【行业观察】国内首台完全自主研发和正向设计的小型燃气轮机如何炼成

导读：完成点火测试、全速空载、全速满载等一系列厂内测试，累计运行小时数超过100小时后，首台国产2兆瓦燃气轮机（1兆瓦=1000千瓦）于11月底从位于上海嘉定工业区的上海和兰透平动力技术有限公司发运至上海前滩分布式能源站项目现场，进入示范运行阶段。再通过一系列连续运行考核和现场调试后，上述国内首台完全正向设计的小型燃气轮机方可正式并网、投入商业运营。

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料（主要为天然气或柴油）的化学能转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。作为典型的高新技术密集型产品，燃气轮机的设计、材料和加工等技术门槛极高，是一个国家工业综合实力和科技水平的标志，被誉作“制造业皇冠上的明珠”。与动辄上百吨、单机功率几百兆瓦的重型燃气轮机相比，小型燃气轮机的功率范围一般在0.3兆瓦至20兆瓦之间，可依托于微电网或智能配电网，靠近工业区、商务区等冷热电用户而建，是分布式能源系统中的核心设备。

无论是重型燃气轮机还是中小型燃气轮机领域，全球市场均由为数不多的几家欧美日企业长期把持。过去十多年时间里，中国的燃气轮机自主化之路可谓荆棘遍布：“以市场换技术”的发展路线收效并不理想。在与外方的合作中，中国企业始终被隔绝在核心技术研发之外，被动受限，关键部件也依靠进口。外企的专利封锁加上自身技术基础相对薄弱，很长时间里，中国燃气轮机企业在夹缝中生存。从新机市场到利润更为丰厚的服务市场，外企主机制造商几乎占据了中国燃气轮机市场所有份额。

中国科学院上海高等研究院（下称上海高研院）与上海和兰透平动力技术有限公司（下称和兰透平）的长期联合攻关，正试图在小型燃气轮机的自主化研制上趟出一条新路。

发运至前滩现场示范运行的和兰透平ZK2000型燃气轮机示意图及实物

有别于逆向测绘仿制的“正向设计”

燃气轮机由压气机、燃烧室和透平三大部件以及相应的控制系统和辅助系统设施组成。与大型燃气轮机相比，小型燃气轮机虽参数较低、结构上更简单，但“五脏俱全”。以和兰透平此番发运的ZK2000系列燃气轮机为例，涡轮进口温度达1000摄氏度，转速达到24000转/分，发电效率达26%、冷热电联产效率可达90%，核心部件的精度误差最多为0.005mm。差之毫厘谬以千里，这对合金材料和制造工艺提出了挑战。

和兰透平的燃气轮机是科研成果落地转化的产物。追根溯源，其燃气轮机技术源自中国科学院和上海市共建的科研机构中科院上海高研院。据澎湃新闻了解，在高研院正式成立之前，2008年成立的上海中科清洁能源技术发展中心（以下简CCET）先行承担了小型燃气轮机的前期设计任务，于2011年左右完成首款小型燃气轮机的雏形搭建，团队整建制转入高研院，随即启动工程样机研制。此后两年内，该科研团队先后完成燃气轮机关键部件研制与试验以及整机试验与性能测试。

为继续推进技术工程化与示范，2015年8月在上海市战略性新兴产业资金的支持下，和兰透平公司成立，高研院、CCET与和兰透平共同签署技术转让协议，转让“MW级全径流式燃气轮机”有关的所有专利、专有技术及相关配套技术。上海高研院继续提供理论、技术支持，多方合力推动小型燃气轮机产业化。

“相比于其它叶轮机械，燃气轮机研发的难点在于其高温和高速旋转的工作环境。在高温工况下，关键零部件会因热膨胀和离心力作用而变形。”上海高研院副院长、和兰透平首席科学家黄伟光博士对澎湃新闻（www.thepaper.cn）介绍说，如何使得设备的冷态设计在动平衡下能够满足热态参数要求，是其中的关键。比如，运行状态下压气机的转动件和静止件的间隙仅为0.2毫米，但该尺寸只有在满转速运行状态下、温度达到热平衡之后才能实现，且压气机叶轮叶片在热膨胀后会弯曲。这意味着，在设备设计中必须由热态参数推算出冷态时的加工和装配尺寸。

要解决上述问题，一种常用的做法是不对冷热态参数作分析推导，直接拿国外机组进行测绘。知其然而不知其所以然，是长期横亘在燃气轮机国产化面前的一大障碍。“这种逆向设计在本质上就是仿制，需要不断修改参数来试错逆推，不仅试错成本极高，而且很容易触及专利问题。”黄伟光称，和兰透平在设计研发过程中，全部零部件均采用了正向设计，也即先设计热态产品参数，再从中撇除热膨胀、离心力带来的变形等影响因素，折合得出冷态坐标数据进行加工。

此前，中国曾通过“打捆招标”方式引进了E、F级重型燃气轮机的制造技术。但据澎湃新闻了解，上述中外企业合作过程并不涉及燃气轮机设计研发合作。也就是说，中国企业只能采用来图加工方式完成制造和销售，却无法参与联合研发，更别说涉足利润更为丰厚的燃气轮机服务环节。

黄伟光认为，燃气轮机的可靠性在于研发人员真正搞明白每个环节每个数据，能解释每张图纸和每份数据，使一切做到“可量化”、“可追溯”。燃气轮机行业有句名言，“Devil is in details! 一切尽在细节中。”

燃气轮机所涉学科和行业颇多，属于牵引带动性产业，其发展对于高温材料、精密铸造等都具有推动作用。在材料方面，大口径的高温合金棒材属于对我国禁运的材料，为此，和兰透平联合国内顶尖科研机构研制出适用于小燃气轮机的高温合金材料。在高温叶片制造方面，和兰透平提供需求和标准，培育了合格供应商。

截至目前，和兰透平自主研发生产的小型燃气轮机已在保利协鑫苏州蓝天（ZK1200）、上海科技大学能源中心（ZK1200）、国电投上海前滩新能源公司（ZK2000）开展示范运行。据介绍，其下一步的研发计划是围绕2兆瓦产品，逐步提高涡轮前温度，结构从全径流过渡到全轴流，基于简单循环机型发展回热循环机型和双燃料机型，形成600千瓦、2兆瓦、8兆瓦系列产品。

燃气轮机解决“卡脖子”后，更须完整工业体系支撑

除了带动金属材料和设备制造水平提升外，高端装备制造实现国产化后最直接的结果是成本下降。与重型燃气轮机领域“三巨头”GE、西门子、三菱-日立长期占据约九成市场份额相类似，目前小型轮机领域的玩家集中度也很高，主要包括卡特彼勒全资子公司索拉（Solar）、日本川崎（Kawasaki）和荷兰OPRA公司等。

黄伟光对澎湃新闻介绍称，燃气轮机分布式电站的经济效益取决于初投资和后续运行费用两方面。在初投资方面，和兰透平的目标是产品量产后价格较国外同级别产品有较大幅度降低。在目前价格居高不下、仍由国外厂商垄断的维修保养服务方面，今后燃气轮机也无须再斥资远渡重洋返厂，24小时就可做到迅速响应。

黄伟光认为，在燃气轮机研发上，首先要解决“卡脖子”的问题。此外，燃气轮机并非一蹴而就的产品，需要长期经验积累，更需要完整的工业体系作为支撑。“我们的感触特别深，没有正向设计，以后所有事情都走不远、很容易遇到麻烦，走着走着又会回到仿制别人的老路上。另外，燃气轮机属于多学科协同的领域，光设计出来没有用，最终是要做出来、实际运行，否则所谓掌握了这项技术都是空话，这需要材料、工艺，甚至配套零件等各方面的配合。那个箱子里除燃气轮机之外的零配件，比如阀门、传感器、卡套等看齐不起眼的零部件要达到国际水平，还需要走很长的路。”

国家层面的政策引导与要求已然明确：2017年5月，国家发展改革委、国家能源局印发的《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》明确，2020年，结合引进技术消化吸收，突破重型燃气轮机设计技术、高温部件制造技术和运行维护技术，解决燃气发电项目设备瓶颈，国内基本形成完整的重型燃气轮机产业体系。各类中小型燃气轮机自主设计制造体系进一步完善，各类中小型燃气轮机装备初步实现系列化，满足各类能源项目需求。

在关键部件材料上，上述《若干意见》要求，加快突破压气机轮盘和叶片、燃烧室部件、喷嘴、透平轮盘和叶片等高温合金材料。开展高温母合金研发设计，形成母合金规范并实现批量化生产制备。建设完善关键部件材料的力学和物理性能试验以及无损探伤等条件,完善热通道部件材料力学和物理性能数据库。进一步提升大尺寸高温合金叶片(单晶、定向结晶等)铸造、复杂结构高温合金精密铸造、透平轮盘制造和其它设备铸件等技术和工艺水平。对于分布式燃气轮机项目，该文件鼓励天然气分布式能源与电力用户直接签订交易合同，自主协商确定电量和价格。

上海的燃气轮机产业始终走在全国前列，目前已形成覆盖多个功率范围的燃气轮机产品研制能力，逐渐建立起从部件供应到整机设计、制造、维修和应用的全产业链。除专注小型燃气轮机研发的和兰透平外，在重型燃气轮机领域，国内最大综合性装备制造集团之一上海电气在2014年以4亿欧元竞得欧洲老牌燃气轮机制造商意大利安萨尔多公司40%股份。通过与安萨尔多的合作研发，以及间接收购阿尔斯通燃气轮机技术，上海电气是是国内同时拥有H级、F级、小F级和E级（含低热值燃气轮机）技术的重型燃气轮机设备供应商。

此外，2014年，原中国电力投资集团公司与哈尔滨电气集团、东方电气集团、上海电气集团、大唐集团等合作组建的联合体企业——中电联合重型燃气轮机技术有限公司在上海成立，目标是“攻克关键瓶颈技术，形成自主知识产权的燃气轮机核心技术”。2015年中电投与国家核电技术公司重组后，该公司成为国家电力投资集团有限公司（下称国家电投）控股企业。

2017年4月，上海市政府与国家电投在沪签署战略合作框架协议。根据协议，国家电投将在沪全面实施重型燃气轮机国家科技重大专项。同年8月，经国务院同意，中电联合重型燃气轮机技术有限公司更名为中国联合重型燃气轮机技术有限公司，成为国家“重型燃气轮机型号和工程研制、关键技术研究与验证等项目”的具体实施单位。

相关阅读：

来源：澎湃新闻

（欢迎加小编微信号：gtc6000；QQ群：603094810；资料都存在QQ群文件夹中）

---

免责声明：本公众号所载内容为本公众号原创或网络转载，转载内容版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权或其他问题，请跟我们联系！转载内容为作者个人观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。本公众号拥有对此声明的最终解释权。