rolls-Royce)的LM2500、MT30、WR-21等燃气轮机的明星产品主导着军船市场，其中，GE研制的LM2500已装备34个国家海军，Rolls-Royce公司的燃气轮机产品也已被世界20多个国家的海军所采用。
在海上油气领域，由于燃气轮机启动快、运转平稳，还可以就地取材采用油田伴生气作为燃料，以GE和索拉透平(SOLAR TURBINES)为代表的燃气轮机企业，在各类海洋油气钻采、生产装备市场拥有诸多业绩。例如：GE的LM2500及其衍生型号燃气轮机在FPSO(浮式生产储油卸油装置)项目上被广泛选用，单机功率达到42.8MW的LM6000大功率燃气轮机发电机组迄今也已有14台(套)在海洋油气装备上平稳运行。据不完全统计，自2000年以来，GE燃气轮机已在FPSO上安装了近百台。
在民船领域，燃气轮机目前还集中在以服务人员为核心的高速渡轮、豪华游轮等船型。尤其在本世纪初交付的一批豪华游轮中(表1),GE为嘉年华游轮集团(Carnival Cruise)和皇家加勒比游轮集团(Royal Caribbean Cruises)共计13艘豪华游轮提供了LM2500及其衍生型号燃气轮机作为主动力。
此外，LM2500燃气轮机还在部分中大型高速渡轮中作为主动力。对于40米以下的小型高速渡轮，美国Allison公司501-KF型燃气轮机、美国Lycoming公司TF-40型燃气轮机也有不错的业绩。需要指出的是，对于具体的动力系统形式而言，中大型船舶考虑到经济性和功能性要求，往往采用以燃气轮机为核心的复合动力系统，例如柴-燃联合循环、燃气-蒸汽复合循环以及电力推进等多种形式，而小型船舶则基本采用传统的机械推进方式。
这些年随着燃气轮机的技术不断进步和成熟，其在海洋装备领域的表现可圈可点，但在更庞大的主流运输船舶市场，燃气轮机与内燃机相比则不可同日而语。一方面是因为太贵“买不起”，燃气轮机的价格约为400～500美元/千瓦(表2),而二冲程柴油机的价格约为300美元/千瓦，四冲程柴油机价格更低。
另一方面则是太费油“用不起”，主流船用燃气轮机热效率基本在30%～40%(表3),即便采用间冷回热循环的罗罗WR-21燃气轮机，效率也仅为42%,与低速机约50%的效率相比仍有明显差距。反映在油耗方面，燃气轮机为200～225kg/(kW*h),而目前低速柴油机产品油耗约为170kg/(kW.h)。此外，如果不采用天然气等价格相对低廉的气体燃料，燃气轮机通常使用的煤油、柴油等燃料价格也较重油高。
沉寂后的回归
经历了上世纪末豪华游轮应用的热潮后，燃气轮机在民船领域的应用似乎陷入了沉寂，直到2013年快速渡船“Francisco”号的出现。该船长99米，由2台LM2500提供动力，采用LNG燃料，航速超过58节，可以同时承载1000名乘客和150辆汽车，目前用于阿根廷首都布宜诺斯艾利斯到乌拉圭首都蒙得维的亚之间的国际航线。同年，GE Marine商船市场推广总裁Jeremy W Barnes在旅游渡船“Viking Grace”号上举行的“LNG动力船舶研讨会”上指出，经过一段寂静时期后，燃气轮机将重新回归到商船领域。
果不其然，此后GE携其以燃气轮机为核心的“燃-蒸联合循环电力系统(COGES)”开始了一系列动作。2014年，GE与大连船舶重工合作研发的汽轮机动力LNG运输船设计获得英国劳氏船级社(LR)原则批准。2015年，GE与韩国现代重工(HHI)联合开发的全球首艘燃气轮机动力17.4万立方米LNG船获得LR原则批准。
2016年3月，GE与HHI、LR再次联手开发燃气轮机动力14000TEU电力推进集装箱船。同年9月德国汉堡海事展上，GE与大连船舶重工合作开发燃气轮机驱动20000TEU电力推进集装箱船获得LR原则批准，与沪东中华联合开发的燃气轮机动力17.8万立方米LNG船获得美国船级社(ABS)原则批准。11月，GE与韩国远东船舶设计与工程公司等几家单位签署了谅解备忘录，合作开发基于COGES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力推进系统)的LPG燃料渡轮，这些渡轮将用于仁川至济州岛等多条航线。
不难发现，与以往不同的是GE瞄准了几乎被柴油机垄断的远洋商船市场，并且积极与中韩两大造船国家开展深度合作。实上，COGES并不是第一次出现，早在上世纪80年代末GE就开始了燃气轮机和汽轮机联合的电力驱动系统研究，并在千禧号(Celebrity Millennium)豪华游轮中得到应用。时势造英雄，GE这次进军远洋商船市场最大的推动力，还得归功于日益严格的排放法规以及由此带来的船用燃料的变化。
在排放方面，燃气轮机较柴油机具有天生的优势，普遍采用的低排放燃烧技术使得COGES系统无需废气处理装置就可以满足IMO Tier III及美国环保署(EPA)Tier IV要求。在燃料的适用性方面，燃气轮机也可以使用多种标准、非标准的液态、气态燃料，而柴油机在采用LNG燃料时需要对内部结构和外部燃料供应系统进行大量改造。
肩油老虎华丽变身
除了天时地利，GE开发的COGES复合循环系统历经不断的完善，改变了燃气轮机油老虎的固有形象。从基本原理上看，燃气轮机排放出的高温尾气带走了大量能量，通过加装余热回收锅炉将这部分能量回收利用，用于产生驱动蒸汽轮机发电机组的蒸汽，这样以来就对燃气轮机“浪费”的能量进行了再次利用，整体系统效率显著提高。
以一套用于LNG运输船的COGES系统为例，该系统总功率为46MW,由2台燃气轮机发电机和1台蒸汽轮机发电机(根据需求轮机数量可进行增减)、余热锅炉、辅助锅炉等设备构成。根据燃气轮机与蒸汽轮机的功率分配不同，COGES系统效率可以达到50%~60%。此外，与传统柴油机动力系统相比，COGES空间节省约40%,重量减轻约60%。
近些年，GE结合自身技术优势，在海事领域动作频频。2011年9月2日，GE斥资32亿美元收购在船舶电力及推进领域拥有雄厚实力的法国Converteam公司。2013年，GE将旗下电能转换事业部、运输集团海事部、石油与天然气集团、航空集团海事部和全球研发中心的海事相关技术整合，成立了一个全新的全球船舶与海洋工程事业部。在此基础上，2015年GE公司进一步整合资源，将汽轮透平与柴油发动机、电机、变速驱动、钻井系统、自动化与控制系统以及相关业务融入海事业务范围成立海事事业部。
目前，远洋商船动力成为GE虎视眈眈的新目标，随着其在海事领域进一步拓展，燃气轮机这个曾经高高在上、成本高企的“明珠”，开始得到更大规模的应用，有朝一日，或将成为颇接地气的“大众货”?
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原标题：【行业观察】燃气轮机：走向大众化的“明珠”
