300兆瓦级F级重型燃气轮机总装下线

总装团队成员在车间进行图纸校核

工作人员正在检查设备状态

基地现场人员正在对设备进行巡检。 中国重燃供图

　　我国自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机——300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机近日在上海临港总装下线。这是我国重型燃气轮机自主创新发展历程中的重要里程碑，标志着我国大功率重型燃气轮机首次走完基于正向设计的制造全过程，全面进入整机试验与验证的最终阶段。而这也成为日前召开的2024中关村论坛年会发布的十项重大科技成果之一。

　　重型燃气轮机是什么，有何用途？其自主研发制造有何难点，采用了哪些新技术、新材料、新工艺，对保障我国能源安全和绿色发展又有何重要意义？记者近日采访了中国联合重型燃气轮机技术有限公司有关负责人。

　　200余家企业、科研院所、高校等参与研制

　　8年向“新”图强聚“链”成势

　　积极发展清洁能源，是国际社会应对全球气候变化的普遍共识。作为能源领域的核心装备，重型燃气轮机是工业强国的一个重要标志，主要以天然气为燃料，具有高效率、低排放、快速启停等特征，可广泛应用于地面发电和电网调峰。

　　此次总装下线的300兆瓦级F级重型燃气轮机，由5大系统、5万余个零部件构成，是我国首次自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机，意义非比寻常。

　　“预计单台套设备在联合循环下每小时能发电约45万度，相当于北京城乡居民平均每小时总用电量的十分之一。”中国联合重型燃气轮机技术有限公司科技管理部主任默静飞介绍，相比传统火电35%至46%的发电效率，联合循环电站的发电效率可达55%至64%，且能和新能源耦合发展，在调峰中更好匹配用户需求。“发电量不足时，燃气轮机能成为电网的有效补充；发电量供过于求时，随着未来氢燃料燃气轮机研发的突破，可以先将多余的电能制氢储存，待需要用电时再将氢转化为电。”

　　这一成果，得益于研制全线向“新”图强、聚“链”成势。

　　“历时8年，北京、辽宁、上海、江苏等19个省市，200余家企业、科研院所、高校等参与研制。”默静飞给记者列出了一组数字。据他介绍，国家电投集团作为项目实施责任主体，联合哈电集团、东方电气集团、上海电气集团组建中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责具体实施，产学研用深度融合。8年来，研究团队先后攻克高温合金材料研制、控制系统设计、部件及整机设计、热端部件制造等多项关键核心技术。

　　成功背后的不易，只有亲历者才能体会。

　　记者了解到，按照燃气工作温度，重型燃气轮机可以分为E级、F级、G/H级、J级。其中，E级燃气工作温度约1200℃，F级燃气工作温度约1400℃，G/H级燃气工作温度约1500℃，J级燃气工作温度约1600℃。F级是目前国内外在役的主流机型。

　　因其需在高温、高应力、高腐蚀环境下长时间运行，涉及多物理场耦合、多学科技术集成，设计、制造、材料、测试等技术挑战极高，整机技术集成和系统性能匹配难度极大，也被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。

　　近年来，随着我国加快实现科技自立自强，工业化体系不断完善，资金、人才等保障力度持续加大，自主攻关不断取得新突破，多型重型燃气轮机相继问世——

　　2023年3月，被誉为我国“争气机”的F级50兆瓦重型燃气轮机首台商业示范机组正式投入运行，打破了数十年的技术封锁，填补了我国自主燃气轮机应用领域的空白，为清洁能源领域提供了自主可控全链条式的“中国方案”。

　　2023年6月，设计功率为110兆瓦的国产重型燃气轮机中国航发“太行110”通过产品验证鉴定，一举跨过百兆瓦门槛。

　　2024年2月，300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机总装下线，成为我国重型燃气轮机自主创新发展历程中的重要里程碑……

　　屡获突破，捷报频传。一系列新技术、新材料、新工艺，将不断带动辐射我国燃气轮机基础学科进步、产业技术发展，对保障我国能源安全和绿色发展、加快培育和形成新质生产力，推进新型工业化，建设制造强国具有重要意义。

　　“部件不是‘设计’出来的，而是‘试验’出来的”

　　实现基于正向设计的制造全过程

　　提及300兆瓦级F级重型燃气轮机的“新”，默静飞告诉记者，“自主”二字贯穿了设计制造全流程。

　　但自主之路并非坦途，正向研发成为破局的关键。

　　记者了解到，燃气轮机的工作原理是：压气机（即压缩机）连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功用来驱动发电机。

　　吕煊，中国联合重型燃气轮机技术有限公司相关项目副总设计师，也是国家电投集团重型燃气轮机领域燃气轮机设计研制学科专家。

　　“只要是正向研发，我们就能知道问题出在哪里，并且知道如何改正。”吕煊一头扎进相关研发设计领域，主持开发数个设计核心程序，牵头完成正向研发过程中的一系列试验，组织搭建起某关键核心部件设计体系与试验体系。

　　“燃气轮机工程虽难，但作为工业产品有其自身科学规律、工程规律。”通过数年的努力，吕煊和同事们一点点摸清了这一庞然大物的样子，“以燃烧室为例，背后是古老的燃烧学科，从人类学会用火，到通过燃烧煤炭化石能源大幅提升生产运行效率，燃烧本质上始终是物质、能量在不同形式间的转化。虽然燃气轮机燃烧面临着自身特有的一系列问题，但是通过建立一系列理论模型，并逐级开展不同尺度的试验进行验证，是可以在可控范围内完成可靠的工程产品的。”

　　“部件不是‘设计’出来的，而是‘试验’出来的。”这是吕煊常说的一句话，也道出了正向研发的基础所在——试验。

　　吕煊与团队成员数年如一日潜心钻研，倾心于新工件的探索试验。凭借着如履薄冰的谨慎、见叶知秋的敏锐，吕煊与团队成员保障了30余次部件级试验的平稳无虞，“把风险估计得严重一些，把困难想得更多一点，不忽视一个风险，也不放过一个隐患。”

　　这只是重型燃气轮机正向研发的一个缩影。据介绍，为支撑重型燃气轮机正向研发，重燃团队还初步建成了包括设计体系、材料体系、制造体系、试验体系在内的自主创新体系。

　　“用头发丝绣花”

　　细致匠心铸就国之重器

　　从外观看，300兆瓦级F级重型燃气轮机实属“重量级”装备，但设计制造如此庞然大物却是个“精细活”。

　　记者了解到，重型燃气轮机多数零部件需要长期在高温、高转速、高气动负荷环境下稳定运行。极端的运行环境催生了对于这些零部件质量和性能极致苛刻的要求：不仅要求材料具有极高的耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等，还要求工艺精密。

　　作为燃气轮机最核心的部件之一，透平叶片的精密铸造是加工制造过程中难度最大的环节，包含近百道工序，大到原材料性能参数调整，小到环境温湿度控制，任何一个工序的细微波动，都将直接决定最终成败。

　　然而，彼时我国产业链生产配套技术积累薄弱，需要进行工艺攻关。“我们没有捷径可走，只能不断摸索、试错。而且每一步都必须亲力亲为，否则就不知其所以然。”国家电投集团重型燃气轮机领域首席专家、中国联合重型燃气轮机技术有限公司透平叶片制造项目部总设计师吴宏说。

　　叶片测改，是透平叶片设计加工制造过程中的一个重要环节，即通过在叶片及护环上安装测点、布线，对部件在不同工况下的运行状态和参数进行监测调试改装。

　　“有了这些测点，就相当于为我们装上了‘千里眼’和‘顺风耳’，设备运行时获取的试验数据能帮助我们了解部件工作状态，降低试验过程中安全风险的同时验证设计体系和设计方案。”中国联合重型燃气轮机技术有限公司透平叶片制造项目部测改模块工作人员李骁介绍道。

　　在其同事胡君恒看来，叶片测试改装也是项精细的手艺活：“好比用头发丝那样细的线在狭小的空间上绣花，马虎不得。”加之叶片测改类型多样，工序十分繁琐。对此，测改团队一方面盯住人、盯住设备、盯住每个关键细节，提高测改工艺；另一方面，根据不同类型叶片及测点间的测改细节，为每支叶片编制“ID卡”，确保每个细节精准无误。

　　致广大而尽精微。中国重燃的每一位参研参试人员都深刻意识到，越是庞大复杂的工程，越是精于细微之处，毫厘之优定乾坤。只有对每一处细节做好严格把关，才能为整机试验顺利进行打下更扎实的基础。

　　“300兆瓦级F级重型燃气轮机后续仍需开展一系列整机试验，任务艰巨繁重。”默静飞说，下一步，项目团队将继续深入学习贯彻习近平总书记重要指示批示精神，保持战略定力，锚定工程目标，大力推进关键核心技术协同攻关，精心组织调试试验，同时深化产业链上下游企业融通发展，为加快构建我国重型燃气轮机产业生态，促进产业高质量发展贡献更大力量。

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