1、高溫合金需求概況
高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域,由于其有著優良的耐高溫、耐腐蝕等性能,逐漸被應用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業領域,從而大大的拓展了高溫合金材料的應用領域。隨著高溫合金材料的發展,新型高溫合金材料的出現,高溫合金的市場需求處于逐步擴大和增長狀態。
目前,國際市場上每年消費高溫合金材料近30 萬噸,被廣泛應用于各個領域。
我國目前高溫合金材料年生產量約1 萬噸左右,每年需求可達2 萬噸以上,市場容量超過80 億元。(數據來源:中國金屬學會高溫材料分會)。
而我國目前的生產能力與需求相比存在兩個缺口:
(1)生產能力不足
目前我國高溫合金生產企業數量有限,生產能力與需求之間存在較大缺口,在燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。
(2)高端產品難以滿足應用需求
我國的高溫合金生產水平與美國、俄羅斯等國有著較大差距,隨著我國研制更高性能的航空航天發動機,高溫合金材料在供應上存在無法滿足應用需求的現象。我國高溫合金企業一方面需要提高研發能力,另一方面還需要提高裝備水平,使自身具備生產更高性能高溫合金材料的實力。
目前本公司主要面向的市場為航空航天、發電領域使用的高端和新型高溫合金,該領域市場的高溫合金需求量在3000 余噸,且每年呈15%以上的速度增長。(數據來源:中國金屬學會高溫材料分會)。
高端和新型高溫合金需求增加主要來自于兩個方面:
第一,我國發展自主航空航天產業研制先進發動機,將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。
第二,我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備制造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高,拉動了對發電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產化研制的新一代發電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展,實現量產后將帶動對高溫合金的需求。同時,核電設備的國產化,也將拉動對國產高溫合金的需求。
2、航空航天領域的應用
高溫合金從誕生起就用于航空發動機,在現代航空發動機中,高溫合金材料的用量占發動機總重量的40%~60%,主要用于四大熱端部件:燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤,此外,還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件(圖6-5)。航空航天產業屬于戰略性先導產業。世界航空航天市場總額已高達數千億美元,并且正以每年10%左右的速度穩步增長。
3、燃氣輪機領域的高溫合金需求狀況
燃氣輪機是高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質的旋轉式(見圖6-9)熱力發動機,它的結構與飛機噴氣式發動機一致,也類似蒸汽輪機。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機很相似,不同處在于工質不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內燃機,所以也叫內燃氣輪機。構造有四大部分:空氣壓縮機,燃燒室,葉輪系統及回熱裝置。
燃氣輪機的最大優點是不需連桿、曲柄、飛輪等裝置,又不需鍋爐,因此體積小、重量輕,功率大到100000~200000 千瓦,效率高達60%,廣泛用于船舶動力、發電等。
因燃氣輪機噴射到葉輪上的氣體溫度高達1300℃,因此葉輪需要用高溫合金來制造。
燃氣輪機分為輕型燃氣輪機和重型燃氣輪機,輕型燃氣輪機為航空發動機的轉型,如LM6000PC 和FT8 燃氣輪機,其優勢在于裝機快、體積小、啟動快、簡單循環效率高,主要用于電力調峰、船舶動力。重型燃氣輪機為工業型燃機,如GT26 和PG6561B 等燃氣輪機,其優勢為運行可靠、排煙溫度高、聯合循環組合效率高,主要用于聯合循環發電、熱電聯產。
目前燃氣輪機發電在世界上已廣為應用,其發電容量占世界總發電容量的11%。
由于燃氣輪機具有以上優點,在全世界發達國家,燃機電廠與燃煤電廠總安裝容量為接近1﹕1,并有超過的趨勢。燃氣輪機發電已是電力結構中的重要部分,在新增發電容量中更占重要成份。據報導目前全世界每年新增加的裝機容量中,有1/3 以上系采用燃氣-蒸汽聯合循環機組,而美國則接近1/2。據不完全統計,全世界現有燒油和燒天然氣的燃氣輪機及其聯合循環的裝機容量已超過4 億kW。近些年來,世界上發達國家常規聯合循環發電得到快速發展;每年新增的聯合循環機組總裝機容量約占火電總新增容量的40%~50%。當今世界上單臺燃機最大功率已達250MW,聯合循環總功率達350MW?,F在燃氣輪機正向著大功率、高燃燒溫度發展。燃氣-蒸汽聯合循環已經成為世界上火電建設的重要組成部分。燃氣-蒸汽聯合循環發電已成為世界潮流。
從國際發展的趨勢來看,為了提高熱效率和增加機動性,需要發展大功率的(大于100MW)工業燃氣輪機組,這對材料提出了更高的要求。以渦輪葉片為例,因采用劣質燃料,加上地面工況條件差,特別是在高溫下(>1300℃)、連續工作時間很長(以萬小時計),更需要耐熱腐蝕、抗沖刷的高溫合金和耐熱涂層。目前我國每年花費在進口渦輪葉片備件上就達上億美元。國內燃氣輪機發展前景為高溫合金的使用提供了巨大的空間,而且每年的備件供應將是非常穩定的需求,初步估計市場空間在10 億元以上。
我國實現"西氣東輸"和從國外引進液化天然氣和管道天然氣之后,全國將普及天然氣的供應,國家有關部門積極發展燃氣-蒸汽聯合循環,小型燃氣輪機熱電聯產、冷熱電聯產,使我國具備了發展燃氣輪機的條件。今后幾年我國將進入燃氣輪機裝機的高峰期,未來10 年我國燃氣輪機的裝機總量將達到30000MW 以上。我國重型燃氣輪機制造業始于五十年代末。主要廠商為上海汽輪機有限公司、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司、東方汽輪機股份有限公司和南京汽輪電機(集團)有限責任公司等。
(資料來源:南京汽輪電機(集團)有限責任公司薛福培撰寫的《我國工業燃氣輪機的現狀與前景》)
本公司目前正在參與國產大型地面燃機用高溫合金渦輪盤和葉片的研發和產品試制,將有望成為公司新的業務增長點。
4、原子能工業市場
原子能工業使用的高溫合金包括:燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格架,高溫氣體爐熱交換器等,均是其他材料難以代替的。我國要陸續建成10 座60 萬千瓦的核電站。每座60 萬千瓦的核電站需用蒸發器"U"形傳熱管100 噸。此外,還有大量的堆內構件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60 萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級用管600 多噸。
根據2006 年3 月國務院通過《核電中長期發展規劃(2005-2020 年)》,我國到2020 年,核電運行裝機容量爭取達到4000 萬千瓦;核電年發電量達到2600~2800億千瓦時。在目前在建和運行核電容量1696.8 萬千瓦的基礎上,新投產核電裝機容量約2300 萬千瓦。同時,考慮核電的后續發展,2020 年末在建核電容量應保持1800萬千瓦左右。
目前核電站蒸發器"U"形管仍完全依靠進口。我國的東方電氣目前在核電裝備制造領域處于國內領先地位,廣東嶺澳核電站一期制造了兩套100 萬千瓦等級核電機組,獲得了嶺澳二期2×100 萬千瓦核電站核島回路包和常規島機電包訂單。國產核電裝備的應用,也將帶動核電裝備零部件供應市場。根據我國核電站建設規劃,我國近十年內原子能工業方面需要高溫合金材料總共約6000 噸,價值約24 億元。
核電用高溫合金目前不屬于本公司主要市場,但隨著核電發電設備逐步實現國產化,將帶動對國產高溫合金的需求。核電用高溫合金市場將是公司未來著力進入的目標市場。