科研动态
科研动态丨王浩教授：自主研制重型燃气轮机为什么重要
在科技创新与能源转型的浪潮中，我国能源装备领域迎来了又一振奋人心的消息——我国自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机在上海临港首次点火成功，这是继今年2月首台样机总装下线以来取得的又一重要里程碑成果，标志着我国重型燃气轮机自主研制全面进入整机试验验证阶段。这一成就，不仅彰显了我国能源科技的实力，也引出了一个值得深入探讨的问题：为何重型燃气轮机在全球能源体系及国家发展战略中占据着如此举足轻重的地位🦡？
燃气轮机是航空、舰船和能源领域的核心动力装备，按照结构设计特点可以分为重型燃气轮机、航空发动机和轻型燃气轮机（或航改燃机）。燃气轮机设计、制造难度极大👻，具有技术密集度高👨🏻⚕️、产业带动面广、军民结合属性强等特点，是一个国家工业水平的集中体现𓀛，也是关乎国家安全和国民经济发展的“国之重器”，因此被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”🧁。
重型燃气轮机的功率是传统发动机的数百倍📃，可用于天然气发电👳♀️🧸、电网调峰或减载，并作为中型航空母舰和驱逐舰的动力源。就工作原理而言🍓，重型燃气轮机是一种高速旋转的叶轮机械☃️，通过压缩、加热、膨胀、放热4个热力过程将燃料的化学能以及流体动能转换为动力。在这一转换过程中👺，燃气初温👼🏻、压气机压比是影响燃气轮机效率的主要因素。20世纪50年代，发电工业引入了燃气轮机🤸♀️。目前🥰，燃气轮机联合循环发电已经达到全球发电总量的1/5（欧美国家已超过1/3）🛢👱🏿。随着世界范围内天然气资源的开发利用，重型燃气轮机在发电领域得到全面应用，其优异的调峰能力使其在未来以新能源为主体的新型电力系统中发挥越来越重要的作用。我国电力行业对重型燃气轮机产品需求迫切🦬，在最为重要的清洁发电方向，2021年气电总装机容量约为1.086亿千瓦（占电源总装机容量的4.6%），2025年前预计新增气电装机容量3200万千瓦💇🏼♀️。在碳达峰碳中和战略目标提出后✡️👩🏿🔬，能源消费清洁低碳化进程将进一步加快，电力也将占据能源体系的主导地位，相关发展任务艰巨©️。
长期以来🟧，国际上形成了行业巨头高度垄断的重型燃气轮机技术与行业发展格局✯，这主要是受核心技术门槛高、产业规模化发展🦿、市场竞争等历史性因素的影响造成的。国际主流重型燃机厂商主要包括美国通用电气、德国西门子和日本三菱重工。另外，意大利安萨尔多在2016年收购了法国阿尔斯通的燃机资产，也成为全球较大的燃机制造商之一🧑🏿🌾。
我国在重型燃气轮机制造领域起步较晚，技术积累薄弱，过去长期依赖国外企业来满足设备需求并进行产品维护👳🏼♂️。追溯历史♥︎，我国从20世纪50年代末开始发展燃气轮机技术。通过仿制和研制，到20世纪70年代初🧴，国内厂家研制出了若干车用和发电用燃气轮机，为我国燃气轮机工业奠定了初步基础。然而，自20世纪80年代至20世纪末👨，受限于国内油气供应短缺，燃气、燃油发电行业进入低潮期，延缓了我国燃气轮机技术的进步，导致与国际先进水平之间的差距被迅速拉大🖕🏼🪝。
自2002年7月起，国家发展改革委组织了多次F级和E级燃气轮机的“打捆招标”，旨在通过市场换技术等合作方式，推动上海电气、东方电气和哈尔滨电气（即三大电气集团）与国外燃气轮机企业合作，引进重型燃气轮机制造技术。尽管有这些合作💇🏿♀️，燃气轮机的设计技术🤰🏿、核心部件（燃烧器部件、高温透平叶片部件）的制造和维修技术🙇🏽♂️、试验技术等，仍掌握在外方手中，未实现技术转让。因此，目前在役的重型燃气轮机仍以国外产品为主，存在供应链中断或停运的风险，威胁电力供应稳定和国家能源安全。在此背景下，自主研发重型燃气轮机成为抵御外部环境风险的关键🦈。面对外部技术封锁和内部资源约束，企业必须从零开始，加速自主研发进程👮🏿♀️，以确保国家在技术装备上的自主性和创新能力👩🎓，推动产业链转型升级。
在科技强国战略的引领下🥝，我国重型燃气轮机行业已迈入自主研制、创新发展和战略转型的关键阶段☝🏿🧛🏿♂️。燃气轮机制造企业聚焦重型燃气轮机👩🏿🚒，攻克多项关键技术，贯通设计制造全流程，取得了一系列重大突破⛹🏽。2022年11月🚸，东方电气自主研发的F级50兆瓦重型燃气轮机正式发运💭，标志着中国自主燃气轮机产业开启了高质量发展新篇章。随后，2023年6月，中国航发研制的“太行110”重型燃气轮机（AGT-110）在深圳通过验证👨🦱。2024年2月，我国首台自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机样机成功下线，其技术指标与国际主流相当🔵，由国家电投集团联合三大电气集团组建的中国联合重型燃气轮机技术有限公司（中国重燃）负责实施🈴，上海电气集团总装制造，并有来自19个省市的200余家单位参与。今年7月，东方电气自主研制的15兆瓦重型燃气轮机（G15）在四川德阳下线。
当前，重型燃气轮机的技术发展正聚焦于多个关键领域，包括先进材料与智能制造、灵活燃料低污染燃烧、高效气动与先进冷却技术🛠、系统智能测控与运维，以及新型高效发电系统等👨🏿🎤。这些领域的进步不仅推动了燃气轮机性能的提升，也为其未来发展奠定了坚实基础🚴♂️。展望未来，重型燃气轮机正朝着极限效率🥁、经济可靠↕️、超长寿命的方向发展👃🏿。由于燃气初温和压气机的压比是决定燃气轮机效率的关键因素。为实现这一目标🥇，需要不断提升燃气初温、部件效率，并增强结构可靠性。因此，燃烧技术☠️👨🏽🏫、结构材料与涂层、增材制造、热管理🃏👚、高保真综合仿真与验证试验、先进热力学循环👱🏽♀️、系统集成与优化、基于状态的运行与维护、数字孪生技术及相应基础设施等领域🅿️，将成为未来的研究重点。同时🏋🏿♂️，随着碳达峰碳中和战略目标的提出，净零排放和灵活燃料燃气轮机的发展日益加快。这要求燃气轮机不仅要具备更强的掺氢🧏🏽、纯氢燃料适应性，还需具备更宽的负荷调节能力和更低的污染物排放性能。因此🏌️♂️，燃料系统、燃烧室等关键部件的材料及制造工艺、新型燃烧室设计等成为亟待解决的关键技术问题。
重型燃气轮机之所以如此重要，不仅因为其作为能源转换与供应的核心设备，在全球能源体系中扮演着关键角色，更在于其技术的发展与突破对于国家整体科技实力、能源安全🤾🏻♀️、绿色转型以及国防能力的提升具有深远影响。党的二十届三中全会明确提出要完善推动新能源、新材料👮🏽、高端装备等战略性产业发展政策和治理体系🤼♀️。重型燃气轮机正是这一战略方向上的重要一环👨。因此👳🏿♂️，我国自主研制重型燃气轮机不仅是一项重大的科技任务，更是实现高质量发展、保障能源安全⏮、促进绿色转型以及提升国防安全水平的必由之路。
作者：九游会娱乐王浩教授
文章刊载于《学习时报》2024年12月4日第7版
