华天工业燃气轮机整机长试平台投入使用

来源：[中国工业报] 发布时间：2024-06-25 15:13 浏览：

日前，华天航空动力自主研制的2MW级工业燃气轮机完成3000小时加速考核试验，承担整机试车任务的试车台由无锡华天燃气轮机公司自主建设，这是江苏地区首次实现小型国产工业燃气轮机整机长试平台的自主集成设计，是我国民营小型燃气轮机自主创新发展历程中的重要里程碑。

近日，华天燃机试验台设计建设团队接受《中国工业报》专访表示，燃气轮机试验测试平台是燃气轮机产业的基石，是确保燃气轮机研制质量和性能的关键所在，民营燃气轮机企业建设试验台需综合考虑实用性、经济性及技术迭代发展等要素，全文如下。

记者：请问您能为我们介绍一下，华天最近完成的2MW级燃气轮机试验台建设项目吗？

华天：该试验台是为我公司全自主研制的HGT-2型燃机配套设计的，整个试验台由华天燃机全自主成套设计，未来华天燃机公司出厂的每一台HGT-2型燃气轮机核心机都会在该试验台上进行测试。该项目从2023年6月开始进行方案设计，到2024年2月系统完成调试，华天燃机设计团队克服了诸多技术难题，通过精密的工程计算和创新的理念设计，实现了多个分系统设计集成及高效运行，成功完成了2MW级国产燃气轮机试验台的建设并交付使用，为未来我们公司国产燃气轮机先进技术迭代发展和应用打下了坚实基础。

记者：华天为什么要投建这个燃气轮机试车台？燃气轮机试验测试的必要性是什么？

华天：燃气轮机试验能够全面验证其在各种运行条件下的性能表现，包括功率、效率、排放和可靠性等。只有通过严格的性能试验，才能确保燃气轮机达到预期的设计指标和客户需求。以DoD（美国国防部）为代表的权威机构，通过严苛的试验规范和标准，不断促进燃气轮机技术的进步。

DoD通过JSSG-2007（通用规范）、MIL-STD-1783（结构完整性大纲）等系列指南，要求燃气涡轮发动机在极端温度、振动和冲击等条件下进行测试，对关重件进行损伤容限设计及试验，进行长时间的持续运转试验，以评估其可靠性和维护需求，最终使得燃气涡轮发动机在全生命周期成本、性能、适用性、可靠性、维修性、耐久性以及适航性等得到了较好的平衡。

对于华天来说，一方面，建设试车台能够支撑我们交付给客户合格的产品。对于工业燃气轮机，现场运行故障带来的经济及名誉损失是巨大的，所以基本上每一个燃气轮机制造厂商都会建设产品配套的试车台。燃气轮机交付前需要进行出厂验收试验，到了客户处还要进行现场工况鉴证试车。燃气轮机试车台可以满足不同类型的试车需求，如小试、中试、长试以及出厂验收试车等。通过对燃气轮机进行全面、系统的测试，不仅可以验证性能指标，还可以发现潜在问题并及时改进，从而提高设备的可靠性和运行效率。

另一方面，建设试车台并开展精细化的测试是企业产品进化、提升竞争力的基础。燃气轮机试验条件及测试技术代表了企业甚至国家的工业基础，燃气轮机的设计方法和试验技术是不可能从国外引进的，尤其是试验数据库，需要花费大量的资金、漫长的周期，是这个行业的门槛所在。我国由于没有长时间的试验数据积累，技术基础薄弱制约了工业燃气轮机的快速发展。

举一个典型的例子，航空发动机或者燃气轮机在使用过程中出现叶片裂纹，燃机供应商需要根据裂纹的位置、长度及载荷谱等信息，提出检修方案或者严格的使用期限限制，以保证结构在给定的使用寿命期内不出现裂纹失稳扩展。这就涉及到损伤容限设计评定方法及试验数据库，只有通过设计、分析和大量的部件、整机试验验证才能积累损伤容限的设计经验与规范，进一步为燃机检修维护制定方案，这也是燃气轮机的检修及修理的专业壁垒较高的原因之一。

另外一个例子，随着燃气轮机燃气初温的提升或者掺氢比例的提高，燃气轮机的关键部件——燃烧室的结构、材料、排放、热声震荡、回火、腐蚀等问题都会逐步突出，仿真能够解决的问题有限，因此完善燃烧室部件及整机集成试验能力，要尝试不同尺度燃烧测试以及不断改进和完善细节设计，这都需要燃气轮机试车台的支持。

记者：能简单介绍下我们试验台的组成吗？燃气轮机试验台建设或者运行的成本高吗？主要是哪方面？

华天：试验台包括燃料系统、进排气系统、通风系统、电气控制系统、起动系统、滑油系统、传动及支承、仪表风系统、消防系统、负载系统、试验测试系统等十多个系统。我们有经验丰富的燃气轮机成套设计团队及供应链团队，他们有国内外多型燃机的成套系统及非标设备设计经验，这也是我们能够短时间内完成项目落地的主要原因。

试验台建设成本主要是场地、土木建设及设备、测量仪器仪表等固定投入。相比建设成本，批量出厂试验及长试带来的燃料动力成本更为高昂，占整个试验台运营成本的90%以上，目前我们主要是使用管道天然气为主，工业用气较民用燃气的单价高30%左右，为此一方面需要争取优惠的供气价格，另一方面需要对发出的电、热进行利用。

记者：燃气轮机在研制过程中需要开展的试验主要有哪些？我们的试验台可以满足吗？

华天：一款全新研制的燃气轮机需要开展的试验项目较多。按照试验对象划分，需要经历零部件试验、系统试验、核心机及整机成套试验，对性能、结构、各部件及系统兼容性进行相应的试验验证；按照阶段划分，需要经历小试、中试及长试，对新产品性能、安全性、可靠性、耐久性、可维护性、环保合规性的全面考核。按照学科划分，需要经历气动性能、燃烧换热、电气控制、机械传动、结构强度、材料工艺等各类学科试验。因此对于燃气轮机制造商来说，燃气轮机试验测试条件建设是开展燃气轮机设计研发的硬件基础，同时也是设备、材料、能源动力等资源投入最大的部分。

本次建设的试车台为整机试车台，主要用于华天HGT-2型燃机出厂试车，中试及长试，同时也会用于HGT-2型系列化升级的关键部件技术迭代，当然一个整机试验台不能解决所有试验需求，部件专项试验还是依托了国内供应链的支持，使得我们具备了整机集成验证的条件。未来华天在无锡的燃气轮机制造试验园区会建设自己的部件试验台、科研试车台及系列化出厂试车台。

记者：目前我们已经开展了哪些试验？能简要介绍一下吗？

华天：试验台建成后，我们先后完成了静态调试、各系统联调联试及保护功能检查、机械磨合运转、全速空载及满载试验等，完成规定试车图谱各种工况的检验，并开展了突增负荷、甩负荷及超转等特种试验，目前正在进行机组的寿命累积试车。工业燃气轮机的寿命评估主要通过启停循环次数及累计运行时间来计算，我们采用等效运行小时（EOH）对不同工况消耗的寿命进行加权累积。目前HGT-2机组已经完成超过等效3000小时的累积试车。

记者：国外先进燃气轮机厂商试车一般做法是什么样子的，我们试验台建设做法有何异同？

华天：燃气轮机短时间试验可以暴露喘振、振动、叶尖摩擦、高循环疲劳等问题，而其他高度依赖于时间和温度的故障，如低循环疲劳、热疲劳、蠕变和热障涂层劣化等，都需要通过长时间的运行才会出现。所以燃气轮机长寿命工作，必须进行耐久性长试试验考核，这是业内共识。因此国外先进燃气轮机厂商除了配套的科研试车台、出厂试车台外，还会建设燃气轮机试验电站，如三菱高砂T-Point、GE格林维尔试验电站，目前国内在燃气轮机长试方面，各厂商如中国重燃、东汽等均在逐步推进试验电站建设。

华天燃机的长试试验台建设，参考了国外小型试验示范电站的操作模式，强调与相关电厂用户的战略合作，试验台组件设计充分吸收了华天欧洲合作伙伴试验基地的设计理念，并没有采取业内普遍的室内、成本高昂的航空台架试验模式，大幅削减土建成本并开展能源利用，是目前适用于华天燃气轮机快速成熟迭代的最优方案。

记者：能更加具体介绍下华天燃机试验台建设策略是什么样的？为什么选择跟电厂合作？

华天：该试验台的建成离不开锡山经济技术开发区提供的大力支持、开发区管委会及锡山开发总公司给予的政策及空间支持。能达热电作为锡山经济技术开发区集中供热明星企业，在能源转型及新能源技术应用方面有着迫切需求及长远布局。华天燃机与能达热电签订了技术合作协议，一方面开展燃气轮机试验平台建设，另一方面，双方联合开展清洁能源燃气轮机示范验证。我们应该是国内第一家将出厂试验台建设在客户处的燃气轮机厂商，这种做法在国外也是比较常见的，如川崎在其神户工业园区建设有小型燃气轮机长试平台及掺氢的示范验证平台。

为了将试验台建设与实际应用场景相结合，我们采用了小型燃气轮机的出厂试车与长试、示范验证一体化策略，通过与热电厂进行战略合作，在热电厂进行试运行测试，充分利用电厂的资源和条件，对电力、热力进行消耗，贴近燃机实际运行工况，确保对燃气轮机所有功能的全面测试和验证。

这种一体化的试验模式不仅提高了测试场景的准确性，能够更好地贴近客户的需求，同时大幅削减了试验投入成本，可以更全面地搜集燃机运行信息，包括但不限于材料组织和性能退化规律、各部件性能恶化规律、维护保障清洗策略等，便于验证维护资料的可操作性，确定燃机的维护、检修策略。

记者：那我们这个试验台可以服务于“两机”产业链的其他企业吗？

华天：华天的企业使命就是推动能源进步，建设试验台的初衷也是开放包容的，我们欢迎从事“两机”产业链的其他企业在我们试验台上开展技术、材料或者工艺验证工作。整机试验相对于零部件试验能够提供更为准确真实的工作环境，对材料力学性能、工艺可靠性考核更为真实精确。譬如限制我国燃气轮机快速发展的热端部件材料工艺、高精度调节阀门、长寿命轴承、纯氢低排放燃烧室等均可以在我们的长试试验平台上验证，并且经济性上也是最好的，通过这种模式，我们希望带动整个行业技术的迭代发展。

记者：能否介绍下燃气轮机试验测试技术？

华天：首先，燃气轮机试验测试是一门综合性、多学科融合、对经验积淀要求较高的技术，燃气轮机内部运行环境恶劣并且复杂多变，我们一般称为燃气轮机中的“三高”，气流最大压力高于4000kPa、温度最高可达2000℃、速度高于600m/s，如何以尽可能小的误差及干扰对燃气轮机运行过程中的参数进行测量，极为考验设计能力。

国外知名的燃气轮机制造商、研究机构以及专业测试设备制造公司在测试技术研究方面持续加大投入，掌握了大量先进的测试技术。目前在国内具备相关的试验条件、能够开展燃气轮机专项测量设计与实施的单位凤毛麟角。举一些专项测量的例子供您有直观的感受：

目前三维小型化气动多孔探针直径可以做到2mm，耐温可达到1000℃，与位移机构配合使用可以在尽量减小对流路影响的条件下，实现级间、间隙处等复杂流场分布测量，精度可以达到0.1级。而用于高温测量的热电偶，长时间耐温可达到1800℃，短时耐温可以达到2000℃，基本可以满足目前最先进燃机的温度测量。

燃烧室热声震荡测试通过监测和分析燃烧室内不同位置的声压、气压及温度变化，帮助工程师了解声波与火焰的相互作用及振荡模态变化，涉及的参数多且复杂，对数据采集和处理的要求非常高，需要从众多背景噪声、海量动态高频数据中识别燃烧室潜在的流动性、结构性问题并采取相应的主被动措施进行改进。

透平叶片表面温度测量是为了研究工作状态下透平叶片表面或近表面温度梯度，进而探究燃机热端动力输出部件的温度分布情况和耐高温性能，可以为透平叶片的结构设计和服役工况提供重要的试验数据和评价依据，保证燃气轮机可靠性的同时降低了研发测试成本。常用的测温技术有薄膜热电偶测温、晶体测温和示温漆三种，华天目前采用的是示温漆测温技术，测温范围可以达到150~1350℃，测温精度达到±15℃。

喘振是指核心机内部发生的不稳定振荡现象，可能导致叶片疲劳破坏和机械损伤，严重影响燃气轮机的安全运行。核心机失速喘振在线预判技术通过实时监测典型截面，一般是压气机出口的脉动压力信号，并结合频域、时域数据分析和模型预测，可以及时识别喘振的风险，并提前预警，采取相应的措施避免或减轻喘振的发生。脉动压力测试属于常规测试技术，但是针对数据的凝练总结可以适用于不同机型的失速喘振在线预判准则技术难度较大，没有大量的试验数据作为训练输入很难研制成功。

燃气轮机试验测试技术一项高度依赖测试工具及经验积累的学科，最佳测量方式选择、测点的布置、数据处理修正、数据类型的抓取利用跟设计人员的知识储备及测试经验高度相关，没有经过大量工程项目积淀甚至是故障处理经验，很有可能造成测试数据是失真甚至无效的。

随着燃气轮机性能逐步提升，设计难度逐渐增大，燃气轮机试验测试技术也在逐步迭代发展，接触式光电、激光测量、非接触式测量等技术逐步走向成熟，未来更高精度、更宽测量范围、更高传输速度的实时、智能化测量技术会逐步应用。

记者：国内在燃气轮机试验领域的标准进展如何？燃气轮机满足什么样的标准才能交付客户？

华天：燃气轮机标准是极其重要的，它可以确保产品质量和安全性、引领性能提升与技术创新、促进交流和合作，总结提炼了燃气轮机厂商及客户对产品的需求及多年的设计经验。

在航空发动机领域，GJB241A及CCAR-33对涡轮发动机在各个阶段需要开展的试验项目做了详细规定。在燃气轮机领域，我们国家对标美国机械工程师协会ASMEPTC22及国际标准化组织ISO2314，编制了GB/T28686《燃气轮机热力性能试验》及GB-T14100《燃气轮机验收试验》两份国标，对燃气轮机验收过程中，确定燃气轮机在试验条件下的热力性能及试验结果的修正给出了方法。鉴于工业燃气轮机的行业属性，应用场景、设备类型、客户需求等有所差异，目前尚无统一标准对燃气轮机需要开展的试验项目进行规定，一些行业标准，如美国石油与天然气行业协会API616对燃气轮机交付时需要开展的试验项目进行了建议，另外，与客户签订的合同对于试验内容的约束也会作为燃气轮机试验设计的输入。客户现场72小时满负荷试运行是燃气轮机正式交付客户、开始商业运行前的最终考核试验。

除了国家标准、行业标准，一流的燃气轮机企业都会建设企业内部标准或者指南，如GER、GENPITN，这些标准一般为技术秘密，代表了企业的竞争力，其执行标准及细致程度比国标、行标都要严格的多。依据试验台测试得到的数据及安装维护经验，华天已经逐步建立起了自己的内部试验测试规范。

未来，随着试验数据积累、工程实践经验逐渐丰富，我们应当推动适合自身工业体系的试验标准的建立，提升我国燃气轮机产业核心竞争力、推动产业创新发展。

记者：简单介绍下该试验台未来的发展规划，我们未来重点关注的方向？

华天：未来HGT-2型系列燃机会在保持现有构型基础上，通过提高涡轮负荷水平、燃烧室新技术迭代升级、新材料涂层工艺的应用等手段促进产品迭代升级。该试验平台在各系统方案设计时就考虑了兼容性、可升级性。该试验台未来会作为华天及用户方在新能源燃机关键技术方面的探索验证平台，满足客户在新能源燃机方面的需求。试验台燃料系统具备高比例掺氢、掺氨、伴生气、双燃料（煤油、甲醇）等不同类型燃料的供给能力，为华天新能源燃机研制提供服务。

结束语

未来，无锡华天燃机将继续秉承“严慎细实求是精进”的理念，不断完善试验平台与测试技术，推动燃气轮机新技术的创新和应用，为推动我国能源产业的转型升级作出贡献。