【行业观察】否极泰来，全球航空发动机和燃气轮机两机行业将迎来光明
导读：据ASME网站7月1日报道，通过年度回顾航空发动机和燃气轮机两机行业的年度价值，从整体来看，经过多年行业的发展，越来越多的人认识到这些卓越机器的优点，这使得即使某个细分市场出现下滑，其他细分市场也已经准备好填补空缺。
当然，2020年是非常不平凡的一年，全球工业总量下降，民用航空市场下滑，军用航空市场下滑，发电市场下滑，机械传动市场下滑，这对全世界都是非常严峻的一年，新冠病毒杀死了数百万人并使全球经济陷入困境，两机行业也不可避免的反映这种逆境。
这也不是该行业面临的第一次动荡。航空发动机和燃气轮机技术诞生于灾难的风口浪尖：1939 年，随着第二次世界大战的开始，航空发动机和燃气轮机都得到了完善和展示。在那些黑暗的月份和随后的战后经济复苏岁月中，没有人能想到航空发动机和燃气轮机将会蓬勃发展，在航空领域无处不在，并在电力行业中创下新纪录。
而当前的疫情危机与 1939 年第二次世界大战的危机完全不同，随着全世界各地的越来越多的人接种疫苗，全球经济应该开始恢复部分失地。在疫情之前一直在增长的两机行业也开始恢复其以前的一些势头。
美国康涅狄格州新镇的市场研究公司 Forecast International（简称FI）提供了全球航空发动机和燃气轮机行业的财务状况、其历史、现状和未来的预测。
FI公司表示，使用计算机模型和广泛的数据库，该公司的工作人员计算了 1990 年至 2020 年全球航空发动机和燃气轮机两机制造生产的价值，并预测了到 2034 年的价值，其涵盖了两机行业95 年历史中的 44 年。
FI公司报告显示，2020 年全球所有航空发动机和燃气轮机的生产价值（该公司认为比报告的销售额更准确）为 540 亿美元，低于 2018 年的 871 亿美元，下降了 38%，原因是 2020疫情。FI 公司预测，这将在 2023 年恢复到 884 亿美元，并在约10年后的 2034 年增长到 1155 亿美元。
除了 2000 年代初期的短暂时期外，为民用和军用飞机提供服务的航空动力市场占两机市场的 80% 以上。2020 年，航空动力市场的产值为 446 亿美元，低于 2018 年的 747 亿美元。这种下降完全是由于民用航空动力市场产量的减少，从 2018 年的 663 亿美元下降到 2020 年的仅 357 亿美元，两年下降了 46%。
航空发动机生产中的这种突如其来的鸿沟在商业航空史上是独一无二的。随着疫情的消退，公众将恢复航空旅行，但航空发动机行业的复苏轨迹预计会有一定的滞后性，很大一部分原因归结于二手发动机市场的增长，导致新商用喷气发动机订单滞后。
全球约有一半的航空公司机队因疫情而停飞——大约有 14,000 架商用飞机。为了削减成本，许多航空公司甚至直接退役了部分停飞的喷气式客机，从而向市场释放出了一些仍然有使用寿命的发动机，当这些发动机被安装到运行中的飞机后，昂贵的发动机大修被不断推迟。这也导致了虽然全球航空公司航班在不断恢复，但在一定时间内，发动机制造商们的盈利被推迟。
此外，以接近零的成本提供发动机按“使用小时数”进行付费的商业模式也受到了伤害，发动机制造商们不得不通过直接销售发动机和备件来弥补其利润。
去年军用航空动力市场产值为89亿美元，自2015年以来基本持平。在正常年份，军用航空动力市场是商用市场的六分之一或七分之一，生产的发动机要少得多（虽然价格上更贵）。例如，目前全球最大的军用航空发动机项目是洛克希德-马丁公司的联合攻击战斗机 F-35 的发动机，自 2009 年以来，已经交付了超过 750 台普惠F135发动机。
繁荣与萧条
燃气轮机市场并没有看到疫情对其产值造成了大的打击，尽管它确实从 2018 年的 125 亿美元下降了 25% 至 2020 年的 94 亿美元。燃气轮机市场的组成部分是机械驱动用燃机价值 15 亿美元，船舶动力燃机7 亿美元，发电用燃机 72 亿美元。这些市场之间存在相互联系：燃气轮机发电厂主要以管道天然气为燃料，其压力和流量由压缩站维持（大约每 100 公里一个），而压缩机又由机械驱动类的燃气轮机提供动力，也燃烧天然气。船舶动力市场迎合了使用燃气轮机为其广泛的电气系统驱动辅助动力装置的大型船舶。
在过去的 30 年里，发电用的燃气轮机市场经历了几次繁荣和萧条。在 2001 年的高峰期，当非理性旺盛的能源投资者对电力公用事业放松管制反应过度，造成燃气轮机发电厂供过于求时，当时的燃气轮机产值按通货膨胀调整后的美元计算达到惊人的320 亿美元，甚至短暂地超过了航空发动机市场，但随后燃气轮机市场在 2003 年暴跌至仅剩 800 万美元，然后在 2009 年和 2010 年再次升至约 200 亿美元，然后下降到疫情前的一半左右。
尽管需求不稳定，但燃气轮机已成为美国电力生产的主要方式，占 2019 年发电量的 40% 左右，并且在全球范围内日益突出。由于其设计，燃气轮机与汽轮机相比具有许多优势：它们结构紧凑，达到峰值输出运行所需的启动时间较短，初始成本较低，并且考虑到其重量和尺寸，可产生大量电力。
在上世界90 年代，燃气轮机燃烧器和透平技术取得了进步，因此在发电用的燃气轮机中，废气出口温度达到 1,000 °F (538 °C)。这些废气足够热，可以通过余热锅炉 (HRSG) 加热并驱动汽轮机，从而产生更多电力。通过将燃气轮机（布雷顿循环热机）和蒸汽轮机（兰金循环热机）组合在一个发电厂中，这两个原动机使用一种燃料发电，实现高效率的燃气-蒸汽联合循环。
这些联合循环燃气轮机设备提供许多与简单循环燃气轮机设备相同的优点。它们的资本成本很低，在美国天然气发电达到了每千瓦在 700 美元到 1,000 美元之间，而煤炭每千瓦 3,000 美元，核能每千瓦 6,000 美元（或更多）。并且由于联合循环燃气轮机发电厂可以根据需要快速启动和关闭，因此它们可以为紧急情况和间歇性可再生电力设施提供可靠的备用电源。
从页岩矿床中获取廉价天然气促使许多发电资产运营商从燃煤兰金循环发电厂转向燃气轮机发电。简单地将燃料来源从煤炭换成天然气将在碳排放方面产生一些收益，但即使是燃气朗肯循环发电厂每单位发电量排放的二氧化碳也比联合循环发电厂多。位于路易斯安那州韦斯特莱克的查尔斯湖发电站（Lake Charles Power Station）于 2020 年 3 月开始商业运营，说明了潜在的节能情况；与它所取代的以前的旧燃气蒸汽发电厂相比，预计它的二氧化碳排放量将减少 40%。
但最显着的优势之一是将这两个循环合并为一个发电操作可产生更高的热效率。使用能量守恒和热力学热效率的定义，联合循环热效率可以相当简单地推导出为两个循环的效率之和减去它们的乘积。单独运行时，布雷顿循环和兰金循环的热效率估计分别约为 40%（现代燃气轮机的良好值）和 30%（典型条件下的合理值）。
在联合循环燃气轮机工厂中，它们估计平均达到 58% 的热效率，提升显著。一流的联合循环电厂可以做得更好，热效率接近 65%，是大多数现有单循环燃煤电厂的两倍。它们的功率输出超过 1,000 兆瓦，是人类设计的最高效的热机。
在地平线上
通常当技术达到顶峰时，很自然地假设它已经接近成熟点，那么唯一剩余的进步应该是渐进式的。但在燃气轮机行业显然不是这种情况，有几个技术前沿可以帮助在未来几十年重塑燃气轮机行业。
其中之一是采用燃气轮机来燃烧氢气作为燃料。氢气在燃气轮机方面有着悠久的历史——1937 年，第一台试验台的德国喷气发动机使用氢气，因为它具有高火焰速度、宽燃烧极限和气态。正如我们所知，该途径并未被探索，因为氢的所有优势，包括其比热值（最高的任何燃料，是喷气燃料的三倍）和无污染的废气，都被缺乏现成的免费资源所抵消。作为一种高反应性元素，它必须与其反应物分离，这需要能量损失。
预计圣查尔斯发电站的二氧化碳排放量将比它所取代的单循环发电厂少约 40%。
目前，商业上使用的大部分氢气是通过将天然气暴露在高热、高压和蒸汽中制成的，这个过程会产生二氧化碳作为副产品，这种蓝氢对气候的影响甚至比煤炭更严重。然而，氢气也可以通过电解水获得——用电将水分解成氧气和氢气。如果用于电解的电力来自风能或太阳能等可再生能源，则可以正确地称为“绿氢”。
随着许多国家追求风能、太阳能、地热能、生物质能和其他可再生能源，从过剩的可再生能源可以产生的绿色、无排放的氢气，并更有可能被整合到能源生产中。各国目前正在研究向发电厂已经在使用的天然气管道和网络中注入氢气，并且一些试点项目正在进行中。
美国南加州天然气公司正在进行现场测试，将绿色氢气混合物（从 1%~20%）注入其天然气管道，英国的公用事业公司也正在混合氢气（一次使用高达 20%）为发电厂提供燃料。更高效、更环保的“纯氢”电厂已经在开发中。Long Ridge Energy Terminal 是一座沿俄亥俄河建造的 485 兆瓦发电厂，计划于 2021 年秋季开始生产，将使用天然气和 5% 的氢气混合物，目标是到 2030 年使用 100% 的纯氢发电。另一个值得关注的进步是使用超临界二氧化碳 (sCO₂) 作为工作流体的闭环配置。
在大气条件下，二氧化碳冰不会融化，而是会升华，直接变成蒸汽。在足够高的压力和温度下——高于 72.8 个大气压和 31°C——气体变成超临界流体，具有液体和气体的某些特性，并表现出异常良好的溶剂。例如，超临界二氧化碳在咖啡工业中用作脱咖啡因剂。如果用作燃气轮机中的工作流体，它有望在较低的涡轮温度下提高功率密度、减少压气机功并提高热效率。
正在俄亥俄州汉尼拔建造的长岭能源电厂旨在燃烧 100% 的氢燃料。
各种团体和组织目前正在研究、测试和开发这种适应性强的燃气轮机，以将 sCO₂ 作为高效闭环配置中的工作流体使用。桑迪亚国家实验室的一项 100 兆瓦超临界二氧化碳布雷顿循环发电厂的设计研究表明，它的热效率可以达到 50%。与类似尺寸的GE公司LMS100 相比，后者保持了简单循环燃气轮机工厂的最高效率记录，为 44.7%。
如果布雷顿循环 sCO2 燃气轮机能够以 50% 的速度成功运行，那么值得推测如果它在联合循环燃气轮机工厂中取代兰金循环会发生什么。由此产生的电厂热效率可能高达创纪录的 70%。
目前，联合循环工厂将布雷顿循环和兰金循环结合在一起。也许未来要结合的循环都是布雷顿循环，一个是开放的，一个是封闭的。这不仅会提供更高的效率，而且——如果由绿色氢提供动力——会减少对环境的影响，而且还会增加燃气轮机的销售数量。即使是在这么多麻烦的一年里，燃气轮机行业也有前途光明的潜力。
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